EP1037220A2 - Transformator und Verfahren zur Kühlung eines Transformators - Google Patents

Transformator und Verfahren zur Kühlung eines Transformators Download PDF

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EP1037220A2
EP1037220A2 EP00250096A EP00250096A EP1037220A2 EP 1037220 A2 EP1037220 A2 EP 1037220A2 EP 00250096 A EP00250096 A EP 00250096A EP 00250096 A EP00250096 A EP 00250096A EP 1037220 A2 EP1037220 A2 EP 1037220A2
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EP
European Patent Office
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winding
cooling
transformer
cooling element
combination
Prior art date
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EP00250096A
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English (en)
French (fr)
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EP1037220A3 (de
EP1037220B1 (de
Inventor
Fritz Sorg
Friedrich Alber
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP1037220A3 publication Critical patent/EP1037220A3/de
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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
    • H01F27/085—Cooling by ambient air

Definitions

  • the invention relates to a transformer with a first, a second and a third winding combination, the each standing and next to each other in ascending count are arranged in a row and each have a cooling element exhibit.
  • Such a transformer is known from GEAFOL cast resin transformers, 100 to 2500 kVA "from the Trafo-Union, Nuremberg 1995.
  • the transformer is designed as a cast resin three-phase transformer and has three standing winding combinations arranged side by side in a row. Each of the winding combinations is enclosed one of the legs of a three-leg transformer core and is assigned to a phase of a three-phase network.
  • the winding combinations are all the same and each have a high-voltage winding cast in cast resin on the undervoltage winding cast in resin coaxially surrounding leaving a space.
  • Each the windings are made up of a plurality of turns electrical conductor formed.
  • the three winding combinations In normal operation of the well-known three-phase transformer the three winding combinations each with one largely the same normal electrical power. This leads to a warming of the high voltage and Undervoltage windings and their insulation.
  • a The parameter is the limit temperature of the insulation. A inadmissible heating of the insulation, i.e. exceeding the limit temperature, can lead to premature aging of the Isolation with a resulting reduction their insulation strength.
  • the Windings at high temperatures have a high ohmic Resistance to.
  • the winding combinations are cooled by air cooling. In order to achieve the highest possible cooling performance, in the space between the winding combination coaxially as cylindrical tube trained cooling cylinder arranged, and with every winding combination.
  • Every cooling cylinder is non-contact to high voltage winding and non-contact arranged for undervoltage winding. This makes everyone Space through the cooling cylinder arranged in it one between the high voltage winding and the cooling cylinder located outer ring channel and in one between the Cooling cylinder and the undervoltage winding inner ring channel divided. The one in the windings everyone Winding combination generated heat is directly to the air flowing through the inner and outer ring channels and additionally by radiation on the in the winding combination arranged cooling cylinder delivered. The Cooling cylinder transfers the heat absorbed to it air flowing along. The air forms a vertical Air flow from bottom to top through the outer and the inner ring channel. This air cooling is overheating of insulation avoided and ohmic resistance the conductor from which the windings are formed is small, so that these conductors have only a small cross section have to.
  • From DE-GM 1 980 288 is a winding combination with two coaxially intertwined windings known.
  • the two windings are spaced radially from one another, so that there is a space between them.
  • cooling pipes By doing Intermediate space are arranged cooling pipes, the axes of which are parallel are aligned with the common axis of the windings.
  • the both windings are in one with the cooling tubes cast in common cast resin body. But there are the pipes themselves are not poured out and stick out from the end of the cast resin block. So you are for Cooling of the windings can be flowed through with cooling air.
  • a solid-insulated distribution transformer in which windings are cast in cast resin.
  • heat pipes are cast into the cast resin, which serve to cool the transformer
  • the heat pipes are each self-contained and have an evaporator part and a condenser part.
  • the heat pipes are arranged such that the evaporator part is arranged within the region of the cast resin body from which heat is to be removed.
  • the condenser part of each heat pipe is located in an area of the cast resin body in which heat can be given off.
  • a liquid is provided within such a heat pipe. This liquid evaporates during operation by the heat supplied to the evaporator part from the windings. Evaporation cools the area in which the evaporator part is located .
  • D the steam settles in the condenser part and condenses, releasing heat to the area in the cast resin body outside the condenser part.
  • the object of the invention is to provide a transformer Specify the type specified at the beginning, in which a adequate cooling of all winding combinations with can achieve comparatively less effort.
  • the object directed to the transformer is invented by a transformer according to the preamble of the claim 1 solved, in the case of the first and / or the third winding combination each the cooling element is omitted.
  • the invention is based on the knowledge that in one free-standing transformer according to the state of the art two outer winding combinations, i.e. the first and the third winding combination, not as strong in operation Require cooling as previously thought. Carried out Studies have shown that in normal operation the two outer winding combinations less warm up much more than the middle winding combination. In can advantageously be thermally lower in both loaded outer winding combinations of the transformer in each case that which is provided as standard in the prior art Cooling element omitted and thus saved. Reached will also show that the temperature difference between the outer winding combinations and the middle, so second winding combination is reduced.
  • the transformer according to the invention for an installation provided in which the heat dissipation from one of its outer Winding combinations, for example the first Winding combination is difficult (for example, by its Arrangement in the corner of a building), then the first Winding combination as in the prior art Have cooling element. In this case it is the cooling element only with one of the winding combinations - here the third winding combination - omitted.
  • Each winding combination preferably has one Cooling element on a first winding by a second
  • the winding is surrounded, leaving a gap, wherein the cooling element is arranged in the space.
  • the Gap can also serve as a cooling air duct in the air flows to cool the second winding combination.
  • the cooling element can be designed in this way, for example be that there is a particularly large cooling surface.
  • Under Cooling surface is understood to mean the surface that gives off heat to the air flowing in the space.
  • the cooling element can also be designed as a blower through which is a large air mass flow through the space is driven.
  • the cooling element is as Cooling cylinder trained.
  • Each is under cooling cylinder kind of pipe understood.
  • This pipe can be used without contact first winding and contactless to the second winding in the Intermediate space and the undervoltage winding surrounded coaxially.
  • This makes the gap into one inner, between the cooling cylinder and the first winding arranged cooling channel and an outer, between the cooling cylinder and the second winding arranged cooling channel.
  • the first and the second winding Heat also in the form of radiation from the cooling cylinder.
  • the air flowing in the cooling channels takes that in the cooling cylinder temporarily stored heat on its lateral surfaces and leads them away. This compares the effective cooling surface to a winding combination without cooling cylinder larger, and the achievable cooling capacity is higher.
  • the cooling cylinder can be designed so that it over the axial extension of the winding combination extends beyond.
  • the cooling element is trained to be its respective Touches the winding combination.
  • the cooling element can then each Be arrangement that touches the first winding and / or the second winding absorbs heat and to the emits cooling air flowing through.
  • the cooling element can thus, for example, as a be cylindrical tube formed the space completely filled out by a variety of Cooling channels is crossed through which air can be guided.
  • the Heat absorbed by the heat sink is transferred to the cooling channels flowing air released.
  • the in or in the windings The heat generated can be absorbed quickly with the heat sink and quickly dissipated so that the winding or the Windings are cooled with high cooling capacity.
  • the cooling element preferably consists at least partially Plastic.
  • Plastics are generally high electrical insulation resistance.
  • partially or completely made of plastic ensured that the dielectric strengths of the windings (against each other and internally) of the second Winding combination despite the arrangement of the cooling element is guaranteed.
  • the cooling element can also be at least partially made of metal consist. Metals have a high thermal conductivity, so that heat quickly with the metal cooling element can be dissipated. In the formation of the cooling element made of metal, however, must ensure that the necessary Dielectric strengths of the windings are observed.
  • the cooling element is preferably designed so that it second winding combination at least almost to the temperature cools on which the first winding combination is in operation located.
  • the cooling element can also be used, for example Ribs are made to cover a large cooling element surface to build.
  • Cast resin transformers are all Understand types of transformers, at least a winding of resin is enclosed. The one with cast resin enclosed winding is securely packed and therefore against Dust deposits protected. Furthermore, it is largely maintenance-free and insensitive to touch.
  • the invention also relates to a method for cooling a Transformers in normal operation, each standing and in ascending count next to each other in a row a first, a second and a third winding combination having.
  • Such a cooling process is also from the above known product specification known.
  • the winding combinations of the transformer described there are by air cooling chilled. This is done by cooling air through the ring channels every winding combination.
  • the invention is based on the further object, the above specified method for cooling a transformer to improve in that its winding combinations are easily cooled so that they can be Normal operation assume a largely identical temperature.
  • the on the process of cooling a transformer, the each standing and next to each other in ascending count arranged in a row a first, a second and a has third winding combination, directed task solved according to the invention in that the thermally highest loaded winding combination with a higher cooling capacity is cooled as a thermally less loaded Winding combination.
  • the thermal load is higher for example the second winding combination by a Cooling with a correspondingly higher cooling capacity counteracted.
  • Can influence the cooling capacity for example the mass of the space between the concerned winding combination or by the Cooling air channels of a heat sink flowing air through Arrangement of a fan set at the appropriate point become.
  • the winding combinations are preferred to almost that cooled at the same temperature. This allows the Winding combinations with regard to their heat resistance be of the same design, the effort involved in this Limits. Also taking into account the effort for air cooling results in a cost-saving solution.
  • the three-phase transformer 4 includes side by side and in a row arranged a first winding combination 1, a second Winding combination 2 and a third winding combination 3, each along a vertical axis 31A, 31B and 31C are directed.
  • Each of the winding combinations 1, 2 and 3 surrounds a leg 5, 6 and 7 of a transformer core 8, which is designed as an EI core or as a 5-leg core.
  • the transformer core 8 is used for guidance in a known manner of magnetic generated during operation of the three-phase transformer 4 Rivers.
  • Each of the winding combinations 1, 2 and 3 has a first one Winding 12, 13 or 14 and a second winding 9, 10 or 11 on.
  • the first windings 12, 13 and 14 are here as undervoltage windings 12, 13 and 14 and the second windings 9, 10 and 11 are here as high-voltage windings 9, 10, 11 executed.
  • Each high voltage winding 9, 10 and 11 surrounds the associated undervoltage winding 12, 13 or 14 coaxially leaving a space 15, 16 and 17, respectively.
  • the high-voltage windings 9, 10 and 11 and the undervoltage windings 12, 13 and 14 each include one not shown Electric Isolation. Have these isolations a limit temperature up to which they can be heated without they age improperly.
  • the second winding combination 2 is in operation due to their structural arrangement between the first winding combination 1 and the third winding combination 3 warms more than the two outer winding combinations 1 and 3. This higher warming is before all due to the fact that the middle winding combination 2 also from the two winding combinations 1 and 3 emitted heat is heated. Therefore included in the difference only the second winding combination to the state of the art 2 a cooling element 18, which is designed as a cooling cylinder is.
  • the winding combinations 1 and 3 are free of built-in passive cooling elements.
  • the cooling element 18 is designed as a tube and in the space 16 arranged. It surrounds the undervoltage winding 13 non-contact and is non-contact from the high-voltage winding 10 surrounded. It divides the space 16 into one between the high-voltage winding 16 and the cooling element 18 located outer cooling channel 19 and one between the Cooling element 18 and the undervoltage winding 13 located inner cooling duct 20. The arrangement of the cooling element 18 in the space 16, the high-voltage winding 10 and the low-voltage winding 13 is cooled together during operation. It should be emphasized once again that the default in the three-phase transformer according to the prior art the first and third winding combinations 1 and 3 provided Cooling elements are omitted and saved. In order to there is a reduction in effort. This will make the compared to the second winding combination 2 thermally less loaded winding combinations 1 and 2 each cooled with a lower cooling capacity than the second Winding combination.
  • the medium winding combination 2 are cooled so that they in Operation with normal power assumes almost the same temperature like the first and like the third winding combination 1 or 3.
  • the normal power can be selected so high that the aforementioned same temperature equal to the limit temperature is.
  • the heat resistance of all insulation of the winding combinations 1 to 3 can then operate up to the limit temperature be exploited.
  • the cylindrical cooling element 18 can consist of one Be made of plastic. Plastics generally have a high insulation strength, so that in one execution of the cooling element 18 made of plastic, the insulation strength the second winding combination 2 fully guaranteed is.
  • a metal can also be contained in the cooling element 18. Metals have a high thermal conductivity, so that from Cooling element 18 heat well conducted and dissipated is and the winding combination 2 is cooled well. In the Formation of the cooling element 18 with a metal must be ensured that the electrical properties of the second winding combination 2 the requirements of the common test regulations correspond.
  • FIG 2 is a section through the second winding combination 2 with an alternative cooling element 34 which is designed as a touching heat sink.
  • the cooling element 34 is also arranged in the space 16; but it fills this with flat contact of the high-voltage winding 10 and the undervoltage winding 13. It can be in Direction of axis 31B beyond windings 10 and 13 extend, or it can only part in this direction fill in the space 16. Through the flat touch with the windings 10 and 13, heat comes from these with high Heat transfer coefficient into the cooling element 34. Later explained Cooling channels in the cooling element 34 are - as indicated by arrows - Can be flowed through by cooling air 22 (see also FIG 3).
  • FIG 3 is a cross section through the second winding combination 2 with an alternative cooling element 34 shown according to a first modification.
  • the cooling element 34 is designed as a tube directed along axis 31B, the jacket of which has a plurality of axially directed Has cooling channels 35 for the flow of air 22.
  • FIG 4 is a cross section through the second winding combination 2 with a second modification of the alternative Cooling element 34 shown.
  • Cooling element 34 from a plurality of axially directed circular tube jacket segments 36 formed.
  • the circular tube jacket segments 36 are spaced apart from one another in the space 16 in the circumferential direction 38 arranged, whereby between two adjacent Circular tube jacket segments 36 a further cooling air duct 39 for the flow of cooling air 22 is formed.
  • the circular tube jacket segments 36 point in the direction of the axis 31B Cooling air channels 37 for the flow of cooling air 22 on.
  • FIG 5 is a plan view of a cross section through one arranged in the corner 40 of a building wall 41 Transformer 4A shown.
  • the Transformer 4a in the corner 40 is the heat dissipation from the first winding combination 1 compared to heat dissipation difficult from the third winding combination 3 because the Winding combination 1 from the building wall 41 and from the second winding combination 2 is surrounded and only one Page 42 is freely accessible.
  • This will also work the first winding combination 1 is subjected to a higher thermal load than the third winding combination 3. Therefore, the first Winding combination 1 in the space 15 also Cooling element 43 arranged.
  • the cooling element 43 can on the thermal load of the winding combination 1 matched be designed so that the winding combination 1 in Operation at almost the same temperature as that Winding combination 3 is cooled.
  • the cooling element 43 can but also - for the sake of simplicity - structurally identical to the Cooling element 18 may be formed. In the present case it is Cooling element 43 designed as a cooling cylinder and divides the Gap 15 in an outer annular channel 44 and in one inner ring channel 45.
  • the cooling element 1 is also like the winding combination 2 is cooled by air cooling. At the Transformer 4A is only the lowest thermally loaded winding combination 3 no cooling element provided so that this winding combination 3 with a lower cooling capacity is cooled than, for example second winding combination 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Transformator (4) mit einer ersten (1), einer zweiten (2) und einer dritten Wicklungskombination (3), die jeweils stehend und in aufsteigender Zählung nebeneinander in einer Reihe angeordnet sind und jeweils ein Kühlelement (18,34) aufweisen. Es wird davon ausgegangen, daß die zweite Wicklungskombination (2) bei Beaufschlagung mit einer gleichen elektrischen Normalleistung einer höheren thermischen Belastung ausgesetzt ist, als eine der anderen Wicklungskombinationen (1,2). Um dennoch mit geringerem Aufwand eine ausreichende Kühlung der Wicklungskombinationen (1, 2, 3) zu erreichen, ist vorgesehen, daß bei der ersten Wicklungskombination (1) und/oder der dritten Wicklungskombination (3) das Kühlelement (18, 34) weggelassen ist. Gemäß dem Verfahren zur Kühlung eines Transformators (4) ist vorgesehen, daß die thermisch am höchsten belastete Wicklungskombination (2) mit einer höheren Kühlleistung gekühlt wird als eine thermisch geringer belastete Wicklungskombination (3. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Wicklungskombination, die jeweils stehend und in aufsteigender Zählung nebeneinander in einer Reihe angeordnet sind und jeweils ein Kühlelement aufweisen.
Aus der Produktschrift
Figure 00010001
GEAFOL-Gießharztransformatoren, 100 bis 2500 kVA" der Trafo-Union, Nürnberg 1995, ist ein solcher Transformator bekannt. Der Transformator ist als Gießharz-Drehstrom-Transformator ausgebildet und weist drei stehende, nebeneinander in einer Reihe angeordnete Wicklungskombinationen auf. Jede der Wicklungskombinationen umschließt einen der Schenkel eines dreischenkligen Transformatorkerns und ist einer Phase eines dreiphasigen Netzes zugeordnet.
Die Wicklungskombinationen sind alle gleich ausgeführt und weisen jeweils eine in Gießharz gegossene Oberspannungswicklung auf, die eine in Gießharz gegossene Unterspannungswicklung unter Belassung eines Zwischenraums koaxial umgibt. Jede der Wicklungen ist aus einer Mehrzahl von Windungen eines elektrischen Leiters gebildet.
Im Normalbetrieb des bekannten Drehstrom-Transformators werden die drei Wicklungskombinationen jeweils mit einer weitgehend gleichen elektrischen Normalleistung beaufschlagt. Dabei kommt es zu einer Erwärmung der Oberspannungs- und der Unterspannungswicklungen sowie deren Isolationen. Eine Kenngröße ist dabei die Grenztemperatur der Isolation. Eine unzulässige Erwärmung der Isolation, also ein Überschreiten der Grenztemperatur, kann zu einer vorzeitigen Alterung der Isolation mit einer dadurch hervorgerufenen Verringerung ihrer Isolationsfestigkeit führen. Zudem weisen die Wicklungen bei hohen Temperaturen einen hohen ohm'schen Widerstand auf. Um eine unzulässig starke Erwärmung der Isolationen zu vermeiden, und um Leitermaterial einzusparen, werden die Wicklungskombinationen durch Luftkühlung gekühlt. Um dabei eine möglichst hohe Kühlleistung zu erreichen, ist in dem Zwischenraum der Wicklungskombination koaxial ein als zylindrisches Rohr ausgebildeter Kühlzylinder angeordnet, und zwar bei jeder Wicklungskombination. Jeder Kühlzylinder ist berührungsfrei zur Oberspannungswicklung und berührungsfrei zur Unterspannungswicklung angeordnet. Dadurch ist jeder Zwischenraum durch den im ihm angeordneten Kühlzylinder in einen zwischen der Oberspannungswicklung und dem Kühlzylinder befindlichen äußeren Ringkanal und in einen zwischen dem Kühlzylinder und der Unterspannungswicklung befindlichen inneren Ringkanal geteilt. Die in den Wicklungen jeder Wicklungskombination entstehende Wärme wird direkt an die durch den inneren und den äußeren Ringkanal strömende Luft und zusätzlich durch Strahlung an den in der Wicklungskombination angeordneten Kühlzylinder abgegeben. Der Kühlzylinder gibt die aufgenommene Wärme an die an ihm entlang strömende Luft ab. Die Luft bildet eine vertikale Luftströmung von unten nach oben durch den äußeren und den inneren Ringkanal. Durch diese Luftkühlung ist eine Überhitzung der Isolationen vermieden und der ohm'sche Widerstand der Leiter, aus denen die Wicklungen gebildet sind, ist gering, so daß diese Leiter nur einen geringen Querschnitt aufweisen müssen.
Aus dem DE-GM 1 980 288 ist eine Wicklungskombination mit zwei koaxial ineinander stehenden Wicklungen bekannt. Die beiden Wicklungen sind radial voneinander beabstandet, so dass zwischen ihnen ein Zwischenraum gebildet ist. In dem Zwischenraum sind Kühlrohre angeordnet, deren Achsen parallel zur gemeinsamen Achse der Wicklungen ausgerichtet sind. Die beiden Wicklungen sind gemeinsam mit den Kühlrohren in einen gemeinsamen Gießharzkörper eingegossen. Dabei sind allerdings die Rohre selbst in ihrem Inneren nicht ausgegossen und ragen stirnseitig aus dem Gießharzblock heraus. Sie sind also zur Kühlung der Wicklungen mit Kühlluft durchströmbar.
Aus dem Artikel Weltweit erster Verteiltransformator mit Feststoff-Isolierung", ABB Technik Nr. 5, 1988, Seiten 21 ff. ist ein feststoffisolierter Verteiltransformator bekannt, bei dem Wicklungen in Gießharz eingegossen sind. Zusätzlich sind in das Gießharz sogenannte Wärmerohre miteingegossen, die der Kühlung des Transformators dienen. Die Wärmerohre sind jeweils in sich abgeschlossen und weisen einen Verdampferteil und einen Kondensatorteil auf. Die Wärmerohre sind dabei so angeordnet, dass der Verdampferteil innerhalb des Bereichs des Gießharzkörpers angeordnet ist, aus dem Wärme abgeführt werden soll. Das Kondensatorteil jedes Wärmerohrs befindet sich dabei in einem Bereich des Gießharzkörpers, in dem Wärme abgegeben werden kann. Innerhalb eines solchen Wärmerohrs ist eine Flüssigkeit vorgesehen. Diese verdampft im Betrieb durch die dem Verdampferteil zugeführte Wärme aus den Wicklungen. Durch die Verdampfung wird der Bereich, in dem sich der Verdampferteil befindet, gekühlt. Der Dampf setzt sich im Kondensatorteil ab und kondensiert unter Abgabe von Wärme an den Bereich im Gießharzkörper außerhalb des Kondensatorteils.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transformator der eingangs angegebenen Art anzugeben, bei dem sich eine ausreichende Kühlung aller Wicklungskombinationen mit vergleichsweise geringerem Aufwand erreichen lässt.
Die auf den Transformator gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Transformator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, bei dem bei der ersten und/oder der dritten Wicklungskombination jeweils das Kühlelement weggelassen ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei einem freistehenden Transformator nach dem Stand der Technik die beiden äußeren Wicklungskombinationen, also die erste und die dritte Wicklungskombination, im Betrieb keine so starke Kühlung wie bisher angenommen erfordern. Durchgeführte Untersuchungen haben nämlich ergeben, daß sich im Normalbetrieb die zwei äußeren Wicklungskombinationen weniger stark als die mittlere Wicklungskombination erwärmen. In vorteilhafter Weise kann also bei beiden thermisch geringer belasteten äußeren Wicklungskombinationen des Transformators jeweils das standardmäßig beim Stand der Technik vorgesehene Kühlelement weggelassen und dadurch eingespart werden. Erreicht wird außerdem, daß der Temperaturunterschied zwischen den äußeren Wicklungskombinationen und der mittleren, also zweiten Wicklungskombination verringert ist.
Ist der erfindungsgemäße Transformator für eine Aufstellung vorgesehen, bei der die Wäremeabfuhr aus einer seiner äußeren Wicklungskombinationen, beispielsweise der ersten Wicklungskombination erschwert ist (zum Beispiel durch seine Anordnung in der Ecke eines Gebäudes), dann kann die erste Wicklungskombination wie beim Stand der Technik auch ein Kühlelement aufweisen. In diesem Fall ist also das Kühlelement nur bei einer der Wicklungskombinationen - hier der dritten Wicklungskombination -weggelassen.
Bevorzugt weist jede Wicklungskombination mit einem Kühlelement eine erste Wicklung auf, die von einer zweiten Wicklung unter Belassung eines Zwischenraums umgeben ist, wobei das Kühlelement im Zwischenraum angeordnet ist. Der Zwischenraum kann auch als Kühlluftkanal dienen, in dem Luft zur Kühlung der zweiten Wicklungskombination strömt. Durch die Anordnung des Kühlelements im Zwischenraum werden im Betrieb beide Wicklungen der zweiten Wicklungskombination gemeinsam gekühlt.
Das Kühlelement kann dabei beispielsweise so ausgebildet sein, daß eine besonders große Kühlfläche vorhanden ist. Unter Kühlfläche wird dabei die Fläche verstanden, die der Wärmeabgabe an die im Zwischenraum strömende Luft dient.
Das Kühlelement kann auch als Gebläse ausgeführt sein, durch das ein großer Luftmassenstrom durch den Zwischenraum getrieben wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kühlelement als Kühlzylinder ausgebildet. Unter Kühlzylinder wird dabei jede Art von Rohr verstanden. Dieses Rohr kann berührungsfrei zur ersten Wicklung und berührungsfrei zur zweiten Wicklung im Zwischenraum angeordnet sein und die Unterspannungswicklung koaxial umgeben. Dadurch ist der Zwischenraum in einen inneren, zwischen dem Kühlzylinder und der ersten Wicklung angeordneten Kühlkanal und einen äußeren, zwischen dem Kühlzylinder und der zweiten Wicklung angeordneten Kühlkanal geteilt. Im Normalbetrieb geben die erste und die zweite Wicklung Wärme auch in Form von Strahlung an den Kühlzylinder ab. Die in den Kühlkanälen strömende Luft nimmt die im Kühlzylinder zwischengespeicherte Wärme an dessen Mantelflächen auf und führt sie ab. Dadurch ist die wirksame Kühlfläche im Vergleich zu einer Wicklungskombination ohne Kühlzylinder größer, und die erreichbare Kühlleistung ist höher. Der Kühlzylinder kann dabei so ausgebildet sein, daß er sich über die axiale Ausdehnung der Wicklungskombination hinaus erstreckt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Kühlelement so ausgebildet, daß es seine jeweilige Wicklungskombination berührt. Das Kühlelement kann dann jede Anordnung sein, die unter Berührung der ersten Wicklung und/oder der zweiten Wicklung Wärme aufnimmt und an die durchströmende Kühlluft abgibt. An Orten, an denen das Kühlelement die Wicklung oder die Wicklungen berührt, geht Wärme mit einer hohen Wärmeübergangszahl in das Kühlelement über. Das Kühlelement kann somit beispielsweise als ein zylindrisches Rohr ausgebildet sein, das den Zwischenraum vollständig ausfüllt und das von einer Vielzahl von Kühlkanälen durchzogen ist, durch die Luft führbar ist. Die vom Kühlkörper aufgenommene Wärme wird in die in Kühlkanälen strömende Luft abgegeben. Die in der oder in den Wicklungen entstehende Wärme kann mit dem Kühlkörper schnell aufgenommen und schnell abgeführt werden, so daß die Wicklung oder die Wicklungen mit hoher Kühlleistung gekühlt werden.
Bevorzugt besteht das Kühlelement zumindest teilweise aus Kunststoff. Kunststoffe besitzen im allgemeinen eine hohe elektrische Isolationsfestigkeit. Bei der Ausführung des Kühlelements, teilweise oder vollständig aus Kunststoff, ist sichergestellt, daß die Spannungsfestigkeiten der Wicklungen (gegeneinander und jeweils intern) der zweiten Wicklungskombination trotz Anordnung des Kühlelements gewährleistet ist.
Das Kühlelement kann aber auch zumindest teilweise aus Metall bestehen. Metalle weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so daß Wärme mit dem aus Metall gebildeten Kühlelement schnell abgeführt werden kann. Bei der Ausbildung des Kühlelements aus Metall ist aber sicherzustellen, daß die erforderlichen Spannungsfestigkeiten der Wicklungen eingehalten sind.
Das Kühlelement ist vorzugsweise so ausgelegt, daß es die zweite Wicklungskombination zumindest nahezu auf die Temperatur kühlt, auf der sich im Betrieb die erste Wicklungskombination befindet. Das Kühlelement kann beispielsweise auch mit Rippen ausgeführt sein, um eine große Kühlelementoberfläche zu bilden.
Die hier beschriebenen Maßnahmen sind insbesondere für einen Transformator geeignet, der als Gießharz-Transformator ausgebildet ist. Unter Gießharz-Transformatoren werden alle Arten von Transformatoren verstanden, bei denen zumindest eine Wicklung von Gießharz umschlossen ist. Die mit Gießharz umschlossene Wicklung ist sicher verpackt und dadurch gegen Staubablagerungen geschützt. Weiterhin ist sie weitgehend wartungsfrei und unempfindlich gegen Berührungen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kühlung eines Transformators im Normalbetrieb, der jeweils stehend und in aufsteigender Zählung nebeneinander in einer Reihe angeordnet eine erste, eine zweite und eine dritte Wicklungskombination aufweist.
Ein solches Kühlverfahren ist ebenfalls aus der schon oben genannten Produktschrift bekannt. Die Wicklungskombinationen des dort beschriebenen Transformators werden durch Luftkühlung gekühlt. Dazu wird Kühlluft durch die Ringkanäle jeder Wicklungskombination geleitet.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, das oben angegebene Verfahren zur Kühlung eines Transformators dahingehend zu verbessern, dass dessen Wicklungskombinationen auf einfache Weise so gekühlt werden, dass sie im Normalbetrieb eine weitgehend gleiche Temperatur annehmen.
Die auf das Verfahren zur Kühlung eines Transformators, der jeweils stehend und in aufsteigender Zählung nebeneinander in einer Reihe angeordnet eine erste, eine zweite und eine dritte Wicklungskombination aufweist, gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die thermisch am höchsten belastete Wicklungskombination mit einer höheren Kühlleistung gekühlt wird als eine thermisch geringer belastete Wicklungskombination.
Durch dieses Verfahren wird der thermisch höheren Belastung beispielsweise der zweiten Wicklungskombination durch eine Kühlung mit entsprechend höherer Kühlleistung entgegengewirkt. Zur Beeinflussung der Kühlleistung kann beispielsweise die Masse der durch den Zwischenraum der betreffenden Wicklungskombination oder durch die Kühlluftkanäle eines Kühlkörpers strömenden Luft durch Anordnung eines Gebläses an entsprechender Stelle eingestellt werden.
Bevorzugt werden die Wicklungskombinationen auf nahezu die gleiche Temperatur gekühlt. Dadurch können die Wicklungskombinationen hinsichtlich ihrer Wärmefestigkeit gleich ausgebildet sein, wobei sich der Aufwand hierfür in Grenzen hält. Auch unter Berücksichtigung des Aufwands für die Luftkühlung ergibt sich eine kostensparende Lösung.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele werden der erfindungsgemäße Transformator und das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es zeigen schematisiert und teilweise nicht maßstäblich:
FIG 1
einen Schnitt durch einen Transformator mit drei Wicklungskombinationen und einem Kühlelement,
FIG 2
einen Schnitt durch die zweite Wicklungskombination mit einem alternativen Kühlelement,
FIG 3
einen Querschnitt durch die zweite Wicklungskombination gemäß FIG 2 mit einem alternativen Kühlelement gemäß einer ersten Modifikation und
FIG 4
einen Querschnitt durch die zweite Wicklungskombination mit einer zweiten Modifikation und
Figur 5
eine Draufsicht auf einen Querschnitt durch einen in einer Ecke einer Gebäudewand angeordneten Transformator.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist ein Schnitt durch einen Transformators 4 gezeigt, der hier ein Drehstrom-Transformator 4 ist. Der Drehstrom-Transformator 4 umfaßt nebeneinander und in einer Reihe angeordnet eine erste Wicklungskombination 1, eine zweite Wicklungskombination 2 und eine dritte Wicklungskombination 3, die jeweils entlang einer vertikalen Achse 31A, 31B bzw. 31C gerichtet sind. Jede der Wicklungskombinationen 1, 2 und 3 umgibt einen Schenkel 5, 6 bzw. 7 eines Transformatorkerns 8, der als EI-Kern oder als 5-Schenkel-Kern ausgeführt ist. Der Transformatorkern 8 dient in bekannter Weise der Führung von im Betrieb des Drehstrom-Transformators 4 erzeugten magnetischen Flüssen.
Jede der Wicklungskombinationen 1, 2 und 3 weist eine erste Wicklung 12, 13 bzw. 14 sowie eine zweite Wicklung 9, 10 bzw. 11 auf. Die ersten Wicklungen 12, 13 und 14 sind hier als Unterspannungswicklungen 12, 13 und 14 und die zweiten Wicklungen 9, 10 und 11 sind hier als Oberspannungswicklungen 9, 10, 11 ausgeführt. Jede Oberspannungswicklung 9, 10 und 11 umgibt die zugeordnete Unterspannungswicklung 12, 13 bzw. 14 koaxial unter Belassung eines Zwischenraums 15, 16 bzw. 17. Die Oberspannungswicklungen 9, 10 und 11 und die Unterspannungswicklungen 12, 13 und 14 umfassen jeweils eine nicht näher dargestellte elektrische Isolation. Diese Isolationen besitzen eine Grenztemperatur, bis zu der sie erwärmbar sind, ohne daß sie unzulässig altern.
Die elektrischen Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung der Wicklungen 9 bis 14 sind zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Während des Normalbetriebs werden die Oberspannungswicklungen 9, 10 und 11 und die Unterspannungswicklungen 12, 13 und 14 jeweils durch eine weitgehend gleiche elektrische Normalleistung beansprucht, wodurch sie sich erwärmen. Sie werden daher zunächst einmal durch Luftkühlung gekühlt, worauf später näher eingegangen wird. Die zweite Wicklungskombination 2 wird im Betrieb aufgrund ihrer baulichen Anordnung zwischen der ersten Wicklungskombination 1 und der dritten Wicklungskombination 3 stärker erwärmt als die beiden äußeren Wicklungskombinationen 1 und 3. Diese höhere Erwärmung ist vor allem darauf zurückzuführen, daß die mittlere Wicklungskombination 2 auch durch die von den beiden Wicklungskombinationen 1 und 3 abgegebene Wärme erwärmt wird. Daher umfaßt im Unterschied zum Stand der Technik nur die zweite Wicklungskombination 2 ein Kühlelement 18, das als Kühlzylinder ausgeführt ist. Die Wicklungskombinationen 1 und 3 sind frei von eingebauten passiven Kühlelementen.
Das Kühlelement 18 ist als Rohr ausgebildet und im Zwischenraum 16 angeordnet. Es umgibt die Unterspannungswicklung 13 berührungsfrei und ist berührungsfrei von der Oberspannungswicklung 10 umgeben. Er teilt den Zwischenraum 16 in einen zwischen der Oberspannungswicklung 16 und dem Kühlelement 18 befindlichen äußeren Kühlkanal 19 und einen zwischen dem Kühlelement 18 und der Unterspannungswicklung 13 befindlichen inneren Kühlkanal 20. Durch die Anordnung des Kühlelement 18 im Zwischenraum 16 werden die Oberspannungswicklung 10 und die Unterspannungswicklung 13 gemeinsam im Betrieb gekühlt. Hervorgehoben werden soll noch einmal, daß die standardmäßig beim Drehstrom-Transformator nach dem Stand der Technik bei der ersten und der dritten Wicklungskombination 1 und 3 vorgesehenen Kühlelemente weggelassen und eingespart sind. Damit ergibt sich eine Reduzierung des Aufwands. Dadurch werden die im Vergleich zur zweiten Wicklungskombination 2 thermisch geringer belasteten Wicklungskombinationen 1 und 2 jeweils mit einer geringeren Kühlleistung gekühlt, als die zweite Wicklungskombination.
Die in den Oberspannungswicklungen 9 und 11 und in den Unterspannungswicklungen 12 und 14 im Betrieb entstehende Wärme wird an die durch die Zwischenräume 15 bzw. 17 strömende Luft 21 bzw. 23 abgegeben. Diese strömt jeweils in vertikaler Richtung von unten nach oben (Konvektionskühlung). Zur Unterstützung kann ein Gebläse (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Die in der mittleren Unterspannungswicklung 13 und in der mittleren Oberspannungswicklung 10 entstehende Wärme wird direkt an die durch die Kühlkanäle 19 und 20 strömende Luft 22 und durch Strahlung an das Kühlelement 18 abgegeben. Das Kühlelement 18 wiederum gibt die aufgenommene Wärme an die in den Kühlkanälen 19 und 20 strömende Luft 22 ab. Die erwärmte Luft 22 strömt von unten nach oben und führt die aufgenommene Wärme ab (Luftkühlung). Die Zwischenräume 15 und 17 und die Kühlkanäle 19, 20 dienen also als Kühlluftkanäle.
Durch gezielte Dimensionierung des Kühlelements 18 kann die mittlere Wicklungskombination 2 so gekühlt werden, daß sie im Betrieb mit Normalleistung nahezu die gleiche Temperatur annimmt, wie die erste und wie die dritte Wicklungskombination 1 bzw. 3. Die Normalleistung kann so hoch gewählt werden, daß die vorgenannte gleiche Temperatur gleich der Grenztemperatur ist. Die Wärmefestigkeit aller Isolierungen der Wicklungskombinationen 1 bis 3 kann dann im Betrieb bis an die Grenztemperatur ausgenutzt werden.
Das zylindrische Kühlelement 18 kann insgesamt aus einem Kunststoff ausgeführt sein. Kunststoffe weisen im allgemeinen eine hohe Isolationsfestigkeit auf, so daß bei einer Ausführung des Kühlelements 18 aus Kunststoff die Isolationsfestigkeit der zweiten Wicklungskombination 2 voll gewährleistet ist.
Im Kühlelement 18 kann auch ein Metall enthalten sein. Metalle weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so daß vom Kühlelement 18 aufgenommene Wärme gut geleitet und abgeführt wird und die Wicklungskombination 2 gut gekühlt wird. Bei der Ausbildung des Kühlelements 18 mit einem Metall ist sicherzustellen, daß die elektrischen Eigenschaften der zweiten Wicklungskombination 2 den Anforderungen der gängigen Prüfbestimmungen entsprechen.
In Figur 2 ist ein Schnitt durch die zweite Wicklungskombination 2 mit einem alternativen Kühlelement 34 dargestellt, das als berührender Kühlkörper ausgeführt ist. Das Kühlelement 34 ist auch hier im Zwischenraum 16 angeordnet; es füllt aber diesen unter flächiger Berührung der Oberspannungswicklung 10 und der Unterspannungswicklung 13 aus. Es kann sich dabei in Richtung der Achse 31B über die Wicklungen 10 und 13 hinaus erstrecken, oder es kann in dieser Richtung nur einen Teil des Zwischenraums 16 ausfüllen. Durch die flächige Berührung mit den Wicklungen 10 und 13 geht Wärme aus diesen mit hoher Wärmeübergangszahl in das Kühlelement 34 über. Später erläuterte Kühlkanäle im Kühlelement 34 sind - wie mit Pfeilen angedeutet - von Kühlluft 22 durchströmbar (siehe auch FIG 3). Die vom Kühlelement 34 aus den Wicklungen 10 und 13 aufgenommene Wärme wird an die Luft 22 abgegeben, die dadurch in Strömung gehalten ist. Die Wärme wird mit der Luft 22 aus der Wicklungskombination 2 abgeführt. Durch das Kühlelement 34 ergibt sich für die Wicklungskombination 2 eine nennenswerte Kühlfläche.
In Figur 3 ist ein Querschnitt durch die zweite Wicklungskombination 2 gemäß FIG 2 mit einem alternativen Kühlelement 34 gemäß einer ersten Modifikation dargestellt. Das Kühlelement 34 ist als ein entlang der Achse 31B gerichtetes Rohr ausgeführt, dessen Mantel eine Vielzahl in Achsenrichtung gerichteter Kühlkanäle 35 zur Durchströmung mit Luft 22 aufweist.
In Figur 4 ist ein Querschnitt durch die zweite Wicklungskombination 2 mit einer zweiten Modifikation des alternativen Kühlelements 34 gezeigt. Im Unterschied zu FIG 3 ist das Kühlelement 34 aus mehreren axial gerichteten Kreisrohrmantelsegmenten 36 gebildet. Die Kreisrohrmantelsegmente 36 sind im Zwischenraum 16 in Umfangsrichtung 38 von einander beabstandet angeordnet, wodurch zwischen jeweils zwei benachbarten Kreisrohrmantelsegmenten 36 ein weiterer Kühlluftkanal 39 zur Durchströmung mit Kühlluft 22 gebildet ist. Die Kreisrohrmantelsegmente 36 weisen in Richtung der Achse 31B gerichtete Kühlluftkanäle 37 zur Durchströmung mit Kühlluft 22 auf.
In Figur 5 ist eine Draufsicht auf einen Querschnitt durch einen in der Ecke 40 einer Gebäudewand 41 angeordneten Transformator 4A gezeigt. Durch diese Anordnung des Transformators 4a in der Ecke 40, ist die Wärmeabfuhr aus der ersten Wicklungskombination 1 im Vergleich zur Wärmeabfuhr aus der dritten Wicklungskombination 3 erschwert, da die Wicklungskombination 1 von der Gebäudewand 41 und von der zweiten Wicklungskombination 2 umgeben ist und nur zu einer Seite 42 frei zugänglich ist. Dadurch wird im Betrieb auch die erste Wicklungskombination 1 thermisch höher belastet als die dritte Wicklungskombination 3. Daher ist bei der ersten Wicklungskombination 1 in deren Zwischenraum 15 ebenfalls ein Kühlelement 43 angeordnet. Das Kühlelement 43 kann auf die thermische Belastung der Wicklungskombination 1 abgestimmt ausgebildet sein, so dass die Wicklungskombination 1 im Betrieb auf eine nahezu gleiche Temperatur wie die Wicklungskombination 3 gekühlt wird. Das Kühlelement 43 kann aber auch - der Einfachheit halber - baugleich mit dem Kühlelement 18 ausgebildet sein. Im vorliegenden Fall ist das Kühlelement 43 als Kühlzylinder ausgebildet und teilt den Zwischenraum 15 in einen äußeren Ringkanal 44 und in einen inneren Ringkanal 45. Das Kühlelement 1 wird also auch wie die Wicklungskombination 2 durch Luftkühlung gekühlt. Beim Tansformator 4A ist also nur bei der thermisch am geringsten belasteten Wicklungskombination 3 kein Kühlelement vorgesehen, so dass diese Wicklungskombination 3 mit einer geringeren Kühlleistung gekühlt wird, als beispielsweise die zweite Wicklungskombination 2.

Claims (11)

  1. Transformator (4) mit einer ersten (1), einer zweiten (2) und einer dritten Wicklungskombination (3), die jeweils stehend und in aufsteigender Zählung nebeneinander in einer Reihe angeordnet sind und jeweils ein Kühlelement (18,34) aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei der ersten (1) und/oder der dritten Wicklungskombination (3) jeweils das Kühlelement weggelassen ist.
  2. Transformator (4) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklungskombination (2) mit einem Kühlelement eine erste Wicklung (13) aufweist, die von einer zweiten Wicklung (10) unter Belassung eines Zwischenraums (16) umgeben ist, und daß das Kühlelement (18, 34) im Zwischenraum (16) angeordnet ist.
  3. Transformator (4) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (18, 34) als Kühlzylinder (18) ausgebildet ist.
  4. Transformator (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (18, 34) seine jeweilige Wicklungskombination (2) berührt.
  5. Transformator (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (18, 34) mindestens teilweise aus Kunststoff besteht.
  6. Transformator (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (18, 34) mindestens teilweise aus Metall besteht.
  7. Transformator (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß er als Gießharz-Transformator ausgebildet ist.
  8. Transformator (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (18, 34) so ausgelegt ist, daß es die jeweilige Wicklungskombination (2) zumindest nahezu auf die Temperatur kühlt, auf der sich im Betrieb die kühlelementfreie Wicklungskombination (1) befindet.
  9. Transformator (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (18, 34) Kühlkanäle (35) aufweist.
  10. Verfahren zur Kühlung eines Transformators (4) im Normalbetrieb, der jeweils stehend und in aufsteigender Zählung nebeneinander in einer Reihe angeordnet eine erste (1), eine zweite (2) und eine dritte Wicklungskombination (3) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch am höchsten belastete Wicklungskombination (2) mit einer höheren Kühlleistung gekühlt wird als eine thermisch geringer belastete Wicklungskombination (3).
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungskombinationen (2) nahezu auf die gleiche Temperatur wie gekühlt werden.
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