EP4312236A1 - Transformer housing, transformer having such a transformer housing, and arrangements of these - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a transformer housing with a metal foam implemented within the transformer housing, a transformer with such a transformer housing and arrangements of the aforementioned products.
- the conductor coils of the power transformer are usually wound on a U-shaped iron core profile and the magnetic circuit to be formed is then closed with an iron yoke arranged on the U-shaped iron core profile. Due to the design, magnetic stray losses occur during operation of the power transformer. These magnetic scattering losses and the low utilization of the iron core of such a power transformer in relation to the conductor length result in a larger thermal loss on the iron core, which, in combination with further thermal losses, leads to heating of the power transformer.
- the power transformers are usually filled with oil and have an oil cooling circuit that is actively operated with oil pumping equipment. This is by far the most maintenance-intensive part of a power transformer.
- the number of windings per iron core section is usually chosen to be high in order to achieve the highest possible utilization of the magnetic field. This creates very compact winding structures, which, due to their compactness, lead to a concentration of thermal power loss at these points. These relatively hot spots lead to that the transformer oil of the power transformer and/or the conductor insulation, here the insulating varnish and/or the insulation paper of the conductor, degrades relatively more quickly depending on the mode of operation.
- the ability to absorb water in the transformer oil also increases, with the water being absorbed in particular by the conductor's insulation paper.
- the water absorbed reduces the insulation ability and promotes electrical discharges, which can result in defects in the power transformer. An improved dissipation of heat from the power transformer is therefore advantageous.
- a power transformer with a low operating noise level is therefore extremely advantageous because it can be placed closer to residential buildings.
- a low operating noise level is also advantageous in the offshore area, particularly in the arrangement of power transformers underwater, as this can ensure a low impact on the underwater fauna.
- a low operating noise level can therefore simplify or shorten the location selection and the associated approval procedures.
- the invention is based on the object of designing a transformer housing of the type mentioned in such a way that it has improved heat dissipation, a reduced operating noise level and increased tightness. Furthermore, the object is to provide a transformer with such a housing and arrangements thereof with improved heat dissipation, a reduced operating noise level and increased tightness.
- a transformer housing is provided with a metal foam implemented within the transformer housing.
- the transformer housing is double-walled - at least in sections - and thus has - at least in sections and / or at least - a double wall with an inner chamber.
- the chamber is occupied - at least in sections - by the metal foam.
- a transformer active part or simply active part regularly comprises a composite of core, windings, pressed parts, in particular press frames and/or press rods and derivation.
- the metal foam has an acoustically dampening effect, particularly due to the large number of transitions between acoustically dense and thin medium and the associated reflection and interference, so that the operating noise level of a transformer having the transformer housing is reduced.
- the tightness of the transformer housing can also be increased with the design according to the invention.
- the transformer housing at least partially encloses a housing interior of the transformer housing, in which at least one transformer active part can be arranged.
- the interior of the housing is preferably filled with a dielectric insulating medium.
- the interior of the housing is particularly preferably filled with a transformer oil. This forms the dielectric insulating medium.
- the respective double wall also has an inner housing wall adjacent to and/or facing the housing interior and an inner housing wall facing the housing interior spaced outer housing wall adjacent to and/or facing the environment or an ambient medium.
- the insulating medium and/or the transformer oil now enters the chamber filled with the metal foam, for example due to a crack forming in the inner wall of the housing, the insulating medium and/or the transformer oil largely gets caught in the metal foam, with the result that it is less likely to penetrate to the outer wall of the housing and, for example, . B. in turn can emerge from the transformer housing or a transformer having the transformer housing due to cracks that have arisen and / or are present in the outer wall of the housing.
- the metal foam allows deformation of the double wall and in particular the outer housing wall and/or can serve as a crumple zone in the event of a shock from an object and/or an impact of an object on the double wall and in particular the outer housing wall.
- the energy of the shock and/or impact is reduced, whereby particularly extensive damage resulting from the formation of cracks or openings in the double wall and in particular in the outer housing wall can be avoided.
- This also allows the tightness of the transformer housing to be increased.
- the transformer housing can basically have any shape. What is conceivable here is, for example, a substantially rectangular and/or cuboid design of the transformer housing. A cylindrical design is also conceivable.
- the transformer housing can also be annular and/or hollow cylindrical, such an annular and/or hollow cylindrical transformer housing having a radially inner and a radially outer double wall. These double walls and in particular a respective outer housing wall then border on the environment and/or an ambient medium.
- the metal foam lies directly on the double wall, here in particular on an inner housing wall forming the double wall and an outer housing wall, at least in one, in particular first - thermal - operating point and/or, in particular first - thermal - operating region of the transformer housing .
- the metal foam is in a further, in particular second - thermal - operating point and/or - thermal - operating range, in which lower temperatures are present than in the in particular first - thermal - operating point and / or in particular first - thermal - operating range, is not or only partially in contact with the double wall.
- the metal foam would only come into contact with the double wall during the transition from the second to the first - thermal - operating point and / or - thermal - operating range, ie in particular when there is heating and an associated expansion of the transformer housing, and then in particular in the first - thermal - operating point and / or in particular first - thermal - operating range rest on the double wall.
- the metal foam is always, i.e. H. in each - thermal - operating point and/or - thermal - operating range on a respective double wall, i.e. H. on the inner wall of the housing and the outer wall of the housing.
- a further advantageous embodiment of the invention is that the metal foam is an open-pored metal foam.
- the design as an open-pore metal foam offers the advantage that additional materials can be introduced or stored in the pores of the metal foam. These materials could serve to further increase the thermal conductivity of the metal foam and thus the heat dissipation from the transformer housing and/or a transformer having the transformer housing. It would also be conceivable that the material serves to increase the tightness and/or the acoustic damping and thus to reduce the operating noise level of the transformer housing and/or a transformer having the transformer housing.
- An embodiment of the invention also proves to be promising if the metal foam is made of aluminum.
- Aluminum has an extremely advantageous high thermal conductivity or a high thermal conductivity coefficient.
- metal foam made of aluminum i.e. an aluminum foam
- better heat transport can be achieved from the interior of the housing to the environment and/or an ambient medium than would be possible, for example, with a solid wall made of steel.
- the metal foam is in the form of at least one mat, in particular one mat or several mats, is introduced into the chamber.
- This offers the advantage that the transformer housing with different thicknesses or chamber thicknesses can be filled with metal foam without having to provide a metal foam with an individual, corresponding thickness for each thickness of a chamber.
- the mats on the other hand, can be easily adapted to the thickness of the chamber in several rows and/or when cut to size. This advantageously reduces the manufacturing costs for the transformer housing.
- a further development can also be viewed as promising if a phase change material is embedded and/or deposited in the cavities or spaces of the metal foam, in particular the open-pored metal foam, and/or on its surface.
- phase change material By storing and/or depositing the phase change material in the metal foam, it is extremely advantageous to further increase the heat transfer or heat dissipation, in particular from the inside of the housing, the tightness of the transformer housing and the acoustic damping of the transformer housing and thus the operating noise level of the transformer housing and/or or a transformer having the transformer housing.
- the phase change material forms a latent heat storage and/or a latent cold storage.
- the phase change material preferably forms a latent cold storage.
- a transformer here in particular a power transformer
- a heating cycle and a cooling cycle alternately due to changing loads, with a - thermal - operating point and / or - thermal - at a respective end and / or beginning of such a cycle.
- Operating range of the transformer housing and / or a transformer having the transformer housing is present, in which a temperature and / or a temperature range prevails.
- the phase change material is chosen in such a way that it is present in a different phase at the end and/or beginning of a respective cycle and thus in different - thermal - operating points and / or - thermal - operating areas and consequently in the cycles or a transition between the - thermal - operating points and / or - thermal - operating areas a phase transition or phase change takes place.
- the temperature of the phase change material - as is known - remains constant, with the recorded and / or Heat released, i.e. thermal energy, during the phase change, in particular significantly exceeds the heat absorbed and/or released between the - thermal - operating points and / or - thermal - operating areas and the phase change.
- the phase change can be used to very advantageously dissipate heat from the interior of the transformer housing, preferably from the transformer oil of a transformer having the transformer housing.
- the thermal activation of the cold storage is homogenized in the spatial structure, corresponding to the metal foam. This means a z.
- Heating of the phase change material, in particular within a heating cycle, takes place largely homogeneously over the thickness of the chamber due to the storage and / or attachment to the metal foam.
- a progressive phase change, in particular starting on the inner wall of the housing, would be avoided in this way, which advantageously represents a short response time to a heating cycle and thus a load change of a transformer having the transformer housing.
- a section of the metal foam with the phase change material directly adjacent to the outer wall of the housing can have a temperature and/or a temperature range due to the existing heat dissipation , in which the phase change material does not undergo a phase change and is therefore, in particular, always in its first phase.
- phase change material which is in a first phase, initially heats up while absorbing heat from the interior of the housing until this has reached the phase transition point.
- phase transition point When the phase transition point is reached, this now changes from the first phase into a second phase with further absorption of heat from the interior of the housing, with the temperature of the phase change material - as is known - remaining constant during the phase transition. After the phase change has taken place, the temperature of the phase change material would increase again.
- the load change occurs accordingly from a low load, in which a temperature of the phase change material is below the phase transition point, to a higher and/or high load, due to which a temperature of at least parts of the phase change material is reached corresponding to and/or above the phase transition point.
- phase transition or a phase change between liquid and gaseous could be carried out by the phase change material and/or could be carried out by the phase material.
- a further particularly advantageous embodiment of the invention is preferably that a phase change between solid and liquid can be carried out by the phase change material, in particular in at least one - thermal - operating point and / or operating range of the transformer housing or a transformer having the transformer housing and/or is carried out by the phase material.
- the design of a phase change between solid and liquid offers the advantage of increased tightness of the transformer housing or a transformer having the transformer housing.
- the phase change material can thus penetrate into existing or created cavities, in particular cracks, in the double wall, here in the inner wall of the housing and/or in the outer wall of the housing, and close these, in particular after a new phase change into the solid phase.
- phase change material is, for example, pasty and/or waxy.
- the phase change material can also increase the tightness on its own, for example due to its material properties. It is therefore conceivable that the phase change material is hydrophobic and thus also minimizes penetration of an ambient medium such as water into the transformer housing or a transformer having the transformer housing.
- the metal foam with the embedded and/or attached phase change material is - essentially - incompressible. This can be critical in the operation of a transformer having the transformer housing, since there is a temperature gradient from the inside of the housing to the environment and/or an ambient medium and thus also between the inner wall of the housing and the outer wall of the housing. This temperature gradient causes a different thermal expansion of the double wall, here consequently the inner wall of the housing and the outer wall of the housing, which in turn causes pressure on the metal foam with the phase change material. If the metal foam cannot escape with the phase change material, this would, in the worst case scenario, result in damage and/or even destruction of the transformer housing due to its incompressibility.
- At least one area without metal foam and/or phase change material i.e. in particular at least one at least partially gas-filled or air-filled area, is formed in the metal foam embedded and/or attached with phase change material. Due to the lack of filling of the areas with metal foam and/or phase change material, the metal foam present in the remaining areas with the phase change material can expand into the compressible areas without metal foam and/or phase change material, so that any resulting pressure on the double wall can be avoided or is avoided.
- At least one area without phase change material also includes an insert made of a closed-cell metal foam, in particular a closed-cell aluminum foam.
- a closed-cell metal foam in particular a closed-cell aluminum foam.
- a further promising embodiment of the invention is that the transformer housing has a gas-filled or air-filled compensation space, in particular a head space, towards and/or into which the metal foam and/or the phase change material can be stretched or expanded. This also makes it possible, taken alone or in combination with at least one area without a metal foam and/or a phase change material, to avoid pressure arising on the double wall due to uneven thermal expansion of the double wall.
- the phase change material is also paraffin.
- the paraffin is ideally suited as a phase change material, as the phase change of the paraffin can be implemented in a range from 25 °C to 60 °C with the associated formation of a self-regulating (latent) heat and/or cold storage.
- the phase transition point of the paraffin can thus be adapted to the - thermal - operating points and / or operating ranges of the transformer housing and / or a transformer having the transformer housing, so that at least part of the paraffin, but preferably largely or completely, in a particularly first - thermal - operating point and/or a particularly first - thermal - operating range of the transformer housing or a transformer having the transformer housing is present in the liquid phase above the phase transition point.
- the temperature and/or the temperature range of the paraffin in the liquid phase can be between 20°C and 70°C, preferably 25°C and 65°C, particularly preferably 35°C and 65°C.
- the temperature and/or the temperature range of the paraffin in the solid phase can be between 0 °C and 25 °C, preferably 2 °C and 20 °C, particularly preferably 2 °C and 15 °C.
- the invention can also include a transformer with an aforementioned transformer housing, in particular a transformer housing according to claims 1 to 12.
- a transformer can have an overpressure within the transformer housing, for example in the head space and/or the chamber between the double wall, in order to minimize the probability of a leakage of dielectric insulating medium, in particular transformer oil, or even to avoid such a leakage.
- An active oil circuit or forced convective cooling of transformer active parts can be dispensed with due to the inventive design of the transformer housing and/or the transformer.
- a transformer in particular a power transformer, is therefore provided, wherein the transformer has a transformer housing according to the invention and the transformer is also designed to be stackable.
- the stackability of the transformer can z. B. be given by running the high-voltage connections from the side of the transformer housing.
- corresponding spacers and/or anchors can be provided on the transformer housing, via which at least two transformers can be connected to one another.
- an excess pressure can also be present within the transformer housing, for example in the head space and/or the chamber between the double wall, in order to reduce the likelihood of dielectric leakage Insulating medium, especially transformer oil, to minimize or even avoid such a leak.
- An active oil circuit or forced convective cooling of transformer active parts can in turn be dispensed with due to the inventive design of the transformer housing and/or the transformer.
- heat dissipation from the transformer in particular can be further improved, since when a stack of transformers is implemented, increased convection and / or, with appropriate arrangement, a chimney effect to increase the heat dissipation from the double wall of a transformer housing and in particular the Housing outer wall is present and / or can be used.
- an arrangement of at least two aforementioned transformers according to the invention is provided, these being stacked one above the other to form a transformer stack or several such transformer stacks.
- stacking transformers leads to an increase in heat dissipation from the stacked transformers due to increased convection.
- a chimney effect can also be created and thus the heat dissipation can be increased even further.
- the increased mass of such a transformer stack also allows the operating noise level of the transformer stack to be minimized.
- the design of a transformer stack is also advantageous in terms of minimizing the space or area required for an installation area. This applies both on land and in the offshore area, either on an offshore platform or underwater.
- the transformer also has at least one transformer active part inside the transformer housing, which z. B. can have a U-core profile or an E-core profile with windings applied to the U-core or E-core. It is also conceivable to design it as a toroidal core transformer or a quasi toroidal core transformer. This would be the quasi toroidal transformer respectively Polygonal transformer made up of individual, in particular linear or arcuate iron core segments with windings at least partially applied to the iron core segments. The iron core segments can be connected to one another via iron core segment locks to form a closed magnetic circuit.
- an arrangement and/or use of a transformer housing according to the invention, a transformer according to the invention or an arrangement of transformers according to the invention to form a transformer stack is provided, wherein the transformer housing, the transformer or the arrangement to form a transformer stack is arranged and/or used underwater becomes.
- the transformer housing or the transformer having the transformer housing and / or a transformer stack made of these is extremely advantageous for underwater arrangement. In this way, any negative impact on the underwater flora and fauna can be advantageously minimized.
- the existing ambient medium of water then also causes a further improvement in heat dissipation from the inside of the housing and thus improved cooling of transformer active parts.
- the Figure 1 shows an embodiment of a stackable transformer 12, here a power transformer, in a schematically very simplified cross section.
- the transformer 12 has the transformer housing 6, the transformer housing 6 with the double wall 2 consequently being double-walled and thereby having the inner chamber 6c.
- the chamber 6c is occupied by the open-pored metal foam 1, which, as shown, lies against the double wall 2 at every operating point of the transformer 12.
- the metal foam 1 In order to ensure the best possible heat conduction through the metal foam 1, it is made of aluminum.
- the double wall 2 each has the housing inner wall 15 and the housing outer wall 16 spaced apart from the housing inner wall 15, between which the chamber 6c is correspondingly formed.
- the phase change material 5 is also embedded and deposited in the spaces 4 of the open-pored metal foam 1 as well as on its surface, with a phase change between solid and liquid being able to be carried out by the phase change material 5 in a - thermal - operating point of the transformer 12.
- the phase change material 5 is a paraffin 11.
- the transformer active part 18 shown is arranged, which is surrounded by the dielectric insulating medium 7, here the transformer oil 19, which, in addition to the insulating function, also functions as a cooling medium for the transformer active part 18.
- Such a transformer 12 is subject to changing loads, e.g. B. changing network loads, usually alternating between a heating cycle and a cooling cycle.
- changing loads e.g. B. changing network loads
- the load on the transformer 12 increases and the transformer active part 18 begins to heat up, which is caused by the transformer active part 18 generated heat is absorbed via the transformer oil 19, in particular convectively, and transferred to the housing inner wall 15, which in turn leads to heating of the housing inner wall 15.
- phase change material 5 is heated until it has reached its phase transition point, in this case its melting point.
- phase change material 5 now passes from its first, here solid phase into its second, here liquid phase, with further absorption of heat from the housing interior 17 or from the housing inner wall 15, the temperature of the phase change material 5 during the phase transition - as is well known - remains constant.
- the heat absorbed by the phase change material 5 to complete the phase change or phase transition significantly exceeds the heat absorbed up to the phase transition point by the phase change material 5 and/or the metal foam 1. In this way and in combination with the transfer of heat through the metal foam 1 to the housing outer wall 16, a disproportionately improved heat dissipation from the housing interior 17 and in particular the transformer oil 19 can be ensured.
- the tightness of the transformer 12 and in particular the transformer housing 6 is also improved by the design of the metal foam 1 and the phase change material 5 incorporated and/or deposited therein, here the paraffin 11.
- the transformer 12 is subject to heating and cooling cycles, as a result of which the inner housing wall 15 in particular also heats up and cools down alternately.
- the housing wall 15 also alternately expands and contracts again, which can cause cracks, in particular microcracks, in the material of the housing wall 15.
- These cracks are now penetrated and/or filled by the phase change material 5 during the transition of the phase change material 5 into its liquid phase and thus in particular also during cooling and the associated transition of the phase change material 5 sealed into the solid phase. This significantly minimizes or even prevents the insulating medium 7, here the transformer oil 19, from escaping from the housing interior 17.
- the section of the phase change material 5, here the paraffin 11, which is closely adjacent to the housing outer wall 16 is water in a body of water such as a lake or preferably a sea, in which the transformer 12, for example, due to the low regular temperature of the ambient medium 8 .
- B. would preferably be arranged underwater in an offshore area, in particular always in the solid phase.
- Damage such as openings and/or cracks in the outer housing wall 15 are thus closed by the pasty or waxy phase change material 5, here in the form of paraffin 11.
- the paraffin 11 is hydrophobic, which further reduces the probability of penetration of the surrounding medium 8, here water.
- the housing inner wall 15 is also subject to a higher expansion than the housing outer wall 16 compared to the housing outer wall 16 due to the comparatively greater heating within a heating cycle of the transformer 6, the volume of the chamber 6c is reduced during such a heating cycle.
- the transformer housing 6 has the compensation spaces 14, towards which and/or into which the Metal foam 1 and/or the phase change material 5 is stretchable.
- FIG. 3 It can also be seen that in the open-pore metal foam 1 provided with phase change material 5, several areas 9 are formed without phase change material 5.
- these areas 9 without phase change material 5 include inserts 10 made of a closed-cell metal foam 1, which has gas-filled and in particular air-filled pores. This makes it possible to do this even without executing the in Figure 1 shown compensation spaces 14 an extension of the also in Figure 1 housing inner wall 15 set out can be ensured without damage to the transformer housing 6 occurring due to incompressibility of the filling medium 6d made of metal foam 1, phase change material 5 and inserts 10. Due to the compressibility of the gas enclosed in the pores of the closed-cell metal foam 1, in particular air, the inserts 10 enable the filling medium 6d to be compressed.
- a transformer stack 13 now emerges, which is an arrangement of several stacked one on top of the other and from the Figure 1 known transformers 12 includes.
- improved heat dissipation from the housing interior 17 of the transformers 12 can be achieved through the resulting natural convection of the surrounding medium 8 along the transformer stack 13.
- the convection is in the Figure 4 indicated by arrows.
- the transformer stack 13 is arranged underwater, so that the ambient medium 8 in this embodiment of the arrangement of the transformer stack 13 is water, in particular seawater. Due to the arrangement of the transformers 12 as a transformer stack 13, there is also a very small space or area requirement for the large number of transformers 12. This is particularly the case when arranged in a sea, e.g. B.
- the transformer stack 13 is connected to the base plate 21 via the stand structure 20, which is essentially permeable to the surrounding medium 8. This also enables heat to be dissipated on the bottom side of the lowest transformer 12, which is arranged adjacent to the base plate 21.
- the transformer stack 13 has the compensation container 22 at its uppermost position, i.e. the position furthest away from the base plate 21 for the dielectric insulating medium 7, here the transformer oil 19.
- the transformer housing is in the Figure 5 shown in horizontal section and designed as annular or hollow cylindrical.
- the transformer housing thus has a - radially - inner and a - radially - outer double wall.
- the inner chamber 6c is formed, which is filled with the filling medium 6d made of the thermally conductive open-pored metal foam and the intermediate space filling paraffin.
- the dielectric insulating medium 7 is carried out inside the housing between the double walls.
- metal sheets that are flush with the surface of the chambers 6c or the double walls can be designed inside the housing.
- the transformer housing is also surrounded by the ambient medium 8. This applies both outside and in the annular space.
- the annular space is the radially inner and/or central space of the transformer housing.
- a respective housing wall comprises a double wall with the filling medium 6d of the inner chamber 6c.
- the Figure 6 again shows a transformer stack consisting of several transformers with the dielectric insulating medium 7 inside the housing in the form of the stacked rings 6.1.
- the transformers are therefore designed as ring transformers with, in particular, ring-shaped transformer active parts.
- the transformers have corresponding ring-shaped or hollow cylindrical transformer housings.
- the transformer stack is also connected to the base plate via a support structure.
- the framework is permeable to the surrounding medium 8. Natural draft cooling - here a convective heat transfer into the surrounding medium - can already occur Figure 5 executed annular space.
- the oil expansion tank 6.11 is also arranged in the top position of the transformer stack.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Transformator-Gehäuse (6) mit einem innerhalb des Transformator-Gehäuses (6) ausgeführten Metallschaum (1), wobei das Transformator-Gehäuse (6) doppelwandig ausgebildet ist und somit eine Doppelwandung (2) mit einer inneren Kammer (6c) aufweist, wobei die Kammer (6c) durch den Metallschaum (1) besetzt ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Transformator mit einem solchen Transformator-Gehäuse (6) sowie Anordnungen dieser.The invention relates to a transformer housing (6) with a metal foam (1) implemented within the transformer housing (6), the transformer housing (6) being double-walled and thus a double wall (2) with an inner chamber (6c ), wherein the chamber (6c) is occupied by the metal foam (1). The invention further relates to a transformer with such a transformer housing (6) and arrangements thereof.
Description
Die Erfindung betrifft ein Transformator-Gehäuse mit einem innerhalb des Transformator-Gehäuses ausgeführten Metallschaum, einen Transformator mit einem solchen Transformator-Gehäuse sowie Anordnungen der vorgenannten Erzeugnisse.The invention relates to a transformer housing with a metal foam implemented within the transformer housing, a transformer with such a transformer housing and arrangements of the aforementioned products.
Bei den derzeit regelmäßig verfügbaren Leistungstransformatoren werden die Leiterspulen des Leistungstransformators gewöhnlich auf ein U-Eisenkernprofil gewickelt und der auszubildende Magnetkreis anschließend mit einem am U-Eisenkernprofil angeordneten Eisenjoch geschlossen. Bauformbedingt entstehen dadurch im Betrieb des Leistungstransformators magnetische Streuverluste. Durch diese magnetischen Streuverluste und der zudem geringen Ausnutzung des Eisenkerns eines solchen Leistungstransformators im Verhältnis zur Leiterlänge entsteht ein größerer thermischer Verlust am Eisenkern, der auch in Kombination mit weiteren thermischen Verlusten zu einer Erwärmung des Leistungstransformators führt.In the power transformers currently regularly available, the conductor coils of the power transformer are usually wound on a U-shaped iron core profile and the magnetic circuit to be formed is then closed with an iron yoke arranged on the U-shaped iron core profile. Due to the design, magnetic stray losses occur during operation of the power transformer. These magnetic scattering losses and the low utilization of the iron core of such a power transformer in relation to the conductor length result in a larger thermal loss on the iron core, which, in combination with further thermal losses, leads to heating of the power transformer.
Um die entstehende Wärme abzuführen, sind die Leistungstransformatoren in der Regel ölgefüllt und verfügen über einen aktiv mit Ölfördereinrichtungen betriebenen Ölkühlungskreis. Dieser ist mit Abstand der wartungsintensivste Teil eines Leistungstransformators.In order to dissipate the resulting heat, the power transformers are usually filled with oil and have an oil cooling circuit that is actively operated with oil pumping equipment. This is by far the most maintenance-intensive part of a power transformer.
Ferner wird die Wicklungszahl pro Eisenkernabschnitt aufgrund der verhältnisweisen schlechten Ausnutzung des Eisenkerns für gewöhnlich hoch gewählt, um eine möglichst hohe Ausnutzung des Magnetfelds zu erreichen. Hierdurch entstehen sehr kompakte Wicklungsstrukturen, die bedingt durch ihre Kompaktheit zu einer Konzentration von thermischer Verlustleistung an diesen Stellen führt. Diese in Relation recht heißen Stellen führen dazu, dass das Transformatorenöl des Leistungstransformators und/oder die Leiterisolation, hier der Isolierlack und/oder das Isolationspapier des Leiters, je nach Betriebsweise verhältnismäßig schneller degradiert.Furthermore, due to the relatively poor utilization of the iron core, the number of windings per iron core section is usually chosen to be high in order to achieve the highest possible utilization of the magnetic field. This creates very compact winding structures, which, due to their compactness, lead to a concentration of thermal power loss at these points. These relatively hot spots lead to that the transformer oil of the power transformer and/or the conductor insulation, here the insulating varnish and/or the insulation paper of the conductor, degrades relatively more quickly depending on the mode of operation.
Mit steigender Temperatur des Transformatorenöls erhöht sich ebenso die Fähigkeit zur Aufnahme von Wasser im Transformatorenöl, wobei das Wasser insbesondere vom Isolationspapier des Leiters aufgenommen wird. Das aufgenommene Wasser setzt die Isolationsfähigkeit herab und begünstigt elektrische Entladungen, die in Defekten des Leistungstransformators resultieren können. Eine verbesserte Abfuhr der Wärme aus dem Leistungstransformator stellt sich somit als vorteilhaft dar.As the temperature of the transformer oil increases, the ability to absorb water in the transformer oil also increases, with the water being absorbed in particular by the conductor's insulation paper. The water absorbed reduces the insulation ability and promotes electrical discharges, which can result in defects in the power transformer. An improved dissipation of heat from the power transformer is therefore advantageous.
Im Zusammenhang mit einer verbesserten Abfuhr von Wärme beschreibt die
Neben der Möglichkeit des Auftretens von Defekten eines Leistungstransformators aufgrund der bereits dargelegten Erwärmung führen die gesteigerten thermische Verluste auch zu einem als nachteilig zu bewertenden, gesteigerten Betriebsgeräuschpegel. Gerade im Zuge einer Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energien entsteht jedoch ein gesteigerter Bedarf an Leistungstransformatoren, was somit auch zu einer erhöhten Anordnungsdichte im öffentlichen Raum führt. Somit stellt sich ein Leistungstransformator mit einem geringen Betriebsgeräuschpegel als überaus vorteilhaft dar, da solche näher an Wohn-bebauungen platziert werden können. Auch im Offshore-Bereich, hierbei insbesondere der Anordnung von Leistungstransformatoren Unterwasser stellt sich ein geringer Betriebsgeräuschpegel als vorteilhaft dar, da dadurch eine geringe Beeinflussung der Unterwasserfauna gewährleistet werden kann. Ein geringer Betriebsgeräuschpegel kann folglich die Standortauswahl und damit verbundene Genehmigungsverfahren vereinfachen bzw. verkürzen.In addition to the possibility of defects in a power transformer due to the heating already described, the increased thermal losses also lead to an increased operating noise level that can be viewed as disadvantageous. However, especially as the energy supply switches to renewable energies, there is an increased need for power transformers, which also leads to an increased density of arrangement in public spaces. A power transformer with a low operating noise level is therefore extremely advantageous because it can be placed closer to residential buildings. A low operating noise level is also advantageous in the offshore area, particularly in the arrangement of power transformers underwater, as this can ensure a low impact on the underwater fauna. A low operating noise level can therefore simplify or shorten the location selection and the associated approval procedures.
Aus dem Stand der Technik sind dabei bereits Lösungen für einen verringerten Betriebsgeräuschpegel bekannt. So lässt sich der
Bei solchen ölgefüllten Leistungstransformatoren stellt sich weiterhin das Problem eines unerwünschten Austritts des Transformatorenöls dar, wobei die Leistungstransformatoren zur Minimierung dessen in der Regel doppelwandig ausgeführt sind. Nichtsdestotrotz lässt sich ein Austritt nicht vollständig vermeiden, da aufgrund von wechselnden Lasten und den damit verbundenen Ausdehnungszyklen Risse und/oder Mikrorisse im Transformator-Gehäuse entstehen. Um dieses Problem zu adressieren werden unter den Transformator-Standorten baulich regelmäßig Ölauffangwannen vorgesehen, um austretendes Transformatorenöl aufzunehmen. Diese Möglichkeit ist einerseits wenig zufriedenstellend und stellt sich bei der Anordnung von Leistungstransformatoren Unterwasser zudem als nicht ausführbar dar.With such oil-filled power transformers, there is still the problem of undesirable leakage of transformer oil, with the power transformers usually being double-walled to minimize this. Nevertheless, leakage cannot be completely avoided because cracks and/or microcracks occur in the transformer housing due to changing loads and the associated expansion cycles. To address this problem, oil collection trays are regularly installed under the transformer locations to collect leaking transformer oil. On the one hand, this option is not very satisfactory and is also not feasible when arranging power transformers underwater.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Transformator-Gehäuse der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass dieses eine verbesserte Wärmeabfuhr, einen verringerten Betriebsgeräuschpegel und eine erhöhte Dichtheit aufweist. Ferner besteht die Aufgabe darin, einen Transformator mit einem solchen Gehäuse sowie Anordnungen dieser mit einer verbesserten Wärmeabfuhr, einem verringerten Betriebsgeräuschpegel und einer erhöhten Dichtheit bereitzustellen.Against this background, the invention is based on the object of designing a transformer housing of the type mentioned in such a way that it has improved heat dissipation, a reduced operating noise level and increased tightness. Furthermore, the object is to provide a transformer with such a housing and arrangements thereof with improved heat dissipation, a reduced operating noise level and increased tightness.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Transformator-Gehäuse gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteran-sprüchen zu entnehmen.This object is achieved according to the invention with a transformer housing according to the features of
Erfindungsgemäß ist also ein Transformator-Gehäuse mit einem innerhalb des Transformator-Gehäuses ausgeführten Metallschaum vorgesehen. Hierbei ist das Transformator-Gehäuse - zumindest abschnittsweise - doppelwandig ausgebildet und weist somit - zumindest abschnittsweise und/oder wenigstens - eine Doppelwandung mit einer inneren Kammer auf. Die Kammer ist dabei - zumindest abschnittsweise - durch den Metallschaum besetzt.According to the invention, a transformer housing is provided with a metal foam implemented within the transformer housing. Here, the transformer housing is double-walled - at least in sections - and thus has - at least in sections and / or at least - a double wall with an inner chamber. The chamber is occupied - at least in sections - by the metal foam.
Damit wird die Wärmeleitfähigkeit durch die Kammer erheblich erhöht. Dies führt wiederum zu einer verbesserten Wärmeabfuhr aus dem Transformator-Gehäuse, wodurch eine verbesserte Kühlung eines Transformator-Aktivteils eines das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators, insbesondere eines Leistungstransformators, erzielbar ist respektive erzielt wird. Lokal auftretende und im Verhältnis heiße Stellen am Transformator-Aktivteil, insbesondere am Kern und/oder den Wicklungen lassen sich derart minimieren oder gar vermeiden.This significantly increases the thermal conductivity through the chamber. This in turn leads to improved heat dissipation from the transformer housing, whereby improved cooling of a transformer active part of a transformer having the transformer housing, in particular a power transformer, can be achieved or is achieved. Locally occurring and relatively hot spots on the transformer active part, especially on the core and/or the windings, can be minimized or even avoided in this way.
Ein Transformator-Aktivteil oder schlicht Aktivteil umfasst dabei regelmäßig einen Verbund aus Kern, Wicklungen, Pressteilen, hierbei insbesondere Pressrahmen und/oder Pressgestänge und Ableitung.A transformer active part or simply active part regularly comprises a composite of core, windings, pressed parts, in particular press frames and/or press rods and derivation.
Darüber hinaus wirkt der Metallschaum, insbesondere aufgrund der Vielzahl an Übergangen zwischen akustisch dichtem und dünnem Medium und der damit verbundenen Reflektion und eintretenden Interferenzen, akustisch dämpfend, sodass der Betriebsgeräuschpegel eines das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators gesenkt wird.In addition, the metal foam has an acoustically dampening effect, particularly due to the large number of transitions between acoustically dense and thin medium and the associated reflection and interference, so that the operating noise level of a transformer having the transformer housing is reduced.
Auch die Dichtheit des Transformator-Gehäuses lässt sich mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung steigern.The tightness of the transformer housing can also be increased with the design according to the invention.
Hierzu ist auszuführen, dass das Transformator-Gehäuse zumindest teilweise einen Gehäuseinnenraum des Transformator-Gehäuses umschließt, in welchem zumindest ein Transformator-Aktivteil anordenbar ist. Bevorzugt ist der Gehäuseinnenraum hierbei mit einem dielektrischen Isoliermedium gefüllt. Besonders bevorzugt ist der Gehäuseinnenraum im Speziellen mit einem Transformatorenöl gefüllt. Dieses bildet dabei das dielektrische Isoliermedium aus.For this purpose, it should be stated that the transformer housing at least partially encloses a housing interior of the transformer housing, in which at least one transformer active part can be arranged. The interior of the housing is preferably filled with a dielectric insulating medium. The interior of the housing is particularly preferably filled with a transformer oil. This forms the dielectric insulating medium.
Die respektive eine jeweilige Doppelwandung weist zudem eine an den Gehäuseinnenraum angrenzende und/oder diesem zugewandte Gehäuseinnenwand und eine zur Gehäuseinnenwand beabstandete, an die Umgebung respektive ein Umgebungsmedium angrenzende und/oder diesem zugewandte Gehäuseaußenwand auf.The respective double wall also has an inner housing wall adjacent to and/or facing the housing interior and an inner housing wall facing the housing interior spaced outer housing wall adjacent to and/or facing the environment or an ambient medium.
Tritt nunmehr das dielektrische Isoliermedium und/oder das Transformatorenöl beispielsweise aufgrund einer Rissbildung in der Gehäuseinnenwand in die mit dem Metallschaum besetzte Kammer, so verfängt sich das Isoliermedium und/oder das Transformatorenöl weitgehen im Metallschaum, wodurch dieses lediglich mit verminderter Wahrscheinlichkeit zur Gehäuseaußenwand vordringen und z. B. wiederum durch in der Gehäuseaußenwand entstandene und/oder vorliegende Risse aus dem Transformator-Gehäuse respektive einem das Transformator-Gehäuse aufweisen Transformator austreten kann.If the dielectric insulating medium and/or the transformer oil now enters the chamber filled with the metal foam, for example due to a crack forming in the inner wall of the housing, the insulating medium and/or the transformer oil largely gets caught in the metal foam, with the result that it is less likely to penetrate to the outer wall of the housing and, for example, . B. in turn can emerge from the transformer housing or a transformer having the transformer housing due to cracks that have arisen and / or are present in the outer wall of the housing.
Darüber hinaus lässt der Metallschaum eine Verformung der Doppelwandung und hierbei insbesondere der Gehäuseaußenwand zu und/oder kann im Falle eines Stoßes durch ein Objekt und/oder eines Aufpralls eines Objekts auf die Doppelwandung und hierbei insbesondere die Gehäuseaußenwand als eine Knautschzone dienen. Dadurch wird eine Energie des Stoßes und/oder Aufpralls abgebaut, wodurch eine insbesondere weitgehende Beschädigung unter einer Riss- oder Öffnungsbildung der Doppelwandung und hierbei insbesondere der Gehäuseaußenwand vermeidbar ist. Auch hierdurch lässt sich die Dichtheit des Transformatorgehäuses steigern.In addition, the metal foam allows deformation of the double wall and in particular the outer housing wall and/or can serve as a crumple zone in the event of a shock from an object and/or an impact of an object on the double wall and in particular the outer housing wall. As a result, the energy of the shock and/or impact is reduced, whereby particularly extensive damage resulting from the formation of cracks or openings in the double wall and in particular in the outer housing wall can be avoided. This also allows the tightness of the transformer housing to be increased.
Das Transformator-Gehäuse kann grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen. Denkbar ist hierbei beispielsweise eine im Wesentlichen rechteckförmige und/oder quaderförmige Ausgestaltung des Transformator-Gehäuses. Eine zylindrische Ausgestaltung ist ferner ebenso denkbar.The transformer housing can basically have any shape. What is conceivable here is, for example, a substantially rectangular and/or cuboid design of the transformer housing. A cylindrical design is also conceivable.
Das Transformator-Gehäuse kann jedoch ebenso ringförmig und/oder hohlzylindrisch ausgestaltet sein, wobei ein solch ringförmiges und/oder hohlzylindrisches Transformator-Gehäuse eine radial innere und eine radial äußere Doppelwandung aufweist. Diese Doppelwandungen und hierbei insbesondere eine jeweilige Gehäuseaußenwand grenzen dann an die Umgebung und/oder ein Umgebungsmedium.However, the transformer housing can also be annular and/or hollow cylindrical, such an annular and/or hollow cylindrical transformer housing having a radially inner and a radially outer double wall. These double walls and in particular a respective outer housing wall then border on the environment and/or an ambient medium.
In einer überaus vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt der Metallschaum zumindest in einem, insbesondere ersten - thermischen - Betriebspunkt und/oder, insbesondere ersten - thermischen - Betriebsbereich des Transformator-Gehäuses unmittelbar an der Doppelwandung, hier insbesondere einer die Doppelwandung ausbildenden Gehäuseinnenwand und einer Gehäuseaußenwand an. Somit besteht die Möglichkeit, dass sich der Metallschaum in einem weiteren, insbesondere zweiten - thermischen - Betriebspunkt und/oder - thermischen - Betriebsbereich, in welchem geringere Temperaturen vorliegen, als in dem insbesondere ersten - thermischen - Betriebspunkt und/oder insbesondere ersten - thermischen - Betriebsbereich, nicht oder nur teilweise in Kontakt mit der Doppelwandung befindet. Folglich würde der Metallschaum erst beim Übergang vom zweiten zum ersten - thermischen - Betriebspunkt und/oder - thermischen - Betriebsbereich, d. h. insbesondere bei einer Erwärmung und einer damit verbundenen Ausdehnung des Transformator-Gehäuses, in Kontakt mit der Doppelwandung treten und dann im insbesondere ersten - thermischen - Betriebspunkt und/oder insbesondere ersten - thermischen - Betriebsbereich an der Doppelwandung anliegen.In an extremely advantageous development of the invention, the metal foam lies directly on the double wall, here in particular on an inner housing wall forming the double wall and an outer housing wall, at least in one, in particular first - thermal - operating point and/or, in particular first - thermal - operating region of the transformer housing . There is therefore the possibility that the metal foam is in a further, in particular second - thermal - operating point and/or - thermal - operating range, in which lower temperatures are present than in the in particular first - thermal - operating point and / or in particular first - thermal - operating range, is not or only partially in contact with the double wall. Consequently, the metal foam would only come into contact with the double wall during the transition from the second to the first - thermal - operating point and / or - thermal - operating range, ie in particular when there is heating and an associated expansion of the transformer housing, and then in particular in the first - thermal - operating point and / or in particular first - thermal - operating range rest on the double wall.
Grundsätzlich besteht jedoch ebenso die Möglichkeit, dass der Metallschaum stets, d. h. in jedem - thermischen - Betriebspunkt und/oder - thermischen - Betriebsbereich an einer jeweiligen Doppelwandung, d. h. an Gehäuseinnenwand und Gehäuseaußenwand, anliegt.In principle, however, there is also the possibility that the metal foam is always, i.e. H. in each - thermal - operating point and/or - thermal - operating range on a respective double wall, i.e. H. on the inner wall of the housing and the outer wall of the housing.
Eine darüber hinaus gewinnbringende Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Metallschaum ein offenporiger Metallschaum ist.A further advantageous embodiment of the invention is that the metal foam is an open-pored metal foam.
Die Ausführung als offenporiger Metallschaum bietet dabei den Vorteil, dass in die Poren des Metallschaums weitere Materialien eingebracht respektive eingelagert werden können. Diese Materialen könnten dabei dazu dienen, die Wärmeleitfähigkeit des Metallschaums und somit die Wärmeabfuhr aus dem Transformator-Gehäuse und/oder einem das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformator weiter zu steigern. Denkbar wäre zudem, dass das Material zur Steigerung der Dichtheit und/oder der akustischen Dämpfung und somit der Verminderung des Betriebsgeräuschpegels des Transformator-Gehäuses und/oder einem das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators dient.The design as an open-pore metal foam offers the advantage that additional materials can be introduced or stored in the pores of the metal foam. These materials could serve to further increase the thermal conductivity of the metal foam and thus the heat dissipation from the transformer housing and/or a transformer having the transformer housing. It would also be conceivable that the material serves to increase the tightness and/or the acoustic damping and thus to reduce the operating noise level of the transformer housing and/or a transformer having the transformer housing.
Als erfolgversprechend stellt sich eine Ausführungsform der Erfindung zudem dann dar, wenn der Metallschaum aus Aluminium ist.An embodiment of the invention also proves to be promising if the metal foam is made of aluminum.
Aluminium weist hierbei überaus vorteilhaft eine hohe Wärmeleitfähigkeit respektive einen hohen Wärmeleitkoeffizienten auf. So lässt sich mit dem aus Aluminium bestehenden Metallschaum, also einem Aluminiumschaum, ein besserer Wärmetransport aus dem Gehäuseinnenraum zur Umgebung und/oder einem Umgebungsmedium verwirklichen als dies beispielsweise mit einer aus einem Stahl bestehenden Vollwandung möglich wäre.Aluminum has an extremely advantageous high thermal conductivity or a high thermal conductivity coefficient. With the metal foam made of aluminum, i.e. an aluminum foam, better heat transport can be achieved from the interior of the housing to the environment and/or an ambient medium than would be possible, for example, with a solid wall made of steel.
Ferner ist in einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Metallschaum in Form zumindest einer Matte, insbesondere also einer Matte oder mehrerer Matten, in die Kammer eingebracht ist. Dies bietet den Vorteil, dass das Transformatoren-Gehäuse mit unterschiedlichen Stärken respektive Dicken der Kammer mit Metallschaum besetzt werden kann, ohne dass für jede Dicke einer Kammer ein Metallschaum mit individueller, korrespondierender Dicke bereitgestellt werden muss. Die Matten können hingegen mehrreihig und/oder im Zuschnitt gewinnbringend einfach an eine Dicke der Kammer angepasst werden. Dies senkt vorteilhaft die Herstellungskosten für das Transformator-Gehäuse.Furthermore, in an advantageous embodiment of the invention it is provided that the metal foam is in the form of at least one mat, in particular one mat or several mats, is introduced into the chamber. This offers the advantage that the transformer housing with different thicknesses or chamber thicknesses can be filled with metal foam without having to provide a metal foam with an individual, corresponding thickness for each thickness of a chamber. The mats, on the other hand, can be easily adapted to the thickness of the chamber in several rows and/or when cut to size. This advantageously reduces the manufacturing costs for the transformer housing.
Eine Weiterbildung ist zudem dann als vielversprechend anzusehen, wenn in die Hohlräume oder Zwischenräume des Metallschaums, insbesondere des offenporigen Metallschaums, und/oder auf dessen Oberfläche ein Phasenwechselmaterial eingelagert und/oder angelagert ist.A further development can also be viewed as promising if a phase change material is embedded and/or deposited in the cavities or spaces of the metal foam, in particular the open-pored metal foam, and/or on its surface.
Durch das Einlagern und/oder Anlagern des Phasenwechselmaterials im Metallschaum lässt sich überaus vorteilhaft die Wärmeübertragung respektive die Wärmeabfuhr, insbesondere aus dem Gehäuseinneren, die Dichtheit des Transformator-Gehäuses sowie die akustische Dämpfung des Transformatorgehäuses weiter erhöhen und somit der Betriebsgeräuschpegel des Transformator-Gehäuses und/oder eines das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators weiter minimieren.By storing and/or depositing the phase change material in the metal foam, it is extremely advantageous to further increase the heat transfer or heat dissipation, in particular from the inside of the housing, the tightness of the transformer housing and the acoustic damping of the transformer housing and thus the operating noise level of the transformer housing and/or or a transformer having the transformer housing.
Hierbei ist es weiterhin von Vorteil, wenn in einer Ausführungsform der Erfindung das Phasenwechselmaterial einen Latent-Wärmespeicher und/oder einen Latent-Kältespeicher bildet. In bevorzugter Weise bildet das Phasenwechselmaterial hierbei jedoch einen Latent-Kältespeicher.It is furthermore advantageous if, in one embodiment of the invention, the phase change material forms a latent heat storage and/or a latent cold storage. However, the phase change material preferably forms a latent cold storage.
Zunächst sei kurz ausgeführt, dass ein Transformator, hier insbesondere ein Leistungstransformator, aufgrund von wechselnden Lasten oftmals alternierend einem Erwärmungszyklus sowie einem Abkühlzyklus unterliegt, wobei an einem jeweiligen Ende und/oder Anfang eines solchen Zyklus ein - thermischer - Betriebspunkt und/oder - thermischer - Betriebsbereich des Transformators-Gehäuses und/oder eines das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators vorliegt, in welchen jeweils eine Temperatur und/oder ein Temperaturbereich vorherrscht. Das Phasenwechselmaterial wird dabei derart gewählt, dass dieses am Ende und/oder Anfang eines jeweiligen Zyklus und somit in sich unterscheidenden - thermischen - Betriebspunkten und/oder - thermischen - Betriebsbereichen in einer unterschiedlichen Phase vorliegt und folglich bei den Zyklen respektive einem Übergang zwischen den - thermischen - Betriebspunkten und/oder - thermischen - Betriebsbereichen ein Phasenübergang respektive Phasenwechsel stattfindet. Beim Phasenwechsel bleibt die Temperatur des Phasenwechselmaterials - wie bekannt - konstant, wobei die aufgenommene und/oder abgegebene Wärme, also thermische Energie, beim Phasenwechsel insbesondere die zwischen den - thermischen - Betriebspunkten und/oder - thermischen - Betriebsbereichen und dem Phasenwechsel aufgenommene und/oder abgegebene Wärme deutlich übersteigt. So lässt sich über den Phasenwechsel überaus vorteilhaft Wärme aus dem Gehäuseinneren des Transformator-Gehäuses, bevorzugt aus dem Transformatorenöl eines das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators abführen.First of all, it should be briefly stated that a transformer, here in particular a power transformer, is often subject to a heating cycle and a cooling cycle alternately due to changing loads, with a - thermal - operating point and / or - thermal - at a respective end and / or beginning of such a cycle. Operating range of the transformer housing and / or a transformer having the transformer housing is present, in which a temperature and / or a temperature range prevails. The phase change material is chosen in such a way that it is present in a different phase at the end and/or beginning of a respective cycle and thus in different - thermal - operating points and / or - thermal - operating areas and consequently in the cycles or a transition between the - thermal - operating points and / or - thermal - operating areas a phase transition or phase change takes place. During the phase change, the temperature of the phase change material - as is known - remains constant, with the recorded and / or Heat released, i.e. thermal energy, during the phase change, in particular significantly exceeds the heat absorbed and/or released between the - thermal - operating points and / or - thermal - operating areas and the phase change. In this way, the phase change can be used to very advantageously dissipate heat from the interior of the transformer housing, preferably from the transformer oil of a transformer having the transformer housing.
Die thermische Aktivierung des Kältespeichers wird dabei im Raumgefüge, entsprechend des Metallschaums, homogenisiert. Dies bedeutet, eine z. B. Erwärmung des Phasenwechselmaterials insbesondere innerhalb eines Erwärmungszyklus erfolgt aufgrund des Einlagerns und/oder Anlagerns an den Metallschaum weitgehend homogen über die Dicke der Kammer. Ein fortschreitender Phasenwechsel, insbesondere beginnend an der Gehäuseinnenwand würde derart vermieden, was vorteilhaft eine geringe Reaktionszeit auf einen Erwärmungszyklus und somit einen Lastwechsel eines das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators darstellt. Je nach Temperatur der Umgebung und/oder des Umgebungsmediums des Transformator-Gehäuses und/oder eines das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators kann jedoch ein unmittelbar an die Gehäuseaußenwand angrenzender Abschnitt des Metallschaums mit dem Phasenwechselmaterial aufgrund der vorliegenden Wärmeabfuhr eine Temperatur und/oder einen Temperaturbereich aufweisen, in welchem das Phasenwechselmaterial keinen Phasenwechsel vollzieht und somit, insbesondere stets, in dessen erster Phase vorliegt.The thermal activation of the cold storage is homogenized in the spatial structure, corresponding to the metal foam. This means a z. B. Heating of the phase change material, in particular within a heating cycle, takes place largely homogeneously over the thickness of the chamber due to the storage and / or attachment to the metal foam. A progressive phase change, in particular starting on the inner wall of the housing, would be avoided in this way, which advantageously represents a short response time to a heating cycle and thus a load change of a transformer having the transformer housing. However, depending on the temperature of the environment and/or the surrounding medium of the transformer housing and/or a transformer having the transformer housing, a section of the metal foam with the phase change material directly adjacent to the outer wall of the housing can have a temperature and/or a temperature range due to the existing heat dissipation , in which the phase change material does not undergo a phase change and is therefore, in particular, always in its first phase.
In vorstehendem Zusammenhang sei nochmals ausgehend vom Beginn eines Erwärmungszyklus, welcher insbesondere durch einen Lastwechsel eines das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators bedingt ist, beispielhaft erläutert, dass sich das sich in einer ersten Phase befindende Phasenwechselmaterial unter Aufnahme von Wärme aus dem Gehäuseinneren zunächst erwärmt, bis dieses den Phasenübergangspunkt erreicht hat. Bei Erreichen des Phasenübergangspunkts geht dieses nunmehr unter weiterer Aufnahme von Wärme aus dem Gehäuseinneren aus der ersten Phase in eine zweite Phase über, wobei beim Phasenübergang die Temperatur des Phasenwechselmaterials - wie bekannt - konstant bleibt. Nach erfolgtem Phasenwechsel würde sich die Temperatur des Phasenwechselmaterials wieder erhöhen. Der Lastwechsel erfolgt hierbei entsprechend von einer geringen Last, in der eine Temperatur des Phasenwechselmaterials unterhalb des Phasenübergangspunkts vorliegt, zu einer höheren und/oder hohen Last, aufgrund der eine Temperatur von zumindest Teilen des Phasenwechselmaterials entsprechend des und/oder oberhalb des Phasenübergangspunkts erreicht wird.In the above context, starting from the beginning of a heating cycle, which is caused in particular by a load change of a transformer having the transformer housing, it should be explained again by way of example that the phase change material, which is in a first phase, initially heats up while absorbing heat from the interior of the housing until this has reached the phase transition point. When the phase transition point is reached, this now changes from the first phase into a second phase with further absorption of heat from the interior of the housing, with the temperature of the phase change material - as is known - remaining constant during the phase transition. After the phase change has taken place, the temperature of the phase change material would increase again. The load change occurs accordingly from a low load, in which a temperature of the phase change material is below the phase transition point, to a higher and/or high load, due to which a temperature of at least parts of the phase change material is reached corresponding to and/or above the phase transition point.
Grundsätzlich könnte hierbei durch das Phasenwechselmaterial ein Phasenübergang respektive ein Phasenwechsel zwischen flüssig und gasförmig vollziehbar sein und/oder durch das Phasenmaterial vollzogen werden.In principle, a phase transition or a phase change between liquid and gaseous could be carried out by the phase change material and/or could be carried out by the phase material.
Eine weitere besonders gewinnbringende Ausgestaltung der Erfindung besteht bevorzugt jedoch darin, dass durch das Phasenwechselmaterial, insbesondere in zumindest einem - thermischen - Betriebspunkt und/oder Betriebsbereich des Transformator-Gehäuses respektive eines das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators, ein Phasenwechsel zwischen fest und flüssig vollziehbar ist und/oder durch das Phasenmaterial vollzogen wird. Neben der bereits erläuterten, grundsätzlichen Verbesserung der Wärmeabfuhr aus dem Gehäuseinneren des Transformator-Gehäuses bietet die Ausgestaltung eines Phasenwechsels zwischen fest und flüssig den Vorteil einer erhöhten Dichtheit des Transformator-Gehäuses respektive eines das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators. So kann das Phasenwechselmaterial in in der Doppelwandung, hier in der Gehäuseinnenwand und/oder in der Gehäuseaußenwand, vorhandene oder entstandene Hohlräume, dabei insbesondere Risse eindringen und diese insbesondere nach einem erneuten Phasenwechsel in die feste Phase verschließen. Ein solches Verschließen von Hohlräumen wie Rissen kann jedoch auch bereits ohne einen Übergang in die flüssige Phase erfolgen, wenn das Phasenwechselmaterial beispielsweise pastös und/oder wachsartig ausgebildet ist. Ferner kann das Phasenwechselmaterial auch bereits von sich aus die Dichtheit erhöhen, beispielsweise aufgrund dessen Materialeigenschaften. So ist denkbar, dass das Phasenwechselmaterial hydrophob ist und somit auch ein Eindringen von einem Umgebungsmedium wie Wasser in das Transformator-Gehäuse respektive einen das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators minimiert.However, a further particularly advantageous embodiment of the invention is preferably that a phase change between solid and liquid can be carried out by the phase change material, in particular in at least one - thermal - operating point and / or operating range of the transformer housing or a transformer having the transformer housing and/or is carried out by the phase material. In addition to the already explained, fundamental improvement in heat dissipation from the inside of the transformer housing, the design of a phase change between solid and liquid offers the advantage of increased tightness of the transformer housing or a transformer having the transformer housing. The phase change material can thus penetrate into existing or created cavities, in particular cracks, in the double wall, here in the inner wall of the housing and/or in the outer wall of the housing, and close these, in particular after a new phase change into the solid phase. However, such closing of cavities such as cracks can also take place without a transition to the liquid phase if the phase change material is, for example, pasty and/or waxy. Furthermore, the phase change material can also increase the tightness on its own, for example due to its material properties. It is therefore conceivable that the phase change material is hydrophobic and thus also minimizes penetration of an ambient medium such as water into the transformer housing or a transformer having the transformer housing.
Der Metallschaum mit dem eingelagerten und/oder angelagerten Phasenwechselmaterial ist - im Wesentlichen - inkompressibel. Dies kann sich im Betrieb eines das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators als kritisch darstellen, da dabei ein Temperaturgefälle vom Gehäuseinneren zur Umgebung und/oder einem Umgebungsmedium und somit auch zwischen der Gehäuseinnenwand und der Gehäuseaußenwand vorliegt. Dieses Temperaturgefälle bewirkt eine unterschiedliche thermische Ausdehnung der Doppelwandung, hier folglich der Gehäuseinnenwand und der Gehäuseaußenwand, welche wiederum einen Druck auf den Metallschaum mit dem Phasenwechselmaterial bewirkt. Kann der Metallschaum mit dem Phasenwechselmaterial nicht ausweichen, hätte dies aufgrund der Inkompressibilität derer im ungünstigsten Fall eine Beschädigung und/oder gar Zerstörung des Transformator-Gehäuses zur Folge.The metal foam with the embedded and/or attached phase change material is - essentially - incompressible. This can be critical in the operation of a transformer having the transformer housing, since there is a temperature gradient from the inside of the housing to the environment and/or an ambient medium and thus also between the inner wall of the housing and the outer wall of the housing. This temperature gradient causes a different thermal expansion of the double wall, here consequently the inner wall of the housing and the outer wall of the housing, which in turn causes pressure on the metal foam with the phase change material. If the metal foam cannot escape with the phase change material, this would, in the worst case scenario, result in damage and/or even destruction of the transformer housing due to its incompressibility.
So ist in einer mit Vorteil behafteten Gestaltungsform der Erfindung angedacht, dass in dem mit Phasenwechselmaterial eingelagerten und/oder angelagerten Metallschaum zumindest ein Bereich ohne Metallschaum und/oder Phasenwechselmaterial, also insbesondere zumindest ein wenigstens teilweise gasgefüllter respektive luftgefüllter Bereich ausgebildet ist. Aufgrund der fehlenden Füllung der Bereiche mit Metallschaum und/oder Phasenwechselmaterial, kann sich der in den Restbereichen vorhandene Metallschaum mit dem Phasenwechselmaterial in die kompressiblen Bereiche ohne Metallschaum und/oder Phasenwechselmaterial dehnen, sodass ein entstehender Druck auf die Doppelwandung vermeidbar ist respektive vermieden wird.In an advantageous embodiment of the invention, it is envisaged that at least one area without metal foam and/or phase change material, i.e. in particular at least one at least partially gas-filled or air-filled area, is formed in the metal foam embedded and/or attached with phase change material. Due to the lack of filling of the areas with metal foam and/or phase change material, the metal foam present in the remaining areas with the phase change material can expand into the compressible areas without metal foam and/or phase change material, so that any resulting pressure on the double wall can be avoided or is avoided.
In gestalterisch günstiger Weiterbildung der Erfindung umfasst zudem zumindest ein Bereich ohne Phasenwechselmaterial eine Einlage aus einem geschlossenporigen Metallschaum, hierbei insbesondere einem geschlossenporigen Aluminiumschaum. Dies bietet den Vorteil, dass eine Kompressibilität des Bereichs oder der Bereiche sowie eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit in diesem Bereich oder diesen Bereichen gewährleistet werden kann. Die geschlossenporige Ausgestaltung des Metallschaums verhindert hierbei vorteilhaft ein Eindringen von Phasenwechselmaterial, sodass die Kompressibilität auch im Langzeitbetrieb erhalten bleibt.In a design-favorable development of the invention, at least one area without phase change material also includes an insert made of a closed-cell metal foam, in particular a closed-cell aluminum foam. This offers the advantage that compressibility of the area or areas as well as increased thermal conductivity in this area or these areas can be guaranteed. The closed-pore design of the metal foam advantageously prevents phase change material from penetrating, so that compressibility is maintained even during long-term operation.
Eine weiterhin vielversprechende Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass das Transformator-Gehäuse einen insbesondere gasgefüllten respektive luftgefüllten Ausgleichsraum, insbesondere einen Kopfraum, aufweist, zu dem hin und/oder in den der Metallschaum und/oder das Phasenwechselmaterial dehnbar respektive ausdehnbar ist. Auch hierdurch lässt sich für sich genommen oder in Kombination mit zumindest einem Bereich ohne einen Metallschaum und/oder ein Phasenwechselmaterial ein auf die Doppelwandung entstehender Druck aufgrund einer ungleichmäßigen thermischen Ausdehnung der Doppelwandung vermeiden.A further promising embodiment of the invention is that the transformer housing has a gas-filled or air-filled compensation space, in particular a head space, towards and/or into which the metal foam and/or the phase change material can be stretched or expanded. This also makes it possible, taken alone or in combination with at least one area without a metal foam and/or a phase change material, to avoid pressure arising on the double wall due to uneven thermal expansion of the double wall.
In praxisgerechter Ausgestaltung ist das Phasenwechselmaterial zudem Paraffin. Das Paraffin eignet sich hierbei ideal als Phasenwechselmaterial, da sich der Phasenwechsel des Paraffins in einem Bereich von 25 °C bis 60 °C mit der damit einhergehenden Ausbildung eines selbstregelnden (Latent-)Wärme und/oder Kältespeichers umsetzen lässt.In a practical design, the phase change material is also paraffin. The paraffin is ideally suited as a phase change material, as the phase change of the paraffin can be implemented in a range from 25 °C to 60 °C with the associated formation of a self-regulating (latent) heat and/or cold storage.
Der Phasenübergangspunkt des Paraffins lässt sich somit an die - thermischen - Betriebspunkte und/oder Betriebsbereiche des Transformator-Gehäuses und/oder eines das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators anpassen, sodass zumindest ein Teil des Paraffins, bevorzugt jedoch weitgehend oder vollständig, in einem insbesondere ersten - thermischen - Betriebspunkt und/oder einem insbesondere ersten - thermischen - Betriebsbereich des Transformator-Gehäuses respektive eines das Transformator-Gehäuse aufweisenden Transformators oberhalb des Phasenübergangspunkts in flüssiger Phase vorliegt. Die Temperatur und/oder der Temperaturbereich des sich in der flüssigen Phase befindenden Paraffins kann dabei zwischen 20 °C und 70 °C, bevorzugt 25 °C und 65 °C, besonders bevorzugt 35°C und 65 °C liegen. In einem weiteren, insbesondere zweiten - thermischen - Betriebspunkt und/oder einem weiteren, insbesondere zweiten - thermischen - Betriebsbereich unterhalb des Phasenübergangspunkts liegt zumindest ein Teil des Paraffins, bevorzugt jedoch weitgehend oder vollständig, hingegen in fester Phase vor. Die Temperatur und/oder der Temperaturbereich des sich in der festen Phase befindenden Paraffins kann dabei zwischen 0 °C und 25 °C, bevorzugt 2 °C und 20 °C, besonders bevorzugt 2 °C und 15 °C liegen.The phase transition point of the paraffin can thus be adapted to the - thermal - operating points and / or operating ranges of the transformer housing and / or a transformer having the transformer housing, so that at least part of the paraffin, but preferably largely or completely, in a particularly first - thermal - operating point and/or a particularly first - thermal - operating range of the transformer housing or a transformer having the transformer housing is present in the liquid phase above the phase transition point. The temperature and/or the temperature range of the paraffin in the liquid phase can be between 20°C and 70°C, preferably 25°C and 65°C, particularly preferably 35°C and 65°C. In a further, in particular second - thermal - operating point and/or a further, in particular second - thermal - operating range below the phase transition point, at least part of the paraffin, but preferably largely or completely, is in the solid phase. The temperature and/or the temperature range of the paraffin in the solid phase can be between 0 °C and 25 °C, preferably 2 °C and 20 °C, particularly preferably 2 °C and 15 °C.
Grundsätzlich kann die Erfindung auch einen Transformator mit einem vorgenannten Transformator-Gehäuse, hierbei insbesondere ein Transformator-Gehäuse nach den Ansprüchen 1 bis 12 umfassen. Ein solcher Transformator kann innerhalb des Transformator-Gehäuses, beispielsweise im Kopfraum und/oder der Kammer zwischen der Doppelwandung einen Überdruck aufweisen, um die Wahrscheinlichkeit eines Austritts von dielektrischem Isoliermedium, insbesondere von Transformatorenöl zu minimieren oder einen solchen Austritt gar zu vermeiden. Auf einen aktiven Ölkreislauf respektive eine erzwungene konvektive Kühlung von Transformator-Aktivteilen kann aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Transformator-Gehäuses und/oder des Transformators verzichtet werden.In principle, the invention can also include a transformer with an aforementioned transformer housing, in particular a transformer housing according to
Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß jedoch zudem gelöst mit einem Transformator gemäß den Merkmalen des Anspruchs 13.However, the task mentioned at the beginning is also achieved according to the invention with a transformer according to the features of
Erfindungsgemäß ist somit ein Transformator, insbesondere ein Leistungstransformator, vorgesehen, wobei der Transformator ein erfindungsgemäßes Transformator-Gehäuse aufweist und der Transformator darüber hinaus stapelbar ausgeführt ist.According to the invention, a transformer, in particular a power transformer, is therefore provided, wherein the transformer has a transformer housing according to the invention and the transformer is also designed to be stackable.
Die Stapelbarkeit des Transformators kann hierbei z. B. durch ein seitliches Ausführen der Hochspannungsanschlüsse aus dem Transformator-Gehäuse gegeben sein. Zudem können am Transformator-Gehäuse entsprechende Abstandhalter und/oder Verankerungen vorgesehen sein, über welche wenigstens zwei Transformatoren miteinander verbindbar sind.The stackability of the transformer can z. B. be given by running the high-voltage connections from the side of the transformer housing. In addition, corresponding spacers and/or anchors can be provided on the transformer housing, via which at least two transformers can be connected to one another.
Auch bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Transformators kann innerhalb des Transformator-Gehäuses, beispielsweise im Kopfraum und/oder der Kammer zwischen der Doppelwandung ein Überdruck vorliegen, um die Wahrscheinlichkeit eines Austritts von dielektrischem Isoliermedium, insbesondere von Transformatorenöl zu minimieren oder einen solchen Austritt gar zu vermeiden. Auf einen aktiven Ölkreislauf respektive eine erzwungene konvektive Kühlung von Transformator-Aktivteilen kann wiederum aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Transformator-Gehäuses und/oder des Transformators verzichtet werden.In this embodiment of the transformer according to the invention, an excess pressure can also be present within the transformer housing, for example in the head space and/or the chamber between the double wall, in order to reduce the likelihood of dielectric leakage Insulating medium, especially transformer oil, to minimize or even avoid such a leak. An active oil circuit or forced convective cooling of transformer active parts can in turn be dispensed with due to the inventive design of the transformer housing and/or the transformer.
Aufgrund der Stapelbarkeit lässt sich hierbei insbesondere eine Wärmeabfuhr aus dem Transformator noch weiter verbessern, da bei der Ausführung eines Stapels an Transformatoren eine gesteigerte Konvektion und/oder bei entsprechender Anordnung ein Kamineffekt zur Steigerung der Wärmeabfuhr von der Doppelwandung eines Transformator-Gehäuses und hierbei insbesondere der Gehäuseaußenwand vorliegt und/oder ausnutzbar ist.Due to the stackability, heat dissipation from the transformer in particular can be further improved, since when a stack of transformers is implemented, increased convection and / or, with appropriate arrangement, a chimney effect to increase the heat dissipation from the double wall of a transformer housing and in particular the Housing outer wall is present and / or can be used.
So wird die eingangs genannte Aufgabe erfindungsgemäß zudem mit einer Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.According to the invention, the task mentioned at the outset is also achieved with an arrangement according to the features of
Hiernach ist erfindungsgemäß eine Anordnung aus wenigstens zwei vorgenannten, erfindungsgemäßen Transformatoren vorgesehen, wobei diese übereinander angeordnet zu einem Transformatorstapel oder mehreren solcher Transformatorstapel aufgestapelt sind.According to the invention, an arrangement of at least two aforementioned transformers according to the invention is provided, these being stacked one above the other to form a transformer stack or several such transformer stacks.
Wie bereits erläutert, führt eine Stapelung von Transformatoren aufgrund einer erhöhten Konvektion zu einer Steigerung der Wärmeabfuhr aus den gestapelten Transformatoren. Bei der Ausführung mehrerer, insbesondere zueinander entsprechend beabstandet angeordneter Stapel lässt sich zudem ein Kamineffekt erzeugen und somit die Wärmeabfuhr noch weiter steigern.As already explained, stacking transformers leads to an increase in heat dissipation from the stacked transformers due to increased convection. When designing several stacks, in particular arranged at a corresponding distance from one another, a chimney effect can also be created and thus the heat dissipation can be increased even further.
Durch die erhöhte Masse eines solchen Transformatorstapels lässt sich zudem der Betriebsgeräuschpegel des Transformatorstapels minimieren. Neben der Steigerung der Wärmeabfuhr aus den Transformatoren sowie der Verringerung des Betriebsgeräuschpegels stellt sich die Ausführung eines Transformatorstapels zudem im Hinblick auf einen minimierten Platzrespektive Flächenbedarf einer Aufstellfläche als vorteilhaft dar. Dies sowohl an Land als auch im Offshore-Bereich, entweder auf einer Offshore-Plattform oder Unterwasser.The increased mass of such a transformer stack also allows the operating noise level of the transformer stack to be minimized. In addition to increasing the heat dissipation from the transformers and reducing the operating noise level, the design of a transformer stack is also advantageous in terms of minimizing the space or area required for an installation area. This applies both on land and in the offshore area, either on an offshore platform or underwater.
Der Transformator weist ferner im Gehäuseinneren des Transformator-Gehäuses wenigstens ein Transformator-Aktivteil auf, wobei dieses z. B. ein U-Kern-Profil oder auch ein E-Kern-Profil mit auf dem U-Kern oder E-Kern aufgebrachten Wicklungen aufweisen kann. Denkbar ist darüber hinaus auch die Ausführung als ein Ringkern-Transformator oder ein Quasi-Ringkern-Transformator. Dabei wäre der Quasi-Ringkern-Transformator respektive Polygonzug-Transformator aus einzelnen, insbesondere linear oder auch bogenförmig ausgeformten Eisenkernsegmenten mit zumindest zum Teil auf die Eisenkernsegmente aufgebrachten Wicklungen aufgebaut. Die Eisenkernsegmente können hierbei über Eisenkernsegmentschlösser miteinander zu einem geschlossenen Magnetkreis verbunden sein.The transformer also has at least one transformer active part inside the transformer housing, which z. B. can have a U-core profile or an E-core profile with windings applied to the U-core or E-core. It is also conceivable to design it as a toroidal core transformer or a quasi toroidal core transformer. This would be the quasi toroidal transformer respectively Polygonal transformer made up of individual, in particular linear or arcuate iron core segments with windings at least partially applied to the iron core segments. The iron core segments can be connected to one another via iron core segment locks to form a closed magnetic circuit.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls mit einer Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.The object is also achieved according to the invention with an arrangement according to the features of
Erfindungsgemäß ist dabei eine Anordnung und/oder Verwendung eines erfindungsgemäßen Transformator-Gehäuses, eines erfindungsgemäßen Transformators oder einer erfindungsgemäßen Anordnung von Transformatoren zu einem Transformatorstapel vorgesehen, wobei das Transformator-Gehäuse, der Transformator oder die Anordnung zu einem Transformatorstapel Unterwasser angeordnet ist und/oder verwendet wird.According to the invention, an arrangement and/or use of a transformer housing according to the invention, a transformer according to the invention or an arrangement of transformers according to the invention to form a transformer stack is provided, wherein the transformer housing, the transformer or the arrangement to form a transformer stack is arranged and/or used underwater becomes.
Gerade aufgrund der hohen Dichtheit des Transformator-Gehäuses gegenüber einem Austritt des im Gehäuseinneren als Kühlmedium verwendeten dielektrischen Isoliermediums, hierbei insbesondere eines Transformatorenöls sowie des verringerten Betriebsgeräuschpegels eignet sich das Transformator-Gehäuse respektive der das Transformatorgehäuse aufweisende Transformator und/oder ein Transformatorstapel aus diesen überaus vorteilhaft zur Anordnung Unterwasser. Derart kann eine negative Beeinträchtigung der Unterwasser-Flora und -Fauna vorteilhaft minimiert werden. Gerade das somit vorliegende Umgebungsmedium Wasser bewirkt dann zudem eine weitere Verbesserung der Wärmeabfuhr aus dem Gehäuseinneren und somit eine verbesserte Kühlung von Transformator-Aktivteilen.Precisely due to the high tightness of the transformer housing against an exit of the dielectric insulating medium used as a cooling medium inside the housing, in particular a transformer oil, as well as the reduced operating noise level, the transformer housing or the transformer having the transformer housing and / or a transformer stack made of these is extremely advantageous for underwater arrangement. In this way, any negative impact on the underwater flora and fauna can be advantageously minimized. The existing ambient medium of water then also causes a further improvement in heat dissipation from the inside of the housing and thus improved cooling of transformer active parts.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind einige davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Die Zeichnung zeigt in
- Fig. 1
- eine Ausführungsform eines stapelbaren Transformators mit quaderförmigem Transformator-Gehäuse;
- Fig. 2, 3
- Horizontalschnitte eines Metallschaums;
- Fig. 4
- eine erste Ausführung eines Transformatorstapels aus stapelbaren Transformatoren mit quaderförmigem Transformator-Gehäuse;
- Fig. 5
- ein hohlzylindrisch ausgebildetes Transformator-Gehäuse;
- Fig. 6
- eine zweite Ausführung eines Transformatorstapels aus stapelbaren Transformatoren mit hohlzylindrisch ausgebildetem Transformator-Gehäuse.
- Fig. 1
- an embodiment of a stackable transformer with a cuboid transformer housing;
- Fig. 2, 3
- Horizontal sections of a metal foam;
- Fig. 4
- a first embodiment of a transformer stack consisting of stackable transformers with a cuboid transformer housing;
- Fig. 5
- a hollow cylindrical transformer housing;
- Fig. 6
- a second version of a transformer stack made of stackable transformers with a hollow cylindrical transformer housing.
Die
Der Transformator 12 weist dabei das Transformator-Gehäuse 6 auf, wobei das Transformator-Gehäuse 6 mit der Doppelwandung 2 folglich doppelwandig ausgebildet ist und hierdurch die innere Kammer 6c aufweist. Hierbei ist die Kammer 6c durch den offenporigen Metallschaum 1 besetzt, welcher dabei wie dargestellt, in jedem Betriebspunkt des Transformators 12 an der Doppelwandung 2 anliegt. Um eine möglichst gute Wärmeleitung durch den Metallschaum 1 zu gewährleisten, ist dieser aus Aluminium ausgebildet.The
Darüber hinaus weist die Doppelwandung 2 jeweils die Gehäuseinnenwand 15 sowie die zur Gehäuseinnenwand 15 beabstandete Gehäuseaußenwand 16 auf, zwischen denen entsprechend die Kammer 6c ausgeformt ist.In addition, the
In den Zwischenräumen 4 des offenporigen Metallschaums 1 sowie auch auf dessen Oberfläche ist zudem das Phasenwechselmaterial 5 eingelagert und angelagert, wobei durch das Phasenwechselmaterial 5 in einem - thermischen - Betriebspunkt des Transformators 12 ein Phasenwechsel zwischen fest und flüssig vollziehbar ist. Hierfür ist das Phasenwechselmaterial 5 ein Paraffin 11. Durch die derartige Ausführung des Phasenwechselmaterials 5, hier des Paraffins 11, dass durch dieses in einem - thermischen - Betriebspunkt des Transformators 12 ein Phasenwechsel zwischen fest und flüssig vollziehbar ist, wird durch das Phasenwechselmaterial 5 ein Latent-Wärmespeicher und/oder einen Latent-Kältespeicher gebildet.The phase change material 5 is also embedded and deposited in the spaces 4 of the open-pored
Ferner ist im durch das Transformator-Gehäuse 6 eingeschlossenen Gehäuseinneren 17 der dargestellte Transformator-Aktivteil 18 angeordnet, welcher durch das dielektrische Isoliermedium 7, hier das Transformatorenöl 19 umgeben ist, welches neben der Isolierfunktion zudem als Kühlmedium für den Transformator-Aktivteil 18 fungiert.Furthermore, in the
Ein solcher Transformator 12 unterliegt aufgrund von wechselnden Lasten, z. B. sich veränderten Netzlasten, in der Regel alternierend einem Erwärmungszyklus sowie einem Abkühlzyklus. Am Beginn eines Erwärmungszyklus steigt die Last des Transformators 12 an und das Transformator-Aktivteil 18 beginnt sich zu erwärmen, wobei die durch das Transformator-Aktivteil 18 erzeugte Wärme über das Transformatorenöl 19 insbesondere konvektiv aufgenommen und auf die Gehäuseinnenwand 15 übertragen wird, was wiederum zur Erwärmung der Gehäuseinnenwand 15 führt. Aufgrund des Besetzens der Kammer 6c mit dem Metallschaum 1 wird diese Wärme im Vergleich zu einer gasgefüllten Kammer 6c deutlich verbessert auf die Gehäuseaußenwand 16 übertragen, da der aus Aluminium bestehende Metallschaum 1 einen deutlich höheren Wärmeleitkoeffizienten aufweist als ein Gas, beispielsweise Luft, und somit eine höhere Wärmeleitung zwischen Gehäuseinnenwand 15 und Gehäuseaußenwand 16 vorliegt. Von der Gehäuseaußenwand 16 geht die Wärme anschließend, insbesondere durch Konvektion auf das Umgebungsmedium 8, welches hierbei aufgrund einer Anordnung des Transformators 12 Unterwasser als Wasser ausgebildet ist, über. Zugleich erwärmt sich auch das Phasenwechselmaterial 5, hier das Paraffin 11 unter Aufnahme von Wärme aus dem Gehäuseinneren 17. Dies erfolgt aufgrund des Einlagerns und Anlagerns an den Metallschaum 1 weitgehend homogen über die Dicke der Kammer 6c. Das Erwärmen des Phasenwechselmaterials 5 erfolgt dabei solange, bis dieses dessen Phasenübergangspunkt, in diesem Fall dessen Schmelzpunkt erreicht hat. Beim respektive nach dem Erreichen des Phasenübergangspunkts geht das Phasenwechselmaterial 5 nunmehr unter weiterer Aufnahme von Wärme aus dem Gehäuseinneren 17 respektive von der Gehäuseinnenwand 15 aus dessen erster, hier festen Phase in dessen zweite, hier flüssige Phase über, wobei beim Phasenübergang die Temperatur des Phasenwechselmaterials 5 - wie bekannt - konstant bleibt. Die dabei zum Vollziehen des Phasenwechsels respektive des Phasenübergangs durch das Phasenwechselmaterials 5 aufgenommene Wärme übersteigt dabei die bis zum Phasenübergangspunkt durch das Phasenwechselmaterial 5 und/oder den Metallschaum 1 aufgenommene Wärme deutlich. Derart und in Kombination mit der Übertragung der Wärme durch den Metallschaum 1 auf die Gehäuseaußenwand 16 kann eine überproportional verbesserte Wärmeabfuhr aus dem Gehäuseinneren 17 und dabei insbesondere dem Transformatorenöl 19 gewährleistet werden.Such a
Weiterhin wird auch die Dichtheit des Transformators 12 und insbesondere des Transformator-Gehäuses 6 durch die Ausführung des Metallschaums 1 und des darin ein- und/oder angelagerten Phasenwechselmaterials 5, hier des Paraffins 11 verbessert. Wie zuvor erläutert unterliegt der Transformator 12 Erwärmungs- sowie Abkühlzyklen, wodurch sich insbesondere auch die Gehäuseinnenwand 15 alternierend erwärmt und abkühlt. Dadurch dehnt sich die Gehäusewand 15 folglich auch alternierend aus und zieht sich wieder zusammen, wodurch Risse, insbesondere Mikrorisse im Material der Gehäusewand 15 entstehen können. Diese Risse werden nun beim Übergang des Phasenwechselmaterials 5 in dessen flüssige Phase durch das Phasenwechselmaterial 5 durchdrungen und/oder aufgefüllt und somit insbesondere auch beim Abkühlen und dem damit verbundenen Übergang des Phasenwechselmaterials 5 in die feste Phase verschlossen. Dadurch wird ein Austreten des Isoliermediums 7, hier des Transformatorenöls 19 aus dem Gehäuseinneren 17 deutlich minimiert oder gar verhindert.Furthermore, the tightness of the
Darüber hinaus wird zudem auch ein Austritt von Phasenwechselmaterial 5, hier Paraffin 11 aus dem Transformator-Gehäuse 6 und/oder ein Eindringen des Umgebungsmediums 8, in diesem Fall Wasser, in den Transformator 12 und hierbei das Transformator-Gehäuse 6 vor allem bei Beschädigungen des Transformator-Gehäuses 6 und hierbei insbesondere der Gehäuseaußenwand 16 minimiert. Dies wird dadurch bewirkt, dass der nah an die Gehäuseaußenwand 16 angrenzende Abschnitt des Phasenwechselmaterials 5, hier des Paraffins 11, aufgrund der derart geringen regelmäßigen Temperatur des Umgebungsmediums 8 Wasser in einem Gewässer wie einem See oder bevorzugt einem Meer, in welchem der Transformator 12 z. B. in einem Offshore-Bereich bevorzugt Unterwasser angeordnet wäre, insbesondere stets in fester Phase vorliegt. Somit werden Beschädigungen wie Öffnungen und/oder Risse in der Gehäuseaußenwand 15 durch das pastöse respektive wachsartige Phasenwechselmaterial 5, hier in Form des Paraffins 11 verschlossen. Zudem ist das Paraffin 11 hydrophob, was die Wahrscheinlichkeit des Eindringens des Umgebungsmediums 8, hier Wasser, weiter verringert.In addition, there will also be an escape of phase change material 5, here paraffin 11, from the
Da die Gehäuseinnenwand 15 aufgrund derer im Vergleich stärkeren Erwärmung innerhalb eines Erwärmungszyklus des Transformators 6 gegenüber der Gehäuseaußenwand 16 auch einer höheren Dehnung als die Gehäuseaußenwand 16 unterliegt, verringert sich das Volumen der Kammer 6c während eines solchen Erwärmungszyklus. Um dabei eine Beschädigung des Transformator-Gehäuses 6 aufgrund der Inkompressibilität des durch den Metallschaum 1 und das Phasenwechselmaterial 5 gebildeten Füllmediums 6d der Kammer 6c zu vermeiden, weist das Transformator-Gehäuse 6 die Ausgleichsräume 14 auf, zu denen hin und/oder in die der Metallschaum 1 und/oder das Phasenwechselmaterial 5 dehnbar ist.Since the housing
Weiterhin werden aufgrund der akustisch dämpfenden Wirkung des Füllmediums 6d bestehend aus Metallschaum 1 und Phasenwechselmaterial 5 die akustischen Emissionen des Transformators 12 und somit dessen Betriebsgeräuschpegel gesenkt.Furthermore, due to the acoustic dampening effect of the filling medium 6d consisting of
Aus den
Dabei zeigt die
Der
Aus der
Durch die
Das Transformator-Gehäuse ist hierbei in der
Zwischen der jeweiligen Doppelwandung ist die innere Kammer 6c ausgebildet, welche mit dem Füllmedium 6d aus dem wärmeleitfähigen offenporigen Metallschaum und der Zwischenraumfüllung Paraffin besetzt ist.Between the respective double walls, the
Im Gehäuseinneren zwischen den Doppelwandungen ist dabei das dielektrische Isoliermedium 7 ausgeführt. Hierbei können im Gehäuseinneren zudem zu den Kammern 6c, respektive den Doppelwandungen, oberflächig bündige Bleche ausgeführt sein.The dielectric insulating
Das Transformator-Gehäuse ist zudem von dem Umgebungsmedium 8 umgeben. Dies sowohl außen, als auch im Ringraum.The transformer housing is also surrounded by the
Der Ringraum ist dabei entsprechend der radial innere und/oder mittige Raum des Transformator-Gehäuses.The annular space is the radially inner and/or central space of the transformer housing.
Dargestellt ist weiterhin der Wärmestrom Q durch die - jeweilige - wärmeleitungsverbesserte Gehäusewand. Eine jeweilige Gehäusewand umfasst dabei eine Doppelwandung mit dem Füllmedium 6d der inneren Kammer 6c.The heat flow Q through the - respective - heat conduction-improved housing wall is also shown. A respective housing wall comprises a double wall with the filling medium 6d of the
Die
Der Transformatorstapel ist zudem über ein Ständerwerk mit der Bodenplatte verbunden. Das Ständerwerk ist dabei für das Umgebungsmedium 8 durchlässig. So kann eine Naturzugkühlung - hier ein konvektiver Wärmeübergang in das Umgebungsmedium - des, bereits zu
In der obersten Position des Transformatorstapels ist ferner der Ölausgleichsbehälter 6.11 angeordnet.The oil expansion tank 6.11 is also arranged in the top position of the transformer stack.
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- 2023-07-10 EP EP23184464.8A patent/EP4312236A1/en active Pending
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