JP2011530185A - 変圧器システム - Google Patents

Abstract

風力発電ステーション中で動作する変圧器の冷却効率を向上するために、本発明によると冷却システムが設けられる。冷却システムは、変圧器冷媒の供給のための第一の開口部（１２）を有し、変圧器冷媒の放出のための第二の開口部（１４）を有する変圧器ガードハウジング（１０）からなる。更に、第一のチャネルシステム（２０）が、変圧器ガードハウジング（１０）に変圧器冷媒を供給する。第二のチャネルシステム（２２）が、変圧器ガードハウジング（１０）から変圧器冷媒を放出する。発明性のある冷却システムの提供を通して、変圧器ガードハウジング（１０）中に収容された変圧器への冷媒の制御された流れが、設備の動作的効率を増加する。

Description

本発明は、変圧器システムに関し、特に風力発電ステーション中で動作している変圧器の冷却に関する。

風力発電ステーションは、風力エネルギーのその他の形のエネルギー、典型的には電気、への変換のために動作する。風力発電ステーションの増加する人気は、風力エネルギーの再生可能性、その広い行き渡り、およびグリーンハウスガス排出を削減するその潜在性によって説明され得る。風力発電は近年に渡って最も速く成長しているエネルギー源の１つであるので、今日では何千もの風力発電ステーションが稼動している。

DE 103 10 036 A1には、風力発電ステーションの構築のための方法が記載されている。少なくとも変圧器からなるパワーモジュールが、風力発電ステーションのタワーの下に設けられる。ここで、パワーモジュールは、容器中にカプセル化されている。容器は、容器の側壁と風力発電ステーションのタワーの内壁の間に空間が残るようなサイズを有する。しかしながら、容器が完全にカプセル化されるので、容器の内部側と大気の間にはいかなる空気の交換もない。

上記に鑑みて、本発明の目的は、風力発電ステーション中で動作している変圧器の向上された冷却を達成することである。

本発明によると、この目的は、風力発電ステーション中で動作している変圧器のための冷却システムによって解決される。冷却システムは、変圧器冷媒の供給のための第一の開口部を有し、変圧器冷媒の放出のための第二の開口部を有する変圧器ガードハウジングからなる。更に、冷却システムは、変圧器ガードハウジングの第一の開口部への変圧器冷媒の供給のための第一のチャネルシステムからなる。もっと更に、冷却システムは、変圧器ガードハウジングの第二の開口部からの変圧器冷媒の放出のための第二のチャネルシステムからなる。

変圧器ガードハウジング中の入口および出口開口部の提供を通して、変圧器の顕著に向上した冷却を達成することが可能である。これは、変圧器の制御された冷却を達成することと、その構築のために使われる材料の量を削減することを許容する。また、変圧器ガードハウジングの提供は、メインテナンス人員の増大された保護と火災防止を達成する。最後に、冷却システムと変圧器は、変圧器システム全体の信頼性を増加するために製造施設において、風力発電ステーション中でのその設置に先立って試験されても良い。

本発明の好ましい実施形態によると、第一のチャネルシステムは、風力発電ステーションのタワー壁またはゴンドラ中に載置されている供給ボックスに接続されている。好ましくは、第二のチャネルシステムは、風力発電ステーションのタワー壁またはゴンドラ中に載置されている放出ボックスに接続されている。オプションで、供給ボックスは、フィルターシステムが設けられていても良い。

本発明のこの好ましい実施形態によると、例えば風力発電ステーションの外部から変圧器が動作している位置まで新鮮な空気を提供することが可能である。変圧器のあらゆる汚染を避けるため、フィルターシステムが、外部からの空気フロー中に含まれるあらゆる汚染物を除去しても良い。また、放出ボックスの使用は、風力発電ステーションの外部への変圧器冷媒の放出をサポートする。

本発明の更なる好ましい実施形態によると、例えば、第一のチャネルシステム中、第二のチャネルシステム中および／または放出ボックス中に、ファンが設けられている。

本発明のこの好ましい実施形態によると、システム中の変圧器冷媒のフローレートを増加することが可能である。ファンが変圧器損失に従って動作させられる時、例えば変圧器が動作していない時にスイッチが切られ、変圧器損失が或る閾値を超える時にスイッチが入れられると、これは動作的条件に依存した変圧器の最適化された冷却と、ファンの動作が必要ではない時にエネルギーの節約を許容する。

本発明の更なる好ましい実施形態によると、風力発電ステーションのタワー内の冷却サークルの提供のために第一のチャネルシステムが第二のチャネルシステムと結合されている。冷却サークルは、風力発電ステーションのために設けられた熱交換器、例えば、風力発電ステーションの外壁に載置されたもの、風力発電ステーションのタワー内のもの、または風力発電ステーションのゴンドラ中のもの、に結合されている。

本発明のこの好ましい実施形態によると、変圧器冷媒の流れを変圧器ガードハウジングの外部から切り離すことが可能である。これは、変圧器ガードハウジング内の変圧器の低減された汚染を達成する。

更に、上に概略を述べた目的は、風力発電ステーション中での動作のための特定の変圧器の提供を通して達成される。変圧器は、変圧器コアと、変圧器コアの周りに巻かれている少なくとも１つの変圧器巻回からなる。本発明によると、変圧器巻回は、変圧器冷媒の伝導のための少なくとも１つの冷却チャネルが設けられていることが提案される。好ましくは、追加の冷却チャネルの確立のために低電圧巻回と高電圧巻回の間に追加の空間が設けられている。

本発明の第二の側面によると、冷却チャネルと高電圧巻回と低電圧巻回の間の空間をもった巻回の提供は、特に上に概略を述べた冷却システムとの組み合わせでの変圧器の冷却をサポートする。

本発明の更なる好ましい実施形態によると、変圧器は上記の変圧器ガードハウジング内に設けられており、好ましくは、変圧器冷媒を変圧器および関連する冷却チャネルに導くための少なくとも１つのガイドプレートが設けられている。

本発明のこの好ましい実施形態は、発明性のある冷却システムと発明性のある変圧器の利点の組み合わせを許容する。ガイドプレートの提供は、変圧器の外部からとまた変圧器の冷却チャネルを通しての両方の、変圧器冷媒の流れを最適化する。

本発明の更なる好ましい実施形態によると、変圧器は、変圧器損失の検出のための温度センサーと、変圧器の動作的障害を検出する保護的装置が設けられていても良い。

本発明のこれらの好ましい実施形態は、発明性のある冷却システム内で変圧器の動作中の増加されたフェイルセーフ性を達成する。

以下では、本発明の実施形態が図面を参照して記載される。

図１は、本発明による変圧器ガードハウジングの第一の例を示す。 図２は、本発明による変圧器ガードハウジングの第二の例を示す。 図３は、風力発電ステーションのタワーの下における図１に示した変圧器ガードハウジングの設置の例を示す。 図４は、本発明による変圧器の概略図を示す。 図５は、本発明による変圧器巻回の概略図を示す。 図６は、本発明による冷却システムの第一の例を示す。 図７は、本発明による冷却システムの第二の例を示す。 図８は、本発明による冷却システムの第三の例を示す。 図９は、本発明による冷却システムの第四の例を示す。

以下では、本発明の異なる実施形態と例が図面を参照して説明される。

図１は、本発明による変圧器ガードハウジングの第一の例を示す。

図１に示されるように、変圧器ガードハウジング１０は、変圧器冷媒の供給のための第一の開口部１２からなる。更に、変圧器ガードハウジングは、変圧器冷媒の放出のための第二の開口部１４からなる。図１に示されるように、変圧器ガードハウジングはまた、そのメインテナンスの間に変圧器ガードハウジング中に収容された変圧器へのアクセスのための１つ以上のアクセスドア１６−１、１６−２、１６−３が設けられていても良い。

図１に示されるように、保護的ガードハウジング１０内に、その変圧器への送付に先立っての第一の開口部１２から変圧器ガードハウジング１０の下部への供給された変圧器冷媒の導きのための、破線で示された内部チャネルシステム１８が設けられていても良い。内部チャネルシステム１８の提供は、風力発電ステーション内のより低いレベルにおける変圧器ガードハウジングの設置を許容する。

図２は、本発明による変圧器ガードハウジング１０の更なる例を示す。

図２に示された第二の例は、第一の開口部１２が変圧器ガードハウジング１０のより低いレベルにおいて設けられているので、内部チャネルシステムが省略されている点で第一の例とは異なる。変圧器ガードハウジング１０のそのような例は、変圧器ガードハウジング１０が風力発電ステーションのタワー中のより高いレベルにおいて載置されている時に使われても良い。

一般的には、第一の開口部１２と第二の開口部１４の位置は、本発明によるといかなるやり方でも制限されず、風力発電ステーション内での設置のために存在するあらゆる要求に好適に適応されることに注意すべきである。また、保護的ガードハウジング１０は、風力発電ステーションのゴンドラ中に置かれても同様に良い。

図３は、風力発電ステーション内での変圧器ガードハウジング１０の設置の例を示す。

図３に示されるように、変圧器ガードハウジング１０は、風力発電ステーションの基礎上に載置されても良い。また、変圧器ガードハウジング１０の第一の開口部は、変圧器冷媒の供給のための第一のチャネルシステム２０に接続されている。第二の開口部１４は、変圧器の冷却後の変圧器冷媒の放出のための第二のチャネルシステム２２に接続されている。第一のチャネルシステム２０は、風力発電ステーションのタワー壁中に載置されている供給ボックス２４に接続されていても良い。第二のチャネルシステム２２は、これもまた風力発電ステーションのタワー壁中に載置されている放出ボックス２６に接続されていても良い。オプションで、供給ボックス２４は、フィルターシステムが設けられていても良い。代替的に、変圧器ガードハウジングが風力発電ステーションのゴンドラ中に載置されている時には、供給ボックス２４と放出ボックス２６は、ゴンドラ中の適切なサイトにおいて載置されていても同様に良い。

動作的には、図３に示された設置については、外部空気が変圧器冷媒として使われる。しかしながら、本発明によると変圧器の冷却のために好適なあらゆるその他のタイプの材料が使われても良いことに注意すべきである。

図３に示されるように、外部空気は、供給ボックス２４と第一のチャネルシステム２０を通して変圧器ガードハウジング１０の第一の開口部１２に供給される。図３には示されていない内部チャネルシステムを通しての空気のガードハウジング１０のより低い部分への導きの後、空気は変圧器ガードハウジング１０内を底から天辺まで流れる。それから熱された空気が、第二の開口部１４と第二のチャネルシステム２２を通して放出ボックス２６に導かれる。更に、メインテナンス中には、人員は、開口部１６−１、１６−２、１６−３を通して変圧器ガードハウジング上に収容された変圧器へのアクセスをもっていても良い。

本発明によると、工場で試験され得て、風力発電ステーション中への設置の後も製造試験の結果が有効なままであることを確かなものとする、規定された冷却システムが提供される。

更に、冷却システムの最適化された提供を通して、材料と必要な空間が顕著に削減され得る。変圧器冷媒の規定されたストリームは、変圧器の巻回の低減された加熱を達成する。変圧器は、天候クラスＣ２のものであっても良く、例えば、−２５℃と＋４０℃の間あるいは−５０℃から＋５０℃の間でさえもの範囲の温度中で、動作させられても良い。

図３に示されるように、例えば亜鉛被覆された鋼板で構築された変圧器ガードハウジング１０は、電気導電部分から人員を保護する。設備の全ての部分は、風力発電ステーションの接地システムに接続されている。故障が起こると、発明性のあるシステムを通して熱いガスが放出されても良い。電気アークセンサーのようなセンサー装置が、障害を検出するのと、設備を非常に素早くオフにすることを可能とするのに使われても良い。これは、かなりの程度で危険と損傷を低減する。火災ガスも、発明性のある冷却システムを使って設備から放出されても良い。例えばEN50308に従った要求が満たされても良い。更に、変圧器の巻回中の温度センサーと関連する測定値は、設備のコントロールに一体化され、それは巻回の受け入れ可能ではない加熱の際の設備の停止を許容する。

図４は、本発明による変圧器の概略図を示す。

変圧器２８は、ドライタイプ変圧器、例えば鋳造された樹脂のドライタイプ変圧器であっても良い。

図４に示されるように、本発明による変圧器２８は、変圧器コア３０と、少なくとも１つの高電圧巻回３２−１、３２−２と、少なくとも１つの低電圧巻回３４からなる。変圧器コア３０は、サポート３６上に載置され、フレーム３８−１から３８−４によって固定される。オプションで、変圧器２８の運搬中の振動を吸収するばね、例えばディスクばね４０−１、４０−２、が設けられていても良い。オプションで、１つ以上の巻回中に、変圧器２８の動作中の巻回温度の検出のための１つ以上の温度センサー４２−１、４２−２が設けられていても良い。

図４に示されるように、本発明によると、変圧器２８の動作中に、変圧器冷媒が変圧器２８の巻回の間を流れ得るように、冷却チャネルを確立するために、巻回の各々の間に、即ち第一と第二の高電圧巻回３２−１と３２−２の間と更には内側高電圧巻回３２と低電圧巻回３４の間に、空間が設けられている。また、図４は、２つより多くの変圧器巻回の間の空間の提供を示すが、巻回のいずれかの間の単一の空間だけの提供またはあらゆるその他の変形も、本発明の範囲によってカバーされることが理解されるべきである。

図５は、変圧器２８の巻回の１つを通した断面を示す。

図５に示されるように、本発明によると、内部からの変圧器巻回の追加の冷却も達成するように、変圧器巻回中に少なくとも１つの冷却チャネル４４−１から４４−ｎを設けることが提案される。ここで、追加の冷却チャネル４４−１から４４−ｎの提供は、高電圧巻回、低電圧巻回、またはそれらの組み合わせのいずれかについて設けられていても良い。また、追加の冷却チャネル４４−１から４４−ｎの数は、変圧器２８の動作的条件に従って自由に構成されても良い。

以下では、変圧器の電力ネットワークへの接続のための条件が説明される。

世界中の風力パークは非常にしばしば、顧客センターまたは従来の電力ステーションセンターからは遠く離れて確立される、顧客センターにおける風力発電の着実な増加によって、電気的振る舞いに対するネットワークオペレーターの要求が上がる。異なる国々において優勢である条件に依存して、風力パークの電力振る舞いによる電圧変動に対してと故障の際の振る舞いに対して、異なる要求が存在する。或る量の誘導性および容量性の無効電力が提供されるべきである。

変圧器は電力ネットワークと風力発電機の間の接続であるので、電力ネットワーク接続条件は変圧器の設計上と従って製造コスト上にも相当なインパクトがある。より高いネットワーク電圧または容量性負荷による変圧器における過剰な電圧は、過励起と従って変圧器コアの受け入れ可能ではない加熱に繋がる。これは、インダクタンスの削減によって、即ち磁性鋼板の増加した使用によって、補償されても良い。

風力発電ステーションの名目上の電力も、不足電圧の条件において提供されるべきである。従って、変圧器は、増加する電流と連続的なやり方で動作可能となるべく設計されなければならない。発明性の或る変圧器の最適化された冷却と巻回中の冷却チャネルの使用を通してと、更に変圧器コアの設計を通して、この余分な支出をかなり削減することが可能である。

更に、風力発電ステーションは多数が長い距離に渡って運搬されるので、トラック、船または鉄道搬送による変圧器上への機械的負荷が考慮されなければならない。今まで、風力発電ステーションのための発明性のある変圧器は、高い機械的安定性を有する接着積層されたコア鋼板が設けられている。この機械的安定性を更にもっと増加するために、積層されたコア鋼板は、コアジョイントを通してしっかり取り付けられる。オプションで、変圧器コアは、巻回バンドを使って更にもっと安定化されても良い。機械的安定性を増加する更に別の対策は、巻回をコアおよびフレームに対してサポートするディスクばねの提供である。

以下では、本発明による冷却システムの異なる例が、図６から９に対して説明される。

図６は、本発明による冷却システムの第一の例を示す。図が、図１から５に対して説明された要素を示している限りは、冗長を避けるためにその説明は繰り返されない。

図６に示されるように、発明性のある冷却システムは、風力発電ステーションのタワー４６内に設けられている。更に、変圧器ガードハウジング１０が設けられ、タワー４６のより低い側において載置されている。また、供給ボックス２４は、流入するフロー中の汚染物のフィルタリングのためのフィルターシステム４８からなる。フィルター４８の提供は、変圧器２８の汚染を避ける。

これもまた図６に示されるように、変圧器ガードハウジング１０の第二の開口部１４において、ファン５０が設けられている。ファン５０は、冷却システム内のあらゆるその他の適切な場所、例えば第一のチャネルシステム２０中、第二のチャネルシステム２２中、または放出ボックス２６（図６では図示せず）内、に配置されても良いことに注意すべきである。動作的には、ファン５０は、動作的効率性を増加するように、冷却システム内の冷却空気の対流を増加する。上に概略が述べられたように、ファン５０の動作は、変圧器２８の動作中に変動し得る変圧器２８の巻回の温度に依存して制御されても良い。

好ましくは、発明性のある冷却システム内の電力消費を低減するために、ファン５０は変換器損失を考慮してオフにされる。言い換えると、負荷無しの損失または例えば１，０００ＫＶＡまでの低い負荷における損失は、ファン５０をオンに切り替えること無しに放出されても良い。より高い負荷においてのみ、変圧器２８の巻回中に設けられた温度センサーによる制御を通してファン５０がオンにされる。

図６に示されるように、変圧器２８の動作的障害、例えば電気アーク、を検出するために保護的装置５２が設けられていても良い。そのような故障の検出の際には、冷却システムと変圧器２８へのあらゆる破壊を避けるために、風力発電ステーションの動作は停止されても良い。

図６に示されるように、変圧器ガードハウジング１０はまた、少なくとも１つのガイドプレート５４−１、５４−２が設けられていても良い。ガイドプレート５４−１、５４−２の提供は、変圧器の冷却チャネル内での変圧器へと、変圧器ガードハウジング１０の出口開口部への冷媒の流れが最適化されるように、変圧器冷媒の流れの効率性を増加する。また、ガイドプレートの数は、変圧器ガードハウジング１０内の動作的条件に依存して好適に選択されてもよいことに注意すべきである。同じことは、変圧器ガードハウジング１０内でのその位置付けおよび配置にも当てはまる。

図７は、本発明による冷却システムの第二の例を示す。

図７に示された例は、設置された変圧器のタイプについて図６に示されたものとは異なる。図６はドライタイプ変圧器の使用を示しているが、図７は、本発明によるとまた、例えば油冷却された変圧器が変圧器ガードハウジング１０内に好適に設置されても良いことを描いている。この場合にはまた、変圧器についての冷却効率が発明性のある冷却システムを通してかなり向上され得る。

図８は、本発明による冷却システムの第三の例を示す。

図８に示されるように、この第三の例によると、風力発電ステーションのタワー４６中に設けられた冷却サークル５６の提供のために、第一のチャネルシステムが第二のチャネルシステムと結合される。内側サークル５６は、例えば空気対空気冷却システムの確立を通して熱交換器として設けられている、外側冷却サークル５８に熱的に結合される。外部回路５８は、その冷却効率を増加するように、追加のファン６０が設けられている。冷却システムの第三の例は、タワー壁中の開口部を通して供給されたどの外部冷媒も変圧器２８に到達し得ないので、汚染に対する変圧器２８の増加された保護を達成する。

図９は、第三の例の変形である本発明による冷却システムの第四の例を示す。

図９に示されるように、冷却システムの第四の例によると、熱交換器が風力発電ステーションのタワー４６内に設けられている。

熱交換器は空気−空気冷却システムタイプに制限はされず、空気−流体冷却システムタイプ、例えば空気−水冷却システムタイプ、のものであっても同様に良いことに注意すべきである。更なるオプションは、熱交換器におけるプレート冷却システムの使用であろう。

また、第三および第四の例による冷却システムは、風力発電ステーションのゴンドラ中に設置されても同様に良いことに注意すべきである。

全体として、本発明は、風力発電ステーション中で動作する変圧器の的を絞った冷却を達成する。最適化された冷却は、メインテナンス人員の増大された保護、増加された火災防止、適切な電力ネットワーク接続条件、および運搬条件と運搬中の振動の考慮によって補足される。本発明は、風力発電ステーションの確実なネットワーク接続のための、製造工場で試験された信頼性のあるコスト効率の良いオプションを供する。それは、
例えば１．６ＭＶＡから４ＭＶＡの電力範囲にありＵＭ３６ＫＶＡの最大動作的電圧の、陸上風力発電ステーションとともに使われても良い。

Claims (16)

1. 風力発電ステーション中で動作している変圧器のための冷却システムであって、
   変圧器冷媒の供給のための第一の開口部（１２）を有し、変圧器冷媒の放出のための第二の開口部（１４）を有する変圧器ガードハウジング（１０）と、
   変圧器ガードハウジング（１０）の第一の開口部（１２）への変圧器冷媒の供給のための第一のチャネルシステム（２０）と、
   変圧器ガードハウジング（１０）の第二の開口部（１４）からの変圧器冷媒の放出のための第二のチャネルシステム（２２）と、
   を含む冷却システム。
2. 第一のチャネルシステム（２０）は、風力発電ステーションのタワー壁またはゴンドラ中に載置されている供給ボックス（２４）に接続されていることを特徴とする、請求項１による冷却システム。
3. 供給ボックス（２４）は、フィルターシステム（４８）が設けられていることを特徴とする、請求項２による冷却システム。
4. 第二のチャネルシステム（２２）は、風力発電ステーションのタワー壁またはゴンドラ中に載置されている放出ボックス（２６）に接続されていることを特徴とする、請求項１による冷却システム。
5. 第一のチャネルシステム（２０）中、第二のチャネルシステム（２２）中および／または放出ボックス（２６）中に、ファン（５０）が設けられていることを特徴とする、請求項１から４の１つによる冷却システム。
6. ファン（５０）は、変圧器損失に従って動作可能であることを特徴とする、請求項５による冷却システム。
7. 風力発電ステーションのタワーまたはゴンドラ内に設けられた冷却サークル（５６）の提供のために第一のチャネルシステムが第二のチャネルシステムと結合されており、冷却サークル（５６）が熱交換器（５８）に結合されていることを特徴とする、請求項１による冷却システム。
8. 風力発電ステーション中での動作のための変圧器（２８）であって、
   変圧器コア（３０）と、
   変圧器コア（３０）の周りに巻かれている少なくとも１つの変圧器巻回（３２−１、３２−２、３４）と、を含み、
   少なくとも１つの変圧器巻回（３２−１、３２−２、３４）は、変圧器冷媒を伝導するための少なくとも１つの冷却チャネル（４４−１、．．．、４４−ｎ）が設けられていることを特徴とする、変圧器。
9. それは少なくとも１つの低電圧巻回（３４）と少なくとも１つの高電圧巻回（３２−１、３２−２）を含み、更なる冷却チャネルの確立のために低電圧巻回（３４）と高電圧巻回（３２−１、３２−２）の間に空間が設けられていることを特徴とする、請求項８による変圧器。
10. それは変圧器ガードハウジング（１０）中に収容されており、変圧器ガードハウジングは、変圧器冷媒の供給のための第一の開口部（１２）と変圧器冷媒の放出のための第二の開口部（１４）が設けられていることを特徴とする、請求項８による変圧器。
11. 変圧器ガードハウジング（１０）は、変圧器冷媒を変圧器（２８）に導くための少なくとも１つのガイドプレート（５４−１、５４−２）が設けられていることを特徴とする、請求項１０による変圧器。
12. 変圧器損失の検出のために少なくとも１つの変圧器巻回（３２−１、３２−２、３４）中に温度センサー（４２）が設けられていることを特徴とする、請求項８から１１の１つによる変圧器。
13. 変圧器（２８）の動作的障害を検出する保護的装置（５２）が設けられていることを特徴とする、請求項８から１２の１つによる変圧器。
14. 変圧器は、コアジョイントを通してしっかり取り付けられている積層されたコア鋼板を含むことを特徴とする、請求項８から１３の１つによる変圧器。
15. 風力発電ステーション中で動作しており、変圧器ガードハウジング中に収容されている変圧器を冷却する方法であって、
    変圧器冷媒を、第一のチャネルシステム（２０）を介して変圧器ガードハウジング（１０）中に設けられた第一の開口部（１２）まで供給するステップと、
    変圧器冷媒を、変圧器ガードハウジング中に設けられた第二の開口部（１４）を介しておよび第二のチャネルシステム（２２）を介して放出するステップと、
    を含む方法。
16. 変圧器冷媒の運搬のためのファン（５０）を変圧器損失の関数として動作させるステップを含むことを特徴とする、請求項１５による方法。

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