KR100716681B1

KR100716681B1 - 파워 트랜스포머 냉각장치 및 냉각방법

Info

Publication number: KR100716681B1
Application number: KR1020027006370A
Authority: KR
Inventors: 론가드너로버트엘.; 비스니스키안토니엠.2세
Original assignee: 트렉스코, 엘엘씨
Priority date: 1999-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2007-05-09
Also published as: CN1217356C; KR20030007381A; NO20022348D0; AU1922401A; EP1238398A1; WO2001037292A1; HK1050760A1; JP2003514384A; ATE334472T1; DE60029621D1; HUP0203286A2; CN1390356A; PL355207A1; EP1238398B1; ES2269209T3; IL149535A0; CZ20021633A3; NO20022348L; DE60029621T2; BR0015595A

Abstract

파워 트랜스포머(12)용 냉각 오일을 감온시키는 시스템(27)은 냉각 오일 시스템에 배치된 열교환기(44)를 구비한다. 열교환기(44)는 가열된 오일로부터 열교환기를 통해 흐르는 냉각제로의 열의 액체-액체 교환을 이용하는 것이다. 일 실시예에서, 열교환기에 제공된 냉각제는 흡수 냉각기(65)로부터 획득된다. 열에너지는 열저장 디바이스(80)로부터 냉각기(65)에 제공된다. 특정 실시예에서, 열저장원(80)은 상 변화 물질 디바이스 이다. 양호한 냉각 시스템에서, 프로그램식 컨트롤러(55)는 시스템의 작동과 운영을 판단한다. 컨트롤러(55)는 트랜스포머 또는 냉각오일 온도를 감지하는 작동을 하게 된다. 양호한 실시예에서, 컨트롤러(55)는 현재의 온도 내력을 온도 프로필과 비교하여 증가된 온도 요청을 예견한다. 임의적 실시예에서, 트랜스포머(12) 자체로부터의 최대출력 전기에너지 이외의 전기에너지, 또는 여분의 열이 상 변화 열교환기 또는 열저장 디바이스(80)에 제공된다.

트랜스포머, 컨트롤러, 열교환기, 냉각기,냉매.

Description

파워 트랜스포머 냉각장치 및 냉각방법{APPARATUS AND METHOD FOR COOLING POWER TRANSFORMERS}

본 발명은 트랜스포머에 관한 것으로서, 특히 사용 중에 파워 트랜스포머를 냉각하는 장치와 방법에 관한 것이다.

파워 트랜스포머는 최종 사용자가 소비하는 전기를 변형, 전송, 및 배분용으로 파워 서플라이 시스템 내에서 이용되는 것이다. 트랜스포머는 고압측과 저압측 운영 전압으로 설계되고, 전달되는 볼트와 암페어의 용량으로 크기가 이루어진다. 예를 들어, 대형 크기의 트랜스포머는, 배분용 전압을 감전압(step down)하는 배분 트랜스포머와 같이 파워 서플라이 체인을 따라서 전압을 가전압(step up)하는 전달 트랜스포머로서 활용된다.

현존하는 트랜스포머의 일 결점은 트랜스포머에 외부와 내부 양쪽의 고온 작동과 상관된 작동 문제에 대한 트랜스포머의 유전분극작용(susceptibility)이다. 일반적으로, 트랜스포머와 그의 구성부품의 성능을 유지하고 유용 수명을 보존하기 위해서는, 트랜스포머 내에 최대 온도가 95℃(203℉) 미만의 낮은 온도를 유지하여야 하며 그리고 그 온도는 주변 온도보다 높은 65℃의 온도이어야 한다. 상기와 같이 조절된 트랜스포머 온도를 유지하지 못한다면 트랜스포머의 고장이 발생하거나 아마도 유용 수명이 현저하게 감소하게 되고, 이들은 모두 고장난 트랜스포머 유닛을 대체할 필요성을 야기하여 산업계에 비용을 추가시킨다.

또한, 온도와 전기저항 사이에 정비례 관계로 인하여, 트랜스포머 코어에 동선 권선부(copper windings)의 온도가 높아지면, 트랜스포머 효율이 감소하여, 트랜스포머 코어 가열에 대한 파워 출력(와트) 비율의 손실이 초래된다. 또한, 사용 중에, 트랜스포머 내측부 온도는 유도 권선부를 통하여 흐르는 전류와 마그네틱 강철 코어를 흐르는 미세 전류로 인하여 높아지는 성질이 있다.

종래에 트랜스포머 온도를 제어하려는 방식이 있었으나 일부 시도는 상당히 미숙한 것이었다. 예를 들면, 주변 상황이 트랜스포머의 과열 가능성을 감지하였였거나 또는 트랜스포머의 고온 상태가 감지되었을 때에 트랜스포머를 간단하게 물 분무기로 뿌리는 것이 일반적인 접근방식이었다.

다른 접근방식으로는 트랜스포머의 내부 작업용으로 오일 욕조를 제공하는 것이다. 다른 종래기술의 적용에서는 상기 오일 욕조가 다양한 수준에서 동작하도록 설계된 것이다. 먼저, 근본적으로 "자체 냉각"수준은 코어로부터 열을 외부로 취출하기 위해서 트랜스포머 절연동작 및 냉각동작 오일 내의 보통 전류를 이용하는 것이다. 제2냉각 수준은 냉각 오일의 열 에너지를 흡수하도록 열교환기 둘레에 있는 주변 공기를 활용하는 트랜스포머와의 일체형으로 또는 트랜스포머와의 분리형으로 열교환기/라디에이터를 통해서 절연 오일을 강제로 순환시키는 것이다. 제3 각수준은 제2냉각수준에서의 강제 오일 순환기를 사용하지만 트랜스포머 자체로 부터 또는 변전소(substation)에 다른 파워원으로 부터 공급되는 에너지에 의해 파워를 얻는 전기 팬(electric fan)을 추가로 사용하여, 외부 라디에이터 위로 공기를 강제로 순환시켜 오일과 트랜스포머 권선부로부터의 열량의 제거를 증가시키어서, 궁극적으로는 트랜스포머 효율을 증가시키는 것이다. 트랜스포머의 온도 상승이 충분히 클때에 선택적으로 동작하는 상기 팬은 트랜스포머에 놓여진 온도센서에 접속된 컨트롤러에 의해 제어를 받는다.

도1은 팬을 사용하는 종래기술 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 종래 설계로 이루어진 트랜스포머(10)는, 연철 코어(12)가 배치되어 있으며 연철 코어 주위에는 동선 권선부(14)가 있는 케이싱 또는 하우징을 구비한다. 코어와 권선부는 냉각 오일 욕조(15)에 담겨진다. 트랜스포머 하우징의 내부 체적의 정상부에 질소가스 블랭킷(16)은 하우징 내에 오일 특성을 유지한다. 트랜스포머 하우징의 정상부 근처에는, 라디에이터 또는 열교환기(22)로 유도하는 도관(20)에 상부 격리 밸브(isolating valve)(18)를 경유하여 접속된 배출구가 위치한다. 이러한 종래 시스템에서는, 라디에이터(22)가 냉각 오일이 순환하는 핀(fin)형 냉각관(24)을 구비한다. 냉각관이 열(row)과 지주(column)로 이격되어 일렬로 배치되어, 냉각목적으로 주변 공기와의 통로를 이룬다. 복수의 모터-구동 팬(26)은 강제-공기 주변 냉각작용을 제공하도록 핀형 냉각관(24)의 위 및 주변에 공기를 인출하도록 설계된다. 라디에이터의 배출구는 밀봉된 모터 구동 펌프(28)에 연직으로 배치되며, 펌프는 냉각 오일이 도관(30)과 저부의 절연 밸브(32)를 통하고, 트랜스포머 하우징의 내부 체적부 안으로 복귀하도록 펌핑된다.

동작 중에, 펌프(28)는 화살표(33)로 지시된 바와 같이 트랜스포머의 기부에 냉각 오일을 강제적으로 보낸다. 트랜스포머의 내부 작업부(코어(12)와 권선부(14)와 같은 경우) 내에 제공된 다수의 구멍을 통해서 오일이 상방향(35)으로 이동하고 열을 탈취함에 의해 냉각 오일의 온도가 증가하고, 이러한 작동의 결과 가온 트랜스포머 부분이 냉각된다. 그런다음 가열된 오일은 오일 배출구(37)와 라디에이터(22)를 통과한다. 라디에이터가 설치된 구역으로 덕트 연결된 주변 공기는 관(24)을 통해 지나가는 오일을 냉각하도록 팬(26)에 의해 냉각관(24)위로 인출된다. 에너지가 냉각 오일을 탈취하여 가열된 주변 공기를 대기중으로 방출하고, 냉각유체는 트랜스포머를 통해 재순환용 펌프(28)로 복귀된다.

도1에 도시된 종래기술의 냉각 시스템이 일부 이득을 제공하는 것이기는 하지만, 일부 트랜스포머에서는 냉각 제약이 바람직하지 않은 상태에서 운영되는 결과를 초래한다. 특정적으로는, 가장 특정적인 습도로서, 주위환경에 부여되는 제약이 열 에너지를 충분하게 제거하지 않은 상태에서 냉각 오일이 열교환기를 완전히 통과하게 되어, 냉각온도의 초과시간을 지속적으로 증가시키며 상기 오일의 냉각능력을 낮추게 된다. 결국, 냉각오일은 너무도 고온이어서 트랜스포머가 추천 온도에서 과도하게 높아지는 것을 방지할 수 없게 된다.

또한, 일반적으로 트랜스포머의 활용 및 그 결과에 따른 부하 전류 로딩이 주변 온도 상태가 최고인 중에 발생한다. 예를 들면, 오일 욕조의 온도는 주변상태가 극단적으로 따뜻하고 습할때에 상승되어서, 결과적으로 오일이 트랜스포머 작업으로 손상이 행해질 때까지 트랜스포머에서의 강화를 지속한다.

따라서, 종래기술의 상기 결함과 그외에 다른 결함을 해결시킨 파워 트랜스 포머용 냉각 시스템이 제공될 것을 요망하였다.

본 발명은 파워 트랜스포머의 내부 작업부에 향상된 냉각동작을 제공하는 장치와 방법을 제공하는 것이다. 장치는 트랜스포머 로딩으로 인한 코어 열과 주변 상황 변화로 인한 냉각 오일에 보강된 열을 가지는 동작에 거의 영향을 받지 않는 고효율의 냉각원을 제공하면서 동시에 트랜스포머 코어 열을 조절하는 것이다. 상기 장치는 주변 공기보다 더 효율적인 냉매원(a source of chillate)이 제공된 열교환기에 트랜스포머용 냉각 오일을 선택적으로 통하게 하는 것이다. 본 발명은 후속 사용되는 에너지를 저장하는 열교환기 사용부를 경유하여 시스템에 파워를 부여하도록 트랜스포머에 의해 주어진 최대출력 에너지가 아닌 에너지(off-peak energy)를 활용할 수 있는 것이다. 일 환경에서, 열교환기는 열 저장용 상 변화 물질(phase change material)을 활용할 수 있다.

본 발명의 일 잇점은 트랜스포머가 그 구조적 통합 및/또는 효율에 해를 끼치는 열을 받지 않도록 모든 주변 상태에 적합한 트랜스포머의 내부 작업부를 효율적으로 냉각하는 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 잇점은 냉각 시스템이 최대출력 에너지가 아닌 에너지를 사용하여 제공되는 냉매로 조작되는 열교환기를 사용하여, 운영비를 절감시킨 것이다. 본 발명의 다른 잇점은 트랜스포머의 열 에너지를 트랜스포머에 보내지는 냉각 오일을 냉각하는 열교환기를 운영하는데 필요한 에너지를 제공하는데 활용될 수 있다는 것이다.

부가적인 잇점은 임의적인 주변 상황용의 트랜스포머 냉각오일의 적절한 냉각을 이행하여 트랜스포머의 전기용량을 최대로 하는 본 발명의 특징에 의해 달성된다.

시스템 개량의 일 목적은 트랜스포머를 통하여 흐르는 전류에 의해 발생되는 열을 제거하여 트랜스포머의 전체 효율을 향상시키는 것이다. 다른 목적은 냉각 시스템을 개량하여 서비스를 받게 되는 트랜스포머의 활용도를 증가하고 유용 수명을 연장시키는 것이다.

본 발명의 상술된 내용과 다른 잇점 및 목적에 대해서는 첨부 도면을 참고로하여 기술되는 실시예를 통해 이해될 수 있을 것이다.

도1은 파워 트랜스포머용 종래기술의 냉각 시스템을 부분적으로 단면으로 하여 개략적으로 나타낸 정면도.

도2는 본 발명의 파워 트랜스포머용 냉각 시스템의 일 부분을 부분적으로 단면으로 하여 개략적으로 나타낸 정면도.

도3은 본 발명의 기술에 따라 구조된 냉각 시스템의 성능과 종래기술의 냉각 시스템의 성능을 비교하여, 트랜스포머 오일 온도의 함수로서 트랜스포머의 유용 시간을 나타낸 다이어그램.

도4는 도2의 열교환기용 냉매를 생성하는데 사용되는 부품의 일 실시예를 개략적으로 설명하는 도면.

도4a는 파워원과 열교환기 가열 요소와의 사이에 전기적 접속을 선으로 나타내고, 상 변화 물질 열교환기의, 도4의 4A-4A선을 따라 절취하여 나타낸 단면도.

도5는 100MVA 파워 트랜스포머에 사용용으로 본 발명의 파워 트랜스포머 냉각 시스템을 도식적으로 나타낸 평면도.

도6은 본 발명의 다른 파워 트랜스포머 냉각 시스템을 도식적으로 나타낸 평면도.

도7은 본 발명의 일 실시예에 따르는 냉각 시스템을 각각 구비하며, 다수의 트랜스포머를 가진 파워 변전소를 나타낸 선도.

대응 참고문자는 다양한 면에서 모두 대응 부분을 지시하는 것이다. 본 발명의 실시예를 도면을 참고로 나타내었지만, 도면은 발명을 설명할 목적으로만 도시한 것이며 설명을 목적으로 일부 부분과 척도를 생략 또는 가감하여 나타내었다.

또한, 발명의 기본 이해를 향상시킬 목적으로, 참고 부호를 도면에 설명된 실시예로 하였으며 특정 언어는 동일하게 기술하도록 사용하였다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 내용으로 제한되지 않는 것이다. 본 발명은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술인이 본 발명의 기본을 적용하여 이루어지는 변경 및 개조를 포함하는 것이다. 예를 들면, 설명된 실시예가 현존 시스템을 개량한 것이긴 하지만, 개량된 냉각 시스템은 새롭게 구조된 파워 트랜스포머 장비용의 설계 내역에 합체시킬 수 있는 것이다.

도2는 본 발명의 트랜스포머 냉각 시스템(27)의 일 실시예에서 선택된 부분을 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 실시예에서, 도1에 도시된 종래기술의 트랜스 포머와 냉각 시스템은 본 발명의 냉각 시스템으로 새로이 개선되어져 트랜스포머에 의해 경험할 수 있는 많은 운영상태 중에서 향상된 트랜스포머 냉각 성능을 제공하는 것이다. 따라서, 개량된 냉각 시스템은 종래 냉각 시스템의 냉각성능을 증대하는데 사용되어진다. 이러한 실시예는 선택적으로 트랜스포머의 냉각 오일을 위한 단독 냉각 시스템에 사용될 수 있는 개량된 냉각 시스템에 제한받지 않는 것이며, 설명을 목적으로 이루어진 것이다.

도2에 도면번호에서 도1에 대응부분은 동일하게 나타내었으며, 개량된 냉각 시스템은 도관(20) 내로 3방향 밸브(40)를 도입한다. 밸브(40)는 트랜스포머 둘레로 흐르는 냉각오일을 냉각하는데 사용되는 보충 열교환기(44)에 접속된 도관(42)에 대해 연직으로 있다. 도관(20) 위에 또는 근처에 있는 것과 같이 도2에 도면은 설명을 목적으로 나타내었지만, 3방향 밸브(40)는 오일이 라디에이터(22)를 우회하여 도관(42)내로 흘러서, 냉매 작업유체 열교환기(44)를 통하여 흐르도록 냉각 오일이 선택적으로 새로운 방향으로 흐르도록 도관(20)에 배치된다. 이러한 우회동작은 팬(26)과 라디에이터(22)가 냉각 오일을 적절하게 냉각할 수 없을 때에 발생하도록 프로그램(컨트롤러(55)를 사용) 된다.

본 발명의 일 잇점은 열교환기(44)로부터의 복귀라인(46)이 순환동작 펌프(28)에 접속되는 것이다. 복귀라인(46)은 열교환기(44)를 통하는 통로 중에서 냉각되는 오일을 트랜스포머(10)를 통한 재순환용 펌프(28)로 도입한다. 오일이 냉각되는 온도는 트랜스포머의 로딩, 주변온도 상태, 및 냉각 시스템에 따르며, 상기 온도는 트랜스포머의 수명 또는 효율을 저하시키지 않기에 충분하게 낮다. 양 호하게, 체크 밸브 또는 2방향 밸브(47)는 복귀 라인(46)에 개재되어 트랜스포머에 제공되는 재순환 유량을 제어한다. 일 실시예에서, 이러한 밸브(47)는 밸브(40)와 연관하여 제어된다.

열교환기(44)는 냉매 작업유체 또는 냉매를 활용하여 열교환기(44)를 통하여 보내진 트랜스포머로부터의 냉각오일의 온도를 상당히 저하시킨다. 냉매(chillate)는 종래 냉매원(도시 않음)에 접속된 도관(48)을 통하여 열교환기(44) 내로 도입된다. 냉각오일을 감온시키는데 사용될 때에 가열되어져 있는 냉매는 재사용용 냉매원에 상기 냉매를 복귀하는 도관(50)을 통해 열교환기(44)로부터 방출된다. 열교환기(44)는 셀과 튜브 열교환기와 같이 당 기술분야에서 공지된 다양한 다르게 구조된 열교환기 중의 하나 이다. 그런데, 본 발명의 가장 양호한 실시예에서는, 열교환기는 작업 유체(예를 들면, 냉각오일과 냉매)의 흐름부 사이에 열에너지의 유체-유체 전달에 따른다.

3방향 밸브(40)는 밸브(40)의 동작을 제어하는 온도 감지 및 제어기구 또는 컨트롤러(55)에 연결된다. 컨트롤러(55)는 후술되는 관점에서 당 분야에 기술인에 의해 이해될 수 있는 방식으로 냉매원으로부터 냉매의 흐름 또는 2방향 밸브(47)와 같은 개량된 냉각 시스템의 잔류물을 제어하도록 종래방식으로 프로그램되어 작동적으로 접속될 수도 있다. 양호하게, 컨트롤러(55)는 다양한 입력신호의 함수로서 제어신호를 발생하는 종래 프로그램식 컨트롤러 이다. 일 특정한 실시예에서, 컨트롤러(55)는 냉각오일의 온도의 함수로서 컨트롤 밸브(40)에 프로그램 된다. 이러한 특정 실시예에서는 컨트롤러(55)가 특별하게 하우징의 정상부 3번째에 냉각 오일에 현탁되는 것과 같이 트랜스포머 하우징 또는 탱크에 내부적으로 또는/및 외부적으로 설치되는 온도센서를 구비한다.

트랜스포머 성능을 최적하게 하기 위해서, 컨트롤러(55)는 트랜스포머 절연 및 냉각 오일의 감지된 온도가 상승을 개시하여, 센서로부터의 디지털 신호가 예정된 지속시간 주기 중에 수용할 수 있는 수준을 최대 냉각오일 온도가 초과할 때에 정해지도록 상승 곡선을 추정하는 고체상태의 집적 박막 디바이스에 센서로부터의 디지털 신호를 제공할 수 있다. 물론, 이러한 동일한 판단은 적절하게 구조된 컨트롤러(55)로 소프트웨어 수준으로 만들어진다. 일반적으로, 트랜스포머 내에 최대 온도는 95℃(203℉)밑으로 유지되거나 또는 65℃까지로 제약되어 트랜스포머의 비율 성능을 유지하여 유용 수명을 보존하도록 주변온도 이상으로 상승한다. 만일 상기 매개변수가 과도하게 될 것으로 예측되면, 컨트롤러(55)는 자동적으로 냉각공정을 개시하도록 적절한 순서로 다른 필요한 밸브와 마찬가지로 밸브(40)를 자동적으로 개방한다. 예를 들면, 냉매원이 적절한 온도로 냉매를 생성하면, 밸브가 "냉각동작" 열교환기(44)를 통하여 냉매의 흐름을 허용하도록 순차적으로 개방된다. 컨트롤러(55)는 대체로 동시적으로 밸브(40)를 개방하여 온도 저하를 위해 고온 냉각오일을 보낸다.

시스템 제어구성의 "통찰"특성으로 인하여, 트랜스포머(10)의 내부부품은 트랜스포머의 유용 수명 또는 효율을 감소시키는 온도에 접근하도록 허용되지 않는다. 또한, 컨트롤러(55)는 트랜스포머의 파워 전달을 최대로 하도록 냉각 오일 온도와 어느 정도 범위의 주변 내에 개량 냉각 시스템을 작동하도록 프로그램 된다. 다른 접근방식에서는, 컨트롤러(55)가 특정 트랜스포머의 온도 내력을 지시하는 저장된 정보를 구비한다. 예를 들면, 일반적으로 트랜스포머는 작동 로드와 주변 상태에 대해 대체로 일정한 온도를 나타낸다. 각각의 트랜스포머는 다르게 반응하고 각각은 해로운 상태가 제기되기 전에 다른 임계온도 반응을 나타낸다. 컨트롤러(55)는 냉각 시스템에 접속된 모든 트랜스포머용의 온도 내력 또는 프로필을 유지한다. 각각의 트랜스포머용의 냉각오일 온도센서로부터의 실질 온도 데이타는, 문제성 온도상태가 예상되면 판단하도록 이러한 프로필과 비교된다.

본 발명의 범위 내에는 냉매가 당 분야의 기술인에게 공지된 임의적 모양으로 이루어진 열교환기(44)에 공급되는 것이 있다. 예를 들면, 트랜스포머 영역에 전기성은 증기압축 냉동장치 또는 지하수, 호수 등의 자연자원 및/또는 흡수 냉각장치를 동력화하여 냉매를 발생하는데 사용될 수 있다.(예를 들면, 지하수를 열교환기로 전달하는 펌프를 작동) 상기 증기압축 냉동장치는 온-라인에서 즉, 냉매가 실질적으로 소용되는 기간 중에, 또는 오프-라인, 또는 온-라인과 오프-라인에서 작동할 수 있는 것이다. 오프-라인에서 작동 시에는, 증기압축 냉동장치에 의해 생성된 냉매가, 후(後)에 코어 열을 제거하는데 사용되는 유체 또는 아이스로서 적절하게 저장된다. 부가적으로, 파워 트랜스포머 자체는 이하에서 기술되는 바와 같이 흡수(吸收) 냉동기 또는 냉각기(chiller)에 파워를 부여하는데 사용되는 튼튼한 열원이다. 트랜스포머 열이 자기 냉각을 위한 에너지원이면, 팬 또는 증기 압축 냉동을 사용하여 달성되는 것보다 상당히 더한 에너지효율의 냉각 시스템을 실현할 수 있다.

도3의 그래프는 도2에 도시된 냉각 시스템에 의해 획득되는 이득을 설명하는 것을 도와주는 도면이다. 상기 그래프는 트랜스포머 냉각 오일에 온도상승에 대한 유용 시간에 트랜스포머 수명과 관련한다. 곡선(C)은 종래기술의 일반적인 강제식 오일과 에어 냉각 시스템의 성능 제한을 나타낸다. 상기 종래 시스템은 일반적으로 트랜스포머가 위험한 범위에서 동작할 수 있음을 의미하는 곡선(C)의 좌측에 대한 트랜스포머 성능을 예시적으로 유지할 수 없는 것이다. 그런데, 본 발명으로는 트랜스포머 성능이 항시 도3에 작동 범위(R)로 나타낸 바와 같이 "안전"지역에서 항시 유지된다.

도4와 도4a를 참고로 설명하면, 도2의 보완형 열교환기(44)로 냉매를 제공하기에 적절한 장비의 일 구조를 나타낸 도면이다. 도4에서는, 트랜스포머(20)와 도2에 도시된 상관 부품과 열교환기(44)와는 다른 열교환기가 '60'으로 간략하게 나타내었다. 이러한 실시예에서는 일반적으로 '65'로 지시된 흡수 냉각기 또는 냉동 발생기가 열교환기(44)용 냉매원으로서 사용된다.

흡수 냉각기(65)에 도관(48)이 작동적으로 접속되어 흡수 냉각기(65)로부터 냉각된 작업 유체 또는 냉매를 셀과 튜브 열교환기(44)로 공급된다. 상기 냉매는 양호하게 약 42℉와 60℉사이 온도에 물이다. 냉각기(65)는 컨트롤러(55)에 의해 제어되어 조절된 온도유체를 제공한다. 도관(60)은 흡수 냉각기(65)에 작동적으로 접속되어 재냉각용의 따뜻한 냉매를 복귀시킨다. 흡수 냉각기(65)는 파이프(72,74)를 경유하여, 흡수 냉각공정으로부터의 과도한 흡수열이 대기로 물리치도록 허용하는 일반적인 설계로 이루어진 냉각타워(70)에 접속된다. 파이프(72) 는 냉각용 냉각타워(70)로, 약 90℉와 130℉사이에 온도와 같은 고온수를 전달한다. 파이프(74)는 냉각 사용용 흡수 냉각기(65)로 약70℉과 100℉사이에 온도와 같은 저온수를 복귀시킨다.

흡수 냉각기(65)를 동력화 하는데 사용되는 열 에너지는 PCM(phase change material) 열교환기(80)로부터 파이프(78)에 의해 공급되는 약 200℉과 240℉사이에 온도와 같은 고온수로 공급된다. 스트림은 또한 열에너지원일 수 있다. 파이프(82)는 재가열을 위해 흡수 냉각기(65)로부터 재가열용 PCM열교환기(80)로 저온수를 복귀시킨다. 가장 양호한 실시예에서, PCM열교환기는 그 내용이 참고로서 본원에 기재된 발명의 명칭 "상 변화 물질을 통해 연장되는 열에너지 전달요소를 가진 상 변화 물질 열교환기"인 미국특허원 09/607,853호에 기술된 타입의 것이 있다.

도4a에서 간략하게 볼수 있는 바와 같이, 트랜스포머 스테이션(85)의 출력부는 상 변화 물질(89)에 매립된 열에너지 변경요소(87)에 전기적으로 접속된다. 트랜스포머 스테이션(85)으로부터의 전기는 요소(87)를 가열하도록 이탈(dispatch)되어 상 변화 물질(89)을 용융한다. 이러한 공정은 양호하게 개량 냉각 시스템이 거의 소요되지 않을 때에 밤과 같은 가능한 오프-라인 시간을 포함하는, 이탈 로드가 트랜스포머 비율보다 덜할 때에 낮시간에서 컨트롤러(55)와 같은 컨트롤러에 의해 개시된다. PCM 열교환기(80)는 용융상태로부터 상 변화 물질이 고형으로 되는 것을 포기한 열에너지가 열교환기의 환상부를 통하여 지나가는 물에 전달되고, 냉각기(65)가 열교환기(44)를 통하여 지나가는 트랜스포머 오일을 조절하는데 사용되는 냉매를 생산할 수 있도록 흡수 냉각기(65)로 전달되게 설계된다.

흡수 냉각기(65)의 내부동작에 대한 부가적인 설명은 당 기술분야에서 공지된 일반적인 것이기에 여기서는 설명하지 않는다. 예를 들어, 냉각기(65)의 구조와 작업에 관한 설명은 교시내용의 전문이 본원의 참조문헌으로 인용된 미국특허 제4,936,109호에 일층 상세하게 설명되어 있다.

도5의 상부평면도를 참고로 설명하면, 도4의 냉각 시스템을 예를 들어 100MVA 용량비로 현재 파워 트랜스포머(10)를 냉각하는데 채택되거나 새로이 개선된 부분을 일층 부가하여 도시한 도면이다. 현재 트랜스포머(10)는 4개의 강제식 오일 공기 주변 냉각 라디에이터(22)와 종래 모양으로 도2를 참고로 상술된 바와 같이 트랜스포머의 내부 용량부에 접속된 그 상관 펌프(28)가 이미 장착되어 도시되었다. 도2를 참고로 상술된 바와 같이, 라디에이터(22)로의 각 유입구에는 열교환기(44)와 같은 열교환기에 대해 연직으로 있는 공통 고온 오일 라인(42)에 접속된 밸브(40)와 같은 바이패스 밸브가 제공된다. 열교환기(44)를 통하는 통로에 의해 냉각되는 트랜스포머 오일은 4개 라디에이터(22)에 인접한 4개 유입구에서 트랜스포머로의 재도입을 위한 멀티-브랜치 파이프(46)에의해 복귀된다. 일 특정한 실시예에서, 열교환기에는 약 75therms의 열전달 용량이 제공되고 그리고 단일 유닛으로 도시되었더라도 필요한 냉각용량을 함께 제공하는 소형의 복합 유닛이 포함될 수 있다.

열교환기로부터의 냉각오일 배출구의 온도는 트랜스포머 로딩과 주변 상태의 함수이다. 주변 온도가 높으면, 열교환기는 컨트롤러(55)에 의해 제어로 냉각오일의 전체와 관련하여 재명령된 수준 너머로 트랜스포머가 가열되는 것을 유지하는 온도로 냉각오일을 배출하도록 작업한다. 예를 들면, 본원에 보다 충실하게 기술된 도5의 실시예용으로, 전기사용이 그 절정이어서 트랜스포머(10)가 완전 로드되는 사용 중에 중부지방(약100℉의 주변공기)에 한여름에 기온 상태 하에서, 냉각 오일은 과열로부터 트랜스포머를 지킬 필요가 있다. 특정한 순간에서 그리고 예를 들어서만, 열교환기(44)에 대한 오일 유입구의 온도는, 약176℉와 같은 저 설정점에서 열교환기(44)로부터의 냉각오일 배출구의 온도를 가지는 약221℉이다. 만일, 배출구 냉각오일의 저온이 상기 상태용으로 소망된다면, 보다 많은 에너지 저장을 위해 도5에 도시된 것보다 더한 열교환기와 마찬가지로 대형 냉각기가 요망될 것이다. 물론, 다른 타입의 열 싱크가 필수적인 에너지 저장 용량을 달성하도록 상술된 열교환기용으로 대체될 수 있다. 부가적으로, 주변 온도가 보다 낮은 상태에서는 열교환기의 출력이 보다 낮은 온도로 있으며 트랜스포머 효율을 향상하도록 트랜스포머를 더욱 냉각하는데(예를 들면, 221℉ 미만) 사용된다.

도5에 도시된 특정 실시예에서는, '66'에 개략 도시된 모든 날씨의 빌딩에 적재된 415톤 흡수 냉각기(65)는, 도관(48)을 통해 약 45℉에 냉각온도와 같은 냉매의 흐름을 가진 열교환기(44)를 제공한다. 도관(50)은 열교환기(44)로부터 냉각기(65)로 따뜻한 냉매를 복귀시킨다. 흡수 냉각기(65)는 종래 모양으로 파이프(72,74)를 경유하여 냉각타워(70)에 접속된다.

다시, 일예로서, 흡수 냉각기(65)는 도4를 참고로 기술된 타입의 복수의 PCM 열교환기(80)에 평행하게 접속된 파이프(78)에의해 배급되는 약240℉에 고온수에 의해 파워를 얻게된다. 열교환기(80)는 20개 유닛을 포함하며, 각각은 42푸트 롱 24인치 직경 튜브로 구조된다. 각각의 열교환기는 약8톤의 상 변화 물질 또는 소금으로 채워진다. 파이프(82)는 재가열을 위해 흡수 냉각기(65)로부터의 저온수가 복귀하도록 열교환기(80)와 평행하게 접속된다. 열교환기(80)는 냉각기(65) 또는 다른 냉각장치에 의한 사용을 위해 물을 필수적으로 가열시키는 전기에 의해 용융되는 상 변화 물질 내에서 수백만BTU(예를 들면, 최대 트랜스포머 로딩 중에 2시간 작동용과 온도용으로 충분한 15,000,000BTU)를 저장하도록 최대출력이 아닌 스테이션 전기가 선택적으로 공급된다. 열교환기(80)에 저장된 에너지가 초과 시간으로 사용됨으로서, 냉각 시스템의 동작을 조정하는 컨트롤러는 스테이션이 상 변화 물질의 에너지 저장을 보충하도록 최대출력을 벗어나 있을 때에 스테이션 전기로부터 첨가 전기 에너지가 흡인되게 한다. 즉, 상 변화 물질을 용융하는 전력은 스테이션의 전체 전기용량이 요구에 응하는 기능을 하는데 요청되지 않을 때에 하루(day) 중에 시간과 밤시간과 같이 낮은 전기요구 시간 중에 트랜스포머 변전소로부터 획득된다. 본 발명의 이러한 원리는 PCM타입 열교환기를 기준하여 설명되어졌지만, 다른 형태의 열교환기가 이러한 개량 시스템에 사용용으로 채택될 수 있다.

도6은 본 발명의 트랜스포머 냉각 시스템의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도6의 냉각 시스템은 트랜스포머에 의해 발생되는 열에 의해 흡수 냉각기가 파워를 얻도록 이용되는 제2열교환기(100)를 부가로 구비한 것을 제외하고는 도5의 냉각 시스템과 유사한 것이다. 일부 경우에서는, 흡수 냉각기가 작동을 개시하는 중에 부가성 냉각용량이 요망될 수 있다. 또한, 부가성 열에너지는 그 작동 개시가 용이하도록 냉각기 자신에 의해 필요할 수도 있다.

이러한 실시예에서는 트랜스포머로부터의 고온 냉각오일이 도관(42)에 접속된 브랜치(42a)를 경유하여 셀과 튜브 열교환기가 될 수 있는 열교환기(100)에 유입된다. 양호하게, 제어식 밸브는 도관(42)과 브랜치(42a) 사이에 배치되고, 밸브는 냉각 오일 온도의 함수로서 분리하여 프로그램할 수 있는 컨트롤러에 의해 흡수 냉각기(65)의 상태 또는 다른 상황을 조절할 수 있다. 감소된 온도 냉각오일은 주 열교환기(44)의 유입구에 접속된 브랜치(101) 내로 열교환기(100)로부터 방출된다. 특정 실시예에서, 제2열교환기는 221℉로부터 약190℉으로 오일을 감온시킨다.

열교환기(100)에의해 가열되는 물과 같은 작업유체가 재가열을 위해 흡수 냉각기(65)로부터 저온수를 복귀하는 파이프(82)에 접속된 파이프(102)에 의해 배급된다. 열교환기(100)로부터의 가열 작업유체 배출구는, 열교환기(44)에 전달되는 냉매 생성물에 파워를 제공하도록 흡수 냉각기(65)에 약200℉과 240℉사이와 같은 고온수를 공급하는 파이프(78)에 접속된 파이프(104)에 유입된다. 유체가 PCM 열교환기(80) 또는 열교환기(100)의 어느 하나와 흡수 냉각기(65)와의 사이에서 선택적으로 전달될 수 있도록 파이프(78,82)를 통한 개량된 냉각 시스템의 컨트롤러에 적절한 밸브동작부가 접속된다. 상기 밸브는 열에너지가, 열교환기(100)로부터 열에 의해서만 파워를 얻게될 때에 흡수 냉각기(65)에의해 제공될 수 있는 것보다 더크게 열교환기에 의해 요망되는 냉매가 있거나 또는 유효한 방식으로 냉각기의 개시 중에와 같은 임의적 기간 중에 PCM 열교환기(80)의 대형 열에너지원으로부터 흡수 냉각기(65)에 공급되도록 한다. 보다 특정적으로는, PCM 열교환기(80)는, 트랜스포머의 수명 또는 효율에 트랜스포머에 "쌓이는" 충분한 열이 역효과를 낼 때에 또는 열교환기(100)에 의해 방출되는 "쌓여진" 충분한 열이 트랜스포머 자체가 가지지 않으면 냉각기의 개시동작이 가능하도록 서지(surge) 열을 제공한다. 다른 실시예에서는, PCM 열교환기(80)를 사용하는 대신에, 냉각기의 개시부에 예를 들어 보조 보일러인 기구적 냉동 디바이스와 같은 다른 공지된 디바이스에 의해 제공된다. 열에너지는 흡수 냉각기가 개시되어져 있으면 열교환기(100)에 의해 냉각기(65)에 공급되어 연속 모드에서 동작하거나 보다 적은 냉매 생성물이 요망되는 시간에서 동작한다.

트랜스포머 열(열교환기(100))을 이용하는 시스템의 부속물로 PCM 열교환기를 사용하는 도6의 양호한 실시예는, 장비와 시스템이 하이 스트레스에서 최대 비용의 작동 모드일 때에 트랜스포머 운영을 향상시킬 수 있도록 PCM 시스템을 최소 비용으로 충전하도록 그리고 전기 에너지가 가장 활용할 수 있을 때에 상기 시간을 선택하여 트랜스포머 냉각 발명의 경제성이 최적하도록 시스템 운영자에게 허용한다. 이러한 구조로 이루어진 시스템의 유효한 이득은, 에너지 비용이 가장 낮을 때에 시간 중에, 최대출력 시간을 벗어난 시간 중에, 그리고 트랜스포머 냉각 시스템의 운영에 의해 이들이 다시 전해졌을 때에 시간 중에 PCM 열교환기에 저장되는 열을 "축적"하도록 시스템 운영자가 결정할 수 있어서, 상기 유닛이 낮은 주변온도로 인하여 임계온도 밑에서 작동할 수 있을 때라도, 유닛 전체 효율을 향상하고 운영비를 감소하는 트랜스포머 권선부와 코어 손실을 감소 시킨다.

300MVA 트랜스포머용으로 유용한 일 특정 실시예에서, 냉각기는 Trane Model ABSC-03F와 같은 354톤 디바이스이다. 상기 시스템은 흡수 냉각기용의 열원을 증 대하도록 3,300,000BTU의 최대출력이 아닌 상태로 저장된다.

도6의 실시예의 개조에서는 배출구 라인(101)이 도관(46)에 직접 접속되어서 주 열교환기(44)를 효율적으로 우회한다. 이러한 구조에서는 제2열교환기(100)가 트랜스포머 오일용의 주 냉각작용을 제공하여, 흡수 냉각기를 위한 출력 요구를 저하시킨다.

상술된 시스템(27)과 같은 본 발명의 냉각 시스템은 파워 발생 변전소의 일체 부분을 형성한다. 따라서, 도7에 도시된 바와 같이, 다수의 트랜스포머(10)에는 대응 냉각 시스템(27)이 제공된다. 각각의 냉각 시스템은 공통 냉각 타워(70)에 접속된 냉각기(65)와 같은 냉각기를 구비한다. 프로그램식 컨트롤러는 유지 또는 제어 빌딩에 적재된다. 단일 컨트롤러가 각각의 냉각 시스템용으로 제공되거나 또는 공통 컨트롤러가 매 냉각 시스템으로부터의 온도와 성능 데이터를 수신하여 제어 신호를 발급한다. 양호하게, 각각의 냉각 시스템(27)의 부품은 약360gpm에 냉각 오일이 순환하여 118ton/hr 에 이르는 온-라인 냉각동작을 완성하도록 계량된다.

본 발명이 양호한 실시예를 가지고 도시 및 설명되었지만, 본 발명은 본원의 청구범위의 정신을 이탈하지 않는 범위 내에서의 부가적인 개조를 이룰 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명은 일반적인 원리를 본원에 사용하여 변경되는 범위의 것을 포함하는 것이다.

Claims

파워 트랜스포머를 통해 흐르는 냉각제를 감온시키는 시스템에 있어서, 상기 시스템은:

파워 트랜스포머로부터의 냉각제를 수용하는 제1유입구 도관과 냉각제를 파워 트랜스포머로 복귀시키는 배출구를 갖는 제1열교환기가 있는 파워 트랜스포머 냉각 시스템;

제2열교환기와 소통하는 제2유입구 도관과 제1유입구 도관사이에 접속된 제어가능한 밸브,

제2열교환기를 통해 흐르는 냉각제로부터 열을 빼앗는 냉매가 제공되도록 제2열교환기에 접속된 냉매원, 및

파워 트랜스포머와 소통하는 제2열교환기의 제2배출구를 포함하며,

상기 제어가능한 밸브는 냉각제가 제2유입구 도관으로 이송되는 개방 위치와 냉각제가 제1유입구 도관을 통해 제1열교환기로 흐르게 하는 폐쇄 위치에서 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 감온시스템.
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제1항에 있어서, 상기 제어가능한 밸브는 트랜스포머 냉각 시스템 또는 트랜스포머의 온도의 함수로서 개방 위치 또는 폐쇄 위치로 제어되는 것을 특징으로 하는 감온시스템.
제5항에 있어서, 상기 제어가능한 밸브는 트랜스포머 냉각 시스템 또는 트랜스포머의 온도 프로필을 저장하기 위한 메모리와, 트랜스포머 냉각 시스템 또는 트랜스포머의 온도를 상기 온도 프로필과 비교하는 수단을 구비하는 프로그램식 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 감온시스템.
제1항에 있어서, 제2열교환기는 냉각제로부터 열을 빼앗는 냉매원을 이용하는 액체-액체 열교환기이며, 상기 냉매원은 흡수 냉각기를 구비하는 것을 특징으로 하는 감온시스템.
제7항에 있어서, 상기 흡수 냉각기는 액체 열저장 부품에 접속되는 것을 특징으로 하는 감온시스템.
제8항에 있어서, 상기 열저장 부품은 상 변화 물질(phase change material)을 구비하는 것을 특징으로 하는 감온시스템.
제8항에 있어서, 상기 열저장 부품은 트랜스포머에 의해 발생되는 에너지에 의해 파워를 얻는 것을 특징으로 하는 감온시스템.
제10항에 있어서, 상기 열저장 부품은 트랜스포머에 의해 발생되는 열에너지에 의해 파워를 얻는 것을 특징으로 하는 감온시스템.
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제1항에 있어서, 제2열교환기는 냉각제로부터 열을 빼앗는 냉매원을 이용하는 액체-액체 열교환기이며, 상기 냉매는 물인 것을 특징으로 하는 감온시스템.
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제1항에 있어서, 제1열교환기 및 제2열교환기는 냉각제로부터 열을 빼앗는 냉매원을 이용하는 액체-액체 열교환기인 것을 특징으로 하는 감온시스템.
제19항에 있어서, 상기 냉매원은:

흡수 냉각기와;

제1온도에서 흡수 냉각기로부터의 냉매를 수용하는 유입구와 제1온도보다 높은 제2온도에서 흡수 냉각기로 냉매를 방출하는 배출구를 가진 흡수 냉각기에 접속된 액체 열저장 부품을 구비하고;

상기 제2열교환기는 제1온도에서 냉매를 수용하고 제1온도보다 높은 제3온도에서 냉각기로 냉매를 방출하도록 흡수 냉각기에 접속되는 것을 특징으로 하는 감온시스템.
트랜스포머 냉각 시스템을 통해 흐르는 냉각제를 감온시키는 방법에 있어서, 상기 방법은:

냉각제를 감온시키도록 액체-액체 열교환기를 통해 냉각제를 통과시키는 단계와;

냉각제로부터 열 에너지를 추출하도록 열교환기를 통해 냉매를 통과시키는 단계 및;

열 에너지 저장 부품에 의해 구동되는 흡수 냉각기를 사용하여 냉매를 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 감온방법.
제21항에 있어서, 트랜스포머로부터 추출되는 에너지에 의한 열 에너지 저장 부품을 구동하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 감온방법.
제22항에 있어서, 트랜스포머로부터 추출되는 에너지는 열 에너지인 것을 특징으로 하는 감온방법.
제23항에 있어서, 트랜스포머로부터 추출되는 열 에너지는 여분의 열(waste heat)인 것을 특징으로 하는 감온방법.
제22항에 있어서, 상기 열에너지 저장 부품은 상 변화 물질을 함유하며, 트랜스포머로부터 추출되는 에너지는 전기 에너지인 것을 특징으로 하는 감온방법.
제22항에 있어서, 트랜스포머는 파워 분배 그리드의 일부이며 트랜스포머로부터 추출되는 에너지는 최대 출력 전기에너지 이외의 전기 에너지 (off-peak electrical energy)인 것을 특징으로 하는 감온방법.