WO2007009961A1 - Hermetisch abgeschlossener elektrischer apparat - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mit einer Isolierflüssigkeit ge füllten hermetisch abgeschlossenen elektrischen Apparat, vor zugsweise einen Transformator und Einrichtungen zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenschwankungen der in diesem enthaltenen Isolierflüssigkeit. Erfindungsgemäß erfolgt der Ausgleich dieser Volumenschwankungen über ein Gaspolster wel ches thermisch von der Isolierflüssigkeit entkoppelt ist. Die Unterbringung des größten Teiles des Gaspolsters erfolgt in einem vom Ausdehnungsgefäß der Isolierflüssigkeit getrennten Behälter. Die Gestaltung aller Komponenten der Volumenaus- gleichsvorrichtung erfolgt derart, dass die Funktion der üb lichen Überwachungsgeräte, insbesondere auch der Schwall schutz des Buchholzrelais erhalten bleibt. Die Erfindung ermöglicht einen hermetischen Abschluss des Transformators und damit eine deutliche Reduzierung der Alte- rung der Isolierflüssigkeit und der auf Zellulosebasis aufge bauten Isolierstoffe des Apparates. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht wei terhin den Verzicht auf Luftentfeuchter, und zugehörige Rohrleitungen .

Description

Beschreibung

Hermetisch abgeschlossener elektrischer Apparat

Die Erfindung betrifft einen mit einer Isolierflüssigkeit ge^¬ füllten hermetisch abgeschlossenen elektrischen Apparat, vorzugsweise einen Transformator und Einrichtungen zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenschwankungen der in diesem enthaltenen Isolierflüssigkeit.

Die Erfindung ermöglicht einen hermetischen Abschluss des Transformators und damit eine deutliche Reduzierung der Alte^¬ rung der Isolierflüssigkeit und der auf Zellulosebasis aufge^¬ bauten Isolierstoffe des Apparates. Der Einsatz der erfin- dungsgemäßen Anordnung ermöglicht weiterhin den Verzicht auf Luftentfeuchter und zugehörige Rohrleitungen.

Transformatoren und andere elektrische Geräte werden zur Kühlung und Isolation wie bekannt mit Öl oder anderen Isolier- flüssigkeiten gefüllt. Im Betrieb des Transformators kommt es durch Lastschwankungen und andere Einflüsse zu erheblichen Änderungen der Temperatur der Isolierflüssigkeit des Trans^¬ formators. Zur Aufnahme der durch diese Temperaturschwankungen verursachten Volumenänderungen der Isolierflüssigkeit des Transformators ist es Stand der Technik ein Ölausdehnungsge- fäß zu verwenden, welches über eine mit einer Steigung versehene Rohrleitung mit dem Gefäß des Transformators verbunden wird. Solche Ausdehnungsgefäße sind zum Beispiel in DE19527763C2 beschrieben. Nachteil dieser Ausdehnungsgefäße ist der Kontakt der Öloberfläche mit der Außenluft, was die Verwendung von so genannten Luftentfeuchtern erfordert. In diesen Luftentfeuchtern wird die Luft über ein Trocknungsmittel geführt und hierbei entfeuchtet. Die Adsorptionsfähigkeit des Trocknungsmittels (Hygroskopizität) wird hierbei aufge^¬ braucht und das Trocknungsmittel muss regelmäßig erneuert werden. Die periodisch notwendigen Sichtprüfungen sowie der regelmäßige Austausch des Trocknungsmittels, insbesondere in Gegenden mit hoher Luftfeuchtigkeit, stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar (Empfohlener Wartungsintervall: 3 Monate). Diese Luftentfeuchter bieten des Weiteren keinen sicheren Ab- schluss gegen die Aufnahme von Feuchtigkeit und Sauerstoff durch die Isolierflüssigkeit, insbesondere bei schneller Ab- kühlung des Transformators.

Um eine Ölverschlechterung durch atmosphärische Einflüsse zu verhindern ist es zweckmäßig, den Kessel mit dem Öl herme^¬ tisch und druckdicht abzuschließen. Dazu werden für kleinere Leistungen seit einiger Zeit hermetisch abgeschlossene

Transformatoren mit Wellwandkesseln eingesetzt. Für größere Leistungstransformatoren ist diese Kesselbauform auf Grund der geforderten Vakuumfestigkeit und der erforderlichen großen Volumenänderung nicht geeignet. Zunehmend besteht jedoch auch für diese Transformatoren die Forderung nach hermetischem Abschluss.

Dazu sind aus DE1971624U1 und DE10010737C2 Lösungen bekannt bei denen die Änderung des Volumens der Isolierflüssigkeit von speziellen Dehnradiatoren aufgenommen wird. Diese Lösung hat den Nachteil, dass die Ausgleichsvorgänge eine mechani^¬ sche Verformung des Radiators hervorrufen, wodurch dessen Festigkeit gefährdet wird.

Des Weiteren kommt es durch die Verformung des Radiators zu einer Veränderung des Querschnittes für die Öl- und Luftzirkulation. Die für diese Lösung benötigten Dehnradiatoren verursachen hohe Kosten, können nicht feuerverzinkt werden und sind zurzeit am Markt nicht frei verfügbar. Diese Dehnradiatoren können weiterhin nicht mit abgestuften Gliedern gefertigt werden, dies ist jedoch für größere Leistungs- transformatoren deren Kühlanlage innerhalb des Lademaßes für den Bahntransport liegen soll notwendig.

Des Weiteren sind Ausdehnungsgefäße bekannt, welche in der Hauptkammer eine Membran zur Trennung der Isolierflüssigkeit von der Umgebungsluft verwenden. Ein solches ist in DE3206368 beschrieben. Diese Ausdehnungsgefäße bieten zwar einen siche^¬ ren Abschluss der Isolierflüssigkeit von der Umgebungsluft, benötigen aber dennoch einen Luftentfeuchter was mit den bereits erwähnten Nachteilen verbunden ist. Weiterhin führt der Kontakt mit der Umgebungsluft zur Alterung der Membran und bedingt somit technische Unsicherheiten.

Bekannt ist weiterhin der Einsatz von Gaspolstern direkt unter dem Deckel von Transformatoren (DE710389, US3544938) . Diese Lösung bietet jedoch keine Möglichkeit der Abtrennung von Schadgasen vom Gaspolster und erfordert eine kostspielige Verlängerung der ölseitigen Isolierteile der Durchführungen. Eine Anordnung des Gaspolsters direkt über dem Ölspiegel führt bei Erwärmung des Transformators zu einer Übertragung der Wärme auf das Gaspolster. Diese Erwärmung des Gaspolsters führt zu einem zusätzlichen Druckanstieg im Gaspolster und somit im gesamten Transformatorengefäß. Neben der für diesen Druck erforderlichen Auslegung des Transformatorengefäßes, bewirken diese starken Temperatur- und Druckschwankungen starke Änderungen der Löslichkeit des das Gaspolster bildenden Inertgases in der Isolierflüssigkeit. Dies kann bei schneller Abkühlung des Transformators zur Bildung von Gasblasen in der Isolierflüssigkeit führen. Aus DE2308955 ist eine Lösung für Transformatoren mit Gas^¬ polster bekannt bei der über eine auf der Isolierflüssigkeit schwimmende Scheibe versucht wird eine Verminderung der ther^¬ mischen Kopplung des Gaspolsters an die Öltemperatur zu er- reichen. Dies kann auf Grund der bestehen bleibenden Lage des Gaspolsters direkt über dem Öl nur teilweise erreicht werden.

Die im Folgenden beschriebene Erfindung ermöglicht eine Kom- pensation der Änderung des Ölvolumens beim Betrieb des Trans^¬ formators, bei Vermeidung der oben genannten Nachteile. Die vorliegende Erfindung nutzt zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenschwankungen der Isolierflüssigkeit ein Gaspolster. Für dieses Gaspolster wird ein Inertgas, vorzugswei- se Stickstoff verwendet. Dieses Gaspolster wird erfindungsge^¬ mäß durch eine Membran von der Isolierflüssigkeit getrennt. Durch diese Trennung wird die Lösung des Gases in der Iso^¬ lierflüssigkeit weitgehend vermieden und damit eine so ge^¬ nannte Bubblebildung bei Sinken des Gaslösevermögens der Iso- lierflüssigkeit bei rascher Druckminderung infolge Abkühlung des elektrischen Apparates vermieden. Dadurch ist die Nutzung eines größeren Druckspieles ohne die Gefahr der gefährlichen Gasblasenbildung möglich.

Eine erfindungsgemäß angeordnete Membran ist nicht den Ein^¬ flüssen der Atmosphäre (Sauerstoff, Ozon, Wasserdampf) ausge^¬ setzt und erreicht eine hohe Lebensdauer.

Die der Trennung zwischen der Isolierflüssigkeit und dem Gas- polster dienende Membran (Gassack) wird erfindungsgemäß nicht für die Größe des Gaspolsters, sondern nur für die Aufnahme der Volumenschwankungen der Isolierflüssigkeit ausgelegt. Das für die Beschränkung des maximalen Druckes notwendige Gasvo- lumen wird in zusätzlichen Behältnissen zur Verfügung gestellt. Dadurch wird der Einsatz eines kleinen Gassackes mög^¬ lich, was nicht nur eine Reduzierung der Kosten sondern durch eine kleinere Membranfläche zwischen Gas und Isolierflüssig- keit eine weitere Verringerung der Gasdiffusion zur Folge hat.

Der Betrieb erfolgt in allen Betriebszuständen mit ungesättigtem Öl. Eine Vermischung von durch Ölzersetzung entstande- nen Gasen mit dem Gas des Gaspolsters wird vermieden.

Der Verzicht auf Lösung eines Teiles des Gases des Gaspols^¬ ters in der Isolierflüssigkeit erfordert natürlich ein etwas erhöhtes Volumen für die Gaskompressionskammer.

Die Trennung der Behältnisse bietet die Möglichkeit durch vorteilhafte Anordnung der Gaskompressionskammern die maximale Gastemperatur deutlich unter der maximalen Betriebstemperatur des Transformators zu halten. Dies bietet die Möglich^¬ keit der Verringerung des benötigten Volumens oder des maxi- malen Arbeitsdruckes. Die Anordnung der Gaskompressionskammern ist flexibel.

In einer besonderen Ausführungs form kann das die Membran enthaltende Teilgefäß gut zugänglich im unteren Bereich des Transformators angeordnet werden. Das ermöglicht eine Verrin- gerung der Bauhöhe des Transformators und die Gestaltung von transportfähigen voll ausgerüsteten Transformatoren hoher Leistung.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Transformators lässt sich ein völliger Abschluss der Isolierflüssigkeit von der Atmosphäre / Umgebungsluft erreichen. Die Aufnahme von Feuchtigkeit und Sauerstoff durch die Isolierflüssigkeit wird verhindert. Eine Beeinflussung der elektrischen Durchschlag- festigkeit der Isolierflüssigkeit durch Feuchtigkeit wird vermieden, sowie die Alterung der Isolierflüssigkeit und der Zellulose der Isolierteile deutlich herabgesetzt.

Der Luftentfeuchter, sowie die zugehörigen Rohrleitungen können entfallen. Die regelmäßige Prüfung des Zustandes des Trocknungsmittels im Luftentfeuchter kann eingespart werden und es kommt zu Kosteneinsparungen durch den Entfall des kostspieligen regelmäßigen Austausches des Trocknungsmittels. Umweltverschmutzungs- und Entsorgungsprobleme durch ver^¬ brauchte Trocknungsmittel werden vermieden.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Transformators wird ein sicherer hermetischer Abschluss des Transformators, bei Entfall der einen hohen Wartungsaufwand erfordernden Kompo^¬ nenten, erzielt.

Die beschriebene Lösung sichert des Weiteren die volle Funk^¬ tionsfähigkeit des Buchholzrelais. Der in der Erfindung be- schrieben Transformator kann problemlos derart gestaltet werden, dass alle für die Funktion des hermetischen Abschlusses notwendigen Baugruppen außerhalb des eigentlichen Körpers des Transformators angeordnet sind und die gleichen äußeren An^¬ schlüsse, wie ein Transformator konventioneller Bauart nut- zen. Dadurch ist eine einfache Möglichkeit der Nachrüstung vorhandener Transformatoren gegeben.

Im Gegensatz zu anderen Lösungen kommt es bei der erfindungsgemäßen Gestaltung des Transformators bei Defekten der hermetisch abschließenden Volumenkompensationsvorrichtung nicht zu einem Ausfall des Transformators, sondern dieser kann als konventioneller Transformator weiterarbeiten. In einer weiteren Ausführungsform werden die zusätzlichen Behälter für das Gaspolster vom Transformator getrennt aufgestellt, dadurch ist eine Anpassung der Anlage an vorhandene Flächen möglich. Vorteilhafterweise wird für die Aufstellung der Behälter für das Gaspolster ein Ort mit geringen Temperaturschwankungen genutzt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Gasbehälter mit einem Sonnenschutzblech oder einer Sonnenblende vor übermäßiger Erwärmung geschützt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird der Gaskompressionsraum (12) mit einem zusätzlichen Druckventil ausgestattet, welches bei einem deutlich kleineren Druck anspricht als das großflächige, relativ trägheitslos arbei^¬ tende, den elektrischen Apparat vor im Schadensfall durch Zersetzung von Isolierflüssigkeit entstehende Druckwellen schützende Druckentlastungsventil . Wird der Transformator bei normaler Umgebungstemperatur mit Überlast gefahren so ist der für die maximale Umgebungstempe^¬ ratur ausgelegte Gaskompressionsraum in der Lage, die zusätzliche Volumenzunahme der Isolierflüssigkeit aufzunehmen. Er^¬ folgt die Überlastung bei maximaler Umgebungstemperatur, so kommt beim erfindungsgemäß ausgeführten Transformator nicht zum Ansprechen des Druckentlastungsventiles oder Hermetik- schutzes mit dem damit verbundenen Abschalten des Transforma^¬ tors, sowie dem mit dem Ansprechen dieser Überwachungsgeräte verbundenen Ölverlust wie bei anderen Hermetiktransformato- ren, sondern es erfolgt durch das bei einem geringeren Druck ansprechende Gasablassventil lediglich ein geringer Gasver^¬ lust. Der Transformator kann normal weiterbetrieben werden. Es ist lediglich erforderlich bis zum entgegengesetzten Extrembetriebsfall (Leerlauf oder Abschaltung bei minimaler Um- gebungstemperatur) die verloren gegangene Gasmenge zu erset^¬ zen. Erfolgt auch das nicht, besteht lediglich eine erhöhte Gefährdung für das Dichtungssystem, eine Verformung des Kessels und anderer Komponenten ist ausgeschlossen, da diese Transformatoren um die üblichen Füllprozesse zuzulassen vakuumfest ausgeführt sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbei^¬ spielen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Transformator (2) mit einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse (4) der mit einer Isolierflüssigkeit (5.1) gefüllt ist. Über eine Rohrleitung (15) die mit einem Buchholzrelais (Bl) ausgestattet ist erfolgt infolge der thermisch bedingten Volumenschwankungen der Isolierflüssigkeit der Fluss derselben in ein Ausdehnungsgefäß (11) . In diesem ist eine Membran (14) untergebracht, welche die Iso^¬ lierflüssigkeit (5.2) vom Gas (6.1) trennt. Das Ausdehnungsgefäß (11) ist über eine Rohrleitung (16) mit weiteren Kammern für das Gaspolster (12) ausgestattet, welche derart angeordnet sind, dass eine thermische Entkoppelung des Gaspolsters (6.2) von der Temperatur der Isolierflüssigkeit im Transformator erfolgt. Im Ausführungsbeispiel werden so- wohl das Ausdehnungsgefäß (11) als auch die vom Transformator thermisch entkoppelte Gaskompressionskammer (12) durch Blechzylinder gebildet. Die Ausführung der Gaskompressionsbehälter als externe Zylinder ermöglicht die Schaffung des benötigten Kompressionsvolumens zu sehr geringen Kosten.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei der das Ausdehnungsgefäß für die Isolierflüssigkeit (11) unter^¬ halb der Oberkante des Gehäuses (4.2) eines Transformators angeordnet ist und mittels einer Verbindungsleitung (15) der^¬ art mit dem Gefäß (4) verbunden ist, dass die volle Funktions^¬ fähigkeit des Buchholzrelais gewährleistet ist. Im Schadensfall durch Zersetzung der Isolierflüssigkeit ent- stehende Gase steigen nach oben und werden im Buchholzrelais (Bl) gesammelt.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Gaskompressionskammer (12) ermöglicht durch die Strömung der Isolierflüssigkeit durch eine Verbindungsleitung entsprechend großen Querschnitts (15) im Gegensatz zu anderen Lösungen die Nutzung des im Buchholzrelais (Bl) integrierten Schwallschutzes. Die bei ener^¬ giereichen Entladungen durch Gasentwicklung entstehenden Druckwellen führen zu einer starken Isolierflüssigkeitsströ- mung in Richtung Ausdehnungsgefäß (11) und führen zur Betäti^¬ gung einer im Flüssigkeitsstrom angeordneten Stauklappe des Buchholzrelais (Bl).

Mit dem Ausführungsbeispiel dargestellte Anordnung des Aus- dehnungsgefäßes (11) lässt sich die Gesamthöhe des Transfor^¬ mators wesentlich verringern. Weiterhin wird die Gestaltung von im voll aufgerüsteten Zustand transportfähigen Transformatoren großer Leistung wesentlich erleichtert. Eine Sonnenschutzblende (29) verhindert eine übermäßige Er- wärmung der Gaskompressionskammer.

Weiterhin ist die Gaskompressionskammer (12) mit einem zusätzlichen Druckventil (D3) ausgestattet, welches bei einem deutlich kleineren Druck anspricht als das großflächige, re- lativ trägheitslos arbeitende, den elektrischen Apparat vor im Schadensfall durch Zersetzung von Isolierflüssigkeit ent^¬ stehende Druckwellen schützende Druckentlastungsventil (Dl) . Wird der Transformator bei normaler Umgebungstemperatur mit Überlast gefahren so ist der für die maximale Umgebungstempe^¬ ratur ausgelegte Gaskompressionsraum (12) in der Lage, die zusätzliche Volumenzunahme der Isolierflüssigkeit aufzuneh- men. Erfolgt die Überlastung bei maximaler Umgebungstempera^¬ tur, so kommt beim erfindungsgemäß ausgeführten Transformator nicht zum Ansprechen des Druckentlastungsventiles (Dl) oder Hermetikschutzes mit dem damit verbundenen Abschalten des Transformators, sowie dem mit dem Ansprechen dieser Überwa- chungsgeräte verbundenen Ölverlust wie bei anderen Herme- tiktransformatoren, sondern es erfolgt durch das bei einem geringeren Druck ansprechende Gasablassventil lediglich ein geringer Gasverlust.

Claims

Patentansprüche

1. Transformator (2) mit einem dichten, mit einer Isolier- und Kühlflüssigkeit (5.1) gefülltem Gehäuse (4), zur Aufnah- me der thermisch bedingten Volumenschwankungen der Isolierflüssigkeit (5.1) mittels eines Gaspolsters (6), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Ausdehnungsgefäß (11) für die Isolierflüssigkeit (5.2) derart bemessen und gestaltet ist, dass der Kessel (4) des Apparates in allen Betriebszuständen vollständig mit Isolierflüssigkeit (5.1) gefüllt ist, wobei das die Volumenschwan^¬ kungen der Isolierflüssigkeit aufnehmende Gaspolster durch eine Membran (14) von der Isolierflüssigkeit (5.2) getrennt ist und die Membran (14) hermetisch von der umgebenden Atmo- Sphäre getrennt ist.

2. Transformator (2) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein wesentlicher Teil des Gaspolsters (6.2) in einem vom ei- gentlichen Ausdehnungsgefäß (11) der Isolierflüssigkeit (5) getrennten Behälter (12) untergebracht ist und das zumindest dieser Gaskompressionsraum (12), derart angeordnet wird, dass eine thermische Entkopplung von dem sich im oberen Bereich des elektrischen Apparates (2) befindlichen warmen Schichten der Isolierflüssigkeit (5.1) gewährleistet ist.

3. Transformator (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verbindungsleitung zwischen dem Gefäß des elektrischen Apparates (4) und dem Ausdehnungsgefäß (11) derart angebracht wird, dass aufsteigende Gase sicher zum Buchholzrelais (Bl) transportiert werden und

4. Transformator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gefäß (4) des elektrischen Apparates (2), das Ausdehnungsgefäß (11) für die Isolierflüssigkeit (5.2) und die Gas- kompressionskammer eine druckfeste hermetisch abgeschlossene Einheit bilden.

5. Transformator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Ausdehnungsgefäß für die Isolierflüssigkeit (11) unter^¬ halb der Oberkante des Gehäuses (4.2) des elektrischen Appa^¬ rates angeordnet ist und mittels einer Verbindungsleitung (15) derart mit dem Gefäß (4) verbunden ist das die volle Funktionsfähigkeit des Buchholzrelais (Bl) gewährleistet ist.

6. Transformator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei Überschreitung eines bestimmten Druckes im Inneren des Apparates durch Öffnen von Absperrmitteln (Dl) der Überdruck im Gefäß des Transformators vermindert wird.

7. Transformator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Transformator mit Vorrichtungen zur Sammlung und zum Ab- lassen von sich bildenden Gasen ausgestattet ist.

8. Transformator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die den größeren Teil des Gaspolsters (6.2) enthaltenden Be- hältnisse durch geeignete Maßnahmen (z.B.: Sonnenschutzblende (29) , Farbgebung) vor Erhitzung durch direkte Sonneneinstrahlung geschützt werden.

9. Transformator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass an der Gaskompressionskammer (12) ein träge arbeitendes Druckablassventil (D3) angebracht ist, welches bei einem deutlich kleineren Druck anspricht als das großflächige, re^¬ lativ trägheitslos arbeitende, den elektrischen Apparat vor im Schadensfall durch Zersetzung von Isolierflüssigkeit ent^¬ stehende Druckwellen schützende Druckentlastungsventil (Dl) .

10. Transformator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das die Membran enthaltende Ausdehnungsgefäß mit Vorrichtun^¬ gen zur Erfassung des Füllstandes der Isolierflüssigkeit und / oder Erfassung des Druckes ausgestattet ist.