EP0993007B1 - Transformatorenanordnung mit Kühlkreislauf - Google Patents

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EP0993007B1
EP0993007B1 EP99250348A EP99250348A EP0993007B1 EP 0993007 B1 EP0993007 B1 EP 0993007B1 EP 99250348 A EP99250348 A EP 99250348A EP 99250348 A EP99250348 A EP 99250348A EP 0993007 B1 EP0993007 B1 EP 0993007B1
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transformer
cooling
housing
coil
cooling channels
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Helmut Nieke
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Nieke Elektroapparate Berlin GmbH
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Nieke Elektroapparate Berlin GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/10—Liquid cooling
    • H01F27/12—Oil cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2876—Cooling

Definitions

  • the invention relates to a transformer arrangement with cooling circuit, especially for use as Railway transformer arrangement according to the preamble of Main claim.
  • a transformer arrangement according to the The preamble of claim 1 is from FR-A-1 510 551 known.
  • railway transformers which act as disc winders are formed, the primary and Secondary windings are designed as disks are arranged axially side by side on the core.
  • Such transformers are provided with cooling, where the coolant, here transformer oil over nozzles under high pressure between and on the disc-shaped windings is energized. The oil is drawn off via a pump and fed to a cooler and then used again for cooling.
  • Such a known disc winder with cooling has the disadvantage that the on or between the Coils injected cold oil very quickly with that hot oil in the transformer mixes so that a large amount of oil, e.g. 1000 l circulated must be, if only 400 l are effectively necessary.
  • large sizes occur in a disc winder axial short-circuit forces on those with corresponding Clamping elements must be taken into account.
  • the invention has for its object a transformer arrangement to create the small dimensions and has an effective cooling system available provides.
  • the transformer is designed as a layer winder is where between the winding layers Cooling channels are provided that are targeted and essentially laminar flows through the cooling medium can be a transformer arrangement with extreme low height are made available has an extraordinarily high cooling efficiency.
  • the transformer coil is almost in shape a heat exchanger formed, the cooling channels can be very thin, e.g. clear spaces of smaller 3 mm. This makes it a low all-round The amount of oil required, the speed is slow and the pressure drops are also low.
  • the loss generator i.e. the Transformer coil heated amount of oil after recooling through the cooler directly without mixing with the Oil in the housing to cool the coil again the cooling efficiency is increased.
  • the the advantage that arises here lies in the respective Difference to the resulting mixing temperature recooled liquid and the liquid that according to the amount of liquid in the boiler and their possibility for temperature compensation directed.
  • An adjustment of the temperatures with the boiler liquid can only in the area of the short inlet channels take place in the cauldron. Because of the low the aggregates, how circulation pump and cooler are made smaller. Because the pressure drops in the controlled management of the cooling medium through the cooling channels at which cold oil specifically introduced into the hot coil is, the cooling medium becomes less Pressure e.g. Atmospheric pressure, introduced into the housing, whereby this is designed as a low pressure boiler can be, which has the consequence that it is easier can be built as it is in the state of the art Case is.
  • Fig. 1 is a transformer arrangement with a cooling system shown as a railway transformer in less Construction height under the car floor of a multiple unit assemble.
  • a cooling system shown as a railway transformer in less Construction height under the car floor of a multiple unit assemble.
  • the one shown in Fig. 1 System consists of at least one in one housing or boiler 1 recorded, not shown in Fig. 1 Transformer, a circulation pump 2, one Cooler 3 with fan and corresponding connecting lines 4, which the warm cooling medium from the Route the boiler to the circulation pump 2 and the cooler and the cold cooling medium, i.e. Transformer oil again return to boiler 1.
  • pressure gauges P and temperature measuring devices T provided and continue a flow meter Q can be used in the lines 4 his.
  • the cooling system is monitored in the essentially by controlling the temperatures of the the transformers cooling liquid instead.
  • a Inadmissible temperature signals the error for coil faults, for pump failure or underperformance, for cooler or duct contamination or on impermissible overload or driving operation.
  • Figs. 2 and 3 is a coil of the transformer shown in longitudinal and cross section according to is based on the principle of a heat exchanger.
  • the Coil 5 has an inner support tube 6 on which concentrically a high-voltage winding 7 as the primary winding is wound, for example for a High voltage of 25 kV is designed.
  • the high voltage winding 7 consists of several layers, between which spacer strips 8 are attached. These spacer bars 8 extend over the entire length the high-voltage winding 7, being between inner Carrier tube 6 and the first layer preferably also Last 8 are arranged.
  • the traction winding 9 On the high voltage winding 7 sits the traction winding 9 as a secondary winding, which also comprises several layers and for example for a low voltage of 2000 V is designed.
  • a separation tube 10 is provided, that's the insulation between the two windings ensures. Also between the layers of the traction windings strips 8 are provided.
  • the strips 8 define the size or the clear Width of cooling channels 11, the clear width less than 4 mm, preferably less than 3 mm can be.
  • the high-voltage winding 7 and the traction winding 9 can also be produced separately from one another, whereupon they are inserted into each other.
  • the windings are in an outer carrier tube 12 added, the inner support tube 6 and the outer carrier tube 12 on both sides over the windings 7, 9 protrude.
  • the windings are of radial arranged pressure pieces 13 and one each the end of the carrier tubes 6, 12 closing annular Pressure flange 14 set. Between pressure flanges 14 and the winding ends is thus each one from space segments between the pressure pieces 7 formed distribution chamber 15, which at the same time as high-voltage security against ground and stray fields serves and prevents stray fields penetrate the yoke.
  • the pressure pieces 13 have holes 16 on through the segments of the distribution chamber 15 are connected. Continue to point the pressure flanges 14 flow openings 17 for the Cooling medium.
  • the carrier tubes 6, 12 and the separation tube 10 and the spacer strips 8 for the cooling channels 11 Made from glass fiber composites that their requirements for insulation strength and mechanical Meet strength.
  • Figs. 2 and 3 coil is shown together with an identical coil on the two legs of a core put on and in the housing 1 or the boiler used, the core held together by clamping elements designed as press iron and is connected to the housing.
  • the Press iron are designed as hollow profiles that Have flow openings, which in turn with the Flow openings 17 of the coils 5 in connection stand.
  • the housing preferably also has hollow profiles on that for the supply and discharge of the cooling medium into the press iron and if necessary as side streams serve inside the case. Coils and core are attached in the housing, being in the housing still other components such as chokes or the like can be included.
  • Fig. 4 is the flow diagram in the schematic Housing 1 shown, the one corresponding to FIG. 1 on the one hand with the cooler 3 and on the other hand with the circulation pump 2 is connected.
  • 4 are two coils 5 on each leg 18 of the core arranged in parallel and via the return line 4 from Cooler 3 becomes cold oil corresponding to the housing 1 the arrow 19 fed.
  • the oil gets into the hollow profile trained press iron, what by the reference numeral 20 is indicated, and flows through the flow openings 17 in the flanges 14 in the distribution chambers 15. From the distribution chambers 15, the oil in one essentially laminar flow through the cooling channels 11 of the coils 5 passed through what Arrows 21 is indicated. Due to the laminar flow there are hardly any pressure losses in the coil and the cold oil is targeted in the narrow cooling gaps passed through the hot coil, creating heat without the disadvantages of laminar flow are dissipated in a controlled manner becomes.
  • the oil leaves the coils it can be brought out in a targeted manner or it can be used for cooling secondary Loss generators are used, such as recorded in another chamber in the housing can be what is indicated by the reference number 22 is indicated.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Transformatorenanordnung mit Kühlkreislauf, insbesondere zur Verwendung als Bahntransformatoranordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Eine Transformatoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus FR-A-1 510 551 bekannt.
Es sind Bahntransformatoren bekannt, die als Scheibenwickler ausgebildet sind, wobei die Primär- und Sekundärwicklungen als Scheiben ausgebildet sind, die axial nebeneinander auf dem Kern angeordnet sind. Derartige Transformatoren sind mit einer Kühlung versehen, bei der das Kühlmittel, hier Transformatorenöl über Düsen unter hohem Druck zwischen und auf die scheibenförmigen Wicklungen beströmt wird. Das Öl wird über eine Pumpe abgezogen, einem Kühler zugeführt und anschließend wieder zur Kühlung verwendet. Ein solcher bekannter Scheibenwickler mit Kühlung hat den Nachteil, daß sich das auf- bzw. zwischen die Wicklungen eingedüster kalte Öl sehr schnell mit dem im Transformator vorhandenen heißen Öl mischt, so daß eine große Menge Öl, z.B. 1000 l im Kreislauf geführt werden muß, wenn nur 400 l wirksam notwendig sind. Darüber hinaus treten bei einem Scheibenwickler große axiale Kurzschlußkräfte auf, denen mit entsprechenden Spannelementen Rechnung getragen werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Transformatoranordnung zu schaffen, die geringe Abmessungen aufweist und ein effektives Kühlsystem zur Verfügung stellt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Dadurch, daß der Transformator als Lagenwickler ausgebildet ist, bei dem zwischen den Wicklungslagen Kühlkanäle vorgesehen sind, die gezielt und im wesentlichen laminar von dem Kühlmedium durchströmt werden, kann eine Transformatoranordnung mit äußerst geringer Bauhöhe zur Verfügung gestellt werden, der einen außerordentlich hohen Kühlwirkungsgrad aufweist. Dabei ist die Transformatorspule quasi in Form eines Wärmetauschers ausgebildet, dessen Kühlkanäle sehr dünn sein können, z.B. lichte Weiten von kleiner 3 mm aufweisen. Es wird dadurch eine geringe umlaufende Ölmenge verlangt, die Geschwindigkeit ist gering und gleichfalls sind die Druckabfälle gering.
Dadurch, daß die durch den Verlusterzeuger, d.h. die Transformatorspule aufgewärmte Ölmenge nach der Rückkühlung durch den Kühler direkt ohne Mischung mit dem im Gehäuse befindlichen Öl zur Kühlung der Spule wieder zugeführt wird, wird der Wirkungsgrad der kühlung erhöht. Der hierbei auftretende Vorteil liegt in der jeweiligen Differenz zur sich einstellenden Mischtemperatur aus rückgekühlter Flüssigkeit und der Flüssigkeit, die sich nach der im Kessel befindlichen Flüssigkeitsmenge und deren Möglichkeit zum Temperaturausgleich richtet. Ein Angleichen der Temperaturen mit der Kesselflüssigkeit kann nur im Bereich der kurzen Zulaufkanäle im Kessel stattfinden. Aufgrund der geringen umzuwälzenden Kühlmediummenge können die Aggregate, wie Umwälzpumpe und Kühler kleiner ausgebildet werden. Da die Druckabfälle bei der kontrollierten Führung des Kühlmediums durch die Kühlkanäle, bei der kaltes Öl gezielt in die heiße Spule eingebracht wird, gering sind, wird das Kühlmedium mit geringerem Druck z.B. Atmosphärendruck, in das Gehäuse eingebracht, wodurch dieses als Niederdruckkessel ausgebildet sein kann, was zur Folge hat, daß er leichter gebaut werden kann als es im Stand der Technik der Fall ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • Fig. 1 die zu einem Kühlkreislauf miteinander verbundenen Bauelemente der erfindungsgemäßen Transformatoranordnung mit Kühlsystem,
  • Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Transformator,
  • Fig. 3 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Transformator und
  • Fig. 4 eine schematische Darstellung der im Gehäuse aufgenommenen Transformatoren mit Strömungsaufteilung.
    • In Fig. 1 ist eine Transformatoranordnung mit Kühlsystem dargestellt, der als Bahntransformator in geringer Bauhöhe unter den Wagenboden eines Triebzuges zu montieren ist. Dabei ist die verfügbare Einbauhöhe beispielsweise 450 bis 550 mm. Das in Fig. 1 gezeigte System besteht aus mindestens einem in einem Gehäuse bzw. Kessel 1 aufgenommenen, in Fig. 1 nicht dargestellten Transformator, einer Umwälzpumpe 2, einem Kühler 3 mit Ventilator und entsprechenden Verbindungsleitungen 4, die das warme Kühlmedium aus dem Kessel zur Umwälzpumpe 2 und zum Kühler leiten und das kalte Kühlmedium, d.h. Transformatorenöl wieder in den Kessel 1 zurückführen.
    Zur Überwachung des Kühlsystems sind Druckmeßgeräte P und Temperaturmeßgeräte T vorgesehen und weiterhin kann in die Leitungen 4 ein Durchflußmesser Q eingesetzt sein. Die Überwachung des Kühlsystems findet im wesentlichen durch die Kontrolle der Temperaturen der die Transformatoren kühlenden Flüssigkeit statt. Eine unzulässige Temperatur signalisiert dabei Fehler die auf Spulenfehler, auf Pumpenausfall oder Minderleistung, auf Kühler- oder Kanalverschmutzung oder auf unzulässigem Überlast- oder Fahrbetrieb beruhen können.
    In dem Kessel oder Gehäuse 1 sind zwei Transformatoren parallel nebeneinander angeordnet, wobei die entsprechenden Spulen auf zwei Schenkeln eines Kerns sitzen.
    In den Fign. 2 und 3 ist eine Spule des Transformators im Längs- und Querschnitt dargestellt, die nach dem Prinzip eines Wärmetauschers aufgebaut ist. Die Spule 5 weist ein inneres Trägerrohr 6 auf, auf die konzentrisch eine Oberspannungswicklung 7 als Primärwicklung gewickelt ist, die beispielsweise für eine Hochspannung von 25 kV ausgelegt ist. Die Oberspannungswicklung 7 besteht aus mehreren Lagen, zwischen denen Distanzleisten 8 angebracht sind. Diese Distanzleisten 8 erstrecken sich über die gesamte Länge der Oberspannungswicklung 7, wobei zwischen innerem Trägerrohr 6 und erster Lage vorzugsweise gleichfalls Leisten 8 angeordnet sind. Auf der Oberspannungswicklung 7 sitzt die Traktionswicklung 9 als Sekundärwicklung, die gleichfalls mehrere Lagen umfaßt und die beispielsweise für eine Niederspannung von 2000 V ausgelegt ist. Zwischen Oberspannungswicklung 7 und Traktionswicklung 9 ist ein Separationsrohr 10 vorgesehen, das die Isolierung zwischen beiden Wicklungen sicherstellt. Auch zwischen den Lagen der Traktionswicklungen sind Leisten 8 vorgesehen.
    Die Leisten 8 definieren die Größe bzw. die lichte Weite von Kühlkanälen 11, wobei die lichte Weite kleiner als 4 mm vorzugsweise kleiner als 3 mm ausgebildet sein kann.
    Die Oberspannungswicklung 7 und die Traktionswicklung 9 können auch getrennt voneinander hergestellt werden, wobei sie anschließend ineinandergesteckt werden.
    Die Wicklungen sind in einem äußeren Trägerrohr 12 aufgenommen, wobei das innere Trägerrohr 6 und das äußere Trägerrohr 12 beidseitig über die Wicklungen 7, 9 herausragen. Die Wicklungen werden von radial angeordneten Druckstücken 13 und von jeweils einem das Ende der Trägerrohre 6, 12 abschließenden ringförmigen Druckflansch 14 festgelegt. Zwischen Druckflanschen 14 und den Wicklungsenden wird somit jeweils eine aus Raumsegmenten zwischen den Druckstücken 7 gebildete Verteilerkammer 15 hergestellt, die gleichzeitig als Hochspannungssicherheit gegen Masse und Streufelder dient und vermeidet, daß Streufelder in das Joch eindringen. Die Druckstücke 13 weisen Löcher 16 auf, durch die Segmente der Verteilerkammer 15 miteinander in Verbindung stehen. Weiterhin weisen die Druckflansche 14 Durchströmöffnungen 17 für das Kühlmedium auf.
    Die Trägerrohre 6, 12 sowie das Separationsrohr 10 und die Distanzleisten 8 für die Kühlkanäle 11 sind aus Glas-Faser-Verbundwerkstoffen hergestellt, die ihren Anforderungen an Isolationsfestigkeit und mechanischer Festigkeit gerecht werden.
    Die in den Fign. 2 und 3 dargestellte Spule wird zusammen mit einer identisch aufgebauten Spule auf die zwei Schenkel eines Kerns aufgesetzt und in das Gehäuse 1 bzw. den Kessel eingesetzt, wobei der Kern über als Preßeisen ausgebildete Spannelemente zusammengehalten und mit dem Gehäuse verbunden wird. Die Preßeisen sind dabei als Hohlprofile ausgebildet, die Durchströmöffnungen aufweisen, die wiederum mit den Durchströmöffnungen 17 der Spulen 5 in Verbindung stehen. Vorzugsweise weist auch das Gehäuse Hohlprofile auf, die zur Zu- und Abführung des Kühlmediums in die Preßeisen und gegebenenfalls als Nebenströme in das Innere des Gehäuses dienen. Spulen und Kern sind in dem Gehäuse befestigt, wobei in dem Gehäuse noch weitere Bauelemente wie Drosseln oder dergleichen aufgenommen sein können.
    In Fig. 4 ist schematisch das Strömungsschema in dem Gehäuse 1 dargestellt, das entsprechend Fig. 1 einerseits mit dem Kühler 3 und andererseits mit der Umwälzpumpe 2 verbunden ist. Entsprechend Fig. 4 sind zwei Spulen 5 auf jeweils einem Schenkel 18 des Kerns parallel angeordnet und über die Rückleitung 4 vom Kühler 3 wird kaltes Öl dem Gehäuse 1 entsprechend dem Pfeil 19 zugeführt. Dabei ist der Druck, mit dem das Öl zugeführt wird gering, er beträgt beispielsweise 0,15 bar. Das Öl gelangt in das als Hohlprofil ausgebildete Preßeisen, was durch das Bezugszeichen 20 angedeutet ist, und strömt über die Durchströmöffnungen 17 in den Flanschen 14 in die Verteilerkammern 15. Von den Verteilerkammern 15 wird das Öl in einer im wesentlichen laminaren Strömung durch die Kühlkanäle 11 der Spulen 5 hindurchgeleitet, was durch die Pfeile 21 angedeutet wird. Durch die laminare Strömung treten in der Spule kaum Druckverluste auf und das kalte Öl wird gezielt in den schmalen Kühlspalten durch die heiße Spule geführt, wodurch die Wärme ohne die Nachteile der laminaren Strömung kontrolliert abgeführt wird.
    Wenn das Öl die Spulen verläßt, kann es gezielt herausgeführt werden oder es kann zur Kühlung von sekundären Verlusterzeugern verwendet werden, wie sie beispielsweise in einer weiteren Kammer im Gehäuse aufgenommen sein können, was durch das Bezugszeichen 22 angedeutet wird. Das Öl verläßt das Gehäuse 1, das noch weiteren Raum 23 für Durchführungen aufweisen kann, und wird entsprechend dem Pfeil 23 über die Umwälzpumpe 2 erneut dem Kühler zugeführt.
    Bei einer 700 bis 800 mm langen Spule in entsprechender Anordnung nach Fig. 4 findet beispielsweise eine Durchströmung von 7 l pro Sekunde bei einer Geschwindigkeit von nur 50 cm pro Sekunde (= 145 KW) statt. Alle Armaturen bzw. Öffnungen sind über gleitende Dichtungen an das Kanalsystem des Gehäuses bzw. an den Flüssigkeitskreislauf angeschlossen.
    Falls es notwendig ist, kann Öl durch parasitäre Bohrungen zusätzlich durch den Kessel geleitet werden.

    Claims (6)

    1. Transformatoranordnung mit Kühlkreislauf, insbesondere zur Verwendung als Bahntransformatoranordnung, die mindestens einen in einem Gehäuse (1) aufgenommenen Transformator, einen Kühler (3) und eine Umwälzpumpe (2) aufweist, wobei der Transformator mindestens eine Spule (5) aus mindestens einer Primärwicklung (7) und einer Sekundärwicklung (9) aufweist, die konzentrisch auf einem Kern angeordnet sind und wobei ein Kühlmedium durch das Gehäuse (1), die Pumpe (2) und den Kühler (3) derart zirkuliert, daß das Kühlmedium nach Kühlung durch den Kühler (3) ohne Mischung mit im Gehäuse befindlichem Kühlmedium der Spule (5) zugeführt wird,
      dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Spule (5) als Lagenwikkelanordnung ausgebildet ist, bei der die Primärwicklung (7) und die Sekundärwicklung (9) jeweils konzentrisch in Lagen gewickelt sind und zwischen den einzelnen Lagen koaxial angeordnete Kühlkanäle (11) mit einer lichten Weite von kleiner als 4 mm vorgesehen sind, durch die das Kühlmedium in im wesentlichen laminarer Strömung gezielt geführt ist und daß die Spule (5) ein inneres (6) und ein äußeres Trägerrohr (12) aufweist, zwischen denen die Wicklungen (7, 9) aufgenommen sind und die durch Druckflansche (14) unter Bildung einer einströmseitigen mit den Kühlkanälen in Verbindung stehenden Verteilerkammer (15) abgeschlossen sind.
    2. Transformatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Lagen Distanzstücke (8) zur Bildung der Kühlkanäle (11) vorgesehen sind.
    3. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) und/oder Spannelemente zum Verspannen des Kerns (18) des Transformators Hohlprofile zum Führen des Kühlmediums aufweisen.
    4. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Spule (5) das innere Trägerrohr (6), die darauf angeordnete, die Kühlkanäle (11) aufweisende Primärwicklung (7), ein Separationsrohr (10), die darauf angeordnete, mit den Kühlkanälen versehene Sekundärwicklung (9) und das äußeres Trägerrohr (12) aufweist, wobei in der jeweiligen Verteilerkammer (15) an der Einund/oder Ausströmseite der Kühlkanäle (11) mit Abstand zueinander angeordnete Druckstücke (13) mit Durchströmöffnungen (16) vorgesehen sind und die Verteilerkammern (15) mit den Druckflanschen (14) abgeschlossen sind, die Durchströmöffnungen (17) aufweisen.
    5. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle eine lichte Weite von kleiner als 3 mm aufweisen.
    6. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse 1 als Niederdruckkessel ausgebildet ist.
    EP99250348A 1998-10-07 1999-09-30 Transformatorenanordnung mit Kühlkreislauf Revoked EP0993007B1 (de)

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    DE19847267 1998-10-07
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    Publications (2)

    Publication Number Publication Date
    EP0993007A1 EP0993007A1 (de) 2000-04-12
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