WO2011026603A1 - Trockentransformator - Google Patents

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WO2011026603A1
WO2011026603A1 PCT/EP2010/005342 EP2010005342W WO2011026603A1 WO 2011026603 A1 WO2011026603 A1 WO 2011026603A1 EP 2010005342 W EP2010005342 W EP 2010005342W WO 2011026603 A1 WO2011026603 A1 WO 2011026603A1
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WO
WIPO (PCT)
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winding
container
heat transfer
heat exchanger
transfer medium
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/005342
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English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Weber
Marcos Bockholt
Frank Cornelius
Burak Esenlik
Jens Tepper
Original Assignee
Abb Technology Ag
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Filing date
Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2876—Cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/02—Casings
    • H01F27/025—Constructional details relating to cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/327—Encapsulating or impregnating
    • H01F2027/328—Dry-type transformer with encapsulated foil winding, e.g. windings coaxially arranged on core legs with spacers for cooling and with three phases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/085—Cooling by ambient air

Definitions

  • the invention relates to a dry-type transformer having at least one transformer core and at least one arranged around a winding axis electrical winding, with tube-like cooling channels, which extend through the winding along the winding axis and between the two axial end faces and with a closed container, within which Transformer core and the winding are arranged.
  • dry-type transformers which are just not surrounded by a liquid cooling medium, in particular to provide removal of heat loss arising by means of suitable - preferably ambient air - cooling systems, for example by integration of cooling channels in the electrical windings.
  • an encapsulation of a dry-type transformer in a housing is necessary, for example, to protect the transformer from harmful environmental conditions such as explosive gases, which are to be kept away from the transformer.
  • protection of the environment from a defective transformer is also provided by such encapsulation.
  • CONFIRMATION COPY An encapsulation of a dry-type transformer in a housing has a negative effect on its cooling.
  • the heat transfer is either integrated into the housing cooling means or by an external heat exchanger, for. As air-air or air-water, ensured.
  • the supply of a cooling medium is usually in the lower region of the transformer housing, wherein the heating causes a movement of the cooling medium upwards, where it is then removed in heated form. It is common to place an air baffle horizontally in the transformer housing, which separates the upper from the lower part, so as to force the rising air through the cooling channels of the winding.
  • the consequence is compared to a transformer without encapsulation significantly deteriorated cooling effect, also can arise within the housing areas with negative pressure. This can lead to unwanted, such as explosive and aggressive gases penetrate into the housing.
  • a dry-type transformer of the type mentioned at the outset is characterized in that at least one first heat transfer tube through which a heat transfer medium passes is guided through at least one of the cooling channels and fluidically connected thereto at the first end side of the winding.
  • the at least one cooling channel emerging from the second, opposite end side of the winding opens into the container and at least one outlet opening for the heat transfer medium is provided in a wall of the container.
  • the invention has the advantage that an external, initially still cold heat transfer medium flows directly through the cooling channels of the winding, and thus causes a cooling effect directly at the source of heat generation.
  • the heat transfer medium entering the container at the other end of the cooling channels and partially heated preferably flows through the container in the opposite direction and thus causes an additional cooling effect on the outer surfaces of the winding or a cooling of the transformer core as well.
  • Another advantageous cooling effect is achieved in that the first heat exchanger tube is also guided by the container heated in normal operation.
  • the heat exchanger tube through which the cold heat transfer medium still flows has a cooling effect on the interior of the container and thus also cools the transformer.
  • At least a second heat transfer tube through which a heat transfer medium is introduced is inserted through a wall of the container, runs inside the container but not through the winding or through the transformer core and opens into the container in the region of the second end side of the winding.
  • this offers the advantage that cooling passages of the windings, which are covered for example by a yoke of the transformer core, and into which no first heat exchanger tubes can therefore flow from the first end side of the winding, are flowed through from the second end side by a cooling medium.
  • the flow takes place in this case in opposite directions to the flow through the cooling channels, which are connected directly to a first heat exchanger tube.
  • the heat transfer medium flowing out of the second heat transfer tube does not flow forcibly only into the relevant cooling channels, but rather moves the heat transfer medium after it has left the second heat transfer medium. gerrohr within the container interior in the direction of the outlet opening and thereby also causes a cooling of the outer surfaces of the winding and the transformer core.
  • the second heat transfer tube extending through the container interior also brings about a further additional cooling effect, so that a very efficient additional cooling possibility is realized here.
  • the second heat exchanger tube extends at least along an axial winding length through the closed container.
  • a further improvement of the heat exchange between the heat exchanger tubes and the heated interior of the container is given if, according to the invention, at least one heat exchanger tube extends at least in sections meandering and / or spiral-like through the closed container.
  • the at least one outlet opening is arranged in the upper region of the closed container. According to the thermally induced volume expansion of the heat transfer medium when heated, this will usually be the warmest in the upper interior of the container, so that with a correspondingly arranged in the upper region outlet opening as effective as possible heat dissipation is given by outflowing, heated heat transfer medium.
  • the first end side of the winding is arranged in the upper region and the second end side in the lower region of the closed container.
  • the heat transfer medium flowing through the first heat exchanger tubes flows directly into the cooling tubes of the windings and occurs at the second ten end face of the winding.
  • the second heat exchanger tube opens in the region of the second end side of the winding.
  • the partially heated heat transfer medium thus flows in the lower tank area from the respective tubes in the inner region of the container and then flows from there - taking advantage of said thermal effect - in the upper region, where then the outlet opening is provided.
  • At least one cooling channel emerging at the second end side of the winding and / or at least one second heat exchanger tube opening in the region of the second end face are each provided with a bent connection element which is intended to at least partially expose a respective emerging heat transfer medium flow Redirecting direction of the second end of the winding.
  • Such a bent connecting element is in the simplest case a bent by about 180 ° U-shaped piece of pipe, which deflects the vertically downward, for example within a tube heat transfer medium flow at the outlet from this, so that the outlet direction of the heat transfer medium from the tube of the preferred flow direction within the container, namely from bottom to top, corresponds. In this way, an improved cooling is achieved.
  • additional diffusers may be provided, which redirect the heat transfer medium flow to particularly important areas, e.g. the mouths of cooling channels on the second end face of the winding, which are open at its opposite side and not connected to a first heat exchanger tube.
  • a flow through these cooling channels is guaranteed.
  • At least one heat exchanger tube is made of an electrically insulating material and / or of a flexible material. This simplifies the manufacture of such a transformer.
  • at least one heat exchanger tube is provided with a color layer which promotes radiation absorption, for example black, and / or with cooling ribs. All these measures favor a heat exchange between the outer surface of the heat exchanger tube and the heated interior of the container through which it is guided. In this way, the cooling effect is further improved.
  • air is provided as the heat transfer medium, which is ideally still filtered prior to introduction into the respective heat exchanger tubes.
  • the introduction of the still cold heat transfer medium in the wall-side mouths heat exchanger tubes is carried out according to an embodiment of the invention the dry-type transformer by means of a pumping device, such as a compressor or a fan.
  • a pumping device such as a compressor or a fan.
  • the pumping device has valve means, so that even when the pumping device is not running, no heat transfer medium can escape from the container through the inlet openings.
  • all the outlet openings are provided with a pressure relief valve, namely an overpressure encapsulation of the dry-type transformer is realized in an advantageous manner.
  • the pressure relief valves at the outlet openings may for example be designed such that a discharge of heated heat transfer medium from the container is only possible from an overpressure of 50 Pa. This pressure is continuously built up by the pumping device. By so prevailing in the entire interior of the container minimum pressure overpressure is achieved, which avoids ingress of unwanted gases into the container and their requirements are described in more detail, for example, in the IEC 60079-2. In case of failure of the pumping device, a pressure drop within the container is advantageously avoided by the provided valve means.
  • FIG. 1 shows a first exemplary dry-type transformer
  • FIG. 3 shows a third exemplary dry-type transformer.
  • FIG. 1 shows a first exemplary dry-type transformer in a lateral sectional view 10.
  • a transformer core 12 visible in this illustration by a cross-sectional view of its upper and lower yoke, is arranged in a closed container 24, for example a metal transformer encapsulation.
  • the transformer core 12 has three legs, which are not visible in this illustration, which are each enclosed by a hollow-cylindrical winding, only one winding 16 being visible in this illustration.
  • the electrical connection of the three windings is not relevant in the context of the invention, but it can be assumed that a star-delta connection of upper and lower side windings is given.
  • the container or the transformer housing is essentially formed of an upper wall 28, four side walls 30 and a lower wall 32 and mounted on a trolley provided with no reference numeral.
  • a respective heating for example, at 120 ° C to 150 ° C, which is the highest in the winding 16 itself . Due to the arrangement in the closed container 24 heat removal to the environment is initially difficult.
  • a plurality of first heat exchanger tubes 26 are inserted through the upper wall 28 of the container 24 in the interior, extended linearly up to a plurality of cooling channels 18 and with these at the upper, first axial end face 20 of the winding 16 fluidly connected.
  • the cooling Channels 18 are shown in simplified form and are to be regarded as arranged in a circle around and along the winding axis 14 of the winding 16, for example between the primary and secondary winding part. At the lower, second axial end face 22 of the winding 16, the cooling channels 18 emerge from this again. At the respective exit point, the cooling channels 18 are extended with different curved connection elements 38. Not every cooling channel 18 is supplied directly from a respective first heat exchanger tube 26 with a continuous heat transfer medium flow, in particular those cooling channels 18, which are covered by the upper yoke of the transformer core 12, initially remain open.
  • a heat transfer medium in this case room temperature incoming air 46, continuously introduced through the first heat exchanger tubes 26 by a compressor, not shown.
  • a first cooling effect of the heated inner space of the container 24 already takes place in that heat is transferred to the outer surface of the first heat exchanger tubes 26.
  • This effect is reinforced by cooling fins 42, which are arranged disc-like around the first heat exchanger tubes 26.
  • the now slightly heated air passes into the linearly adjacent cooling channels 18, there cools the coil 16 from the inside and enters with the reference numeral 22 at the lower end of the winding on the cooling channels subsequent curved connection elements 38 in the interior of the container 24 a. Due to the deflecting effect of the connecting elements 38, the flow direction of the heat transfer medium air is rotated and now directed from below onto the winding 16 and the transformer core 12, whereby the cooling effect is increased.
  • the air inside the container 24 rises and at least partially flows through cooling channels 18, which are not connected to a heat exchanger tube 26. Arrived in the upper region of the container, the heated or heated air 48 exits through outlet openings 34 into the environment.
  • a respective valve means 44 is provided at the outlet openings 34, which opens only from a predetermined internal pressure. In the event that the compressor should fail once, a check valve must also be provided at the respective feed openings.
  • a plurality of second heat exchanger tubes 36 are also provided, which is also introduced through the upper wall 28 of the container and through which the interior of the container is also cooled in an advantageous manner, where also disc-like cooling fins 42 are provided, which of course along the Heat exchanger tubes can be provided as elongated ribs.
  • connection elements 38 are also provided, through which the air flow exiting from these is directed to the underside of the winding 16.
  • FIG. 2 shows a second exemplary dry-type transformer in a plan view 60.
  • a second closed container 66 or, in the plan view illustration, an upper roof wall 69 of the container 66 is visible. This is pierced by a plurality of orifices of first heat exchanger tubes 62, which are arranged segmentally in a circle around three - not shown - located within the transformer windings. Only those cooling channels are brought out in an extension with a respective first heat exchanger tube 62 to the roof wall 69, which are not covered by a yoke of the transformer core, but as described in more detail in the next Fig.
  • FIG. 3 shows a third exemplary dry-type transformer in an open plan view 70.
  • a transformer core 82 is visible with its upper yoke and three windings 76, which are each arranged like a hollow cylinder around a respective leg of the transformer and about a respective winding axis 80.
  • the cooling channels 74 which traverse them axially, are also visible, at least those which are not covered by the yoke of the transformer core 82.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transformer Cooling (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Trockentransformator (10) mit wenigstens einem Transformatorkern (12) und wenigstens einer darauf angeordneten, um eine Wickelachse (14) verlaufenden elektrischen Wicklung (16), mit rohrähnlichen Kühlkanälen (18), welche sich durch die Wicklung (16) längs deren Wickelachse (14) und zwischen deren beiden axialen Stirnseiten (20, 22) erstrecken und mit einem geschlossenen Behälter (24), innerhalb dessen der Transformatorkern (12) und die Wicklung (16) angeordnet sind. Wenigstens ein erstes von einem Wärmeträgermedium durchströmbares Wärmeübertragerrohr (26) ist durch eine Wandung (28, 30, 32) des Behälters (24) zu wenigstens einem der Kühlkanäle (18) geführt und mit diesem an der ersten Stirnseite (20) der Wicklung (16) strömungstechnisch verbunden. Der wenigstens eine an der zweiten, gegenüberliegenden Stirnseite (22) austretende Kühlkanal (18) mündet im Behälter (24) und in einer Wandung (28, 30, 32) des Behälters (24) ist wenigstens eine Austrittsöffnung (34) für das Wärmeträgermedium vorgesehen.

Description

Trockentransformator
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Trockentransformator mit wenigstens einem Transformatorkern und wenigstens einer darauf angeordneten, um eine Wickelachse verlaufenden elektrischen Wicklung, mit rohrähnlichen Kühlkanälen, welche sich durch die Wicklung längs deren Wickelachse und zwischen deren beiden axialen Stirnseiten erstrecken und mit einem geschlossenen Behälter, innerhalb dessen der Transformatorkern und die Wicklung angeordnet sind.
Es ist allgemein bekannt, dass in elektrischen Energieverteilungsnetzen in mittleren Spannungsebenen, beispielsweise 400V bis 10kV aber auch bis 110kV, Trockentransformatoren eingesetzt werden. Diese vermeiden insbesondere eine im Höchst- spannungsbereich, beispielsweise 380kV, übliche Anordnung des Transformators in einem mit Öl gefüllten Transformatorkessel, wobei das Öl auch dem Zweck dient, anfallende Verlustwärme aus dem Transformatorkessel zu transportieren.
Von daher ist bei Trockentransformatoren, welche eben nicht von einem flüssigen Kühlmedium umgeben sind, insbesondere auch auf eine Abfuhr entstehender Verlustwärme mittels geeigneter - vorzugsweise umgebungsluftbasierter - Kühlsysteme zu sorgen, beispielsweise durch Integration von Kühlkanälen in die elektrischen Wicklungen.
In einer Vielzahl von Anwendungsfällen ist jedoch auch eine Kapselung eines Trockentransformators in einem Gehäuse notwendig, beispielsweise auch zum Schutz des Transformators vor schädlichen Umgebungsbedingungen wie explosiven Gasen, welche von dem Transformator fernzuhalten sind. Ebenso ist durch eine derartige Kapselung aber auch ein Schutz der Umgebung vor einem schadhaften Transformator gegeben.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Eine Kapselung eines Trockentransformators in einem Gehäuse wirkt sich negativ auf dessen Kühlung aus. Bei Anordnung eines Trockentransformators in geschlossenen Gehäusen, die keinen Luftaustausch mit der Umgebung zulassen, wird der Wärmetransport entweder über in das Gehäuse integrierte Kühleinrichtungen oder durch einen externen Wärmetauscher, z. B. Luft-Luft oder Luft-Wasser, sichergestellt.
Bei offenen Gehäusen erfolgt die Zufuhr eines Kühlmediums zumeist im unteren Bereich des Transformatorgehäuses, wobei durch die Erwärmung eine Bewegung des Kühlmediums nach oben erfolgt, wo es dann in erwärmter Form abgeführt wird. Es ist üblich, eine Luftleitplatte horizontal in das Transformatorgehäuse einzubringen, die den oberen vom unteren Teil trennt, um die aufsteigende Luft so durch die Kühlkanäle der Wicklung zu zwingen.
In beiden Ausführungsvarianten ist die Konsequenz eine gegenüber einem Transformator ohne Kapselung deutlich verschlechterte Kühlwirkung, zudem können innerhalb des Gehäuses Bereiche mit Unterdruck entstehen. Dies kann dazu führen, dass nicht erwünschte, wie beispielsweise explosive und aggressive Gase in das Gehäuse eindringen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen gekapselten Trockentransformator mit verbesserter Kühlung und verbesserter Kapselung anzugeben
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Trockentransformator der eingangs genannten Art. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erstes von einem Wärmeträgermedium durchströmbares Wärmeübertragerrohr durch eine Wandung des Behälters zu wenigstens einem der Kühlkanäle geführt und mit diesem an der ersten Stirnseite der Wicklung strömungstechnisch verbunden ist, dass der wenigstens eine an der zweiten, gegenüberliegenden Stirnseite der Wicklung austretende Kühlkanal im Behälter mündet und dass in einer Wandung des Behälters wenigstens eine Austrittsöffnung für das Wärmeträgermedium vorgesehen ist. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass ein externes, zunächst noch kaltes Wärmeträgermedium direkt durch die Kühlkanäle der Wicklung strömt, und damit direkt an der Quelle der Wärmegeneration einen Kühleffekt bewirkt. Das am anderen Ende der Kühlkanäle in den Behälter eintretende und teilweise erwärmte Wärmeträgermedium durchströmt den Behälter vorzugsweise in gegenläufiger Richtung und bewirkt so einen zusätzlichen Kühleffekt an den Außenflächen der Wicklung beziehungsweise eine Kühlung auch des Transformatorkerns. Ein weiterer vorteilhafter Kühleffekt wird dadurch erreicht, dass das erste Wärmeübertragerrohr ebenfalls durch den im normalen Betrieb erwärmten Behälter geführt ist. Auch hier wirkt das von dem noch kalten Wärmeträgermedium durchströmte Wärmeübertragerrohr kühlend auf den Innenraum des Behälters und damit auch kühlend auf den Transformator.
Somit erfolgt eine besonders effektive Kühlwirkung mit dem noch kalten (beispielsweise 20°C) Wärmeträgermedium direkt an der Wärmequelle, wobei nachfolgend das zunehmend erwärmte Medium durch die vorzugsweise gegenläufige Strömung durch den Behälter weitere, von der Wärmequelle entfernte Bereiche des Transformators kühlt. Somit ist in vorteilhafter Weise ein besonders effektiver Wärmeaustausch sichergestellt.
Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung des Trockentransformators ist wenigstens ein zweites von einem Wärmeträgermedium durchströmbares Wärmeübertragerrohr durch eine Wandung des Behälters in diesen eingeführt, verläuft innerhalb des Behälters, aber weder durch die Wicklung noch durch den Transformatorkern und mündet im Behälter im Bereich der zweiten Stirnseite der Wicklung.
Dies bietet einerseits den Vorteil, dass auch Kühlkanäle der Wicklungen, welche beispielsweise durch ein Joch des Transformatorkerns verdeckt sind, und in die daher von der ersten Stirnseite der Wicklung keine ersten Wärmeübertragerrohre münden können, von der zweiten Stirnseite ausgehend von einem Kühlmedium durchströmt werden. Die Durchströmung erfolgt in diesem Fall gegenläufig zu der Durchströmung der Kühlkanäle, welche direkt mit einem ersten Wärmeübertragerrohr verbunden sind. Das aus dem zweiten Wärmeübertragerrohr strömende Wärmeträgermedium fließt allerdings nicht forciert nur in die betreffenden Kühlkanäle ein, vielmehr bewegt sich das Wärmeträgermedium nach seinem Austritt aus dem zweiten Wärmeübertra- gerrohr innerhalb des Behälterinnenraums in Richtung der Austrittsöffnung und bewirkt dabei ebenfalls eine Kühlung der Außenflächen der Wicklung und des Transformatorkerns.
Wie auch in dem zuvor genannten Beispiel bewirkt auch das zweite durch den Behälterinnenraum verlaufende Wärmeübertragerrohr einen weiteren zusätzlichen Kühleffekt, so dass hier eine sehr effiziente zusätzliche Kühlmöglichkeit verwirklicht ist.
Einer weiteren Gestaltungsvariante folgend verläuft das zweite Wärmeübertragerrohr wenigstens längs einer axialen Wicklungslänge durch den geschlossenen Behälter. Hierdurch ist durch eine entsprechend vergrößerte Kontaktfläche der Außenwandung des zweiten Wärmeübertragerrohrs mit dem erwärmten Innenraum des geschlossenen Behälters ein verbesserter Wärmeaustausch ermöglicht.
Eine weitere Verbesserung des Wärmeaustauschs zwischen Wärmeübertragerrohren und dem erwärmten Innenraum des Behälters ist gegeben, wenn erfindungsgemäß wenigstens ein Wärmeübertragerrohr zumindest abschnittsweise mäander- und/oder spiralähnlich durch den geschlossenen Behälter verläuft.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Trockentransformators ist die wenigstens eine Austrittsöffnung im oberen Bereich des geschlossenen Behälters angeordnet. Entsprechend der thermisch bedingten Volumenausdehnung des Wärmeträgermediums bei Erhitzung wird dieses im oberen Innenbereich des Behälters in der Regel am wärmsten sein, so dass mit einer entsprechend im oberen Bereich angeordneten Austrittsöffnung eine möglichst effektive Wärmeabfuhr durch ausströmendes, erhitztes Wärmeträgermedium gegeben ist.
Dieser thermische Effekt wird erfindungsgemäß noch besser genutzt, wenn entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Trockentransformators die erste Stirnseite der Wicklung im oberen Bereich und die zweite Stirnseite im unteren Bereich des geschlossenen Behälters angeordnet sind.
Erfindungsgemäß strömt das durch die ersten Wärmeübertragerrohre fließende Wärmeträgermedium direkt in die Kühlrohre der Wicklungen ein und tritt an der zwei- ten Stirnseite der Wicklung aus. Ebenso mündet das zweite Wärmeübertragerrohr im Bereich der zweiten Stirnseite der Wicklung. Bei einer Anordnung der zweiten Stirnseite der Wicklung im unteren Bereich des Behälters strömt das teilweise erwärmte Wärmeträgermedium somit im unteren Behälterbereich aus den jeweiligen Rohren in den Innenbereich des Behälters und strömt sodann von dort - unter Ausnutzung des besagten thermischen Effektes - in den oberen Bereich, wo dann die Austrittsöff- nung vorgesehen ist.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Trockentransformators ist wenigstens ein an der zweiten Stirnseite der Wicklung austretender Kühlkanal und/oder wenigstens ein im Bereich der zweiten Stirnseite mündendes zweites Wärmeübertragerrohr mit jeweils einem gebogenen Anschlusselement versehen, welches dafür vorgesehen ist, einen jeweils austretenden Wärmeträgermediumsstrom zumindest teilweise in Richtung der zweiten Stirnseite der Wicklung umzulenken.
Ein derartiges gebogenes Anschlusselement ist im einfachsten Fall ein um etwa 180° gebogenes U-förmiges Rohrstück, welches den beispielsweise innerhalb eines Rohres senkrecht nach unten verlaufenden Wärmeträgermediumsstrom beim Austritt aus diesem nach oben umlenkt, so dass die Austrittsrichtung des Wärmeträgermediums aus dem Rohr der bevorzugten Flussrichtung innerhalb des Behälters, nämlich von unten nach oben, entspricht. Auf diese Weise wird eine verbesserte Kühlung erreicht.
Zudem können bedarfsweise auch zusätzlich Diffusoren vorgesehen sein, welche den Wärmeträgermediumsstrom auf besonders wichtige Bereiche umlenken, z.B. die Mündungen von Kühlkanälen an der zweiten Stirnseite der Wicklung, welche an ihrer gegenüberliegenden Seite offen und nicht mit einem ersten Wärmeübertragerrohr verbunden sind. Somit ist auch ein Durchströmen dieser Kühlkanäle gewährleistet.
Entsprechend weiterer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Trockentransformators ist wenigstens ein Wärmeübertragerrohr aus einem elektrisch isolierenden Material und/oder aus einem flexiblen Material gefertigt. Dies vereinfacht die Fertigung eines derartigen Transformators. Gemäß weiteren Ausführungsvarianten ist wenigstens ein Wärmeübertragerrohr mit einer eine Strahlungsabsorption begünstigenden Farbschicht - beispielsweise schwarz - und/oder mit Kühlrippen versehen. All diese Maßnahmen begünstigen einen Wärmeaustausch zwischen der Außenoberfläche des Wärmeübertragerrohres und dem erwärmten Innenraum des Behälters, durch welchen es geführt ist. Auf diese Weise ist der Kühleffekt weiter verbessert.
Vorzugsweise ist als Wärmeträgermedium Luft vorgesehen, welches vor Einleitung in die jeweiligen Wärmeübertragerrohre idealerweise noch gefiltert wird.
Die Einleitung des noch kalten Wärmeträgermediums in die wandungsseitigen Mündungen Wärmeübertragerrohre erfolgt entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Trockentransformators mittels einer Pumpvorrichtung, beispielsweise einem Kompressor oder einem Ventilator. Bevorzugter Weise weist die Pumpvorrichtung Ventilmittel auf, so dass auch bei nicht laufender Pumpvorrichtung kein Wärmeträgermedium durch die Einlassöffnungen aus dem Behälter entweichen kann.
Wenn nämlich entsprechend einer weiteren erfindungsgemäßen Variante zudem alle Austrittsöffnungen mit einem Überdruckventil versehen sind, ist nämlich in vorteilhafter Weise eine Überdruckkapselung des Trockentransformators realisiert. Die Überdruckventile an den Austrittsöffnungen können beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass ein Austritt von erwärmtem Wärmeträgermedium aus dem Behälter erst ab einem Überdruck von 50 Pa ermöglicht ist. Dieser Druck wird kontinuierlich von der Pumpvorrichtung aufgebaut. Durch den so im gesamten Innenbereich des Behälters herrschenden Mindestdruck ist eine Überdruckkapselung erreicht, welche ein Eindringen von ungewünschten Gasen in den Behälter vermeidet und deren Anforderungen beispielsweise in der IEC 60079-2 genauer beschrieben sind. Bei einem Ausfall der Pumpvorrichtung ist durch das vorgesehene Ventilmittel in vorteilhafter Weise ein Druckabfall innerhalb des Behälters vermieden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
Es zeigen
Fig. 1 einen ersten exemplarischen Trockentransformator,
Fig. 2 einen zweiten exemplarischen Trockentransformator
Fig. 3 einen dritten exemplarischen Trockentransformator.
Fig. 1 zeigt einen ersten exemplarischen Trockentransformator in einer seitlichen Schnittansicht 10. Ein Transformatorkern 12, in dieser Darstellung sichtbar durch einen Querschnittsansicht seines oberen und unteren Jochs, ist in einem geschlossenen Behälter 24, beispielsweise einer Transformatorkapselung aus Metall, angeordnet. Der Transformatorkern 12 weist drei in dieser Darstellung nicht sichtbare Schenkel auf, welche jeweils von einer hohlzylindrischen Wicklung umschlossen sind, wobei in dieser Darstellung lediglich nur eine Wicklung 16 sichtbar ist. Die elektrische Verschaltung der drei Wicklungen ist im Rahmen der Erfindung nicht von Relevanz, es ist jedoch davon auszugehen, dass eine Stern- Dreieckverschaltung von ober- und unterspannungsseitigen Wicklungen gegeben ist.
Der Behälter beziehungsweise das Transformatorgehäuse ist im Wesentlichen aus einer oberen Wandung 28, aus vier Seitenwandungen 30 sowie einer unteren Wandung 32 gebildet und auf einem mit keiner Bezugsnummer versehenen Rollwagen montiert. Im Betrieb des Transformators erfolgt aufgrund von elektrischen Verlusten in Primär- und Sekundärwicklung der insgesamt drei Wicklungen 16 aber auch aufgrund von Magnetisierungsverlusten im Transformatorkern 12 eine jeweilige Erwärmung, beispielsweise auf 120°C bis 150°C, welche in der Wicklung 16 selbst am höchsten ist. Aufgrund der Anordnung in dem geschlossenen Behälter 24 ist eine Wärmeabfuhr an die Umgebung zunächst erschwert.
Um dennoch eine gute Wärmeabfuhr aus der Wicklung 16, dem Kern 12 sowie dem Innenraum des Behälters 24 zu ermöglichen, sind durch die obere Wandung 28 des Behälters 24 mehrere erste Wärmeübertragerrohre 26 in dessen Inneres eingeführt, linear bis zu mehreren Kühlkanälen 18 verlängert und mit diesen an der oberen, ersten axialen Stirnseite 20 der Wicklung 16 strömungstechnisch verbunden. Die Kühl- kanäle 18 sind vereinfacht dargestellt und sind als kreisförmig um die und längs der Wickelachse 14 der Wicklung 16 angeordnet anzusehen, beispielsweise zwischen Primär- und Sekundärwicklungsteil. An der unteren, zweiten axialen Stirnseite 22 der Wicklung 16 treten die Kühlkanäle 18 wieder aus dieser aus. An der jeweiligen Austrittsstelle sind die Kühlkanäle 18 mit verschiedenen gebogenen Anschlusselementen 38 verlängert. Nicht jeder Kühlkanal 18 ist direkt von einem jeweiligen ersten Wärmeübertragerrohr 26 mit einem kontinuierlichen Wärmeträgermediumsfluss versorgt, insbesondere jene Kühlkanäle 18, welche durch das obere Joch des Transformatorkerns 12 verdeckt sind, bleiben zunächst offen.
Im normalen Betrieb wird durch einen nicht gezeigten Kompressor kontinuierlich ein Wärmeträgermedium, in diesem Fall mit Raumtemperatur einströmende Luft 46, durch die ersten Wärmeübertragerrohre 26 eingeleitet. Auf der Strecke zwischen oberer Wandung 28 und erster axialer Stirnseite 20 der Wicklung 16 erfolgt bereits ein erster Kühleffekt des erwärmten Innenraumes des Behälters 24, indem eine Wärmeabgabe an die Außenfläche der ersten Wärmeübertragerrohre 26 erfolgt. Dieser Effekt wird noch durch Kühlrippen 42, welche scheibenähnlich um die ersten Wärmeübertragerrohre 26 angeordnet sind, verstärkt.
Die nunmehr leicht erwärmte Luft geht in die sich linear anschließenden Kühlkanäle 18 über, kühlt dort die Wicklung 16 von innen und tritt mit der Bezugsnummer 22 am unteren Ende der Wicklung über sich an die Kühlkanäle anschließende gebogene Anschlusselemente 38 in den Innenraum des Behälters 24 ein. Durch den Umlenkeffekt der Anschlusselemente 38 ist die Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums Luft gedreht und nunmehr von unten auf die Wicklung 16 und den Transformatorkern 12 gerichtet, womit der Kühleffekt gesteigert ist.
Durch die weitere Erwärmung der Luft und durch die durch den Kompressor erzeugte Strömung steigt die Luft innerhalb des Behälters 24 nach oben und durchströmt dabei zumindest teilweise auch Kühlkanäle 18, welche nicht an ein Wärmeübertragerrohr 26 angeschlossen sind. Im oberen Bereich des Behälters angelangt tritt die erwärmte beziehungsweise erhitzte Luft 48 über Austrittsöffnungen 34 in die Umgebung aus. Um einen Überdruck innerhalb des geschlossenen Behälters 24 zu gewährleisten, durch welchen ein Eindringen von schädlichen Gasen verhindert werden soll, ist an den Austrittsöffnungen 34 ein jeweils ein Ventilmittel 44 vorgesehen, welches erst ab einem vorgegebenen inneren Überdruck öffnet. Für den Fall, dass der Kompressor einmal ausfallen sollte, ist auch an den jeweiligen Zuführöffnungen ein Rückschlagventil vorzusehen.
Zur Verstärkung des Kühleffektes sind zudem mehrere zweite Wärmeübertragerrohre 36 vorgesehen, welche ebenfalls durch die obere Wandung 28 des Behälters eingeführt und durch welche der Innenraum des Behälters ebenfalls in vorteilhafter Weise gekühlt ist, wobei auch hier scheibenähnliche Kühlrippen 42 vorgesehen sind, die selbstverständlich auch längs der Wärmeübertragerrohre als längliche Rippen vorgesehen sein können. Im unteren Bereich des Behälters sind ebenfalls Anschlusselemente 38 vorgesehen, durch welche der aus diesen austretende Luftstrom auf die Unterseite der Wicklung 16 gerichtet ist.
Fig. 2 zeigt einen zweiten exemplarischen Trockentransformator in einer Draufsicht 60. Es ist ein zweiter geschlossener Behälter 66 beziehungsweise in der Draufsichtdarstellung eine obere Dachwandung 69 des Behälters 66 sichtbar. Diese ist durchstoßen von mehreren Mündungen von ersten Wärmeübertragerrohren 62, welche segmentweise kreisförmig um drei - nicht dargestellte - innerhalb des Transformators befindliche Wicklungen angeordnet sind. Es sind lediglich diejenigen Kühlkanäle in einer Verlängerung mit einem jeweiligen ersten Wärmeübertragerrohr 62 an die Dachwandung 69 herausgeführt, welche nicht durch ein Joch des Transformatorkerns verdeckt sind, wie aber in der nächsten Fig. genauer beschrieben ist.
Weiterhin nach außen geführt sind die Mündungen von mehreren zweiten Wärmeübertragerrohren 64, welche beidseitig äquidistant zueinander angeordnet sind. An zwei Seitenwänden des Behälters 66 sind an jeweiligen Austrittsöffnungen jeweils Ventilmittel 68 angeordnet, welche insbesondere im laufenden Betrieb einen minimalen Druck innerhalb des Behälters gewährleisten, wobei ein zum Aufbau dieses Drucks benötigter Ventilator oder Kompressor nicht gezeigt ist. Fig. 3 zeigt einen dritten exemplarischen Trockentransformator in einer geöffneten Draufsicht 70. In dieser Darstellung ist ein Transformatorkem 82 mit seinem oberen Joch sichtbar sowie drei Wicklungen 76, welche jeweils hohizylinderähnlich um einen jeweiligen Schenkel des Transformators und um eine jeweilige Wickelachse 80 angeordnet sind. In der Draufsicht auf die Wicklungen 76 sind auch die diese axial durchquerenden Kühlkanäle 74 sichtbar, zumindest diejenigen, welche nicht von dem Joch des Transformatorkerns 82 verdeckt sind.
Fernerhin sind im Behälterinneren geführte zweite Wärmeübertragerrohre 72 sowie deren jeweilige gekrümmte Anschlusselemente 78 sichtbar, durch welche ein jeweiliges Wärmeausübertragerrohr 72 durchströmendes Wärmeträgermedium beim Austritt auf die Wicklungen 76 gerichtet ist, um so einen verbesserten Kühleffekt herbeizuführen. Das erhitzte Kühlmedium entweicht dem Behälter 84 durch mehrere Austrittsöffnungen 86.
Bezugszeichenliste erster exemplarischer Trockentransformator
Transformatorkern
Wickelachse
Wicklung des ersten Trockentransformators
rohrähnliche Kühlkanäle
erste axiale Stirnseite
zweite axiale Stirnseite
erster geschlossener Behälter
erste Wärmeübertragerrohre des ersten Trockentransformators obere Wandung des geschlossenen Behälters
Seitenwandung des geschlossenen Behälters
untere Wandung des geschlossenen Behälters
Austrittsöffnung
zweite Wärmeübertragerrohre des ersten Trockentransformators gebogene Anschlusselemente
umgelenkter Wärmeträgermediumsstrom
Kühlrippen
Ventilmittel des ersten Trockentransformators
einströmendes Wärmeträgermedium
ausströmendes Wärmeträgermedium
zweiter exemplarischer Trockentransformator
erste Wärmeübertragerrohre des zweiten Trockentransformators zweite Wärmeübertragerrohre des zweiten Trockentransformators zweiter geschlossener Behälter
Ventilmittel des zweiten Trockentransformators
Dachwandung des zweiten geschlossenen Behälters
dritter exemplarischer Trockentransformator
zweite Wärmeübertragerrohre des dritten Trockentransformators rohrähnliche Kühlkanäle des dritten Trockentransformators Wicklung des dritten Trockentransformators
gebogene Anschlusselemente
Wickelachse 82 Transformatorkern
84 dritter geschlossener Behälter
86 Austrittsöffnung

Claims

Patentansprüche
1. Trockentransformator (10, 60, 70) mit wenigstens einem Transformatorkern (12, 82) und wenigstens einer darauf angeordneten, um eine Wickelachse (14, 80) verlaufenden elektrischen Wicklung (16, 76), mit rohrähnlichen Kühlkanälen (18, 74), welche sich durch die Wicklung (16, 76) zwischen deren beiden axialen Stirnseiten (20, 22) erstrecken, mit einem geschlossenen Behälter (24, 66, 84), innerhalb dessen der Transformatorkern (12, 80) und die Wicklung (16, 76) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erstes von einem Wärmeträgermedium durchströmbares Wärmeübertragerrohr (26, 62) durch eine Wandung (28, 30, 32, 69) des Behälters (24, 66, 84) zu wenigstens einem der Kühlkanäle (18, 74) geführt und mit diesem an der ersten Stirnseite (20) der Wicklung (16, 76) strömungstechnisch verbunden ist, dass der wenigstens eine an der zweiten, gegenüberliegenden Stirnseite (22) austretende Kühlkanal (18, 74) im Behälter (24, 66, 84) mündet und dass in einer Wandung (28, 30, 32, 69) des Behälters (24, 66, 84) wenigstens eine Aus- trittsöffnung (34, 86) für das Wärmeträgermedium vorgesehen ist.
2. Trockentransformator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweites von einem Wärmeträgermedium durchströmbares Wärmeübertragerrohr (36, 64, 72) durch eine Wandung (28, 30, 32, 69) des Behälters (24, 66, 84) in diesen eingeführt ist, innerhalb des Behälters (24, 66, 84) weder durch die Wicklung (16, 76) noch durch den Transformatorkern (12, 80) verläuft und im Behälter (24, 66, 84) im Bereich der zweiten Stirnseite (22) der Wicklung (16, 76) mündet.
3. Trockentransformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wärmeübertragerrohr (26, 36, 62, 64, 72) wenigstens längs einer axialen Wicklungslänge durch den geschlossenen Behälter (24, 66, 84) verläuft.
4. Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wärmeübertragerrohr (26, 36, 62, 64, 72) zumindest abschnittsweise mäander- und/oder spiralähnlich durch den geschlossenen Behälter (24, 66, 84) verläuft.
5. Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Austrittsöffnung (34, 86) im oberen Bereich des geschlossenen Behälters (24, 66, 84) angeordnet ist.
6. Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stirnseite (20) der Wicklung (16, 76) im oberen Bereich und die zweite Stirnseite (22) im unteren Bereich des geschlossenen Behälters (24, 66, 84) angeordnet sind.
7. Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein an der zweiten Stirnseite (22) der Wicklung (16, 76) austretender Kühlkanal (18, 74) und/oder wenigstens ein im Bereich der zweiten Stirnseite (22) mündendes zweites Wärmeübertragerrohr (36, 64, 72) mit jeweils einem gebogenen Anschlusselement (38, 78) versehen ist, welches dafür vorgesehen ist, einen jeweils austretenden Wärmeträgermediumsstrom zumindest teilweise in Richtung der zweiten Stirnseite (22) der Wicklung (16, 76) umzulenken (40).
8. Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wärmeübertragerrohr (26, 36, 62, 64, 72) aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist.
9. Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wärmeübertragerrohr (26, 36, 62, 64, 72) aus einem flexiblen Material gefertigt ist.
10. Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wärmeübertragerrohr (26, 36, 62, 64, 72) mit einer eine Strahlungsabsorption begünstigenden Farbschicht versehen ist.
11. Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wärmeübertragerrohr (26, 36, 62, 64, 72) mit Kühlrippen (42) versehen ist.
12. Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträgermedium Luft vorgesehen ist.
13. Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Pumpvorrichtung zum kontinuierlichen Einführen eines Wärmeträgermediums (46) in die wandungsseitigen Mündungen der Wärmeübertragerrohre (26, 36, 62, 64, 72) vorgesehen ist.
14. Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Austrittsöffnungen (34, 86) für das Wärmeträgermedium mit einem Ventilmittel (44) versehen sind.
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