EP3494583A1 - Elektrisches gerät mit unterschiedlich stark gekühlten kapselungsräumen - Google Patents

Elektrisches gerät mit unterschiedlich stark gekühlten kapselungsräumen

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Publication number
EP3494583A1
EP3494583A1 EP17767832.3A EP17767832A EP3494583A1 EP 3494583 A1 EP3494583 A1 EP 3494583A1 EP 17767832 A EP17767832 A EP 17767832A EP 3494583 A1 EP3494583 A1 EP 3494583A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
electrical device
insulating fluid
temperature
barrier system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP17767832.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg FINDEISEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3494583A1 publication Critical patent/EP3494583A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01F27/10—Liquid cooling
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    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/322—Insulating of coils, windings, or parts thereof the insulation forming channels for circulation of the fluid
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    • H01F27/40—Structural association with built-in electric component, e.g. fuse
    • H01F27/402—Association of measuring or protective means
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    • H01F27/40—Structural association with built-in electric component, e.g. fuse
    • H01F27/402—Association of measuring or protective means
    • H01F2027/406—Temperature sensor or protection

Definitions

  • the invention relates to an electrical device for connection to a high-voltage network with a vessel which is filled with an insulating lierfluid, arranged in the vessel active part having a magnetizable core and partial windings for generating a magnetic field in the core, and with ei ⁇ ner cooling device for cooling the insulating fluid.
  • transformers or chokes which are connected to a high-voltage network each have a vessel, which is usually filled with a mineral insulating oil as insulating fluid.
  • a transformer an undervoltage and a high voltage winding are arranged in the vessel. Both windings are inductively coupled to each other via a magnetizable core.
  • the insulating fluid is used to insulate the windings but also to cool the transformer.
  • the insulating fluid heated during operation is conducted to dissipate the heat via a cooling device attached to the outside of the vessel. The cooling is set so that a maximum temperature of the insulating fluid is not exceeded, as otherwise the solid insulation of the transformer could be damaged.
  • insulating fluids such as ester or silicone oils
  • This ⁇ al ternatives Isolierfluide ensure a higher reliability Brandsi ⁇ and are also biodegradable.
  • An improved Environmental compatibility of insulating fluids is particularly required for off-shore applications. Due to the improved thermal stability of these alternative insulating fluids, the transformer can be operated at higher temperatures. In this connection reference is made to standard IEEE 1276 (1997).
  • the object of the invention is therefore to provide an electrical device of the type mentioned, which can be operated at higher temperatures, but at the same time remains inexpensive.
  • the invention solves this problem by at least one
  • encapsulated winding spaces which are referred to in the following encapsulation spaces, at least partially limited, in each of which at least one sub-winding is arranged ⁇
  • a barrier system in interaction with the correspondingly designed cooling device, ensures that at least two partial windings can be operated in different temperature sections, which are designated here as encapsulation room temperatures.
  • the barrier system provides other words that have the Kapselungs Congress isolator and winding different temperatures ⁇ .
  • the Kapselungsraumtemperatur ie the temperature range of the winding part and / or the isolator in the JE . . Kapselungsraum is expediently ⁇ is turned so that a predetermined this Kapselungsraum ma ⁇ ximum operating temperature is not exceeded. In this way it is possible to use different insulating materials in the encapsulation spaces.
  • the partial winding which is arranged in an encapsulation space in which sets a higher Kapselungsraumtemperatur during normal operation of the electrical device, be designed Isolierstoffarm.
  • the use of net conductor windings is possible.
  • Copper enamel wires coated with various insulating lacquers that can withstand even high temperatures are available on the market. This also applies, for example, to a wire with a coating of Pyre-ML-polyimide, which is thermally stable up to 220 ° C. Due to the small thickness of its lacquer layer a good heat transfer of the wire is guaranteed to the insulating fluid.
  • partial windings which are arranged in an encapsulation space in which the insulating fluid has a lower encapsulation space temperature, are expediently equipped with the customary conventional, that is, not high-temperature-resistant, partial winding isolations or barrier systems.
  • the material of the barrier system may be different from encapsulation space to encapsulation space.
  • the encapsulation spaces are interconnected within the scope of the invention so that a hydraulic coupling is provided between them.
  • the drive of the flow of the insulating fluid preferably takes place via a pump (OD cooling).
  • the barrier system expediently guides the insulating fluid through the encapsulation spaces one after the other or in other words in succession.
  • the cooled and therefore cold insulating fluid thus flows first into the first encapsulation space and there ensures the cooling of the partial winding arranged there.
  • the insulating fluid is heated and thus passes into the subsequent so in the flow direction second encapsulation chamber.
  • the insulating fluid flows from the second into the third encapsulation space and so on. In each encapsulation space, the insulating fluid heats up a little so that the encapsulation space temperature rises. In the last encapsulation chamber, the insulating fluid therefore has the highest encapsulation space temperature.
  • each Kapse ⁇ ment space is thus connected to a further encapsulation space, so that in the flow direction of the insulating fluid in series series of encapsulation chambers is formed, wherein the first encapsulation of said row an inlet and the last encapsulation of said row an outlet opening formed.
  • the encapsulation spaces thus form a hydraulic series connection.
  • the insulating fluid enters the series-connected capsule chambers through the inlet opening and out through the outlet opening.
  • the opening between two encapsulation spaces is called a connection opening here.
  • the inlet opening and each connecting opening may be followed by a meandering channel system, which is formed by a labyrinth-like barrier system.
  • the barrier system forms ⁇ advantageous way enough, in the area of the inlet and / or joint opening a labyrinth structure.
  • the barrier system encloses a partial winding at least in sections.
  • the barrier system is for example formed hohlzylind ⁇ driven part and this part arranged concentrically to at least one part winding.
  • the barrier system consists, for example, in part of pressboard, paper or other pulp. According to this variant of the invention, the barrier system serves both as a thermal and as an electrical barrier.
  • an electrically required portion of the barrier system as encapsulation or Isolationsabschitt is included in the formation of the Kapse- spaces. Therefore, essential components of the encapsulation are formed by the corresponding design of the cylindrical, disc-shaped and curved sections of the electrical barriers. For this purpose, the usual meandering horizontal barriers are closed to the outside, so that the inflow and outflow of the insulating fluid to the encapsulation chambers can only take place via defined inlet and outlet openings. Furthermore, in this embodiment, the encapsulation spaces are fluidically connected to one another by the gap between the cylindrical sections of the barriers forming the encapsulation being used as a return flow channel for the insulating fluid.
  • the deflecting and guiding the flow of Isolierfluides is carried out at the ⁇ ser execution by appropriate design and connection of the curved portions of the barrier with each subsequent cylindrical and disc-shaped portions of the barrier system. In regions and transitions at which the number and the design of the electrically necessary barriers lierfluides does not allow a guiding and deflecting the flow of iso-, additional flow will be leading and the flow channel sealing curved zy ⁇ -cylindrical or disc-shaped barrier sections turned ⁇ added.
  • the one component of the electrical ⁇ rule barrier arrangement form gaps between the barriers of Kapselungswort, which are used liquid in this embodiment as Strö ⁇ mung channels for the diversion and return of insulating, to increase the electrical resistance at least in part by further within the flow channels lying electrical barriers divided into narrower sub-column.
  • the partial winding with the size ⁇ ren high voltage stress, ie with the higher proportion of insulating materials in the respective fluidically upstream, ie the region with the colder insulating fluid is now arranged.
  • the first partial winding an underlay ⁇ voltage winding and a second winding part are a high-voltage winding.
  • the two windings are concentric with one another and, for example, also arranged to a core section extending through the inner low-voltage winding.
  • the electrical device ge ⁇ Häss this embodiment of the invention is a transformer with concentric upper and lower voltage windings as part windings.
  • the partial windings are advantageously out as circumferentially closed cylindrical windings out ⁇ .
  • the cooling device it is advantageous in the context of the invention for the cooling device to have a feed line which forms an outlet opening arranged, for example, below the first part-winding and in particular below the high-voltage winding.
  • the cooled insulating fluid from the cooling device is fed via the supply line directly into the enclosure space of the first part winding, so that the first part winding is cooled more than the other part windings, which are arranged downstream of the first part winding in the flow direction of the insulating fluid.
  • insulations of different insulating materials are arranged in the encapsulation spaces. Insulation means here both the insulation of the partial winding arranged in the respective encapsulation space and the barrier system itself.
  • the partial windings for example, different conductor insulation.
  • the first part winding is equipped with a high temperature insulation, while a second part winding and all other part windings have common insulation made of materials that are designed for lower temperatures.
  • the materials of the barrier system may be different from encapsulation space to encapsulation space. Even within a Kapselungsraums may be installed in the context of the invention differing ⁇ ches insulating material.
  • the partial windings are designed for different operating voltages, wherein the temperature-temperature of the insulating fluid and / or the part-winding in the Kapselungsraum in which a designed for higher voltage part winding is arranged during normal operation of erfindungsge ⁇ MAESSEN electrical device is smaller, as the temperature of the insulating fluid and / or the partial winding in the Kapse- space, in which a designed for a comparatively lower voltages partial winding is arranged.
  • the designed for higher voltages partial winding has a size ⁇ ren Isolierstoffanteil than the part winding for lower voltages.
  • the cooled insulating fluid is first supplied to the sub Wick ⁇ lung, a higher voltage, for example ranging from several hundred kilovolts falls on in normal operation from ⁇ .
  • the cooling device has a control ⁇ unit with temperature sensors, wherein the control unit for each temperature range above a threshold value has and the cooling performance of the cooling device in dependence speed of the respective threshold.
  • the respective threshold is determined, for example depending on the jeweili ⁇ gen class of insulating materials of the partial windings. He ⁇ reaches the temperature detected by the temperature sensor, the threshold, controls the control unit, for example, a circulation pump of the cooling device and thus increases their cooling capacity.
  • each temperature range of a partial winding is equipped with a sensor.
  • the temperature sensors are arranged to detect the temperature of a partial winding and / or to detect the temperature of the insulating fluid in a partial winding.
  • the barrier system has at least one insulation section which is set up to control electric field strengths.
  • the barrier system delimits mutually perpendicular vertical flow channels with opposite flow direction, wherein at least one of the vertical flow channels is arranged as a return channel between each part of a winding surrounding insulation sections.
  • the cooled insulating fluid flows, for example, from bottom to top through the first vertical flow channel. His flow is thus caused by warming own movement of the
  • Rectified insulating fluids are Rectified insulating fluids.
  • a plurality of parallel flow channels can be horizontal or vertical channels.
  • the insulating fluid can flow through adjacent flow channels in the same direction.
  • the flow channels can be delimited by the insulation sections, or in other words by sections of the barrier system, which serve to electrically insulate the partial windings.
  • the outputs staltung of the flow channels is possible in the invention in many ways.
  • channels between the barriers which are not required for the targeted fluid flow, are closed by inserts in order to avoid bypass formation.
  • the main flow of the insulating liquid takes place within the Kapse- spaces from bottom to top, so is caused by heating proper motion of the insulating liquid rectified. Outside the Kapselungssammlung the Isolierflüs ⁇ stechnik is diverted to a further insulation portion. In these areas without heat source, the flow takes place from top to bottom and then again in a further encapsulation chamber identical to the thermal motion of the insulating liquid to flow from bottom to top.
  • a wall of the barrier system between mutually parallel vertical flow channels with opposite flow direction on a thermal insulation is, for example, compared to the remaining components of the barrier system increased wall thickness or a thermal see coating into consideration.
  • the insulating materials are associated, for example, depending ⁇ wells different thermal classes.
  • each temperature range equipped with different insulating materials is equipped with a thermal sensor for measuring the hotspot temperature of the respective temperature range.
  • the sensors are connected to a control unit, wel ⁇ che the hot spot temperature for each temperature range ge disconnects monitored.
  • any temperature range matched to the respective insulation materials used Schwellwer ⁇ te are assigned.
  • the barrier system is designed such that cooling channels of the magnetic core are included in the forced flow of the insulating fluid.
  • Temperature classes for the insulating components according to their thermal load.
  • the Porteriso ⁇ lation is designed according to the hot spot temperature of the respective temperature range. Insulating components within the respective temperature range, which, however, maintain a certain distance from the hottest points of the respective partial winding can, if the corresponding Temperaurgradient permits, be carried out in a lower thermal class.
  • gradations of thermal resistance may be provided, for example, in the following order:
  • Wicklungstei- are preferred isolation procedure le Wicklungsaustechnische particular in the region of the inlet of the insulating liquid in the corresponding Wicklungsab arranged ⁇ cut.
  • Partial windings which due to their geometry or technical design are not suitable for integration in the fluidic series connection described, can furthermore form separate concentrically arranged winding blocks.
  • the operation at higher temperatures he ⁇ allows, with a costly conversion, for example, the insulating material-rich winding parts of a high-voltage winding ⁇ can be omitted on Hochtemperaturisolierwerkstoffe.
  • a higher current density in the winding conductors and thus a significant reduction in size are possible.
  • An increase in the temperature of the insulating fluid leads in the context of the invention to a significant increase in the temperature difference to the outer cooling medium such as air or water.
  • the Effek ⁇ tivity of the cooling increases considerably, so that the electrical device according to the invention can be made more compact.
  • the transformer 1 of the drawing shows an embodiment of the electrical device 1 according to the invention, which is designed as a transformer.
  • the transformer 1 has an active part 2, which is formed from a core 3, a low-voltage winding 4 and a high-voltage winding 5.
  • the Un Tension voltage winding 4 and the high-voltage winding 5 are arranged concentrically to a leg 6 of the core 3, where ⁇ is illustrated in Figure 1, only one side of the windings. It should be noted, however, that both the lower-voltage winding and the upper-voltage winding are circumferentially closed as partial windings, that is to say run around the leg 6 in a wreath-like manner.
  • the active part 2 is arranged within a vessel 7, which is filled with an insulating fluid 8, in theticiansbei ⁇ play shown a vegetable ester.
  • a cooling device 9 is attached, which has aderegis ⁇ ter 10, a circulating pump 11, a supply line 12 and a return line 13.
  • the transformer 1 is provided for connection to a high voltage network, so that during operation of the transformer, the Oberwoodswick ⁇ ment 5 is at a high voltage potential, that is acted upon by a voltage above 50 kV.
  • a barrier system 14 which encloses both the low-voltage winding 4 and the high-voltage winding 5 each with one of its insulation sections almost completely.
  • the barrier ⁇ system 14 is at least partially made of pressboard or other material based on cellulose and has overall curved portions 15 and cylindrical portions 16 which are arranged to one another such that the upper voltage ⁇ winding 5 and the low-voltage winding 4 each in a Kapselungsraum 17 and 18 are arranged, which are flow ⁇ technically connected to each other.
  • the encapsulation chambers 17, 18 are not completely fluid-tight. Some insulating fluid 8 can therefore escape from the barrier system 14 from inside to outside even above the high-voltage winding 5. However, these "unwanted" leaking fluid quantities can be neglected in terms of cooling. The substantial portion of the flow of the insulating fluid is passed through the barrier system 14.
  • the barrier system 14 forms below the high-voltage winding 5 an inlet opening 19, through which the from the supply line 12 of the cooling device. 9 exiting cooled insulating fluid enters the barrier system 14.
  • the barrier system 14 also forms an outlet opening 21, which is arranged above the low-voltage winding 4 in the example shown.
  • the Kapse- lung spaces 17 and 18 are moreover hydraulically MITEI ⁇ Nander coupled.
  • the circulation pump 11 ensures that the insulating fluid 8 flows in the direction illustrated by flow arrows 23 through the active part 2 and the vessel 7.
  • Each sub-winding 4 and 5 has shield rings 24, which are arranged for field control at its upper and lower ends.
  • the insulating fluid 8 ie the ester
  • the cooling register 10 wherein cooled cooling insulating fluid 8 emerging from the outlet opening 20 of the supply line 12 enters the barrier system 14 through the inlet opening 19.
  • the insulating fluid 8 is deflected several times, so meandering guided until it reaches the lower end of the high-voltage winding 5, are formed in the cooling channels.
  • heat loss of the high-voltage winding 5 is applied to the transferdeka ⁇ ducts flowing through isolator. 8 This leads to a constant warming of the insulating 8.
  • High-voltage winding 5 forms two temperature ranges 25.1 and 25.2, which are indicated in Figure 1 by a different Mus ⁇ sion.
  • the winding 5 is equipped with different insulating materials, which are assigned for example to different thermal ⁇ 's classes.
  • the gradually warming insulating fluid 8 enters the encapsulation space 17 of the low-voltage winding 4 from the encapsulation space 17 of the high-voltage winding 5.
  • the barrier system 14 then carries the insulating fluid 8 via the low-voltage winding 4, which also has cooling channels and temperature ranges 25.3 and 25.4 with different insulating materials having.
  • here again heated insulating fluid 8 passes through the outlet opening 21 into the vessel interior. From there, the isolator 8 via return- ⁇ approximately line 13 and the circulation pump 11 again ter thederegis- 10 is supplied. The cooling circuit starts again.
  • Radial and axial spacers include: ten, riders, liners
  • Barriers, angle rings, caps, washers, barrier systems includes: insulating cylinders
  • the staggering of the thermal performance of insulating materials can also be carried out within the thermal classes according to EN 60085, there are a variety of possibilities, for example, a staggering in temperature steps less than 10 Kelvin is possible.
  • Fig. 2 shows a simplifiedandsbei ⁇ game of the electrical device 1 according to the invention, wherein the barrier system 14 is particularly well recognizable.
  • the barrier-rensystem 14 is to the effect designed to be used for guiding and deflecting the flow of the Isolierfluides 8 who can ⁇ .
  • the barrier system 14 again has cylindrical sections 16, 16.1, 16.2, 16.3, disc-shaped sections 26.1, 26.2, 26.3 and curved sections 15, 15.1, 15.2, 15.3 and 15.4, the latter being also referred to as Winkelrin ⁇ ge or caps.
  • the barrier system 14 is designed in such a way that encapsulated winding spaces are formed, which are designated here as encapsulation spaces 17, 28.
  • encapsulation spaces 17, 28 encapsulation spaces 17, 28.
  • the übli ⁇ ch true existing outer horizontal, a flow channel for the insulating limiting disc-shaped barriers are replaced by closed discs 26.2, 26.3, so that the inflow and outflow of the isolator 8 in the Kapse- lung spaces 17 and 18 controlled by the inlet - 19 and outlet 21 takes place.
  • the encapsulation chambers 17 and 18 are fluidically connected to each other by the gap between the cylindrical sections 16.2 and 16.3 is used as a return flow channel 27 for the insulating fluid.
  • the inlet opening 19 is formed in the so-called winding ⁇ substructure.
  • the outlet opening 21 is located in the disk-shaped section 26.1.
  • the structure of the closed barrier surfaces perpendicular as possible should the field direction to Favor ⁇ gen.
  • the rümm ⁇ th barrier gen folic approximately to the course of the equipotential lines.
  • the ensuing substantially parallel arrangement, the curved portions 15, 15.2 is the use as Flow channel 27 for deflecting the flow of Isolierflui- 8 counter, so that only minor fluidic changes are necessary.
  • the check number allows the electrically required curved barrier sections 15.4, 15.5 no reversal of the flow of Iso ⁇ lier basinkeit additional flow linen ⁇ saving and the winding space are inserted outwardly curved sealing barriers 15.3.
  • each angle rings low wall thickness 15.3 are combined at the interface between the curved barriers and the cylindrical barrier and opposite to the cylindrical From ⁇ cut 16.3 arranged.
  • Fig. 3 shows an embodiment in which only one of the Kapselungssammlung 17, 18 is a winding part with a plurality of Tempe ratur Schemeen ⁇ 25.1 and 25.2 has.
  • the thermal class of the conductor insulation 26 increases from the encapsulation space 17 to the encapsulation space 18 and in the latter again from the temperature range 25.1 to the temperature range 25.2.
  • the transition of Temperartur Schemee takes place after reaching a winding ⁇ height Hl.
  • the oil column of the insulation structure 27 and horizontal Ka ⁇ ducts 28 are known to be partitioned by the barrier system 14 in narrower vertical channels. According to the invention, these channels 27, 28 are used to conduct the insulating fluid 8 to the partial winding 4 downstream in the flow direction 23.
  • a plurality of these channels 27, 28 extend parallel to one another in order to achieve the required for the flow of the insulating fluid 8 cross section.
  • the cross-section or more precisely cross-sectional area and the number of connected vertical 27 and horizontal 28 channels may vary within the scope of the invention.
  • the partial windings are equipped with so-called hot spots of their respective temperature ranges 5, 25.1 and 25.2 with thermal sensors 31.
  • the sensors 31 are connected to a control unit, not shown figuratively.
  • a further sensor 32 for measuring the maximum temperature of the insulating liquid 8 is arranged. If necessary, the control of the maximum temperature temperature of the insulating fluid 8 in the upstream part of the winding 5 via the sensor 33 possible.
  • Fig. 4 shows an embodiment in which the core 3 is included in the cooling circuit. This is advantageous if a large temperature spread of the insulating fluid 8 is provided.
  • the design of the core 3 to higher temperatures requires only a very small effort, since no moldings are required and an electric field stress must not be taken into account. Therefore, the classification of the
  • the windings 5 and 4 and then the core 3 from the insulating fluid 8 are successively flowed through.
  • the cooling channels of the partial windings 4.5 and cooling channels 34 of the core 3 are thermally and fluidically connected in series.
  • the barriers are designed so that the main flow of Isolierfluides is respectively directed 8 in ⁇ nerrenz the Kapselungssammlung 17 and 18 and in the core 3 from bottom to top, so the proper motion produced by heating the isolator 8 is rectified.
  • the return of the insulating fluid 8 takes place in each case in the vertical channels 27 between the barriers of the insulation arrangement, which here as isolation sections of the
  • the vertical portions 16 of the barrier system 14 which define channels 27 with Chryslerge ⁇ translated flow directions, provided in areas with a high temperature difference between the Isolierfluides 8 with an additional thermal insulation 35th This can be done in the simple case by increasing the wall thickness. In areas close to the direction reversal of the insulating fluid 8, the temperature difference is low. There, therefore, no action is required.

Landscapes

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Abstract

Um ein Elektrisches Gerät (1) zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz mit - einem Gefäß (7), das mit einem Isolierfluid (8) befüllt ist, - einem in dem Gefäß (7) angeordneten Aktivteil (2), das einen magnetisierbaren Kern (3) und Teilwicklungen (4, 5) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Kern (3) aufweist, und - einer Kühleinrichtung (9) zum Kühlen des Isolierfluids (8), zu schaffen, das bei höheren Temperaturen betrieben werden kann, wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Barrierensystem (14) vorgesehen ist, das Kapselungsräume (17, 18) zumindest teilweise begrenzt, in denen jeweils wenigstens eine Teilwicklung (4, 5) angeordnet ist, wobei das Barrierensystem (14) das von der Kühleinrichtung (9) gekühlte Isolierfluid (8) so über die Kapselungsräume (17, 18) führt, dass sich in den Kapselungsräumen (17, 18) unterschiedliche Kapselungsraumtemperaturen einstellen.

Description

Beschreibung
Elektrisches Gerät mit unterschiedlich stark gekühlten Kapselungsräumen
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz mit einem Gefäß, das mit einem Iso- lierfluid befüllt ist, einem in dem Gefäß angeordneten Aktivteil, das einen magnetisierbaren Kern und Teilwicklungen zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Kern aufweist, und mit ei¬ ner Kühleinrichtung zum Kühlen des Isolierfluids .
So weisen beispielsweise Transformatoren oder Drosseln, die an ein Hochspannungsnetz angeschlossen sind, jeweils ein Ge- fäß auf, das in der Regel mit einem mineralischen Isolieröl als Isolierfluid befüllt ist. Bei einem Transformator sind in dem Gefäß eine Unterspannungs- und eine Oberspannungswicklung angeordnet. Beide Wicklungen sind über einen magnetisierbaren Kern induktiv miteinander gekoppelt. Das Isolierfluid dient zum Isolieren der Wicklungen aber auch zur Kühlung des Transformators. Dazu wird das beim Betrieb erwärmte Isolierfluid zum Abführen der Wärme über eine außen am Gefäß befestigte Kühleinrichtung geführt. Die Kühlung ist so eingestellt, dass eine maximale Temperatur des Isolierfluids nicht überschrit- ten wird, da ansonsten die FeststoffIsolierungen des Transformators beschädigt werden könnten.
Weil Alterung und Lebensdauer der FeststoffIsolierung in hohem Maße von der Temperatur abhängen, wurden bereits elektri- sehe Geräte vorgeschlagen, deren Wicklungen und Wicklungsaufbauten Kombinationen von Isolierstoffen mit unterschiedlichen thermischen Leistungsfähigkeiten aufweisen.
Darüber hinaus kommen zunehmend alternative Isolierfluide, wie Ester- oder Silikonöle, in Transformatoren zum Einsatz, die eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Diese al¬ ternativen Isolierfluide gewährleisten eine höhere Brandsi¬ cherheit und sind zudem biologisch abbaubar. Eine verbesserte Umweltverträglichkeit von Isolierfluiden ist insbesondere für Off-Shore-Anwendungen erforderlich. Auf Grund der verbesserten thermischen Beständigkeit dieser alternativen Isolier- fluide kann der Transformator bei höheren Temperaturen be- trieben werden. In diesem Zusammenhang sei auf Norm IEEE 1276(1997) verwiesen.
Neben den konventionellen, also derzeit überwiegend einge¬ setzten Isoliersystemen und Materialien sind so genannte Hochtemperaturisolierungen für elektrische Geräte bekannt.
Diese sind jedoch kostenintensiv. Aus diesem Grunde wurden so genannte Hybridlösungen vorgeschlagen, bei denen sowohl Hochtemperaturisolierungen als auch Isolierungen aus üblichen Werkstoffen eingesetzt wurden. Beispielsweise weist das
Barrierensystem konventionelle Isolierwerkstoffe auf, während die Leiterwicklungsisolierung aus Hochtemperaturwerkstoffen besteht. Den Hybridlösungen haftet jedoch der Nachteil an, dass trotz des Einsatzes kostspieliger Hochtemperaturisolier- werkstoffe die Betriebstemperatur des Isolierfluids aufgrund der immer noch verwendeten konventionellen Isolierwerkstoffe deutlich unter der Temperatur liegt, die bei ausschließlichem Einsatz von Hochtemperaturisolierwerkstoffen möglich wäre.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektrisches Gerät der eingangs genannten Art bereitzustellen, das bei höheren Temperaturen betrieben werden kann, gleichzeitig jedoch kostengünstig bleibt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch wenigstens ein
Barrierensystem, das gekapselte Wicklungsräume, welche im folgenden Kapselungsräume genannt werden, zumindest teilweise begrenzt, in denen jeweils mindestens eine Teilwicklung ange¬ ordnet ist, wobei das Barrierensystem das von der Kühleinrichtung gekühlte Isolierfluid so über die Kapselungsräume führt, dass sich in den Kapselungsräumen jeweils unterschied¬ liche Temperaturen des Isolierfluids und/oder der Teilwicklungen einstellen. Erfindungsgemäß sorgt ein Barrierensystem im Zusammenspiel mit der entsprechend ausgestalteten Kühleinrichtung dafür, dass zumindest zwei Teilwicklungen in unterschiedlichen Temperaturabschnitten, die hier als Kapselungsraumtemperaturen bezeichnet sind, betrieben werden können. Das Barrierensystem sorgt mit anderen Worten dafür, dass in den Kapselungsräumen Isolierfluid und Wicklung unterschiedliche Temperaturen auf¬ weisen. Die Kapselungsraumtemperatur, also der Temperaturbereich der Teilwicklung und/oder des Isolierfluids in dem je- weiligen Kapselungsraum, wird zweckmäßigerweise so einge¬ stellt, dass eine für diesen Kapselungsraum vorbestimmte ma¬ ximale Betriebstemperatur nicht überschritten wird. Auf diese Weise ist es möglich, in den Kapselungsräumen unterschiedliche Isoliermaterialien einzusetzen.
Darüber hinaus kann beispielsweise die Teilwicklung, die in einem Kapselungsraum angeordnet ist, in dem sich bei Normalbetrieb des elektrischen Geräts eine höhere Kapselungsraumtemperatur einstellt, Isolierstoffarm ausgelegt sein. In die- sem Zusammenhang ist beispielsweise der Einsatz von Netzdrilleiterwicklungen möglich.
Mit verschiedenen Isolierlacken beschichtete Kupferlackdrähte, die selbst hohen Temperaturen Stand halten können, sind am Markt erhältlich. Dies gilt beispielsweise auch für einen Draht mit einer Beschichtung aus Pyre-ML-polyimid, der bis 220°C thermisch beständig ist. Aufgrund der geringen Dicke seiner Lackschicht ist eine gute Wärmeabgabe des Drahtes an das Isolierfluid gewährleistet.
Andere Teilwicklungen, die in einem Kapselungsraum angeordnet sind, in dem das Isolierfluid eine geringere Kapselungsraum¬ temperatur aufweist, sind hingegen zweckmäßigerweise mit den üblichen konventionellen, also nicht hochtemperaturbeständi- gen Teilwicklungsisolierungen oder Barrierensystemen bestückt. Somit kann im Rahmen der Erfindung das Material des Barrierensystems von Kapselungsraum zu Kapselungsraum unterschiedlich sein. Die Kapselungsräume sind im Rahmen der Erfindung miteinander verbunden, so dass zwischen ihnen eine hydraulische Kopplung bereitgestellt ist. Bevorzugt erfolgt der Antrieb der Strö- mung des Isolierfluides über eine Pumpe (OD-Kühlung) .
Zweckmäßigerweise führt das Barrierensystem das Isolierfluid nacheinander oder mit anderen Worten der Reihe nach durch die Kapselungsräume. Das abgekühlte und somit kalte Isolierfluid strömt somit zunächst in den ersten Kapselungsraum und sorgt dort für die Kühlung der dort angeordneten Teilwicklung. Dabei erwärmt sich das Isolierfluid und gelangt so in den in Strömungsrichtung nachfolgenden also zweiten Kapselungsraum. Sind mehr als zwei Kapselungsräume vorgesehen, fließt das Isolierfluid vom zweiten in den dritten Kapselungsraum und so weiter. In jedem Kapselungsraum erwärmt sich das Isolierfluid etwas, so dass die Kapselungsraumtemperatur ansteigt. Im letzten Kapselungsraum weist das Isolierfluid daher die höchste Kapselungsraumtemperatur auf.
Gemäß dieser Variante der Erfindung ist also jeder Kapse¬ lungsraum mit einem weiteren Kapselungsraum verbunden, so das eine in Strömungsrichtung des Isolierfluids hintereinander geschaltete Reihe von Kapselungsräumen gebildet ist, wobei der ersten Kapselungsraum der besagten Reihe eine Eintrittsöffnung und der letzte Kapselungsraum der besagten Reihe eine Austrittsöffnung ausbildet. Die Kapselungsräume bilden somit eine hydraulische Reihenschaltung aus. Das Isolierfluid tritt durch die Eintrittsöffnung in die in Reihe geschalteten Kap- selungsräume ein und durch die Austrittsöffnung aus dieser wieder aus. Die Öffnung zwischen zwei Kapselungsräumen wird hier Verbindungsöffnung genannt. Der Eintrittsöffnung und jeder Verbindungsöffnung kann ein mäanderförmiges Kanalsystem nachgeschaltet sein, das durch ein labyrinthartiges Barrie- rensystem gebildet wird. Das Barrierensystem bildet vorteil¬ hafterweise auch im Bereich der Eintritts- und/oder Verbindungsöffnung eine Labyrinthstruktur aus. Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung umschließt das Barrierensystem eine Teilwicklung zumindest abschnittsweise. Das Barrierensystem ist beispielsweise zum Teil hohlzylind¬ risch ausgebildet und dieser Teil konzentrisch zu wenigstens einer Teilwicklung angeordnet.
Das Barrierensystem besteht beispielsweise teilweise aus Pressspan, Papier oder einem sonstigen Zellstoff. Gemäß dieser Variante der Erfindung dient das Barrierensystem sowohl als thermische als auch als elektrische Barriere.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein elektrisch erforderlicher Abschnitt des Barrierensystems als Kapselung oder Isolationsabschitt in die Bildung der Kapse- lungsräume einbezogen. Daher werden wesentliche Bestandteile der Kapselung durch die entsprechende Gestaltung der zylindrischen, scheibenförmigen und gekrümmten Abschnitte der elektrischen Barrieren gebildet. Dazu werden die üblichen mä- anderförmig angeordneten horizontalen Barrieren nach außen verschlossen, so dass der Zu- und Abfluss des Isolierfluides zu den Kapselungsräumen nur über definierte Ein- und Austrittsöffnungen erfolgen kann. Weiterhin werden bei dieser Ausgestaltung die Kapselungsräume strömungstechnisch miteinander verbunden, indem der Spalt zwischen den zylindrischen Abschnitten der die Kapselung bildenden Barrieren als Rückströmkanal für das Isolierfluid genutzt wird. Die Umlenkung und Führung der Strömung des Isolierfluides erfolgt bei die¬ ser Ausführung durch entsprechende Gestaltung und Verbindung der gekrümmten Bereiche der Barrieren mit den jeweils an- schließenden zylindrischen und scheibenförmigen Abschnitten des Barrierensystems. In Bereichen und Übergängen, an denen die Anzahl und die Gestaltung der elektrisch erforderlichen Barrieren eine Führung und Umlenkung der Strömung des Iso- lierfluides nicht zulässt, werden zusätzliche die Strömung führende und den Strömungskanal abdichtende gekrümmte, zy¬ lindrische oder scheibenförmige Barrierenabschnitte einge¬ fügt . Vorteilhafterweise werden die einen Bestandteil der elektri¬ schen Barrierenanordnung bilden Spalte zwischen den Barrieren der Kapselungsräume, welche bei dieser Ausführung als Strö¬ mungskanäle für die Umleitung und Rückführung der Isolier- flüssigkeit genutzt werden, zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit zumindest teilweise durch weitere innerhalb der Strömungskanäle liegende elektrische Barrieren in engere Teilspalte unterteilt. Erfindungsgemäß wird nunmehr die Teilwicklung mit der größe¬ ren Hochspannungsbeanspruchung, also mit dem höheren Anteil an Isolierstoffen in dem jeweils strömungstechnisch vorgelagerten, also dem Bereich mit dem kälteren Isolierfluid angeordnet .
Zweckmäßigerweise sind die erste Teilwicklung eine Unterspan¬ nungswicklung und eine zweite Teilwicklung eine Oberspannungswicklung. Die beiden Wicklungen sind konzentrisch zueinander und beispielsweise auch zu einem sich durch die innere Unterspannungswicklung hindurch erstreckenden Kernabschnitt angeordnet. Mit anderen Worten ist das elektrische Gerät ge¬ mäß dieser Ausführung der Erfindung ein Transformator mit konzentrischen Ober- und Unterspannungswicklungen als Teilwicklungen. Die Teilwicklungen sind vorteilhafterweise als umfänglich geschlossene zylinderförmige Wicklungen ausge¬ führt .
Wie bereits weiter oben beschrieben wurde, ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, dass die Kühleinrichtung über eine Zuführungsleitung verfügt, die eine beispielsweise unterhalb der ersten Teilwicklung und insbesondere unterhalb der Oberspannungswicklung angeordnete Austrittsöffnung ausbildet. Gemäß dieser Variante wird das abgekühlte Isolierfluid aus der Kühleinrichtung über die Zuführungsleitung direkt in den Kap- selungsraum der ersten Teilwicklung geführt, so dass die erste Teilwicklung stärker gekühlt wird als die weiteren Teilwicklungen, die der ersten Teilwicklung in Strömungsrichtung des Isolierfluids nachgeordnet sind. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in den Kapselungsräumen Isolierungen aus unterschiedlichen Isolierstoffen angeordnet. Unter einer Isolierung ist hier so- wohl die Isolierung der in dem jeweiligen Kapselungsraum angeordneten Teilwicklung als auch das Barrierensystem selbst zu verstehen. So weisen die Teilwicklungen beispielsweise unterschiedliche Leiterisolierungen auf. Die erste Teilwicklung ist beispielsweise mit einer Hochtemperaturisolierung ausge- rüstet, während eine zweite Teilwicklung und alle weiteren Teilwicklungen übliche Isolierungen aus Werkstoffen aufweisen, die für niedrigere Temperaturen ausgelegt sind. Auch die Materialien des Barrierensystems können von Kapselungsraum zu Kapselungsraum unterschiedlich sein. Selbst innerhalb eines Kapselungsraums kann im Rahmen der Erfindung unterschiedli¬ ches Isoliermaterial verbaut sein.
Gemäß einer weiteren Variante sind die Teilwicklungen für unterschiedliche Betriebsspannungen ausgelegt, wobei die Tempe- ratur des Isolierfluids und/oder der Teilwicklung in dem Kapselungsraum, in dem eine für höhere Spannung ausgelegte Teilwicklung angeordnet ist, bei Normalbetrieb des erfindungsge¬ mäßen elektrischen Geräts geringer ist, als die Temperatur des Isolierfluids und/oder der Teilwicklung in dem Kapse- lungsraum, in dem eine für eine vergleichsweise geringere Spannungen ausgelegte Teilwicklung angeordnet ist. Die für höhere Spannungen ausgelegte Teilwicklung weist einen größe¬ ren Isolierstoffanteil auf als die Teilwicklung für geringere Spannungen. Um dort teure Hochtemperaturisolierstoffe zu ver- meiden, wird das gekühlte Isolierfluid zunächst der Teilwick¬ lung zugeführt, an der bei Normalbetrieb eine höhere Spannung beispielsweise im Bereich von mehreren hundert Kilovolt ab¬ fällt. Vorteilhafterweis weist die Kühleinrichtung eine Steuerungs¬ einheit mit Temperatursensoren auf, wobei die Steuerungseinheit für jeden Temperaturbereich über einen Schwellenwert verfügt und die Kühlleistung der Kühleinrichtung in Abhängig- keit des jeweiligen Schwellenwertes steuert. Der jeweilige Schwellenwert ist beispielsweise in Abhängigkeit der jeweili¬ gen Klasse der Isolierstoffe der Teilwicklungen bestimmt. Er¬ reicht die von den Temperatursensoren erfasste Temperatur den Schwellenwert, steuert die Steuerungseinheit beispielsweise eine Umwälzpumpe der Kühleinrichtung an und erhöht so deren Kühlleistung. Vorteilhafterweise ist jeder Temperaturbereich einer Teilwicklung mit einem Sensor ausgerüstet. Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung sind die Temperatursensoren zum Erfassen der Temperatur einer Teilwicklung und/oder zum Erfassen der Temperatur des Iso- lierfluids in einer Teilwicklung eingerichtet. In einer weiteren Variante weist das Barrierensystem wenigstens einen Isolationsabschnitt auf, der zur Absteuerung elektrischer Feldstärken eingerichtet ist.
Gemäß einer weiteren Variante begrenzt das Barrierensystem parallel zueinander verlaufende senkrechte Strömungskanäle mit entgegengesetzter Strömungsrichtung, wobei wenigstens einer der senkrechten Strömungskanäle als Rückführungskanal zwischen jeweils eine Teilwicklung umgebenden Isolationsabschnitten angeordnet ist. Bei dieser Variante strömt das ge- kühlte Isolierfluid beispielsweise von unten nach oben durch den ersten senkrechten Strömungskanal. Seine Strömung ist somit der durch Erwärmung verursachten Eigenbewegung des
Isolierfluids gleichgerichtet. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich, mehrere parallele Strömungskanäle vorzusehen. Dabei kann es sich um horizontale oder senkrechte Kanäle handeln. Bei Be¬ trieb kann das Isolierfluid benachbarte Strömungskanäle in der gleichen Richtung durchströmen. Die Strömungskanäle kön- nen von den Isolationsabschnitten begrenzt sein, oder mit anderen Worten von Abschnitten des Barrierensystems, die der elektrischen Isolation der Teilwicklungen dienen. Die Ausge- staltung der Strömungskanäle ist im Rahmen der Erfindung auf vielfältige Weise möglich.
Vorteilhafterweise werden Kanäle zwischen den Barrieren, wel- che nicht für die gezielte Fluidströmung benötigt werden, zur Vermeidung einer Bypassbildung, durch Beilagen verschlossen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, erfolgt die Hauptströmung der Isolierflüssigkeit innerhalb der Kapse- lungsräume von unten nach oben, ist also der durch Erwärmung verursachten Eigenbewegung der Isolierflüssigkeit gleichgerichtet. Außerhalb der Kapselungsräume wird die Isolierflüs¬ sigkeit zu einem weiteren Isolationsabschnitt umgeleitet. In diesen Bereichen ohne Wärmequelle erfolgt die Strömung von oben nach unten um anschließend in einem weiteren Kapselungsraum wiederum identisch mit der thermischen Eigenbewegung der Isolierflüssigkeit von unten nach oben zu strömen.
Vorteilhafterweise weist eine Wandung des Barrierensystem zwischen parallel zueinander verlaufenden senkrechten Strömungskanälen mit entgegengesetzter Strömungsrichtung eine thermische Isolierung auf. Als thermische Isolierung kommt beispielsweise eine gegenüber den restlichen Bestandteilen des Barrierensystems erhöhte Wanddicke oder aber eine thermi- sehe Beschichtung in Betracht.
Vorteilhafterweise bildet wenigstens eine Teilwicklung Tempe¬ raturbereiche aus, in denen Isolierwerkstoffe angeordnet sind, die eine unterschiedlich starke thermische Belastbar- keit aufweisen. Die Isolierwerkstoffe sind beispielsweise je¬ weils unterschiedlichen thermischen Klassen zugeordnet.
Gemäß einer diesbezüglichen Variante ist jeder mit unterschiedlichen Isolierwerkstoffen ausgestattete Temperaturbe- reich mit einem thermischen Sensor zur Messung der Heißpunkttemperatur des jeweiligen Temperaturbereiches ausgestattet. Die Sensoren sind mit einer Regelungseinheit verbunden, wel¬ che die Heißpunkttemperatur für jeden Temperaturbereich ge- trennt überwacht. Dazu sind jedem Temperaturbereich auf die jeweils verwendeten Isolierwerkstoffe abgestimmte Schwellwer¬ te zugeordnet. In einer weiteren Variante der Erfindung wird das Barrierensystem derart gestaltet, dass Kühlkanäle des Magnetkernes in die forcierte Strömung des Islolierfluides einbezogen werden.
Bei einer Variante der Erfindung erfolgt auch innerhalb eines Temperaturbereichs einer Teilwicklung eine Staffelung der
Temperaturklassen für die Isolierbauteile gemäß ihrer thermischen Beanspruchung. Somit wird beispielsweise die Leiteriso¬ lation entsprechend der Heißpunkttemperatur des jeweiligen Temperaturbereichs ausgelegt. Isolierbauteile innerhalb des jeweiligen Temperaturbereichs, die jedoch einen gewissen Abstand zu den heißesten Stellen der jeweiligen Teilwicklung einhalten, können wenn der entsprechende Temperaurgradient das zulässt, in einer niedrigeren thermischen Klasse ausgeführt werden.
Somit können Abstufungen der thermischen Festigkeit beispielsweise in folgender Reihenfolge vorgesehen werden:
1. Leiterisolation
2. Abstandshalter mit Kontakt zum Leiter (Reiter, Beilagen, Leisten)
3. Potentialsteuerringe und Barrieren (Zylinderbarrieren, Winkelringe, Kappen, Leisten zwischen den Barrieren)
Bevorzugt werden isolationstechnisch aufwändige Wicklungstei- le insbesondere Wicklungsausleitungen im Bereich des Eintrittes der Isolierflüssigkeit in den entsprechenden Wicklungsab¬ schnitt angeordnet.
Teilwicklungen welche sich durch ihre Geometrie, oder techni- sehe Gestaltung nicht für eine Einbindung in die beschriebene strömungstechnische Reihenschaltung eignen, können weiterhin separate konzentrisch angeordnete Wicklungsblöcke bilden. Erfindungsgemäß wird der Betrieb bei höheren Temperaturen er¬ möglicht, wobei eine kostspielige Umstellung beispielsweise der Isolierstoffreichen Wicklungsteile einer Oberspannungs¬ wicklung auf Hochtemperaturisolierwerkstoffe unterbleiben kann. Darüber hinaus sind eine höhere Stromdichte in den Wicklungsleitern und damit eine deutliche Reduzierung der Baugröße möglich. Eine Erhöhung der Temperatur des Isolier- fluides führt im Rahmen der Erfindung zu einer erheblichen Vergrößerung der Temperaturdifferenz zum äußeren Kühlmedium wie beispielsweise Luft oder Wasser. Damit steigt die Effek¬ tivität der Kühlung erheblich, so dass das erfindungsgemäße elektrische Gerät kompakter ausgeführt sein kann.
Auf Grund der hohen Viskosität von Isolierfluiden auf Ester- und Silikonbasis ergeben sich weiterhin strömungstechnische und kühlungstechnische Vorteile beim Betrieb mit höheren Tem¬ peraturen. Es wird eine Optimierung der Verluste für Normallast, bei Bereitstellung eines hohen Überlastspielraumes mög¬ lich. Für bestimmte Anwendungen ermöglicht die hohe Tempera- turspreizung der Isolierflüssigkeit den effektiven Einsatz von äußeren Verdampfungskühlern und Kühlern auf Basis von Wärmerohren .
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin- dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei die
Figuren 1 bis 4 Ausführungsbeispiele des erfindungs¬ gemäßen elektrischen Geräts in einer
Seitenansicht schematisch verdeut¬ licht .
Die Figur 1 der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Gerätes 1, das als Transformator ausgeführt ist. Der Transformator 1 verfügt über ein Aktivteil 2, das aus einem Kern 3, einer Unterspannungswicklung 4 sowie einer Oberspannungswicklung 5 gebildet ist. Die Un terspannungswicklung 4 und die Oberspannungswicklung 5 sind konzentrisch zu einem Schenkel 6 des Kerns 3 angeordnet, wo¬ bei in der Figur 1 lediglich eine Seite der Wicklungen verdeutlicht ist. Es sei jedoch angemerkt, dass sowohl die Un- terspannungswicklung als auch die Oberspannungswicklung als Teilwicklungen umfänglich geschlossen, also kranzförmig um den Schenkel 6 verlaufen.
Das Aktivteil 2 ist innerhalb eines Gefäßes 7 angeordnet, das mit einem Isolierfluid 8, in dem gezeigten Ausführungsbei¬ spiel einem pflanzlichen Ester, befüllt ist. An dem Gefäß 7 ist eine Kühleinrichtung 9 befestigt, die über ein Kühlregis¬ ter 10, eine Umwälzpumpe 11, eine Zuführungsleitung 12 und über eine Rückführungsleitung 13 verfügt. Der Transformator 1 ist zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz vorgesehen, so dass beim Betrieb des Transformators die Oberspannungswick¬ lung 5 auf einem Hochspannungspotential liegt, also mit einer Spannung über 50 kV beaufschlagt ist. Zur Beherrschung des dabei auftretenden elektrischen Feldes dient ein Barrieren- System 14 das sowohl die Unterspannungswicklung 4 als auch die Oberspannungswicklung 5 jeweils mit einem seiner Isolationsabschnitte nahezu vollständig umschließt. Das Barrieren¬ system 14 ist zumindest teilweise aus Pressspan oder einem anderen Werkstoff auf Zellulosebasis gefertigt und weist ge- krümmte Abschnitte 15 sowie zylindrische Abschnitte 16 auf, die so zueinander angeordnet sind, dass die Oberspannungs¬ wicklung 5 und die Unterspannungswicklung 4 jeweils in einem Kapselungsraum 17 und 18 angeordnet sind, welche strömungs¬ technisch miteinander verbunden sind. Die Kapselungsräume 17, 18 sind nicht vollständig fluiddicht. Etwas Isolierfluid 8 kann daher auch oberhalb der Oberspannungswicklung 5 aus dem Barrierensystem 14 von innen nach außen austreten. Diese "ungewollt" austretenden Fluidmengen können jedoch im Hinblick auf die Kühlung vernachlässigt werden. Der wesentliche Anteil der Strömung des Isolierfluids wird durch das Barrierensystem 14 geführt. Dabei bildet das Barrierensystem 14 unterhalb der Oberspannungswicklung 5 eine Eintrittsöffnung 19 aus, durch die das aus der Zuführungsleitung 12 der Kühleinrichtung 9 austretende gekühlte Isolierfluid in das Barrierensystem 14 eintritt. Darüber hinaus bildet das Barrierensystem 14 auch eine Austrittsöffnung 21 aus, die im gezeigten Beispiel oberhalb der Unterspannungswicklung 4 angeordnet ist. Die Kapse- lungsräume 17 und 18 sind darüber hinaus hydraulisch mitei¬ nander gekoppelt.
Die Umwälzpumpe 11 sorgt dafür, dass das Isolierfluid 8 in der durch Strömungspfeile 23 verdeutlichten Richtung durch das Aktivteil 2 und das Gefäß 7 strömt. Jede Teilwicklung 4 und 5 verfügt über Schirmringe 24, die zur Feldsteuerung an ihrem oberen und unteren Ende angeordnet sind.
Durch das Umwälzen mittels der Umwälzpumpe 11 wird das Iso- lierfluid 8, also der Ester, über das Kühlregister 10 geführt und abgekühlt, wobei aus der Austrittsöffnung 20 der Zuführungsleitung 12 austretendes abgekühltes Isolierfluid 8 in das Barrierensystem 14 durch die Eintrittsöffnung 19 eintritt. Dort wird das Isolierfluid 8 mehrfach umgelenkt, also mäanderförmig geführt, bis es zum unteren Ende der Oberspannungswicklung 5 gelangt, in der Kühlkanäle ausgebildet sind. In diesen figürlich nicht dargestellten Kühlkanälen wird die Verlustwärme der Oberspannungswicklung 5 auf das die Kühlka¬ näle durchströmende Isolierfluid 8 übertragen. Dabei kommt es zu einer fortwährenden Erwärmung des Isolierfluids 8. Die
Oberspannungswicklung 5 bildet zwei Temperaturbereiche 25.1 und 25.2 aus, die in Figur 1 durch eine unterschiedliche Mus¬ terung angedeutet sind. In diesen Temperaturbereichen 25.1 und 25.2 ist die Wicklung 5 mit unterschiedlichen Isolier- Stoffen ausgerüstet, die beispielsweise verschiedenen thermi¬ schen Klassen zugeordnet sind.
Das sich allmählich erwärmende Isolierfluid 8 tritt von dem Kapselungsraum 17 der Oberspannungswicklung 5 in den Kapse- lungsraum 18 der Unterspannungswicklung 4 ein. Das Barrierensystem 14 führt das Isolierfluid 8 dann über die Unterspannungswicklung 4, die ebenfalls Kühlkanäle und Temperaturbereiche 25.3 und 25.4 mit unterschiedlichen Isolierstoffen aufweist. Schließlich gelangt das hier noch einmal erwärmte Isolierfluid 8 durch die Austrittsöffnung 21 in den Gefäßinnenraum. Von dort wird das Isolierfluid 8 über die Rückfüh¬ rungsleitung 13 und die Umwälzpumpe 11 erneut dem Kühlregis- ter 10 zugeführt. Der Kühlkreislauf beginnt erneut.
Da das Isolierfluid 8 nacheinander durch die Kapselungsräume 17 und 18 geführt wird, bilden sich in den Temperaturberei¬ chen 25.1, 25.2, 25.3 und 25.4 unterschiedliche Kapselungs- raumtemperaturbereiche aus. So ist die Kapselungsraumtempera¬ tur, also die Temperatur der Wicklung 5 und des Isolierfluids 8, im Temperaturbereich 25.1 im Mittel niedriger als im Temperaturbereich 25.2 und insbesondere als in den Temperaturbe¬ reichen 25.3 und 25.4.
Durch die Anordnung von Isolierstoffen mit unterschiedlicher Wärmebeständigkeit in den jeweils passenden Temperaturberei¬ chen der Teilwicklungen, werden unnötige Kosten vermieden. Im Folgenden wird eine beispielhafte Zuordnung der thermischen Klassen zu den im Ausführungsbeispiel dargestellten Wicklungsbereichen 25.1 -25.4 angegeben. Im Ausführungsbeispiel kommt als Isolierfluid ein Esteröl zum Einsatz. Auslegungsbeispiel der Teilwicklungen 4,5 nach Fig. 1
(Thermische Klassen der Isolierstoffe nach EN 60085:2008)
Radiale und axiale Abstandshalter (Leis- Abstandshalter umfassen: ten, Reiter, Zwischenlagen)
Barrieren, Winkelringe, Kappen, Scheiben, Barrierensystem umfasst: Isolierzylinder Die Staffelung der thermischen Leistungsfähigkeit der Isolierstoffe kann auch innerhalb der thermischen Klassen nach EN 60085 vorgenommen werden, hier besteht eine Vielzahl an Möglichkeiten, beispielsweise ist auch eine Staffelung in Temperaturschritten kleiner 10 Kelvin möglich.
Fig. 2 zeigt ein vereinfacht dargestelltes Ausführungsbei¬ spiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1, wobei das Barrierensystem 14 besonders gut erkennbar ist. Das Barrie- rensystem 14 ist dahingehend gestaltet, dass es zur Führung und Umlenkung der Strömung des Isolierfluides 8 genutzt wer¬ den kann. Dazu verfügt das Barrierensystem 14 wieder über zylindrische Abschnitte 16, 16.1, 16.2, 16.3, scheibenförmige Abschnitte 26.1, 26.2, 26.3 und gekrümmte Abschnitte 15, 15.1, 15.2, 15.3 und 15.4, wobei letztere auch als Winkelrin¬ ge oder Kappen bezeichnet werden.
Erfindungsgemäß ist das Barrierensystem 14 derart gestaltet, dass sich gekapselte Wicklungsräume bilden, die hier als Kap- selungsräume 17, 28 bezeichnet sind. Dazu werden die übli¬ cherweise vorhandenen, äußeren horizontalen, einen Strömungskanal für die Isolierflüssigkeit begrenzenden, scheibenförmigen Barrieren durch geschlossene Scheiben 26.2, 26.3 ersetzt, so dass der Zu- und Abfluss des Isolierfluids 8 in die Kapse- lungsräume 17 und 18 kontrolliert über die Eintritts- 19 und Austrittsöffnung 21 erfolgt. Dabei sind die Kapselungsräume 17 und 18 strömungstechnisch miteinander verbunden, indem der Spalt zwischen den zylinderförmigen Abschnitten 16.2 und 16.3 als Rückströmungskanal 27 für das Isolierfluid genutzt wird. Im Ausführungsbeispiel ist die Eintrittsöffnung 19 im so ge¬ nannten Wicklungsunterbau ausgebildet.
Die Austrittsöffnung 21 liegt im scheibenförmigen Abschnitt 26.1. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Spalt zwi- sehen den gekrümmten Abschnitten 15.3 und 15.4 zur Umlenkung oder mit anderen Worten Richtungsumkehr der Strömung 23 des Isolierfluids 8 genutzt. Hochspannungstechnisch ist der Aufbau geschlossener Barrierenflächen möglichst senkrecht zur Feldrichtung zu bevorzu¬ gen. Vorteilhafterweise sollten demzufolge auch die gekrümm¬ ten Barrieren etwa dem Verlauf der Äquipotentiallinien fol- gen. Die daraus folgende weitgehend parallele Anordnung auch der gekrümmten Abschnitte 15, 15.2 kommt der Nutzung als Strömungskanal 27 zur Umlenkung des Flusses des Isolierflui- des 8 entgegen, so das nur geringfügige strömungstechnische Veränderungen notwendig sind. An Übergängen, an denen die An- zahl der elektrisch erforderlichen gekrümmten Barrierenabschnitte 15.4, 15.5 keine Umkehrung des Flusses der Iso¬ lierflüssigkeit zulässt, werden zusätzliche die Strömung füh¬ rende und den Wicklungsraum nach außen abdichtende gekrümmte Barrieren 15.3 eingefügt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel kommt es an der Schnittstel¬ le zwischen den zylindrischen und gekrümmten Barriereabschnitten durch eine zusätzliche, der Umleitung der Strömung des Isolierfluides dienende gekrümmte Barriere 15.3 zu einer Überlagerung von mehreren FeststoffIsolationen . Zur Vermeidung ungünstiger Feldverhältnisse durch eine zu hohe Gesamt¬ dicke der die elektrische Barriere bildenden FeststoffIsola¬ tion werden an der Schnittstelle zwischen den gekrümmten Barrieren und der zylindrischen Barrieren jeweils geschäftete 15.2 und ungeschäftete Winkelringe geringer Wandstärke 15.3 kombiniert und gegenüberliegend an dem zylinderförmigen Ab¬ schnitt 16.3 angeordnet.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem nur einer der Kapselungsräume 17, 18 eine Teilwicklung mit mehreren Tempe¬ raturbereichen 25.1 und 25.2 aufweist. Die thermische Klasse der Leiterisolierung 26 steigt von Kapselungsraum 17 zu Kapselungsraum 18 und in letzterem wiederum von Temperaturbereich 25.1 zum Temperaturbereich 25.2 an. Der Übergang der Temperarturbereiche erfolgt nach Erreichen einer Wicklungs¬ höhe Hl. Zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit sind die Ölspalte des Isolationsaufbaus bekanntermaßen durch das Barrierensystems 14 in engere senkrechte Kanäle 27 und horizontale Ka¬ näle 28 unterteilt. Diese Kanäle 27, 28 werden erfindungsge- mäß zur Leitung des Isolierfluides 8 zur in Strömungsrichtung 23 nachgelagerten Teilwicklung 4 genutzt. Im Ausführungsbeispiel erstrecken sich mehrere dieser Kanäle 27, 28 parallel zueinander, um den für die Strömung des Isolierfluides 8 erforderlichen Querschnitt zu erreichen. Der Querschnitt oder genauer Querschnittsfläche und die Anzahl der miteinander verbundenen senkrechten 27 und horizontalen 28 Kanäle können im Rahmen der Erfindung voneinander abweichen. Zur Vermeidung von Bypässen werden die Kanäle 29, die nicht als Strömungska¬ näle genutzt werden, an ihrem unteren Ende durch Beilagen 30 aus Isoliermaterial ganz oder teilweise verschlossen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind innerhalb der Tempera¬ turbereiche 25.1 und 25.2 traditionelle Scheibenwicklungen dargestellt. Das Isolierfluid 8 strömt von einem äußeren senkrechten Kanal durch einige horizontale Kanäle in einen zweiten äußeren Kanal, wo die Strömungsrichtung des Isolier- fluids 8 umgelenkt wird, so dass das Isolierfluid 8 im weite¬ ren Verlauf in entgegengesetzter Richtung strömt, so dass es längs der Wicklungshöhe mehrmals die Strömungsrichtung wech- seit. Die erfindungsgemäße Ausführung des Barrierensystems 14 und Isolation ist jedoch sinngemäß auf alle anderen Wicklungstypen übertragbar.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Teilwicklungen an so genannten Heißpunkten ihrer jeweiligen Temperaturbereiche 5, 25.1 und 25.2 mit thermischen Sensoren 31 ausgerüstet. Die Sensoren 31 sind mit einer figürlich nicht dargestellten Regelungseinheit verbunden. An der Austrittsöffnung 21 der letzten thermisch in Reihe geschalteten Teilwicklung 4 ist ein weiterer Sensor 32 zur Messung der maximalen Temperatur der Isolierflüssigkeit 8 angeordnet. Bei Bedarf ist auch die Kontrolle der maximalen Tem- peratur des Isolierfluides 8 in der vorgelagerten Teilwicklung 5 über den Sensor 33 möglich.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem der Kern 3 in den Kühlkreis einbezogen ist. Dies ist vorteilhaft, wenn eine große Temperaturspreizung des Isolierfluids 8 vorgesehen ist. Die Auslegung des Kernes 3 auf höhere Temperaturen erfordert nur einen sehr geringen Aufwand, da keine Formteile erforderlich sind und eine elektrische Feldbeanspruchung nicht be- rücksichtigt werden muss. Daher erfolgt die Einordnung des
Kernes 3 am Ende der strömungstechnischen Reihenschaltung der zu kühlenden Bauteile des elektrischen Gerätes 1. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 4 werden nacheinander die Wicklungen 5 und 4 und anschließend der Kern 3 vom Isolierfluid 8 durch- flössen. Die Kühlkanäle der Teilwicklungen 4,5 und Kühlkanäle 34 des Kernes 3 sind thermisch und strömungstechnisch in Reihe geschalten. Im Ausführungsbeispiel sind die Barrieren so ausgestaltet, dass die Hauptströmung des Isolierfluides 8 in¬ nerhalb der Kapselungsräume 17 und 18 und im Kern 3 jeweils von unten nach oben gerichtet ist, also der durch Erwärmung erzeugten Eigenbewegung des Isolierfluids 8 gleichgerichtet ist. Die Rückführung des Isolierfluids 8 erfolgt jeweils in den senkrechten Kanälen 27 zwischen den Barrieren der Isolationsanordnung, die hier als Isolationsabschnitte des
Barrierensystems 14 bezeichnet sind.
Im Ausführungsbeispiel sind die senkrechten Abschnitte 16, des Barrierensystems 14, welche Kanälen 27 mit entgegenge¬ setzten Strömungsrichtungen begrenzen, in Bereichen mit einer hohen Temperaturdifferenz des Isolierfluides 8 mit einer zusätzlichen thermischen Isolation 35 versehen. Dies kann im einfachen Fall durch eine Erhöhung der Wandstärke erfolgen. In den Bereichen nahe an der Richtungsumkehr des Isolierflui- des 8 ist die Temperaturdifferenz gering. Dort sind daher keine Maßnahmen erforderlich.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Gerät (1) zum Anschluss an ein Hochspannungs¬ netz mit
- einem Gefäß (7), das mit einem Isolierfluid (8) befüllt ist,
- einem in dem Gefäß (7) angeordneten Aktivteil (2), das einen magnetisierbaren Kern (3) und Teilwicklungen (4, 5) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Kern (3) aufweist, und - einer Kühleinrichtung (9) zum Kühlen des Isolierfluids (8), g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
wenigstens ein Barrierensystem (14), das Kapselungsräume (17, 18) zumindest teilweise begrenzt, in denen jeweils wenigstens eine Teilwicklung (4, 5) angeordnet ist, wobei das
Barrierensystem (14) das von der Kühleinrichtung (9) gekühlte Isolierfluid (8) so über die Kapselungsräume (17, 18) führt, dass sich in den Kapselungsräumen (17, 18) jeweils unterschiedliche Temperaturen des Isolierfluids und/oder der Teil¬ wicklungen (4, 5) einstellen.
2. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Barrierensystem (14) das Isolierfluid (8) nacheinander durch die Kapselungsräume führt.
3. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
jeder Kapselungsraum (17) mit einem weiteren Kapselungsraum (18) verbunden ist, so dass eine in Strömungsrichtung des Isolierfluids (8) hintereinander geschaltete Reihe von Kapse¬ lungsräumen (17, 18) gebildet ist, wobei der erste Kapse¬ lungsraum (18) der besagten Reihe eine Eintrittsöffnung (19) und der letzte Kapselungsraum der besagten Reihe eine Austrittsöffnung (21) ausbildet.
4. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Teilwicklung eine Unterspannungswicklung (4) und eine zweite Teilwicklung eine Oberspannungswicklung (5) sind, wobei die Wicklungen (4,5) konzentrisch zueinander und zu einem sich durch die innere Unterspannungswicklung hindurch er- streckenden Kernabschnitt (6) angeordnet sind.
5. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
in den Kapselungsräumen (17, 18) Isolierungen aus unterschiedlichen Isolierstoffen angeordnet sind.
6. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Teilwicklungen (4, 5) für unterschiedliche Betriebsspannungen ausgelegt sind, wobei die Temperatur des Isolierfluids (8) und/oder der Teilwicklung (4, 5) in dem Kapselungsraum (17), in dem eine für höhere Spannung ausgelegte Teilwicklung (5) angeordnet ist, bei Normalbetrieb geringer ist, als die
Temperatur des Isolierfluids (8) und/oder der Teilwicklung in dem Kapselungsraum (18), in dem eine für eine vergleichsweise geringere Spannungen ausgelegte Teilwicklung (4) angeordnet ist .
7. Elektrisches Gerät (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Barrierensystem (14) Kernverbindungskanäle ausbildet, die sich von einem in Strömungsrichtung des Isolierfluids (8) zu- letzt angeordneten Kapselungsraum (18) und Kühlkanälen (34) des Kernes (6) erstrecken.
8. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Kühleinrichtung (9) eine Steuerungseinheit mit Tempera¬ tursensoren (31, 32, 33) aufweist, wobei die Steuerungseinheit für jeden Kapselungsraum (17, 18) oder jeden Temperatur- bereich (25.1-25.4) einer der Teilwicklungen (4, 5) über einen Schwellenwert verfügt und die Kühlleistung der Kühlein¬ richtung (9) in Abhängigkeit des jeweiligen Schwellenwertes steuert .
9. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Temperatursensoren (31, 32, 33) zum Erfassen der Temperatur einer Teilwicklung (4, 5) und/oder zum Erfassen der Tem- peratur des Isolierfluids (8) in einer Teilwicklung (4, 5) eingerichtet sind.
10. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Barrierensystem (14) wenigstens einen Isolationsabschnitt aufweist, der zur Absteuerung elektrischer Feldstärken eingerichtet ist.
11. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Barrierensystem (14) parallel zueinander verlaufende senkrechte Strömungskanäle (27) mit entgegengesetzter Strö¬ mungsrichtung begrenzt, wobei wenigstens einer der senkrech- ten Strömungskanäle (27) als Rückführungskanal zwischen je¬ weils eine Teilwicklung (4, 5) umgebenden Isolationsabschnit¬ ten angeordnet ist.
12. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
eine Wandung des Barrierensystems (14) zwischen parallel zu¬ einander verlaufenden senkrechten Strömungskanälen (27) mit entgegengesetzter Strömungsrichtung eine thermische Isolierung (35) aufweist.
13. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens eine Teilwicklung (4, 5) Temperaturbereiche (25.1, 25.2, 25.3, 25.4) ausbildet, in denen Isolierwerkstoffe ange¬ ordnet sind, die eine unterschiedlich starke thermische Be¬ lastbarkeit aufweisen.
14. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
wenigsten zwei Temperaturbereiche (25.1, 25.2, 25.3, 25.4) jeweils mit einem thermischen Sensor (31) zur Messung der Heißpunkttemperatur der Wicklung im jeweiligen Temperaturbereich ausgerüstet sind.
15. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Barrierensystem (14) zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufende Strömungskanäle (27, 28) ausbildet.
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