EP3494583B1 - Elektrisches gerät mit unterschiedlich stark gekühlten kapselungsräumen - Google Patents

Elektrisches gerät mit unterschiedlich stark gekühlten kapselungsräumen Download PDF

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EP3494583B1
EP3494583B1 EP17767832.3A EP17767832A EP3494583B1 EP 3494583 B1 EP3494583 B1 EP 3494583B1 EP 17767832 A EP17767832 A EP 17767832A EP 3494583 B1 EP3494583 B1 EP 3494583B1
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EP
European Patent Office
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winding
insulating fluid
temperature
electrical device
insulating
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EP3494583A1 (de
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Jörg FINDEISEN
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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    • H01F27/402—Association of measuring or protective means
    • H01F2027/406—Temperature sensor or protection

Definitions

  • Such an electrical device is from the JP S 61 150309 A already known.
  • a winding is disclosed which is arranged inside insulation tubes.
  • Vertical flow channels are formed in the encapsulation space formed by the insulation tubes.
  • the JP S 52 96313 A discloses a transformer with two windings, which are also arranged in different encapsulation spaces.
  • Another state of the art is the JP S 54 52620 A , the JP S 57 90921 A , the DE 27 38 398 A1 , the DE 20 16 508 A1 , the JP S 60 246608 A and finally the US 6 401 518 B1 to be taken.
  • the DE 197 01 269 A1 discloses a transformer that is cooled with a liquid.
  • the transformer is divided into several temperature zones.
  • a first temperature zone is described as an outer area of the winding.
  • Another hotter zone is further inside.
  • the hotter zone is limited by the core of the transformer so that its waste heat is transferred to the hotter liquid in the inner temperature zone. It is suggested that the internal winding be designed for a higher insulation class.
  • transformers or chokes which are connected to a high-voltage network, each have a container which is usually filled with a mineral insulating oil as an insulating fluid.
  • a low-voltage and a high-voltage winding are arranged in the container. Both windings are inductively coupled to one another via a magnetizable core.
  • the insulating fluid is used to insulate the windings but also to cool the transformer. To do this, the insulating fluid, which is heated during operation, is passed through a cooling device attached to the outside of the container to dissipate the heat. 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.
  • alternative insulating fluids such as ester or silicone oils are increasingly being used in transformers, which have a higher temperature resistance. These alternative insulating fluids ensure greater fire safety and are also biodegradable. Improved environmental compatibility of insulating fluids is particularly necessary for offshore applications. Due to the improved thermal resistance of these alternative insulating fluids, the transformer can be operated at higher temperatures. In this context, IEEE 1276(1997) standard ).
  • hybrid solutions have been proposed in which both high-temperature insulation and insulation made of conventional materials are used.
  • the barrier system has conventional insulating materials, while the conductor winding insulation is made of high-temperature materials.
  • the disadvantage of hybrid solutions is that despite the use of expensive high-temperature insulating materials, the operating temperature of the insulating fluid is significantly lower than the temperature that would be possible if high-temperature insulating materials were used exclusively, due to the conventional insulating materials that are still used.
  • the object of the invention is therefore to provide an electrical device of the type mentioned above which can be operated at higher temperatures, but at the same time remains cost-effective.
  • the invention solves this problem by arranging insulation made of different insulating materials in the encapsulation spaces.
  • a barrier system in conjunction with the correspondingly designed cooling device ensures that at least two partial windings can be operated in different temperature ranges, which are referred to here as encapsulation chamber temperatures.
  • the barrier system ensures that the insulating fluid and the winding have different temperatures in the encapsulation chambers.
  • the encapsulation chamber temperature i.e. the temperature range of the partial winding and/or the insulating fluid in the respective encapsulation chamber, is expediently set so that a maximum operating temperature predetermined for this encapsulation chamber is not exceeded. In this way, This makes it possible to use different insulating materials in the encapsulation rooms.
  • the partial winding which is arranged in an encapsulation chamber in which a higher encapsulation chamber temperature occurs during normal operation of the electrical device, can be designed with a low insulation material.
  • the use of mains twisted-conductor windings is possible, for example.
  • Enamelled copper wires coated with various insulating varnishes 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 resistant up to 220°C. Due to the low thickness of its varnish layer, good heat transfer from the wire to the insulating fluid is guaranteed.
  • partial windings which are arranged in an encapsulation space in which the insulating fluid has a lower encapsulation space temperature, are, however, equipped according to the invention with the usual conventional, i.e. not high-temperature-resistant partial winding insulation or barrier systems.
  • the material of the barrier system can vary from encapsulation space to encapsulation space.
  • insulation made of different insulating materials is arranged in the encapsulation spaces.
  • Insulation here means both the insulation of the partial winding arranged in the respective encapsulation space and the barrier system itself.
  • the partial windings have different conductor insulation.
  • the first partial winding is equipped with high-temperature insulation, for example, while a second partial winding and all other partial windings have conventional insulation made of materials that are designed for lower temperatures.
  • the materials of the barrier system can also vary from enclosure room to enclosure room.
  • the encapsulation spaces are connected to one another so that a hydraulic coupling is provided between them.
  • the flow of the insulating fluid is preferably driven by a pump (OD cooling).
  • the barrier system guides the insulating fluid through the encapsulation chambers one after the other, or in other words, one after the other.
  • the cooled and therefore cold insulating fluid initially flows into the first encapsulation chamber and ensures that the partial winding arranged there is cooled.
  • the insulating fluid heats up and thus reaches the second encapsulation chamber that follows in the direction of flow. If more than two encapsulation chambers are provided, the insulating fluid flows from the second to the third encapsulation chamber and so on. In each encapsulation chamber, the insulating fluid heats up slightly, so that the encapsulation chamber temperature rises. In the last encapsulation chamber, the insulating fluid therefore has the highest encapsulation chamber temperature.
  • each encapsulation chamber is connected to another encapsulation chamber, so that a series of encapsulation chambers is formed in the direction of flow of the insulating fluid, with the first encapsulation chamber of said series forming an inlet opening and the last encapsulation chamber of said series forming an outlet opening.
  • the encapsulation chambers thus form a hydraulic series connection.
  • the insulating fluid enters the encapsulation chambers connected in series through the inlet opening and exits them again through the outlet opening.
  • the opening between two encapsulation chambers is called a connecting opening here.
  • the inlet opening and each connecting opening can be followed by a meandering channel system that is formed by a labyrinth-like barrier system.
  • the barrier system forms Advantageously, a labyrinth structure is also formed in the area of the inlet and/or connection opening.
  • the barrier system encloses a partial winding at least in sections.
  • the barrier system is, for example, partially hollow-cylindrical and this part is arranged concentrically to at least one partial winding.
  • the barrier system consists, for example, partly of chipboard, paper or other cellulose. According to this variant of the invention, the barrier system serves both as a thermal and as an electrical barrier.
  • an electrically required section of the barrier system is included as an encapsulation or insulation section in the formation of the encapsulation spaces. Therefore, essential components of the encapsulation are formed by the appropriate design of the cylindrical, disc-shaped and curved sections of the electrical barriers. For this purpose, the usual meander-shaped horizontal barriers are closed off to the outside so that the inflow and outflow of the insulating fluid to the encapsulation spaces can only take place via defined inlet and outlet openings. Furthermore, in this embodiment, the encapsulation spaces are fluidically connected to one another by using the gap between the cylindrical sections of the barriers forming the encapsulation as a return flow channel for the insulating fluid.
  • the flow of the insulating fluid is diverted and guided by appropriate design and connection of the curved areas of the barriers with the respective adjacent cylindrical and disc-shaped sections of the barrier system.
  • additional curved, cylindrical or disc-shaped barrier sections are inserted.
  • the gaps between the barriers of the encapsulation spaces which form a component of the electrical barrier arrangement and which are used in this embodiment as flow channels for the diversion and return of the insulating liquid, are at least partially divided into narrower partial gaps by further electrical barriers located within the flow channels in order to increase the electrical strength.
  • the partial winding with the greater high-voltage stress i.e. with the higher proportion of insulating materials, is now arranged in the area which is upstream in terms of flow, i.e. the area with the colder insulating fluid.
  • the first partial winding is a low-voltage winding and a second partial winding is a high-voltage winding.
  • the two windings are arranged concentrically to one another and, for example, also to a core section extending through the inner low-voltage winding.
  • the electrical device according to this embodiment of the invention is a transformer with concentric high-voltage and low-voltage windings as partial windings.
  • the partial windings are advantageously designed as circumferentially closed cylindrical windings.
  • the cooling device has a supply line which forms an outlet opening arranged, for example, below the first partial winding and in particular below the high-voltage winding.
  • the cooled insulating fluid is led from the cooling device via the supply line directly into the encapsulation space of the first partial winding, so that the first partial winding is cooled more strongly than the other partial windings which are arranged downstream of the first partial winding in the flow direction of the insulating fluid.
  • the partial windings are designed for different operating voltages, wherein the temperature of the insulating fluid and/or the partial winding in the encapsulation space in which a partial winding designed for a higher voltage is arranged is lower during normal operation of the electrical device according to the invention than the temperature of the insulating fluid and/or the partial winding in the encapsulation space in which a partial winding designed for a comparatively lower voltage is arranged.
  • the partial winding designed for higher voltages has a larger proportion of insulating material than the partial winding for lower voltages.
  • the cooled insulating fluid is first fed to the partial winding at which a higher voltage, for example in the range of several hundred kilovolts, drops during normal operation.
  • the cooling device advantageously has a control unit with temperature sensors, whereby the control unit has a threshold value for each temperature range and controls the cooling capacity of the cooling device depending on the respective threshold value.
  • the respective threshold value is determined, for example, depending on the respective class of insulating materials of the partial windings. If the temperature detected by the temperature sensors reaches the threshold value, the control unit controls, for example, a circulation pump of the cooling device and thus increases its cooling capacity.
  • Each temperature range of a partial winding is advantageously equipped with a sensor.
  • the temperature sensors are designed 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 designed to control electrical field strengths.
  • the barrier system delimits vertical flow channels running parallel to one another with opposite flow directions, with at least one of the vertical flow channels being arranged as a return channel between insulation sections surrounding a partial winding.
  • the cooled insulating fluid flows, for example, from bottom to top through the first vertical flow channel. Its flow is thus aligned with the inherent movement of the insulating fluid caused by heating.
  • the insulating fluid can flow through adjacent flow channels in the same direction.
  • the flow channels can be limited by the insulation sections, or in other words by sections of the barrier system that serve to electrically insulate the partial windings.
  • the design of the flow channels is possible in many different ways within the scope of the invention.
  • channels between the barriers which are not required for the targeted fluid flow are closed by shims to avoid bypass formation.
  • the main flow of the insulating liquid within the encapsulation spaces is from bottom to top, i.e. it is aligned with the movement of the insulating liquid caused by heating. Outside the encapsulation spaces, the insulating liquid is diverted to another insulation section. In these areas without a heat source, the flow of top to bottom and then flow into another encapsulation space, again identical to the thermal motion of the insulating fluid, from bottom to top.
  • a wall of the barrier system between vertical flow channels running parallel to one another with opposite flow directions has thermal insulation.
  • Thermal insulation can be provided, for example, by a wall thickness that is greater than the remaining components of the barrier system or by a thermal coating.
  • At least one partial winding forms temperature ranges in which insulating materials are arranged that have different thermal load capacities.
  • the insulating materials are, for example, each assigned to different thermal classes.
  • each temperature range equipped with different insulating materials is equipped with a thermal sensor for measuring the hot spot temperature of the respective temperature range.
  • the sensors are connected to a control unit that monitors the hot spot temperature separately for each temperature range.
  • each temperature range is assigned threshold values that are tailored to the insulating materials used.
  • the barrier system is designed such that cooling channels of the magnetic core are included in the forced flow of the insulating fluid.
  • the temperature classes for the insulating components are also graded within a temperature range of a partial winding according to their thermal stress.
  • the conductor insulation is designed according to the hot spot temperature of the respective temperature range. Insulating components within the respective temperature range, but which maintain a certain distance from the hottest points of the respective partial winding, can be designed in a lower thermal class if the corresponding temperature gradient allows it.
  • winding parts that require complex insulation technology are arranged in the area where the insulating liquid enters the corresponding winding section.
  • Partial windings which, due to their geometry or technical design, are not suitable for integration into the described fluidic series connection can still form separate concentrically arranged winding blocks.
  • the invention operation at higher temperatures is possible, whereby a costly conversion of, for example, the winding parts of a high-voltage winding that contain a lot of insulating material to high-temperature insulating materials can be avoided.
  • 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 to a significant increase in the temperature difference to the external cooling medium such as air or water. This significantly increases the effectiveness of the cooling, so that the electrical device according to the invention can be designed more compactly.
  • ester and silicone-based insulating fluids Due to the high viscosity of ester and silicone-based insulating fluids, there are also fluidic and cooling advantages when operating at higher temperatures. It is possible to optimize losses for normal loads while providing a high overload margin. For certain applications, the high temperature spread of the insulating fluid enables the effective use of external evaporative coolers and coolers based on heat pipes.
  • 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 low-voltage winding 4 and the high-voltage winding 5 are arranged concentrically to a leg 6 of the core 3, wherein in the Figure 1 only one side of the windings is shown.
  • both the low-voltage winding and the high-voltage winding are circumferentially closed partial windings, i.e. they run in a ring shape around the leg 6.
  • the active part 2 is arranged within a vessel 7 which is filled with an insulating fluid 8, in the embodiment shown a vegetable ester.
  • a cooling device 9 is attached to the vessel 7, which has a cooling register 10, a circulation pump 11, a supply line 12 and has a return line 13.
  • the transformer 1 is intended for connection to a high-voltage network, so that when the transformer is in operation, the high-voltage winding 5 is at a high-voltage potential, i.e. is subjected to a voltage of over 50 kV.
  • a barrier system 14 is used to control the electrical field that occurs, which almost completely encloses both the low-voltage winding 4 and the high-voltage winding 5 with one of its insulation sections.
  • the barrier system 14 is made at least partially from pressboard or another cellulose-based material and has curved sections 15 and cylindrical sections 16, which are arranged in such a way that the high-voltage winding 5 and the low-voltage winding 4 are each arranged in an encapsulation space 17 and 18, which are fluidically connected to one another.
  • the encapsulation spaces 17, 18 are not completely fluid-tight.
  • Some insulating fluid 8 can therefore also escape from the inside to the outside of the barrier system 14 above the high-voltage winding 5. However, these "unintentionally" escaping fluid quantities can be neglected with regard to cooling.
  • the main part of the flow of the insulating fluid is guided through the barrier system 14.
  • the barrier system 14 forms an inlet opening 19 below the high-voltage winding 5, through which the cooled insulating fluid emerging from the supply line 12 of the cooling device 9 enters the barrier system 14.
  • the barrier system 14 also forms an outlet opening 21, which in the example shown is arranged above the low-voltage winding 4.
  • the encapsulation spaces 17 and 18 are also hydraulically coupled to one another.
  • the circulation pump 11 ensures that the insulating fluid 8 flows through the active part 2 and the vessel 7 in the direction indicated by flow arrows 23.
  • Each partial winding 4 and 5 has shield rings 24 which are arranged at their upper and lower ends for field control.
  • the insulating fluid 8 i.e. the ester
  • the circulation pump 11 By circulating by means of the circulation pump 11, the insulating fluid 8, i.e. the ester, is guided over the cooling register 10 and cooled, whereby cooled insulating fluid 8 emerging from the outlet opening 20 of the supply line 12 enters the barrier system 14 through the inlet opening 19. There, the insulating fluid 8 is deflected several times, i.e. guided in a meandering manner, until it reaches the lower end of the high-voltage winding 5, in which cooling channels are formed. In these cooling channels (not shown in the figure), the heat loss of the high-voltage winding 5 is transferred to the insulating fluid 8 flowing through the cooling channels. This results in a continuous heating of the insulating fluid 8.
  • the high-voltage winding 5 forms two temperature ranges 25.1 and 25.2, which in Figure 1 are indicated by a different pattern.
  • the winding 5 is equipped with different insulating materials, which are assigned, for example, to different thermal classes.
  • the gradually warming insulating fluid 8 enters the encapsulation space 18 of the low-voltage winding 4 from the encapsulation space 17 of the high-voltage winding 5.
  • the barrier system 14 guides the insulating fluid 8 over the low-voltage winding 4, which also has cooling channels and temperature areas 25.3 and 25.4 with different insulating materials.
  • the insulating fluid 8, which has been heated again here enters the interior of the vessel through the outlet opening 21. From there, the insulating fluid 8 is fed back to the cooling register 10 via the return line 13 and the circulation pump 11. The cooling cycle begins again.
  • the encapsulation chamber temperature i.e. the temperature of the winding 5 and the insulating fluid 8 is on average lower in the temperature range 25.1 than in the temperature range 25.2 and especially in the temperature ranges 25.3 and 25.4.
  • the grading of the thermal performance of the insulating materials can also be carried out within the thermal classes according to EN 60085. There are a variety of possibilities here, for example grading in temperature steps of less than 10 Kelvin is also possible.
  • Fig. 2 shows a simplified embodiment of the electrical device 1 according to the invention, wherein the barrier system 14 is particularly clearly visible.
  • the barrier system 14 is designed in such a way that it can be used to guide and deflect the flow of the insulating fluid 8.
  • the barrier system 14 again has cylindrical sections 16, 16.1, 16.2, 16.3, disk-shaped Sections 26.1, 26.2, 26.3 and curved sections 15, 15.1, 15.2, 15.3 and 15.4, the latter also referred to as angle rings or caps.
  • the barrier system 14 is designed in such a way that encapsulated winding spaces are formed, which are referred to here as encapsulation spaces 17, 28.
  • encapsulation spaces 17, 28 the usually present, outer horizontal, disk-shaped barriers that delimit a flow channel for the insulating fluid are replaced by closed disks 26.2, 26.3, so that the inflow and outflow of the insulating fluid 8 into the encapsulation spaces 17 and 18 takes place in a controlled manner via the inlet 19 and outlet opening 21.
  • the encapsulation spaces 17 and 18 are fluidically connected to one another by using the gap between the cylindrical sections 16.2 and 16.3 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 gap between the curved sections 15.3 and 15.4 is used to deflect or, in other words, reverse the direction of the flow 23 of the insulating fluid 8.
  • the construction of closed barrier surfaces as perpendicular to the field direction as possible is preferable.
  • the curved barriers should therefore also follow the course of the equipotential lines.
  • the resulting largely parallel arrangement of the curved sections 15, 15.2 also facilitates use as a flow channel 27 for redirecting the flow of the insulating fluid 8, so that only minor fluidic changes are necessary.
  • additional flow-guiding barriers are used. and curved barriers 15.3 sealing the winding space to the outside are inserted.
  • an additional curved barrier 15.3 which serves to redirect the flow of the insulating fluid, results in an overlay of several solid insulations at the interface between the cylindrical and curved barrier sections.
  • shouldered 15.2 and unshouldered angle rings with a small wall thickness 15.3 are combined at the interface between the curved barriers and the cylindrical barriers and arranged opposite one another on the cylindrical section 16.3.
  • Fig. 3 shows an embodiment in which only one of the encapsulation spaces 17, 18 has a partial winding with several temperature ranges 25.1 and 25.2.
  • the thermal class of the conductor insulation 26 increases from encapsulation space 17 to encapsulation space 18 and in the latter again from temperature range 25.1 to temperature range 25.2.
  • the transition of the temperature ranges takes place after reaching a winding height H1.
  • the oil gaps of the insulation structure are divided into narrower vertical channels 27 and horizontal channels 28 by the barrier system 14.
  • These channels 27, 28 are used according to the invention to guide the insulating fluid 8 to the partial winding 4 downstream in the direction of flow 23.
  • several of these channels 27, 28 extend parallel to one another in order to achieve the cross-section required for the flow of the insulating fluid 8.
  • the cross-section or more precisely the cross-sectional area and the number of interconnected vertical 27 and horizontal 28 channels can differ from one another within the scope of the invention.
  • the channels 29 that are not used as flow channels used completely or partially closed at their lower end by inserts 30 made of insulating material.
  • insulating fluid 8 flows from an outer vertical channel through several horizontal channels into a second outer channel, where the flow direction of the insulating fluid 8 is diverted so that the insulating fluid 8 flows in the opposite direction as it continues, so that it changes the flow direction several times along the height of the winding.
  • inventive design of the barrier system 14 and insulation can be applied analogously to all other winding types.
  • the partial windings are equipped with thermal sensors 31 at so-called hot spots in their respective temperature ranges 5, 25.1 and 25.2.
  • the sensors 31 are connected to a control unit not shown in the figure.
  • a further sensor 32 for measuring the maximum temperature of the insulating fluid 8 is arranged at the outlet opening 21 of the last thermally series-connected partial winding 4. If required, the maximum temperature of the insulating fluid 8 in the upstream partial winding 5 can also be monitored via the sensor 33.
  • 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 for higher temperatures requires only a very small amount of effort, since no molded parts are required and an electric field stress does not have to be taken into account. Therefore, the core 3 is arranged at the end of the fluidic series connection of the components of the electrical device 1 to be cooled.
  • the windings are successively 5 and 4 and then the core 3 are flowed through by the insulating fluid 8.
  • the cooling channels of the partial windings 4, 5 and cooling channels 34 of the core 3 are connected in series in terms of thermal and fluid technology.
  • the barriers are designed such that the main flow of the insulating fluid 8 within the encapsulation spaces 17 and 18 and in the core 3 is directed from bottom to top, i.e. is aligned with the inherent movement of the insulating fluid 8 generated by heating.
  • the return of the insulating fluid 8 takes place in the vertical channels 27 between the barriers of the insulation arrangement, which are referred to here as insulation sections of the barrier system 14.
  • the vertical sections 16 of the barrier system 14, which delimit channels 27 with opposite flow directions, are provided with additional thermal insulation 35 in areas with a high temperature difference of the insulating fluid 8. In a simple case, this can be done by increasing the wall thickness. In the areas close to the reversal of direction of the insulating fluid 8, the temperature difference is small. No measures are therefore required there.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz mit
    • einem Gefäß, das mit einem Isolierfluid befüllt ist,
    • einem in dem Gefäß angeordneten Aktivteil, das einen magnetisierbaren Kern und Teilwicklungen zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Kern aufweist,
    • einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Isolierfluids,
    und wenigstens einem Barrierensystem, das Kapselungsräume zumindest teilweise begrenzt, in denen jeweils wenigstens eine Teilwicklung angeordnet ist, wobei das Barrierensystem das von der Kühleinrichtung gekühlte Isolierfluid so über die Kapselungsräume führt, dass sich in den Kapselungsräumen jeweils unterschiedliche Temperaturen des Isolierfluids und/oder der Teilwicklungen einstellen.
  • Ein solches elektrisches Gerät ist aus der JP S 61 150309 A bereits bekannt. Dort ist eine Wicklung offenbart, die im Inneren von Isolationsröhren angeordnet ist. In dem durch die Isolationsröhren ausgebildeten Kapselungsraum sind vertikale Strömungskanäle ausgebildet. Die JP S 52 96313 A offenbart einen Transformator mit zwei Wicklungen, die ebenfalls in unterschiedlichen Kapselungsräumen angeordnet sind. Weiterer Stand der Technik ist der JP S 54 52620 A , der JP S 57 90921 A , der DE 27 38 398 A1 , der DE 20 16 508 A1 , der JP S 60 246608 A und schließlich der US 6 401 518 B1 zu entnehmen.
  • Die DE 197 01 269 A1 offenbart einen Transformator, der mit einer Flüssigkeit gekühlt wird. Dabei ist der Transformator in mehrere Temperaturzonen unterteilt. Eine erste Temperaturzone ist als ein äußerer Bereich der Wicklung beschrieben. Eine weitere heißere Zone liegt weiter innen. Die heißere Zone wird vom Kern des Transformators begrenzt, so dass dessen Verlustwärme an die heißere Flüssigkeit in der inneren Temperaturzone abgegeben wird. Es wird vorgeschlagen, dass die innen liegende Wicklung für eine höhere Isolationsklasse ausgelegt ist.
  • Ferner weisen beispielsweise Transformatoren oder Drosseln, die an ein Hochspannungsnetz angeschlossen sind, jeweils ein Gefäß 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 überschritten 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 elektrische 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 alternativen Isolierfluide gewährleisten eine höhere Brandsicherheit 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 Isolierfluide kann der Transformator bei höheren Temperaturen betrieben werden. In diesem Zusammenhang sei auf Norm IEEE 1276(1997) verwiesen.
  • Neben den konventionellen, also derzeit überwiegend eingesetzten 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 Hochtemperaturisolierwerkstoffe 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 dadurch, dass in den Kapselungsräumen Isolierungen aus unterschiedlichen Isolierstoffen angeordnet sind.
  • 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 aufweisen. Die Kapselungsraumtemperatur, also der Temperaturbereich der Teilwicklung und/oder des Isolierfluids in dem jeweiligen Kapselungsraum, wird zweckmäßigerweise so eingestellt, dass eine für diesen Kapselungsraum vorbestimmte maximale 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 diesem 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 Kapselungsraumtemperatur aufweist, sind hingegen erfindungsgemäß mit den üblichen konventionellen, also nicht hochtemperaturbeständigen Teilwicklungsisolierungen oder Barrierensystemen bestückt. Somit kann im Rahmen der Erfindung das Material des Barrierensystems von Kapselungsraum zu Kapselungsraum unterschiedlich sein.
  • Erfindungsgemäß sind in den Kapselungsräumen Isolierungen aus unterschiedlichen Isolierstoffen angeordnet. Unter einer Isolierung ist hier sowohl 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 ausgerüstet, 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.
  • Die Kapselungsräume sind im Rahmen der Erfindung miteinander verbunden, so dass zwischen ihnen eine hydraulische Kopplung bereitgestellt ist. Bevorzugt erfolgt der Antrieb der Strömung des Isolierfluides über eine Pumpe (OD-Kühlung).
  • Erfindungsgemäß 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 Kapselungsraum mit einem weiteren Kapselungsraum verbunden, so dass 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 Kapselungsräume 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 Barrierensystem gebildet wird. Das Barrierensystem bildet vorteilhafterweise auch im Bereich der Eintritts- und/oder Verbindungsöffnung eine Labyrinthstruktur aus.
  • Erfindungsgemäß umschließt das Barrierensystem eine Teilwicklung zumindest abschnittsweise. Das Barrierensystem ist beispielsweise zum Teil hohlzylindrisch 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 Kapselungsräume 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 mäanderförmig 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 dieser Ausführung durch entsprechende Gestaltung und Verbindung der gekrümmten Bereiche der Barrieren mit den jeweils anschließenden 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 Isolierfluides nicht zulässt, werden zusätzliche die Strömung führende und den Strömungskanal abdichtende gekrümmte, zylindrische oder scheibenförmige Barrierenabschnitte eingefügt.
  • Vorteilhafterweise werden die einen Bestandteil der elektrischen Barrierenanordnung bilden Spalte zwischen den Barrieren der Kapselungsräume, welche bei dieser Ausführung als Strömungskanäle für die Umleitung und Rückführung der Isolierflüssigkeit 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 größeren Hochspannungsbeanspruchung, also mit dem höheren Anteil an Isolierstoffen in dem jeweils strömungstechnisch vorgelagerten, also dem Bereich mit dem kälteren Isolierfluid angeordnet.
  • Erfindungsgemäß sind die erste Teilwicklung eine Unterspannungswicklung 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 gemäß dieser Ausführung der Erfindung ein Transformator mit konzentrischen Ober- und Unterspannungswicklungen als Teilwicklungen. Die Teilwicklungen sind vorteilhafterweise als umfänglich geschlossene zylinderförmige Wicklungen ausgeführt.
  • 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 Kapselungsraum 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 weiteren Variante sind die Teilwicklungen für unterschiedliche Betriebsspannungen ausgelegt, wobei die Temperatur des Isolierfluids und/oder der Teilwicklung in dem Kapselungsraum, in dem eine für höhere Spannung ausgelegte Teilwicklung angeordnet ist, bei Normalbetrieb des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts geringer ist, als die Temperatur des Isolierfluids und/oder der Teilwicklung in dem Kapselungsraum, in dem eine für eine vergleichsweise geringere Spannungen ausgelegte Teilwicklung angeordnet ist. Die für höhere Spannungen ausgelegte Teilwicklung weist einen größeren Isolierstoffanteil auf als die Teilwicklung für geringere Spannungen. Um dort teure Hochtemperaturisolierstoffe zu vermeiden, wird das gekühlte Isolierfluid zunächst der Teilwicklung zugeführt, an der bei Normalbetrieb eine höhere Spannung beispielsweise im Bereich von mehreren hundert Kilovolt abfällt.
  • Vorteilhafterweis weist die Kühleinrichtung eine Steuerungseinheit mit Temperatursensoren auf, wobei die Steuerungseinheit für jeden Temperaturbereich über einen Schwellenwert verfügt und die Kühlleistung der Kühleinrichtung in Abhängigkeit des jeweiligen Schwellenwertes steuert. Der jeweilige Schwellenwert ist beispielsweise in Abhängigkeit der jeweiligen Klasse der Isolierstoffe der Teilwicklungen bestimmt. Erreicht 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 Isolierfluids 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 gekühlte 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 Betrieb kann das Isolierfluid benachbarte Strömungskanäle in der gleichen Richtung durchströmen. Die Strömungskanäle können von den Isolationsabschnitten begrenzt sein, oder mit anderen Worten von Abschnitten des Barrierensystems, die der elektrischen Isolation der Teilwicklungen dienen. Die Ausgestaltung der Strömungskanäle ist im Rahmen der Erfindung auf vielfältige Weise möglich.
  • Vorteilhafterweise werden Kanäle zwischen den Barrieren, welche 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 Kapselungsräume von unten nach oben, ist also der durch Erwärmung verursachten Eigenbewegung der Isolierflüssigkeit gleichgerichtet. Außerhalb der Kapselungsräume wird die Isolierflüssigkeit 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 thermische Beschichtung in Betracht.
  • Vorteilhafterweise bildet wenigstens eine Teilwicklung Temperaturbereiche aus, in denen Isolierwerkstoffe angeordnet sind, die eine unterschiedlich starke thermische Belastbarkeit aufweisen. Die Isolierwerkstoffe sind beispielsweise jeweils unterschiedlichen thermischen Klassen zugeordnet.
  • Gemäß einer diesbezüglichen Variante ist jeder mit unterschiedlichen Isolierwerkstoffen ausgestattete Temperaturbereich mit einem thermischen Sensor zur Messung der Heißpunkttemperatur des jeweiligen Temperaturbereiches ausgestattet. Die Sensoren sind mit einer Regelungseinheit verbunden, welche die Heißpunkttemperatur für jeden Temperaturbereich getrennt überwacht. Dazu sind jedem Temperaturbereich auf die jeweils verwendeten Isolierwerkstoffe abgestimmte Schwellwerte 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 Leiterisolation 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. 1. Leiterisolation
    2. 2. Abstandshalter mit Kontakt zum Leiter (Reiter, Beilagen, Leisten)
    3. 3. Potentialsteuerringe und Barrieren (Zylinderbarrieren, Winkelringe, Kappen, Leisten zwischen den Barrieren)
  • Bevorzugt werden isolationstechnisch aufwändige Wicklungsteile insbesondere Wicklungsausleitungen im Bereich des Eintrittes der Isolierflüssigkeit in den entsprechenden Wicklungsabschnitt angeordnet.
  • Teilwicklungen welche sich durch ihre Geometrie, oder technische 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 ermöglicht, wobei eine kostspielige Umstellung beispielsweise der isolierstoffreichen Wicklungsteile einer Oberspannungswicklung 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 Isolierfluides führt im Rahmen der Erfindung zu einer erheblichen Vergrößerung der Temperaturdifferenz zum äußeren Kühlmedium wie beispielsweise Luft oder Wasser. Damit steigt die Effektivität 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 Temperaturen. Es wird eine Optimierung der Verluste für Normallast, bei Bereitstellung eines hohen Überlastspielraumes möglich. Für bestimmte Anwendungen ermöglicht die hohe Temperaturspreizung der Isolierflüssigkeit den effektiven Einsatz von äußeren Verdampfungskühlern und Kühlern auf Basis von Wärmerohren.
  • Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei die
    • Figuren 1 bis 4
    Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts in einer Seitenansicht schematisch verdeutlicht.
  • 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 Unterspannungswicklung 4 und die Oberspannungswicklung 5 sind konzentrisch zu einem Schenkel 6 des Kerns 3 angeordnet, wobei in der Figur 1 lediglich eine Seite der Wicklungen verdeutlicht ist. Es sei jedoch angemerkt, dass sowohl die Unterspannungswicklung 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 Ausführungsbeispiel einem pflanzlichen Ester, befüllt ist. An dem Gefäß 7 ist eine Kühleinrichtung 9 befestigt, die über ein Kühlregister 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 Oberspannungswicklung 5 auf einem Hochspannungspotential liegt, also mit einer Spannung über 50 kV beaufschlagt ist. Zur Beherrschung des dabei auftretenden elektrischen Feldes dient ein Barrierensystem 14 das sowohl die Unterspannungswicklung 4 als auch die Oberspannungswicklung 5 jeweils mit einem seiner Isolationsabschnitte nahezu vollständig umschließt. Das Barrierensystem 14 ist zumindest teilweise aus Pressspan oder einem anderen Werkstoff auf Zellulosebasis gefertigt und weist gekrümmte Abschnitte 15 sowie zylindrische Abschnitte 16 auf, die so zueinander angeordnet sind, dass die Oberspannungswicklung 5 und die Unterspannungswicklung 4 jeweils in einem Kapselungsraum 17 und 18 angeordnet sind, welche strömungstechnisch 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 Kapselungsräume 17 und 18 sind darüber hinaus hydraulisch miteinander 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 Isolierfluid 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 Kühlkanäle 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 Musterung angedeutet sind. In diesen Temperaturbereichen 25.1 und 25.2 ist die Wicklung 5 mit unterschiedlichen Isolierstoffen ausgerüstet, die beispielsweise verschiedenen thermischen Klassen zugeordnet sind.
  • Das sich allmählich erwärmende Isolierfluid 8 tritt von dem Kapselungsraum 17 der Oberspannungswicklung 5 in den Kapselungsraum 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 Rückführungsleitung 13 und die Umwälzpumpe 11 erneut dem Kühlregister 10 zugeführt. Der Kühlkreislauf beginnt erneut.
  • Da das Isolierfluid 8 nacheinander durch die Kapselungsräume 17 und 18 geführt wird, bilden sich in den Temperaturbereichen 25.1, 25.2, 25.3 und 25.4 unterschiedliche Kapselungsraumtemperaturbereiche aus. So ist die Kapselungsraumtemperatur, 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 Temperaturbereichen 25.3 und 25.4.
  • Durch die Anordnung von Isolierstoffen mit unterschiedlicher Wärmebeständigkeit in den jeweils passenden Temperaturbereichen 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)
    Temperaturbereich 25.1 25.2 25.3 25.4
    Leiterisolation E (120°C) B (130°C) F (155°C) H (180°C)
    Abstandshalter A (105°C) E (120°C) B (130°C) F (155°C)
    Barrierensystem/ Potentialsteuerringe A (105°C) A (105°C) E (120°C) B (130°C)
    Abstandshalter umfassen: Radiale und axiale Abstandshalter (Leis-ten, Reiter, Zwischenlagen)
    Barrierensystem umfasst: Barrieren, Winkelringe, Kappen, Scheiben, 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 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1, wobei das Barrierensystem 14 besonders gut erkennbar ist. Das Barrierensystem 14 ist dahingehend gestaltet, dass es zur Führung und Umlenkung der Strömung des Isolierfluides 8 genutzt werden 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 Winkelringe oder Kappen bezeichnet werden.
  • Erfindungsgemäß ist das Barrierensystem 14 derart gestaltet, dass sich gekapselte Wicklungsräume bilden, die hier als Kapselungsräume 17, 28 bezeichnet sind. Dazu werden die üblicherweise 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 Kapselungsräume 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 genannten Wicklungsunterbau ausgebildet.
  • Die Austrittsöffnung 21 liegt im scheibenförmigen Abschnitt 26.1. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Spalt zwischen 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 bevorzugen. Vorteilhafterweise sollten demzufolge auch die gekrümmten Barrieren etwa dem Verlauf der Äquipotentiallinien folgen. Die daraus folgende weitgehend parallele Anordnung auch der gekrümmten Abschnitte 15, 15.2 kommt der Nutzung als Strömungskanal 27 zur Umlenkung des Flusses des Isolierfluides 8 entgegen, so dass nur geringfügige strömungstechnische Veränderungen notwendig sind. An Übergängen, an denen die Anzahl der elektrisch erforderlichen gekrümmten Barrierenabschnitte 15.4, 15.5 keine Umkehrung des Flusses der Isolierflüssigkeit zulässt, werden zusätzliche die Strömung führende und den Wicklungsraum nach außen abdichtende gekrümmte Barrieren 15.3 eingefügt.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel kommt es an der Schnittstelle 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 Gesamtdicke der die elektrische Barriere bildenden Feststoffisolation 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 Abschnitt 16.3 angeordnet.
  • Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem nur einer der Kapselungsräume 17, 18 eine Teilwicklung mit mehreren Temperaturbereichen 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 Wicklungshöhe H1.
  • Zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit sind die Ölspalte des Isolationsaufbaus bekanntermaßen durch das Barrierensystems 14 in engere senkrechte Kanäle 27 und horizontale Kanäle 28 unterteilt. Diese Kanäle 27, 28 werden erfindungsgemäß 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 Strömungskanäle genutzt werden, an ihrem unteren Ende durch Beilagen 30 aus Isoliermaterial ganz oder teilweise verschlossen.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind innerhalb der Temperaturbereiche 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 Isolierfluids 8 umgelenkt wird, so dass das Isolierfluid 8 im weiteren Verlauf in entgegengesetzter Richtung strömt, so dass es längs der Wicklungshöhe mehrmals die Strömungsrichtung wechselt. 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 Temperatur 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 berücksichtigt 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 durchflossen. 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 innerhalb 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 entgegengesetzten 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 Isolierfluides 8 ist die Temperaturdifferenz gering. Dort sind daher keine Maßnahmen erforderlich.

Claims (12)

  1. 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,
    - einer Kühleinrichtung (9) zum Kühlen des Isolierfluids (8), und wenigstens einem 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 Teilwicklungen (4, 5) einstellen,
    wobei in den Kapselungsräumen (17, 18) Isolierungen aus unterschiedlichen Isolierstoffen angeordnet sind, wobei das Barrierensystem (14) das Isolierfluid (8) nacheinander durch die Kapselungsräume führt, und wobei 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 erstreckenden Kernabschnitt (6) angeordnet sind, wobei das Barrierensystem zumindest einen hohlzylindrisch ausgebildeten Teil (16, 16.1, 16.2, 16.3) aufweist, der konzentrisch zu der davon umschlossenen Teilwicklung (4, 5) angeordnet ist.
  2. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1, wobei jeder Kapselungsraum (17) mit einem weiteren Kapselungsraum (18) verbunden ist, so dass eine in Strömungsrichtung des Isolierfluids (8) hintereinander geschaltete Reihe von Kapselungsräumen (17, 18) gebildet ist, wobei der erste Kapselungsraum (18) der besagten Reihe eine Eintrittsöffnung (19) und der letzte Kapselungsraum der besagten Reihe eine Austrittsöffnung (21) ausbildet.
  3. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 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.
  4. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 3, wobei das Barrierensystem (14) Kernverbindungskanäle ausbildet, die sich von einem in Strömungsrichtung des Isolierfluids (8) zuletzt angeordneten Kapselungsraum (18) und Kühlkanälen (34) des Kernes (6) erstrecken.
  5. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühleinrichtung (9) eine Steuerungseinheit mit Temperatursensoren (31, 32, 33) aufweist, wobei die Steuerungseinheit für jeden Kapselungsraum (17, 18) oder jeden Temperaturbereich (25.1-25.4) einer der Teilwicklungen (4, 5) über einen Schwellenwert verfügt und die Kühlleistung der Kühleinrichtung (9) in Abhängigkeit des jeweiligen Schwellenwertes steuert.
  6. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 5, wobei die Temperatursensoren (31, 32, 33) zum Erfassen der Temperatur einer Teilwicklung (4, 5) und/oder zum Erfassen der Temperatur des Isolierfluids (8) in einer Teilwicklung (4, 5) eingerichtet sind.
  7. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Barrierensystem (14) wenigstens einen Isolationsabschnitt aufweist, der zur Absteuerung elektrischer Feldstärken eingerichtet ist.
  8. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 7, wobei das Barrierensystem (14) parallel zueinander verlaufende senkrechte Strömungskanäle (27) mit entgegengesetzter Strömungsrichtung begrenzt, wobei wenigstens einer der senkrechten Strömungskanäle (27) als Rückführungskanal zwischen jeweils eine Teilwicklung (4, 5) umgebenden Isolationsabschnitten angeordnet ist.
  9. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 8, wobei eine Wandung des Barrierensystems (14) zwischen parallel zueinander verlaufenden senkrechten Strömungskanälen (27) mit entgegengesetzter Strömungsrichtung eine thermische Isolierung (35) aufweist.
  10. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Teilwicklung (4, 5) Temperaturbereiche (25.1, 25.2, 25.3, 25.4) ausbildet, in denen Isolierwerkstoffe angeordnet sind, die eine unterschiedlich starke thermische Belastbarkeit aufweisen.
  11. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 10, wobei 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.
  12. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Barrierensystem (14) zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufende Strömungskanäle (27, 28) ausbildet.
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