SE511374C2

SE511374C2 - Air-cooled cable-wound power transformer

Info

Publication number: SE511374C2
Application number: SE9700341A
Authority: SE
Inventors: Gunnar Kylander
Original assignee: Abb Ab
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 1999-09-20
Also published as: SE9700341D0; SE9700341L

Abstract

The power transformer includes a winding comprising a flexible high voltage cable (1) wound around a transformer core. The cable comprises an electrically conducting core surrounded by an inner semiconductor layer, an insulating layer surrounding the inner semiconducting layer and consisting of solid material, and an outer semiconducting layer surrounding the insulating layer, the layers being adhered to each other. The winding is provided with spacers (3) arranged to separate each cable turn in axial direction in the winding in order to create disc-shaped cooling ducts. The winding is provided with at least one fan arranged to either force or suck air through all turns of the winding perpendicularly to the leg of the transformer core. Preferably, the spacers are in the form of blocks (30) shaped to abut the outer surface of the cable. Preferably, the spacers are arranged radially outwardly from the leg of the transformer core between each winding turn.

Description

A511 374 effektivt till det kylande mediet. Det gör det viktigt att alla lindningar står i direkt kontakt med tillräcklig mängd kylande medium. 5 UPPFINNINGENS SYFTE: Syftet med uppfinningen är att åstadkomma en anordning av inledningsvis angivet slag vilket möjliggör luftkylning av en kabellindad krafttransformator. Uppfinningen syftar till att 10 åstadkomma horisontella kylkanaler mellan varje lager av kablar där det kylande mediet är rätt fördelat för att klara kylbehoven hos kabellagren. Kylning av kärna och lindning erhålles genom att kylluften flödar radiellt genom horisontella kanaler i lindningen. Genom att variera de horisontella kanalernas höjd 15 fördelas luften i kanalerna efter deras kylbehov. A511 374 efficiently to the cooling medium. This makes it important that all windings are in direct contact with a sufficient amount of cooling medium. OBJECT OF THE INVENTION: The object of the invention is to provide a device of the type indicated in the introduction which enables air cooling of a cable-wound power transformer. The object of the invention is to provide horizontal cooling channels between each layer of cables where the cooling medium is correctly distributed to meet the cooling needs of the cable layers. Cooling of the core and winding is obtained by the cooling air flowing radially through horizontal channels in the winding. By varying the height of the horizontal ducts, the air in the ducts is distributed according to their cooling needs.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN: Föreliggande uppfinning avser en krafttransformator innefattande 20 en med kabel lindad transformatorkärna, anordnad så att lind- ningen är försedd med distanser som separerar varje kabelvarv i axiell led i lindningen för att skapa kylkanaler.SUMMARY OF THE INVENTION: The present invention relates to a power transformer comprising a cable-wound transformer core, arranged so that the winding is provided with spacers which separate each cable turn in the axial direction of the winding to create cooling channels.

Uppfinningen innefattar härvid radiella skivformade kylkanaler 25 mellan varje lager av kabel, dvs. varje lindningsvarv i axiell led, skapade med distanser anordnade på olika sätt vid lindning av spolen vilket framgår av visade utföringsformer. Dessa utföringsformer innefattar också horisontellt verkande fläktar för transport av luft genom kanalerna. 30 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA: Uppfinningen kommer nu med hänvisningsbeteckningar i anslutning till bifogade ritningsfigurer att närmare beskrivas. 35 10 15 20 25 30 35 Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur la lb 2a 2b 2c 2d 5:1 13 å74: visar en perspektivvy av en lindningsspole i en första utföringsform enligt uppfinningen visande horisontella kanaler mellan kabellagren. visar motsvarande perspektivvy som i figur 1 men med järnkärna. visar den första utföringsformen enligt figur 1 i en toppvy med distanser utgörande horisontella kanaler för luftgenomströmning vinkelrätt mot distanserna. visar en andra utföringsformen motsvarande figur 2a men där distanserna orienterats parallellt med strömnings- riktningen. visar en tredje utföringsform enligt föreliggande uppfinning i en toppvy med fyra radiella distanser bil- dande kanaler med pilar markerande luftströmningen. visar en fjärde utföringsform enligt föreliggande uppfinning i en toppvy med åtta radiella distanser bil- dande kanaler med pilar markerande luftströmningen. visar schematiskt ett radiellt snitt genom utförings- formen enligt figur 2c med ett fläktarrangemang enligt uppfinningen. visar ett snitt genom en högspänningskabel använd i lindningsspolen enligt föreliggande uppfinning.The invention here comprises radial disc-shaped cooling channels 25 between each layer of cable, i.e. each winding revolution in the axial direction, created with spacers arranged in different ways when winding the coil, as is apparent from the embodiments shown. These embodiments also include horizontally acting fans for transporting air through the ducts. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS: The invention will now be described in more detail with reference numerals in connection with the accompanying drawing figures. Figure 10 Figure Figure Figure Figure Figure Figure Figure Figure 1a 1b 2a 2b 2c 2d 5: 1 13 å74: shows a perspective view of a winding coil in a first embodiment according to the invention showing horizontal channels between the cable layers. shows a similar perspective view as in figure 1 but with an iron core. shows the first embodiment according to Figure 1 in a top view with spacers constituting horizontal channels for air flow perpendicular to the spacers. shows a second embodiment corresponding to figure 2a but where the distances are oriented parallel to the flow direction. shows a third embodiment according to the present invention in a top view with four radial distances forming channels with arrows marking the air flow. shows a fourth embodiment according to the present invention in a top view with eight radial distances forming channels with arrows marking the air flow. shows schematically a radial section through the embodiment according to figure 2c with a fan arrangement according to the invention. shows a section through a high voltage cable used in the winding coil according to the present invention.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN: Figur la visar en med kabel anordnad lindningsspole 1. Kabeln är lindad i en skivlindning varvid varje ytterligare lindningsvarv lindas radiellt utanför tidigare lindat varv. Lindningsspolen 1 är lindad med distanser 3 inlagda mellan varje lindningsvarv. lO 15 20 25 30 35 f 511 374 Distanserna är utformade som klossar 30 utformade till anligg- ning mot kabelns ytteryta.DESCRIPTION OF THE INVENTION: Figure 1a shows a winding coil 1 arranged with a cable. The cable is wound in a disk winding, each additional winding turn being wound radially outside the previously wound turn. The winding spool 1 is wound with spacers 3 inserted between each winding turn. 10 15 20 25 30 35 f 511 374 The spacers are designed as blocks 30 designed to abut against the outer surface of the cable.

Figur lb visar en del av en transformator med, pà motsvarande sätt, en med kabel anordnad lindningsspole l men anordnad kring en laminerad järnkärna i form av ett av transformatorkärnans ben 2. Lindningsspolen 1 är lindad med distanser 3 enligt ovan, inlagda mellan varje lindningsvarv.Figure 1b shows a part of a transformer with, correspondingly, a winding coil 1 arranged with cable but arranged around a laminated iron core in the form of one of the legs 2 of the transformer core. The winding coil 1 is wound with spacers 3 as above, inserted between each winding turn.

Figurerna 2 distanser, visar lindningar försedda med en andra typ av balkformade distanser, vilka placerats på fyra olika sätt. Som framgår av figur 2 a-d kan distanserna anordnas på ett flertal olika sätt för att erhålla mellanrum mellan de skivfor- made lindningsvarven för att möjliggöra en horisontell kylande luftström genom lindningsspolen.Figures 2 spacers, show windings provided with a second type of beam-shaped spacers, which are placed in four different ways. As can be seen from Figures 2 a-d, the spacers can be arranged in a number of different ways in order to obtain spaces between the disc-shaped winding turns in order to enable a horizontal cooling air flow through the winding coil.

Figur 2a visar en första utföringsform, motsvarande den i figur 1 visade, varv med en Distanserna mittersta i där distanserna 3 är placerade mellan varje lindnings- orientering vinkelrät mot strömningsriktningen. är anordnade med en distans diametralt, som den figuren och/eller som minst en korda genom lind- ningen mellan varje lindningsvarv, som de två distanserna på bàda sidor om järnkärnan. Distanserna är orienterade vinkelrätt mot strömningsriktningen. figuren och Luftströmningen visas med pilar i är vinkelrät mot distanserna och horisontell vid stående lindningsspolar.Figure 2a shows a first embodiment, corresponding to that shown in figure 1, a lap with a distances middle in which the distances 3 are placed between each winding orientation perpendicular to the flow direction. are arranged with a distance diametrically, as the figure and / or as at least one chord through the winding between each winding turn, as the two distances on both sides of the iron core. The distances are oriented perpendicular to the flow direction. the figure and the air flow are shown by arrows in are perpendicular to the distances and horizontal at standing winding coils.

Figur 2b visar en andra utföringsform i stort sett identisk med den i figur 2a visade men där distanserna i stället är oriente- rade parallell med strömningsriktningen. Luftströmningen visas med pilar i distanserna. figuren och är vid denna utföringsform parallell med Figur 2c visar en tredje utföringsform vilken är försedd med distanser 3 placerade radiellt ut från järnkärnan mellan varje lindningsvarv. Utföringsformen är anordnad med minst fyra distanser 3 jämnt fördelade runt transformatorkärnans ben 2.Figure 2b shows a second embodiment substantially identical to that shown in Figure 2a but where the distances are instead oriented parallel to the flow direction. The air flow is indicated by arrows in the distances. figure and is in this embodiment parallel to Figure 2c shows a third embodiment which is provided with spacers 3 placed radially out from the iron core between each winding revolution. The embodiment is arranged with at least four spacers 3 evenly distributed around the legs 2 of the transformer core.

I lO 15 20 25 30 35 s11374w Luftströmningen visas även vid denna utföringsform med pilar i figuren och är riktad vinkelrätt in mot järnkärnan parallell med två av distanserna och vinkelrät mot övriga de tvá distanserna.In this embodiment, the air flow is also shown with arrows in the figure and is directed perpendicular to the iron core parallel to two of the distances and perpendicular to the other two distances.

Figur 2d visar en fjärde utföringsform vilken är försedd med distanser 3 placerade radiellt ut frän järnkärnan mellan varje lindningsvarv. Utföringsformen är anordnad med åtta distanser 3 jämnt fördelade runt transformatorkärnans ben 2. Luftströmningen visas även vid denna utföringsform med pilar i figuren och är riktad vinkelrätt in mot järnkärnan parallell med två av distanserna och vinkelrät mot ytterligare tvá distanser samt delvis parallell med resterande fyra distanser. Luftströmningen är lika som den i figur 2c visade men med luftströmning runt ytterligare fyra distanser.Figure 2d shows a fourth embodiment which is provided with spacers 3 placed radially out from the iron core between each winding revolution. The embodiment is arranged with eight spacers 3 evenly distributed around the legs 2 of the transformer core. The air flow is also shown in this embodiment with arrows in the figure and is directed perpendicular to the iron core parallel to two of the distances and perpendicular to two more distances and partly parallel to the remaining four distances. The air flow is the same as that shown in figure 2c but with air flow around another four distances.

I figur 3 visas i en vy ovanifrán av en del av en trefas krafttransformator försedd med lindningar 1 utgörande spolar vilka med ovan visade distanser försetts med kylkanaler.Figure 3 shows in a view from above of a part of a three-phase power transformer provided with windings 1 constituting coils which are provided with cooling ducts with the distances shown above.

Distansernas form och material har ur kylningssynpunkt en mindre betydelse. De mekaniska, magnetiska och elektriska aspekterna i transformatorn bestämmer form, antal och material i distanserna.The shape and material of the distances are of minor importance from a cooling point of view. The mechanical, magnetic and electrical aspects of the transformer determine the shape, number and material of the spacers.

Figuren visar vidare transformatorns ok 5 vilket är en del av dess järnkärna. Oket 5 är visat i ett snitt och är försett med motsvarande laminatstruktur som transformatorkärnans ben 2.The figure further shows the yoke 5 of the transformer which is a part of its iron core. The yoke 5 is shown in a section and is provided with the corresponding laminate structure as the legs 2 of the transformer core.

Vidare är varje lindningsspole omsluten av ett fläktkàpa 6 inuti vilket kylluft är anordnad att strömma. Fläktkåpan 6 är vid ena sidan av lindningen 1 försedd med en fläkt 7 anordnad att endera trycka eller suga kylluft genom lindningen 1. Fläktkápan är vid fläkten motsatt sida försedd med en luftöppning 8 vilken kan vara utformad pá en mängd sätt men som företrädesvis sträcker sig längs hela lindningsspolens hela längd. Öppningens 8 bredd är 0.2 ø - 0.6 QL där ø är spolens ytterdiameter. Kylbehovet är olika för de olika lindningsvarven vilket innebär att man har olika kylflöden i de horisontella kanalerna. För att åstadkomma rätt fördelning av kylflöde har kanalerna olika dimensioner i axiell led i syfte att ge olika tryckmotstànd och därigenom fördela kylflödet efter kanalernas kylbehov. Det medför att .._..a,._..¿aui..i1.. .. 511 374 10 1.5 20 25 30 35 kanaler med lite kylbehov har ett mindre axiellt avstånd än kanaler med större kylbehov som har ett större axiellt avstånd.Furthermore, each winding coil is enclosed by a fan cover 6 inside which cooling air is arranged to flow. The fan cover 6 is provided at one side of the winding 1 with a fan 7 arranged to either push or suck cooling air through the winding 1. At the opposite side of the fan the fan cover is provided with an air opening 8 which can be formed in a number of ways but which preferably extends along the entire length of the entire winding coil. The width of the opening 8 is 0.2 ø - 0.6 QL where ø is the outer diameter of the coil. The cooling demand is different for the different winding turns, which means that you have different cooling flows in the horizontal channels. In order to achieve the correct distribution of cooling flow, the ducts have different dimensions in the axial direction in order to provide different pressure resistances and thereby distribute the cooling flow according to the cooling needs of the ducts. This means that .._ .. a, ._ .. ¿aui..i1 .. .. 511 374 10 1.5 20 25 30 35 channels with a small cooling requirement have a smaller axial distance than channels with a larger cooling requirement which have a larger axial distance.

Pilar markerar vidare i figuren en kylande luftström som ástadkommes genom att fläkten 7 pressar luft genom lindningsspo- " len. Flåktkàpan 6 år vid spolens båda ändar anordnad att tätande ansluta mot endera en ändplatta 9, visad streckad i figur 3, eller kröka in och täta mot de yttersta lindningsvarven för att inte kylluft skall kunna strömma ut axiellt längs järnkärnans ben. Utföringsformen i figur 3 år utformad med en fläkt per lindningsspole.Arrows further indicate in the figure a cooling air flow which is effected by the fan 7 forcing air through the winding coil ". towards the outermost winding turns so that cooling air cannot flow out axially along the legs of the iron core.The embodiment in Figure 3 is designed with one fan per winding coil.

I figur 4 visas en tvårsnittsvy på en högspänningskabel 111 att användas som transformatorlindning enligt föreliggande uppfin- ning. Högspäningskabeln 111 innefattar ett antal kardeler 112 med cirkulårt tvärsnitt av exempelvis koppar (Cu). Dessa kardeler 112 är anordnade i mitten av högspänningskabeln 111.Figure 4 shows a cross-sectional view of a high voltage cable 111 to be used as a transformer winding according to the present invention. The high voltage cable 111 comprises a number of strands 112 with a circular cross section of, for example, copper (Cu). These strands 112 are arranged in the middle of the high voltage cable 111.

Runt kardelerna 112 finns anordnat ett första halvledande skikt 113. Runt det första halvledande skiktet 113 finns anordnat ett isolationsskikt 114, t.ex. PEX-isolation. Runt isolationsskiktet 114 finns anordnat ett andra halvledande skikt 115. Begreppet högspänningskabel i föreliggande ansökan innefattar således ej det yttre skyddshölje som normalt omger en dylik kabel vid kraftdistribution. Högspänningskabeln har en diameter i inter- vallet 20 - 200 mm och en ledningsarea i intervallet 80 - 3000 2 mm .Arranged around the strands 112 is a first semiconducting layer 113. Around the first semiconducting layer 113 an insulating layer 114, e.g. PEX insulation. Arranged around the insulating layer 114 is a second semiconducting layer 115. The term high-voltage cable in the present application thus does not include the outer protective sheath which normally surrounds such a cable during power distribution. The high-voltage cable has a diameter in the range of 20 - 200 mm and a cable area in the range of 80 - 3000 2 mm.

Uppfinningen år inte begränsad till de visade exemplen utan ett flertal modifikationer är tänkbara inom uppfinningens ram.The invention is not limited to the examples shown, but a number of modifications are conceivable within the scope of the invention.

Således behöver det inte vara en fläkt för varje spole. Man kan tänka sig ett arrangemang med en fläkt som ombesörjer alla tre spolarna med tillräcklig mängd kylluft. Luften kan, som även indikerats ovan, både sugas eller tryckas i genom spolen för att _ åstadkomma önskvärd kylning. Likaledes är inte antalet distanser ' eller dess form bestämda, utan man kan ha ett flertal olika varianter av distanser för att erhålla rått kylning. 10 sin 374 En ytterligare modifiering är att anordna varvtalsstyrning av fläkten med hjälp av temperaturavkännare för att möjliggöra ett varierat kylbehov beroende pà last i transformatorn.Thus, there does not have to be a fan for each coil. One can imagine an arrangement with a fan that provides all three coils with a sufficient amount of cooling air. The air can, as also indicated above, be both sucked in or forced in through the coil to provide the desired cooling. Likewise, the number of spacers or its shape are not determined, but one can have several different variants of spacers to obtain raw cooling. A further modification is to provide speed control of the fan by means of temperature sensors to enable a varied cooling requirement depending on the load in the transformer.

Vidare kan mantelhöljet arrangeras pà ett flertal ytterligare sätt än som visats i ovan beskrivna utföringsformer. Man kan använda den yttersta kabellindningen som ytterhölje och kyla utsidan med naturlig konvektion. Man kan även tänka sig använda det översta respektive understa kabellagret som ändplattor. Den översta sidan och den understa sidan av kabellagren skulle härvid kylas genom egenkonvektion.Furthermore, the jacket casing can be arranged in a number of additional ways than shown in the embodiments described above. You can use the outermost cable winding as an outer casing and cool the outside with natural convection. It is also conceivable to use the top and bottom cable layer as end plates. The upper side and the lower side of the cable bearings would then be cooled by self-convection.

Claims

10 15 20 25 30 35 231511374 Patent claims:

Power transformer comprising a transformer core, characterized in that the core is wound with a cable and that the cable is a high voltage cable (111) which comprises a core with one. a plurality of strands (112), an inner semiconducting layer (113) surrounding the core, an insulating layer (114) surrounding the inner semiconducting layer (113), an outer semiconducting layer (115) surrounding the insulating layer (114) and the winding being provided with spacers (3) arranged to separate each cable turn in axial direction in the winding to create disc-shaped cooling ducts which winding is provided with at least one fan (7) arranged to either press or suck air perpendicular to the legs of the transformer core (2) through all winding turns .

Power transformer according to Claim 1, characterized in that the spacers (3) are designed as blocks (30) designed to abut against the outer surface of the cable.

Power transformer according to claim 1 or claim 2, characterized in that the distances (3) are arranged radially out from the legs (2) of the transformer core between each winding revolution.

Power transformer according to Claim 3, characterized in that at least four spacers (3) are evenly distributed around the legs (2) of the transformer core.

Power transformer according to Claim 4, characterized in that eight spacers (3) are evenly distributed around the legs (2) of the transformer core.

Power transformer according to Claim 1, characterized in that the spacers (3) are arranged diametrically and / or as at least one chord through the winding between each winding revolution. 10 15 20 25 511 374 9

Power transformer according to claim 6, characterized in that the spacers (3) are oriented either parallel to the cooling air stream or perpendicular to the cooling air stream.

Power transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the coil of the transformer is provided with an end plate (9) which tightly closes towards the upper winding turn and an end plate (9) which is tightly closed towards the lower winding turn.

Power transformer according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the upper and lower cables of the transformer coil form tightly fitting end plates.

10. that the periphery of the transformer winding is provided with an enclosing fan cover (6) to which a fan arranged to be perpendicular to the legs of the transformer core (2) or a power transformer according to claim 8 or 9, characterized (7) is connected to press or suck air through all winding turns.

11. ll. Power transformer according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the high-voltage cable (III) has a diameter in the range 20 - 200 mm and a line area in the range 80 - 3000 mmz.