WO2018065189A1 - Elektrisches gerät mit mehreren kühleinheiten - Google Patents

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WO2018065189A1
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Jörg FINDEISEN
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Definitions

  • the invention relates to an electrical device for connection to a high-voltage network with a vessel which is filled with an insulating fluid, an active part arranged in the vessel, which has a magnetizable core and partial windings for generating a magnetic field in the core , and a cooling device for cooling the insulating fluid.
  • transformers or reactors which are connected to a high voltage network, each a vessel, which is usually with a mineral insulating oil as
  • Insulating fluid is filled.
  • a transformer an undervoltage and a high-voltage winding are arranged in the vessel ⁇ , which are inductively coupled together via a magnetizable core.
  • the insulating fluid is used in addition to the insulation of the windings and for cooling the transformer.
  • heated insulating oil led to ⁇ From result of heat via an externally attached to the vessel cooling device ⁇ .
  • the cooling is adjusted so that ei ⁇ ne maximum temperature of the insulating fluid is not exceeded, otherwise the solid insulation of the transformer could be damaged.
  • alternative insulating fluids such as ester or silicone oils
  • These alternative insulating fluids ensure greater fire safety and are also biodegradable.
  • Improved environmental compatibility ⁇ friendliness of Isolierfluiden is required in particular for offshore applications. Due to the improved thermal resistance of these alternative insulating fluids, the transformer can be operated at higher temperatures.
  • the standard IEEE 1276 (1997).
  • insulation systems and materials so-called high-temperature insulation for electrical equipment are known. These are however expensive. For this reason, so-called hybrid solutions have been proposed, in which both high-temperature materials and conventional materials were used as Isolie ⁇ tion.
  • the barrier ⁇ system of isolation in a conventional insulation materials while the coil conductor isolated by high-temperature materials.
  • the hybrid solutions have the disadvantage that, despite the use of costly high-temperature insulation materials, the operating temperature of the insulating fluid, due to the still used conventional insulating materials, is significantly below the temperature that would be possible with the exclusive use of high-temperature insulation materials.
  • the object of the invention is therefore to provide an electrical device of the type mentioned, which is inexpensive and can be operated at the same time at higher temperatures.
  • the invention achieves this object by at least one ther- mal barrier, the cooling spaces bounded in each of which a part winding is arranged we ⁇ iquess, wherein thedeein ⁇ direction has at least two cooling units each cooling unit is adapted for cooling an associated part of the winding.
  • a thermal barrier in conjunction ⁇ game having at least two cooling units ensures that at least two partial windings may be operated in different temperature portions that are referred to herein as refrigerator temperatures.
  • the thermal barrier provides for the formation of at least two cold rooms, which are connected to one of the cooling units.
  • the cooling units can thus be combined within the scope of the invention in the NEN cooling rooms different cold room temperatures, ie different temperatures of the insulating fluid and / or the windings set.
  • the cooling chamber temperature is expediently set such that a maximum operating temperature predetermined for this cooling chamber is not exceeded. In this way it is possible to use different insulating materials in the cold rooms.
  • the partial winding which is arranged in a cold room, which allows higher refrigerator temperatures, be designed lierstoffarm.
  • the material of the insulating material is advantageously selected as a function of the position of the respective insulation with respect to the so-called hot spot of the winding.
  • a hotspot temperature is the hottest temperature of the solid dielectric or insulating fluid in thermally conductive contact during operation of the electrical device standing electrical conductor of the partial winding.
  • the conductor insulation is selected so that the material is not damaged even when reaching the hot spot temperature.
  • the conductor insulation can withstand the maximum winding temperature. Solid insulation with a certain distance to the hottest points of the respective partial winding, however, can, if the corresponding temperature gradient permits, be assigned to a lower thermal class.
  • the cooling device has at least two cooling units, wherein each cooling unit is set up for cooling ei ⁇ nes associated cooling space.
  • each cooling unit is set up for cooling ei ⁇ nes associated cooling space.
  • a ⁇ set of two cooling units one of the cooling units can examples game, via supply and discharge lines to a partial winding are connected in such a way that the cooled by a cooling unit isolator fluid is circulated selectively through a full- ⁇ selected part winding and in the refrigerator for the adjustment of the required refrigerator temperature ensures.
  • the layered Wick ⁇ ment substructure can be used for targeted delivery of the insulating fluid to the selected sub-winding.
  • the cooling circuits Due to the separation of the flow of the Isolierfluides through the cooling space, the cooling circuits can be separated fluidically ⁇ fully continuously, or partially share a common space. This space can each lie upstream or downstream of the cooling chambers in terms of flow.
  • the thermal barrier forms a ⁇ A passage opening, which is connected to an output of the cooling device.
  • This connection or in other words the connection between the respective cooling unit and the inlet opening can be configured as desired within the scope of the invention. It is essential that the main part of the insulating fluid flow emerging from the respective cooling unit reaches the inlet opening.
  • the sinöff ⁇ voltage is formed by a thermal barrier that ei ⁇ NEN cooling chamber at least partially defined, in which a top is disposed voltage winding.
  • the high-voltage winding is equipped due to the higher voltage with a more complex insulation.
  • the upper voltage ⁇ development must be cooled more than the development Untertheseswick- that is with Hochtemperarturtechnikstoffen isolated.
  • the fluid-filled cooling spaces separated from each other by the barrier system are expediently connected hydraulically to one another.
  • This connection can be made via the connection to a common expansion vessel used by both cold rooms, or by a partially open design of winding substructures or winding superstructures.
  • the thermal barrier encloses a partial winding at least portion as ⁇ .
  • the thermal barrier is, for example hohlzylind ⁇ driven constructed and arranged concentrically to at least one part ⁇ development.
  • the thermal barrier forms a guide or, in other words, cooling channels for the insulating fluid flow, so that the insulating fluid is conducted over the partial winding.
  • the cooling channels can be designed meandering.
  • the thermal barrier is at least partially also an electrical barrier.
  • the first partial winding an underlay ⁇ voltage winding and a second partial winding is a high-voltage winding.
  • the two windings are concentric with one another and, for example, also arranged to a core section extending through the inner low-voltage winding.
  • the electrical device ge ⁇ Mäss this embodiment of the invention is a transformer with concentric upper and lower voltage windings as part windings.
  • the partial windings are advantageously out as circumferentially closed cylindrical windings out ⁇ .
  • a first cooling unit for cooling the low-voltage winding and a second cooling unit for cooling the high-voltage winding are set up.
  • the cooling device it is expedient here for the cooling device to act on the high-voltage winding with colder insulating fluid, so that it can be operated at lower temperatures.
  • the low-voltage winding and the high-voltage winding are then in turn equipped with different insulating materials as partial winding insulation, which can withstand the differentderaumtempera ⁇ acids.
  • the cooling chambers are hydraulically coupled to one another within the scope of the invention.
  • the cooling chamber in which the high-voltage winding is arranged, connected with the cooling space in which the low-voltage winding is disposed about an expansion vessel hyd ⁇ raulisch each other.
  • a cooling unit is designed as a closed circulating cooling system in which a pump to circulate the order ⁇ isolator is provided.
  • a seconddeein ⁇ integrated is connected to the interior of the vessel, wherein the first cooling unit and the interior of the electrical device are connected to each other only via an expansion vessel.
  • a hydraulic connection of the Cooling rooms exclusively via the expansion tank instead which is mandatory anyway due to the temperature-dependent volume expansion of the insulating fluid.
  • the gaps between the individual barriers and between the winding and the vessel, which are not required for cooling or for guiding the insulating fluid can be closed by means of inserts to avoid bypasses.
  • the cooling device has a feed ⁇ circuit which forms a part below the first winding and in particular below the high-voltage winding angeord- designated exit opening.
  • the cooled insulating fluid exits the cooling device via the supply line and is introduced directly into the cooling space of the first part winding, so that the first part winding is cooled more than the other part windings, the first part winding in the flow direction of
  • Isolating fluids are arranged downstream.
  • At least one cooling unit is connected to the winding substructure and / or winding superstructure of a sub-winding such that the flows of the insulating fluid guided in each case via the cooling units during normal operation are separated from one another.
  • each cooling unit has at least one cooling register.
  • the term cooling register should also include radiators here.
  • At least one or each cooling unit may be a passive cooling unit or may include a recirculation pump for circulating the insulating fluid over a cooling register.
  • the cooling coil can be equipped with one or more fans or fans.
  • the cooling registers are connected to the vessel of the electrical appliance in such a way that these have different vertical distances to a defined by the bottom ⁇ surface of the vessel bottom surface.
  • the cooling coils are mounted at different heights on the vessel.
  • the cooling units are passive cooling units and have no circulating pump.
  • the circulation rate of the insulating fluid via the cooling register is determined by the height offset between the center of the hot fluid column in the cooling passages of the respective part winding and the center of the cold fluid column of the respective cooling register.
  • the sectionwicklun- gene different insulation.
  • beispielswei ⁇ se a first partial winding a high-temperature insulation
  • a second partial winding and all other partial windings have customary insulation of materials which are designed for lower temperatures.
  • isolation here also includes barrier systems and Abstandshal ⁇ ter, which are used in addition to the insulation of the winding conductor.
  • Further components of the electrical device for example tap changers, are assigned to one of the two cooling circuits flowing through the cooling chambers in accordance with their respective permissible operating temperature.
  • the cooling device has a control unit with temperature sensors, wherein the temperature sensors for detecting the temperature of a partial winding and / or for detecting the temperature of the insulating fluid are arranged in a partial winding.
  • the control unit is included For example, for each cooling unit with a threshold from ⁇ equipped, so that the cooling capacity of the respective cooling unit is controllable in dependence of the respective threshold value.
  • the respective threshold is depending on the temperature resistance of the insulating materials of the partial windings be ⁇ true. Detected by the temperature sensors temperature reaches the threshold value, the control unit controls ent ⁇ either a circulation pump or a fan of the respective cooling unit and thus increases the cooling capacity of said cooling unit.
  • the temperature sensors are set up to detect the temperature of a partial winding and / or to detect the temperature of the insulating fluid.
  • the temperature sensors can therefore also detect the temperature of the winding conductor directly within the scope of the invention.
  • At least one Operawick ⁇ ment has a plurality of temperature ranges in which insulating materials of different thermal capacity are arranged. This may be advantageous when insulating materials with lower thermal resistance are arranged in each upstream Temperartur Scheme than in downstream temperature ⁇ tur Schemeen that reciprocates in the direction of flow of the Isolierfluide ter are the upstream temperature range.
  • a temperature sensor for measuring a hot-spot temperature is arranged in at least two temperature ranges, which on the output side provides temperature readings which are compared with a predetermined threshold value depending on the insulators used in the respective temperature range, based on this comparison Control signal is generated. Depending on the design, this can trigger a warning signal, cause the shutdown, trigger a reduction in the load of the electrical device or be used to control the cooling system.
  • the operation at higher temperatures he ⁇ allows, with a costly conversion, for example, the insulating material-rich winding parts of a high-voltage winding ⁇ can be omitted on Hochtemperaturisolierwerkstoffe.
  • the high temperature spread of the insulating fluid enables the effective use of external evaporative coolers and radiators based on heat pipes.
  • a plurality of fluidly connected temperature ranges in the cooling chamber with sensors to measure the hot spot temperature of the winding element are fitted in the respective temperature range, wherein the signals of each of these temperature sensors each have their own thresholds for triggering control functions are assigned to which the thermi ⁇ specific class of each in the Temperature ranges of the partial winding used insulating materials are matched.
  • Figures 1 to 7 show differentieresbeispie- le of the electrical device according to the invention in a partially ge ⁇ cut side view schema ⁇ table.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the fiction, ⁇ contemporary electrical device 1 in a sectional side view, wherein the electrical device is performed as a transformer 1 ⁇ .
  • the transformer 1 has a vessel 14 in which a magnetizable core 2, a low-voltage winding 3.1 and a high-voltage winding 3.2 are each arranged as a partial winding in the context of the invention concentric with each other.
  • the said windings 3.1, 3.2 are designed hollow cylinder ⁇ .
  • the high-voltage winding 3.2 can be connected to a high-voltage network via a connection, which is not shown in the FIGURE, wherein the low-voltage winding 3.1 can be connected to a distribution network or a load via a connection line, likewise not shown.
  • the upper and lower voltage winding 3.1, 3.2 are inductively coupled to each other via the magnetizable core 2, so that the high-voltage winding 3.2 in the low-voltage winding 3.1 induces a voltage or vice versa.
  • the vessel 14 is provided with an isolator 30 and filled in the vorlie ⁇ constricting case a commercially available ester.
  • a thermal barrier 4 is arranged between the high-voltage winding 3.2 and the low-voltage winding 3.1.
  • the thermal barrier 4 is circumferentially closed and also formed as a hollow cylinder. They also encloses the zy ⁇ -cylindrical low-voltage winding 3.1 completely.
  • an expansion vessel 18 is arranged, which serves to accommodate the temperature-induced volume fluctuations of the insulating fluid 30.
  • a cooling device For cooling the partial windings 3.1 and 3.2, a cooling device is provided which has two cooling units, wherein a first cooling unit has a cooling register 15.1, a Um Strukturpum ⁇ PE 16.1 and a temperature sensor 22.1, a supply line 37.1 and a return line 38.1.
  • the second cooling unit has a cooling register 15.2, a circulation pump 16.2, a temperature sensor 22.2, a supply line 37.2 and a return line 38.2.
  • the supply line 37.1 has an outlet opening 32, which is arranged below the radially inwardly located lower voltage winding 3.1.
  • An inlet opening of the return line 38.1 is connected directly to a winding superstructure 9.1 of the winding 3.1.
  • the winding superstructure 9.1 is fluidically sealed, this means that the flow of the insulating fluid 30 is guided by the winding superstructure .
  • the return line 38.1 is connected via a connecting line with the expansion vessel 18, which in turn ⁇ is connected via a second connecting line to the interior of the vessel 14 of the transformer 1.
  • the supply line 37.2 of the second cooling unit opens with its
  • the return line 38.2 is connected near the top of the vessel.
  • a first cooling space is limited, in which the lower voltage winding 3.1 is arranged.
  • the outer wall of the thermal barrier ⁇ 4 limits together with the vessel 14 a second cooling space in which the high-voltage winding is 3.2.
  • the insulating fluid 30 cooled by the first cooling unit 15.1, 16.1, 37.1, 38.1 is led directly to the low-voltage winding 3.1 via the sealed winding substructure 8.1 and from there directly to the cooling register 15.1.
  • the hydraulic coupling of the cooling chambers takes place only via the expansion vessel 18. Different cooling chamber temperatures are set in the cooling chambers.
  • Insulations are adapted to these refrigerator temperatures.
  • the temperature sensors 22.1 and 22.2 are each connected to a control unit not shown figuratively via a signal line. Detected by the temperature sensors 22.1 and 22.2 temperature of the isolator fluid 30 exceeds a previously set for the respective partial winding 3.1 or 3.2 threshold, the control unit increases the output of the circulating pump and thus the performance of the jeweili ⁇ gen cooling unit.
  • the threshold values were determined as a function of the thermal class of the insulating materials of the respective partial windings.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the electrical device 1 according to the invention, in which the hydraulic coupling of the cooling circuits takes place via the upwardly open winding superstructures 9.1, 9.2 of the partial windings 3.1, 3.2. It comes above the partial windings 3.1 and 3.2 to a mixture of the insulating fluid 30. In each of a partial winding 3.1, 3.2 associated cooling units, the insulating fluid 30 is cooled differently. Thus, in the cooling circuit for the part winding 3.2 whose winding conductors are equipped with a complex high-voltage insulation, a higher cooling costs be ⁇ driven. In other words, the insulating fluid 30 is cooled to a lower temperature.
  • the cooling space of the partial winding 3.1, and the core 2 are included in the cooling circuit formed over the radiator 15.2.
  • the partial winding 3.1 with lower requirements for their dielectric strength which thus has a small proportion of insulating materials compared to the other partial winding, is equipped with an insulation of a higher thermal class and can thus be operated at a higher temperature.
  • the equipment of this part winding with high temperature insulation materials requires little cost.
  • the design of the core 2 to higher temperatures requires only a very small effort, since no moldings are required and an electric field stress must not be taken into account. Accordingly, the core 2 is just ⁇ if exposed to higher operating temperatures.
  • the respective layered winding substructure 8.1, 8.2 is used for separate supply of the insulating fluid 30 to the separated by the thermal barrier part windings
  • the winding substructures 8.1 and 8.2 are sealed against each other. Furthermore, at least one connecting line 37.1 is provided, which extends between the cooling unit 15.1, 16.1 and the winding substructure 8.2, so that the flow of the cooled insulating fluid is sealed relative to the interior of the vessel 14.
  • the cooling coil 15.1 is connected via a pipe 37.1 directly to the winding substructure 8.2.
  • the spaces 40 not required for cooling or for guiding the insulating fluid 30 between the partial windings 3.2 and the vessel 14 are closed by means of supplements 11.2 in order to avoid bypasses.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the invention with two cooling chambers separated by the thermal barrier 4.
  • the thermal barrier 4 comprises cylindrical Abschnit ⁇ te 4.1 and 4.2 and a partition 4.5.
  • the thermal barrier 4 made of a thermally insulating material causes thermal and fluidic decoupling of lie radially outside ⁇ part winding 3.2 of the inner part winding 3.1, and the core 2 of the transformer 1.
  • the decoupling is in other words by the separation of Isolierfluidströme both cooling circuits by means of the thermal barrier 4 achieved.
  • an electric Barrie ⁇ re 7 is integrated as a section in the barrier 4.
  • the winding base 8.2 of the partial winding 3.2 is fluidically connected to the feed line 37.2 which of the outside
  • Vessel arranged radiator register 15.2 of the second cooling unit leads.
  • the radially inner part of the winding 3.1 and the cooling channels of the core 2 are open to the fluid space of the vessel 14.
  • the supply conduit 37.1 of the first cooling register 15.1 is connected at a level below the lower edge of the partial winding ⁇ 3.1 with the vessel fourteenth
  • the inner part-winding 3.1, and the core 2 are thus fed by "free" so not guided flow with chilled iso ⁇ lierfluid 30th
  • Each sub-winding not only has a winding base 8.1 or 8.2 over a Wick ⁇ lung superstructure 9.1, 9.2.
  • Each winding superstructure 9.1 and 9.2 is open to the fluid space of the vessel 14. Through the openings of their winding superstructure 9.1, 9.2 in the embodiment, both cooling chambers on the inside of the vessel so the fluid space of the vessel 14 are hydraulically connected to each other.
  • the interior of the vessel 14 and thus both cooling chambers are connected to the expansion vessel 18.
  • the thermal stratification of the insulating fluid 30 due to the temperature dependence of the density of the insulating fluid 30.
  • This thermal stratification is characterized by a high viscosity. reinforced insulating fluid used 30 and the very low flow rates in the large cross-section. In the specific embodiment, this effect is used for thermal separation of the two cooling circuits.
  • the arrangement of the terminal according to the invention is characterized by a high viscosity. reinforced insulating fluid used 30 and the very low flow rates in the large cross-section. In the specific embodiment, this effect is used for thermal separation of the two cooling circuits.
  • a further section 4.5 of the thermal barrier 4 is provided in the usually open area above the windings. This section 4.5 projects beyond the electrical barrier 7.
  • the vertical distance H5 from the upper edge of the section 4.5 of the thermal barrier 4 to the return line 38.2 is a multiple of the flow limiting
  • potential unwanted flow channels 10.5, for example, between sections 7.5 of the barrier system 4 and the electrical barrier 7 are completely or partially closed at one of their ends by inserts made of insulating material.
  • the partial windings form 3.1 and 3.2 vertically superposed inside refrigerators temperature ranges 5.1, 5.2, 5.3 or 6.1, 6.2, which are equipped with electrical insulation from insulating materials having a different of Temperaturbe ⁇ rich to temperature range thermal Be ⁇ bearing capacity exhibit.
  • the thermal load capacity of the insulating materials in the temperature range 5.1 which is first flowed through by the insulating fluid 30, is lower than the insulating materials of the downstream temperature ranges.
  • at least partially insulating materials can also be rather thermal classes are used.
  • the thermal capacity of an insulating material may be lower, if it adheres to the hottest point of the temperature range so ⁇ example, to a certain winding position the necessary distance.
  • a gradation of thermal class take place, depending on whether the insulating material is used as a conductor Isola ⁇ tion, spacers, or potential control ring barrier.
  • This arrangement is applicable to a variety of insulating materials and there ⁇ with different temperature ranges.
  • An exemplary assignment of the thermal classes to the temperature ranges shown in the exemplary embodiment is given below.
  • an insulating fluid based on an ester is used.
  • spacer is intended here to encompass radial and axial spacers, such as, for example, strips, riders, intermediate layers or the like
  • barrier system is intended to include barriers, angle rings, caps, disks, insulating cylinders or the like.
  • the staggering of the thermal performance of insulating materials can also be carried out within the thermal classes according to EN 60085, there are a variety of possibilities, for example, a staggering in differences smaller than 10K is possible.
  • the hot points of the Tem ⁇ ranges shown are equipped with thermal sensors 25.1, 25.2, 25.3, 26.1, 26.2, which are each connected to a not illustrated figuratively control unit in the embodiment.
  • a sensor 27, 28 for measuring the maximum temperature of the insulating liquid 30 is further arranged in the region of the respective outlet opening in the winding superstructure 9.1 or 9.2.
  • each of which is equipped with isolating materials of 3 different thermal classes. This results in different permissible maximum temperatures for each temperature range.
  • the insulating liquid 30 may not reach the permissible for the isolator maximum temperature ⁇ structure in the front is arranged in the flow path of temperature ranges ⁇ chen, otherwise the temperature gradient of the winding to the isolator 30 is too low in the perfused subsequently winding portions for adequate cooling.
  • the hot points of all temperature ranges with thermal sensors equipped kitchens ⁇ tet and signals a control unit are supplied.
  • Each of these signals is assigned a threshold value adapted to the thermal class of the insulating materials of the corresponding winding area.
  • Exceeds one of the temperature signals ⁇ its associated threshold value is generated Steuersig ⁇ nal. Depending on the design, this can trigger a warning signal, cause the shutdown, trigger a reduction in the load of the electrical device or be used to control the cooling system.
  • each temperature sensor 25.1, 25.2, 25.3, 26.1, 26.2, various threshold values fordean ⁇ attitude control, alarm and tripping be assigned.
  • 4 shows a further exemplary embodiment in which a cooling unit is designed as an active cooling unit and has a circulating pump 16.2, while the other cooling unit is a passive cooling unit 15.1, in which the insulating fluid 30 circulates over the cooling register 15.1 due to a temperature difference that occurs becomes.
  • the winding 3.2 with the higher high-voltage requirements that is to say the winding with a high proportion of insulating materials and insulating parts to be produced in a complex manner, is forcedly cooled by the active cooling unit 15.2, 16.2.
  • the partial winding 3.2 is again enclosed by cylindrical sections 4.1 of the thermal barrier 4.
  • the supply of the cooled insulating fluid 30 takes place via the fluidically sealed winding substructure 8.2 which is connected via the supply line 37.2 to the cooling unit 15.2 and the pump 16.2.
  • the vessel 14 is further connected to the cooling register 15.1.
  • the more cooled part winding 3.2 is provided with insulating materials of a low thermal class. Since the operation of a shown Transformtors 1 large differences in the temperatures of the insulating fluid 30 set inside and outside the thermal barrier 4, are additional
  • Barrier sections 4.6 provided that avoid fluid flow directly to the wall of the barrier 4.2 and thus reduce the thermal influence of the partial winding 3.2.
  • the barrier sections 4, 4 are provided with electrical inserts and angle rings directly following the barriers, which prevent fluid flow within the channel between the barriers.
  • Figure 5 illustrates an embodiment of a transformer 1 with natural cooling (ONAN cooling).
  • ONAN cooling natural cooling
  • the windings of the part 3.1, 3.2 iso- heated lierfluid 30 rises due to its lower density compared ⁇ over the insulating liquid 30 of the wider area of the winding and will be replaced by incoming cold Angle Iso ⁇ lier complexkeit 30th
  • the difference in weight between the warm liquid column in the winding channels and the colder liquid column in the cooling register 15.1 or 15.2 creates a pressure difference which serves as a driving force for the fluid circuit.
  • a higher geometric arrangement of the cold insulating fluid column of the cooling ⁇ registers leads to an increase in the coolant flow driving pressure difference.
  • This effect is used in the embodiment to supply a winding 3.1 with an increased pressure and thus a higher volume flow of the insulating liquid.
  • the cooling coil 15.1 wel ⁇ ches the winding 3.1 supplied with cooled insulating fluid, arranged at a greater distance from the center of the winding 3.1, as the cooling coil 15.2, which is provided to supply the part winding 3.2 and the core 2.
  • This height offset is described here - on the basis of the fixed distance of the partial winding to a bottom plane defined by the bottom of the vessel - by the distance between the respective cooling register and said bottom plane.
  • These different altitudes are therefore considered here as a vertical distance Hl, H2 of the respective cooling register 15.1, 15.2 to the ground plane, which is defined by the bottom of the vessel 14.
  • Hl is greater than H2. Since both partial windings 3.1 and 3.2 are supported on the lower yoke of the core 4, their centers are approximately the same height. As a result, the distance between the center of the first radiator 15.1 and the center of the first winding 3.1 is greater than the distance between the center of the second radiator 15.2 and the middle of the second winding 3.2. If this driving force is too high, then due to the flow resistance in the winding, there is a strong secondary flow of the insulating fluid 30 between the partial winding and the vessel wall of the transformer 1, which lowers the effectiveness of the cooling.
  • the supply of the cooled insulating fluid 30 to the winding 3.1 connected to the higher-level cooling unit 15.1 is effected via the winding substructure 8.1 fluidically sealed for this purpose.
  • the Isolierfluidströmung is adapted to the different operating temperatures of the two partial windings and their different flow resistance.
  • the cooling registers 15.1 and / or 15.2 can be equipped with fans in the context of the invention.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the OF INVENTION ⁇ to the invention the electric appliance 1, which then differs from that shown in Figure 5 embodiment in that the cooling coils are equipped with fans or blowers 17 15.1 and 15.2.
  • the cooling register 15. 1 and the cooling register 15. 2 have a different number of fans 17.
  • the cooling coils are 15.1 and 15.2 at the same height.
  • the supply line 37.1 of the first cooling unit is located just below the first partial winding 3.1, that is, the low-voltage winding.
  • the thermal barrier 4 extends in contrast to the embodiments shown in Figures 1 to 5 to the upper wall of the vessel 14, wherein the return line 38.1 the cooling space inside the thermal barrier 4 with the cooling coil
  • the first cooling unit forms again ei ⁇ NEN closed circulating cooling circuit, wherein the hyd ⁇ raulische coupling between the first cooling chamber and the two th refrigerator, which is defined by the outer wall of the thermal barrier 4 and the inner wall of the vessel 14, via the expansion vessel 18 takes place.
  • the corresponding connecting lines are provided.
  • both cold rooms are each equipped with its own Buchholz relay 20 to monitor gas accumulation in both cold rooms.
  • the temperatures in both partial windings 3.1, 3.2 increase differently and are initially cooled without fan assistance (ONAN cooling).
  • the fans 17 are switched on or controlled differently for each cooling circuit at different temperatures for both subsystems.
  • the cooling unit for the cooling chamber with the partial winding which is equipped with insulating materials of a lower thermal class, already switched at ei ⁇ ner lower temperature fan operation, as the cooler for the partial winding with insulating materials of a higher thermal class.
  • the cooling register has
  • FIG 7 shows a further embodiment of the invention of the electrical device 1 according to the invention, which substantially corresponds to the embodiment of Figure 1, but wherein the cooling units 15.1 and 15.2 are each designed as passive cooling units, so that the cooling units depending Weil ⁇ no circulating pump.
  • components of the electrical device 1 are accordingly their respective permissible operating temperature assigned to one of the two refrigerated rooms.

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Abstract

Um ein Elektrisches Gerät (1) zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz mit - einem Gefäß (14), das mit einem Isolierfluid (30) befüllt ist, - einem in dem Gefäß (14) angeordneten Aktivteil, das einen magnetisierbaren Kern (2) und Teilwicklungen (3.1, 3.2) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Kern (2) aufweist, und - einer Kühleinrichtung (15) zum Kühlen des Isolierfluids (30), zu schaffen, das kostengünstig ist und gleichzeitig bei höheren Temperaturen betrieben werden kann, wird wenigstens eine thermische Barriere (4) vorgeschlagen, die Kühlräume begrenzt, in denen jeweils wenigstens eine Teilwicklung (3.1, 3.2) angeordnet ist, wobei die Kühleinrichtung (15) wenigstens zwei Kühleinheiten aufweist und jede Kühleinheit zum Kühlen einer zugeordneten Teilwicklung (3.1, 3.2) eingerichtet ist.

Description

Beschreibung
Elektrisches Gerät mit mehreren Kühleinheiten Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz mit einem Gefäß, das mit einem Iso- lierfluid befüllt ist, einem in dem Gefäß angeordneten Aktivteil, das einen magnetisierbaren Kern und Teilwicklungen zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Kern aufweist, und einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Isolierfluids .
Ein solches elektrisches Gerät ist dem Fachmann bekannt. So weisen beispielsweise Transformatoren oder Drosseln, die an ein Hochspannungsnetz angeschlossen sind, jeweils ein Gefäß auf, das in der Regel mit einem mineralischen Isolieröl als
Isolierfluid befüllt ist. Bei einem Transformator sind in dem Gefäß eine Unterspannungs- und eine Oberspannungswicklung an¬ geordnet, die über einen magnetisierbaren Kern induktiv miteinander gekoppelt sind. Das Isolierfluid dient neben der Isolierung der Wicklungen auch zur Kühlung des Transformators. Dazu wird das beim Betrieb erwärmte Isolieröl zum Ab¬ führen der Wärme über eine außen an das Gefäß angebaute Kühl¬ einrichtung geführt. Die Kühlung ist so eingestellt, dass ei¬ ne maximale Temperatur des Isolierfluids nicht überschritten wird, da ansonsten die FeststoffIsolierungen des Transformators beschädigt werden könnten.
Zunehmend kommen alternative Isolierfluide, wie Ester- oder Silikonöle, in Transformatoren zum Einsatz, die eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Diese alternativen Iso- lierfluide gewährleisten eine höhere Brandsicherheit und sind zudem biologisch abbaubar. Eine verbesserte Umweltverträg¬ lichkeit von Isolierfluiden ist insbesondere für Off-Shore- Anwendungen erforderlich. Auf Grund der verbesserten thermi- sehen Beständigkeit dieser alternativen Isolierfluide kann der Transformator bei höheren Temperaturen betrieben werden. In diesem Zusammenhang sei auf die Norm IEEE 1276(1997) verwiesen . Neben den konventionellen, also derzeit überwiegend einge¬ setzten, Isoliersystemen und Materialien sind so genannte Hochtemperaturisolierungen für elektrische Geräte bekannt. Diese sind jedoch kostenintensiv. Aus diesem Grunde wurden so genannte Hybridlösungen vorgeschlagen, bei denen sowohl Hochtemperaturwerkstoffe als auch übliche Werkstoffe als Isolie¬ rung eingesetzt wurden. Beispielsweise weist das Barrieren¬ system der Isolierung konventionelle Isolierwerkstoffe auf, während die Leiterwicklungsisolierung durch Hochtemperaturwerkstoffe erfolgt. Den Hybridlösungen haftet jedoch der Nachteil an, dass trotz des Einsatzes kostspieliger Hochtem- peraturisolierwerkstoffe die Betriebstemperatur des Isolier- fluids aufgrund der immer noch verwendeten konventionellen Isolierwerkstoffe deutlich unter der Temperatur liegt, die bei ausschließlichem Einsatz von Hochtemperaturisolierwerk- stoffen möglich wäre.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektrisches Gerät der eingangs genannten Art bereitzustellen, das kostengünstig ist und gleichzeitig bei höheren Temperaturen betrieben werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch wenigstens eine ther- mische Barriere, die Kühlräume begrenzt, in denen jeweils we¬ nigstens eine Teilwicklung angeordnet ist, wobei die Kühlein¬ richtung wenigstens zwei Kühleinheiten aufweist und jede Kühleinheit zum Kühlen einer zugeordneten Teilwicklung eingerichtet ist.
Erfindungsgemäß sorgt eine thermische Barriere im Zusammen¬ spiel mit wenigstens zwei Kühleinheiten dafür, dass zumindest zwei Teilwicklungen in unterschiedlichen Temperaturabschnitten, die hier als Kühlraumtemperaturen bezeichnet sind, be- trieben werden können. Die thermische Barriere sorgt für die Ausbildung von wenigstens zwei Kühlräumen, die mit jeweils einer der Kühleinheiten verbunden sind. Die Kühleinheiten können so im Rahmen der Erfindung in den mit ihnen verbünde- nen Kühlräumen unterschiedliche Kühlraumtemperaturen, also unterschiedliche Temperaturen des Isolierfluids und/oder der Wicklungen, einstellen. Die Kühlraumtemperatur wird zweckmäßigerweise so eingestellt, dass eine für diesen Kühlraum vor- bestimmte maximale Betriebstemperatur nicht überschritten wird. Auf diese Weise ist es möglich, in den Kühlräumen unterschiedliche Isoliermaterialien einzusetzen. Darüber hinaus kann beispielsweise die Teilwicklung, die in einem Kühlraum angeordnet ist, der höhere Kühlraumtemperaturen erlaubt, iso- lierstoffarm ausgelegt sein.
Im Rahmen der Erfindung stellen sich Vorteile ein, wenn in dem Kühlraum, in dem sich bei Normalbetrieb höhere Kühlraumtemperaturen einstellen, eine Teilwicklung angeordnet ist, die für geringere Betriebsspannungen ausgelegt ist. Hier ist beispielsweise der Einsatz von Netzdrilleiterwicklungen möglich.
Weiterhin sind mit verschiedenen Isolierlacken beschichtete Kupferlackdrähte, die selbst hohen Temperaturen Stand halten können, am Markt erhältlich. Dies gilt beispielsweise auch für einen Draht mit einer Beschichtung aus Pyre-ML-polyimid, der bis 220°C thermisch beständig ist. Aufgrund der geringen Dicke seiner Lackschicht ist eine gute Wärmeabgabe des Drah- tes an das Isolierfluid gewährleistet.
Andere Teilwicklungen, die in einem Kühlraum angeordnet sind, in dem das Isolierfluid eine geringere Kühlraumtemperatur aufweist, sind hingegen zweckmäßigerweise mit den üblichen konventionellen, also nicht hochtemperaturbeständigen Teilwicklungsisolierungen oder Barrierensystemen bestückt.
Im Rahmen der Erfindung ist vorteilhafterweise das Material des Isolierstoffs in Abhängigkeit der Lage der jeweiligen Isolierung in Bezug auf den so genannten Heißpunkt der Wicklung ausgewählt. Eine Heißpunkttemperatur ist die bei Betrieb des elektrischen Gerätes heißeste Temperatur des mit festem Isolierstoff oder dem Isolierfluid in wärmeleitendem Kontakt stehenden elektrischen Leiters der Teilwicklung. Somit ist beispielsweise die Leiterisolation so ausgewählt, dass das Material auch bei Erreichen der Heißpunkttemperatur nicht beschädigt wird. Die Leiterisolation kann mit anderen Worten der maximalen Wicklungstemperatur standhalten. FeststoffIsolationen mit einem gewissen Abstand zu den heißesten Stellen der jeweiligen Teilwicklung, können hingegen, wenn der entsprechende Temperaturgradient dies zulässt, einer niedrigeren thermischen Klasse zugeordnet sein.
Im Rahmen der Erfindung weist die Kühleinrichtung wenigstens zwei Kühleinheiten auf, wobei jede Kühleinheit zum Kühlen ei¬ nes zugeordneten Kühlraums eingerichtet ist. Durch den Ein¬ satz von zwei Kühleinheiten kann eine der Kühleinheiten bei- spielsweise über Zu- und Abführungsleitungen mit einer Teilwicklung in einer Weise verbunden werden, dass das von einer Kühleinheit abgekühlte Isolierfluid gezielt über eine ausge¬ wählte Teilwicklung umgewälzt wird und in dem Kühlraum für die Einstellung der erforderlichen Kühlraumtemperatur sorgt.
Da auf Grund der verschiedenen Spannungen der Teilwicklungen jeweils unterschiedliche vertikale Abstände zum Joch des Ker¬ nes erforderlich sind, kann der schichtweise aufgebaute Wick¬ lungsunterbau zur gezielten Zuführung des Isolierfluides zu der ausgewählten Teilwicklung genutzt werden. Die IsolierstoffScheiben des Unterbaus sind zweckmäßigerweise so ausge¬ führt, dass eine Trennung des Flusses des Isolierfluids zu den jeweiligen Teilwicklungen bereitgestellt ist. Auf Grund der Trennung der Strömung des Isolierfluides durch die Kühlräume, können die Kühlkreise strömungstechnisch voll¬ ständig voneinander getrennt sein, oder aber teilweise einen gemeinsamen Raum nutzen. Dieser Raum kann jeweils strömungstechnisch vor oder hinter den Kühlräumen liegen.
Vorteilhafterweise bildet die thermische Barriere eine Ein¬ trittsöffnung aus, die an einen Ausgang der Kühleinrichtung angeschlossen ist. Dieser Anschluss oder mit anderen Worten die Verbindung zwischen der jeweiligen Kühleinheit und der Eintrittsöffnung kann im Rahmen der Erfindung beliebig ausgestaltet sein. Wesentlich ist, dass der Hauptteil der aus der jeweiligen Kühleinheit austretende Isolierfluidströmung in die Eintrittsöffnung gelangt.
Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn die Eintrittsöff¬ nung von einer thermischen Barriere ausgebildet ist, die ei¬ nen Kühlraum zumindest teilweise definiert, in dem eine Ober- spannungswicklung angeordnet ist. Die Oberspannungswicklung ist aufgrund der höheren Spannung mit einer aufwändigeren Isolierung bestückt. Um dort konventionelle Materialen für die besagte Isolierung einzusetzen, muss die Oberspannungs¬ wicklung stärker gekühlt werden als die Unterspannungswick- lung, die mit Hochtemperarturwerkstoffen isoliert ist.
Im Rahmen der Erfindung sind die durch das Barrierensystem voneinander getrennten fluidgefüllten Kühlräume zweckmäßigerweise hydraulisch miteinander verbunden. Diese Verbindung kann über den Anschluss an ein von beiden Kühlräumen genutztes gemeinsames Ausdehnungsgefäß, oder durch eine teilweise offene Gestaltung von Wicklungsunterbauten oder Wicklungsoberbauten erfolgen. Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung umschließt die thermische Barriere eine Teilwicklung zumindest abschnitts¬ weise. Die thermische Barriere ist beispielsweise hohlzylind¬ risch ausgebildet und konzentrisch zu wenigstens einer Teil¬ wicklung angeordnet. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterent- wicklung bildet die thermische Barriere eine Führung oder mit anderen Worten Kühlkanäle für den Isolierfluidstrom aus, so dass das Isolierfluid über die Teilwicklung geführt wird. Die Kühlkanäle können mäanderförmig ausgeführt sein. Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist die thermische Barriere zumindest abschnittsweise auch eine elektrische Barriere. Zweckmäßigerweise ist die erste Teilwicklung eine Unterspan¬ nungswicklung und eine zweite Teilwicklung eine Oberspannungswicklung. Die beiden Wicklungen sind konzentrisch zueinander und beispielsweise auch zu einem sich durch die innere Unterspannungswicklung hindurch erstreckenden Kernabschnitt angeordnet. Mit anderen Worten ist das elektrische Gerät ge¬ mäß dieser Ausführung der Erfindung ein Transformator mit konzentrischen Ober- und Unterspannungswicklungen als Teilwicklungen. Die Teilwicklungen sind vorteilhafterweise als umfänglich geschlossene zylinderförmige Wicklungen ausge¬ führt .
Gemäß einer diesbezüglichen Variante sind eine erste Kühleinheit zum Kühlen der Unterspannungswicklung und eine zweite Kühleinheit zum Kühlen der Oberspannungswicklung eingerichtet. Wie bereits ausgeführt wurde, ist es hier zweckmäßig, dass die Kühleinrichtung die Oberspannungswicklung mit kälterem Isolierfluid beaufschlagt, so dass diese bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden kann. Die Unterspannungswicklung und die Oberspannungswicklung sind dann wiederum mit unterschiedlichen Isolierwerkstoffen als Teilwicklungsisolierung ausgerüstet, die den unterschiedlichen Kühlraumtempera¬ turen standhalten können.
Grundsätzlich sind die Kühlräume im Rahmen der Erfindung hydraulisch miteinander gekoppelt. Gemäß einer vorteilhaften Variante hierzu ist der Kühlraum, in dem die Oberspannungswicklung angeordnet ist, mit dem Kühlraum, in dem die Unterspannungswicklung angeordnet ist, über ein Ausdehnungsgefäß hyd¬ raulisch miteinander verbunden.
Gemäß einer Variante ist eine Kühleinheit als geschlossenes umlaufendes Kühlsystem ausgebildet, wobei eine Pumpe zum Um¬ wälzen des Isolierfluids vorgesehen ist. Eine zweite Kühlein¬ heit ist mit dem Innenraum des Gefäßes verbunden, wobei die erste Kühleinheit und der Innenraum des elektrischen Geräts nur über ein Ausdehnungsgefäß miteinander verbunden sind. Gemäß dieser Variante findet eine hydraulische Verbindung der Kühlräume ausschließlich über das Ausdehnungsgefäß statt, das aufgrund der temperaturabhängigen Volumen-Ausdehnung des Isolierfluids ohnehin zwingend erforderlich ist. Vorteilhafterweise können die Lücken zwischen den Einzelbarrieren und zwischen Wicklung und Gefäß, welche nicht zur Kühlung oder zur Führung des Isolierfluids benötigt werden, zur Vermeidung von Bypässen, mittels Beilagen verschlossen werden .
Wie bereits ausgeführt wurde, ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, dass die Kühleinrichtung über eine Zuführungs¬ leitung verfügt, die eine unterhalb der ersten Teilwicklung und insbesondere unterhalb der Oberspannungswicklung angeord- nete Austrittsöffnung ausbildet. Gemäß dieser Variante tritt das abgekühlte Isolierfluid aus der Kühleinrichtung über die Zuführungsleitung aus und wird direkt in den Kühlraum der ersten Teilwicklung eingeführt, so dass die erste Teilwicklung stärker gekühlt wird als die weiteren Teilwicklungen, die der ersten Teilwicklung in Strömungsrichtung des
Isolierfluids nachgeordnet sind.
Vorteilhafterweise ist mindestens eine Kühleinheit mit dem Wicklungsunterbau und/oder Wicklungsoberbau einer Teilwick- lung so verbunden, dass die bei Normalbetrieb jeweils über die Kühleinheiten geführten Strömungen des Isolierfluids voneinander getrennt sind.
Zweckmäßigerweise weist jede Kühleinheit wenigstens ein Kühl- register auf. Der Begriff Kühlregister soll hier auch Radiatoren umfassen. Wenigstens eine oder jede Kühleinheit kann eine passive Kühleinheit sein oder aber eine Umwälzpumpe zum Umwälzen des Isolierfluids über ein Kühlregister aufweisen. Das Kühlregister kann mit einem oder mehreren Lüftern oder Ventilatoren ausgestattet sein.
Gemäß einer weiteren Variante sind die Kühlregister so mit dem Gefäß des elektrischen Gerätes verbunden, dass diese un- terschiedliche lotrechte Abstände zu einer durch die Boden¬ fläche des Gefäßes definierten Bodenfläche aufweisen. Mit an¬ deren Worten sind die Kühlregister unterschiedlich hoch an dem Gefäß befestigt. Bei einer diesbezüglichen Weiterentwick- lung sind die Kühleinheiten passive Kühleinheiten und weisen keine Umwälzpumpe auf. Bei passiven Kühleinheiten wird die Umwälzgeschwindigkeit des Isolierfluids über das Kühlregister neben anderen Einflussgrößen durch den Höhenversatz zwischen dem Mittelpunkt der Warmfluidsäule in den Kühlkanälen der je- weiligen Teilwicklung und dem Mittelpunkt der Kaltfluidsäule des jeweiligen Kühlregisters bestimmt. Da die Teilwicklungen auf dem unteren Joch des Kerns abgestützt sind und somit ei¬ nen festen Abstand zum Boden aufweisen, kann diese Abhängigkeit der Umwälzgeschwindigkeit von der besagten Höhendiffe- renz auch mit Hilfe des Abstands des jeweiligen Kühlregisters zur Bodenebene beschrieben werden, die durch den Boden des Gefäßes definiert ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Teilwicklun- gen unterschiedliche Isolierungen auf. So weist beispielswei¬ se eine erste Teilwicklung eine Hochtemperaturisolierung auf, während eine zweite Teilwicklung und alle weiteren Teilwicklungen übliche Isolierungen aus Werkstoffen aufweisen, die für niedrigere Temperaturen ausgelegt sind. Der Begriff „Iso- lierung" umfasst hier auch Barrierensysteme und Abstandshal¬ ter, die neben der Isolierung der Wicklungsleiter eingesetzt werden .
Weitere Komponenten des elektrischen Gerätes, zum Beispiel Stufenschalter, werden entsprechend ihrer jeweiligen zulässigen Betriebstemperatur einem der beiden die Kühlräume durchströmenden Kühlkreisläufe zugeordnet.
Vorteilhafterweise weist die Kühleinrichtung eine Steuerungs- einheit mit Temperatursensoren auf, wobei die Temperatursensoren zum Erfassen der Temperatur einer Teilwicklung und/oder zum Erfassen der Temperatur des Isolierfluids in einer Teilwicklung eingerichtet sind. Die Steuerungseinheit ist bei- spielsweise für jede Kühleinheit mit einem Schwellenwert aus¬ gerüstet, so dass die Kühlleistung der jeweiligen Kühleinheit in Abhängigkeit des jeweiligen Schwellenwertes steuerbar ist. Der jeweilige Schwellenwert ist in Abhängigkeit der Tempera- turbeständigkeit der Isolierstoffe der Teilwicklungen be¬ stimmt. Erreicht die von den Temperatursensoren erfasste Temperatur den Schwellenwert, steuert die Steuerungseinheit ent¬ weder eine Umwälzpumpe oder aber einen Lüfter der jeweiligen Kühleinheit an und erhöht so die Kühlleistung der besagten Kühleinheit.
Die Temperatursensoren sind zum Erfassen der Temperatur einer Teilwicklung und/oder zum Erfassen der Temperatur des Iso- lierfluids eingerichtet. Die Temperatursensoren können daher im Rahmen der Erfindung auch die Temperatur des Wicklungsleiters direkt erfassen.
Gemäß einer weiteren Variante weist wenigstens eine Teilwick¬ lung mehrere Temperaturbereiche auf, in denen Isolierstoffe unterschiedlicher thermischer Belastbarkeit angeordnet sind. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn in jedem vorgelagerten Temperarturbereich Isolierstoffe mit geringerer thermischer Belastbarkeit angeordnet sind als in nachgelagerten Tempera¬ turbereichen, die in Strömungsrichtung des Isolierfluide hin- ter dem vorgelagerten Temperaturbereich liegen.
Bei einer hierzu zweckmäßigen Weiterentwicklung ist in wenigsten zwei Temperaturbereichen jeweils ein Temperatursensor zur Messung einer Heißpunkttemperatur angeordnet, der aus- gangsseitig Temperaturmesswerte bereitstellt, die mit einem in Abhängigkeit der im jeweiligen Temperaturbereich eingesetzten Isolierstoffe zuvor festgelegten Schwellenwert verglichen werden, wobei auf der Grundlage dieses Vergleichs ein Steuersignal erzeugt wird. Dieses kann je nach Auslegung ein Warnsignal auslösen, die Abschaltung bewirken, eine Senkung der Last des elektrischen Geräts auslösen oder aber zur Steuerung der Kühlanlage genutzt werden. Erfindungsgemäß wird der Betrieb bei höheren Temperaturen er¬ möglicht, wobei eine kostspielige Umstellung beispielsweise der Isolierstoffreichen Wicklungsteile einer Oberspannungs¬ wicklung auf Hochtemperaturisolierwerkstoffe unterbleiben kann. Darüber hinaus sind eine höhere Stromdichte in den Wicklungsleitern und damit eine deutliche Reduzierung der Baugröße möglich. Eine Erhöhung der Temperatur des Isolier- fluides führt im Rahmen der Erfindung zu einer erheblichen Vergrößerung der Temperaturdifferenz zum äußeren Kühlmedium wie beispielsweise Luft oder Wasser. Damit steigt die Effek¬ tivität der Kühlung erheblich, so dass das erfindungsgemäße elektrische Gerät kompakter ausgeführt sein kann.
Auf Grund der hohen Viskosität von Isolierfluiden auf Ester- und Silikonbasis ergeben sich weiterhin strömungstechnische und kühlungstechnische Vorteile beim Betrieb mit höheren Tem¬ peraturen. Es wird eine Optimierung der Verluste für Normallast, bei Bereitstellung eines hohen Überlastspielraumes mög¬ lich.
Für bestimmte Anwendungen ermöglicht die hohe Temperatur- spreizung der Isolierflüssigkeit den effektiven Einsatz von äußeren Verdampfungskühlern und Kühlern auf der Basis von Wärmerohren .
Vorteilhafterweise sind mehrere strömungstechnisch verbundene Temperaturbereiche im Kühlraum mit Sensoren zur Messung der Heißpunkttemperatur der Teilwicklung im jeweiligen Temperaturbereich ausgestattet, wobei den Signalen jedes dieser Tem- peratursensoren jeweils eigene Schwellenwerte zur Auslösung von Steuerfunktionen zugeordnet sind, welche auf die thermi¬ sche Klasse der in den jeweiligen Temperaturbereichen der Teilwicklung verwendeten Isolierstoffe abgestimmt sind. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin¬ dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
Figuren 1 bis 7 unterschiedliche Ausführungsbeispie- le des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts in einer teilweise ge¬ schnittenen Seitenansicht schema¬ tisch verdeutlichen. Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungs¬ gemäßen elektrischen Geräts 1 in einer geschnittenen Seitenansicht, wobei das elektrische Gerät als Transformator 1 aus¬ geführt ist. Der Transformator 1 weist ein Gefäß 14 auf, in dem ein magnetisierbarer Kern 2, eine Unterspannungswicklung 3.1 und eine Oberspannungswicklung 3.2 jeweils als Teilwicklung im Sinne der Erfindung konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die besagten Wicklungen 3.1, 3.2 sind hohlzylind¬ risch ausgestaltet. Die Oberspannungswicklung 3.2 ist über einen figürlich nicht dargestellten Anschluss mit einem Hoch- spannungsnetz verbindbar, wobei die Unterspannungswicklung 3.1 über eine ebenfalls nicht dargestellte Anschlussleitung mit einem Verteilnetz oder einer Last verbunden werden kann. Die Ober- und Unterspannungswicklung 3.1, 3.2 sind über den magnetisierbaren Kern 2 induktiv miteinander gekoppelt, so dass die Oberspannungswicklung 3.2 in der Unterspannungswicklung 3.1 eine Spannung induziert oder umgekehrt.
Das Gefäß 14 ist mit einem Isolierfluid 30 und in dem vorlie¬ genden Fall einem handelsüblichen Ester befüllt. Eine thermi- sehe Barriere 4 ist zwischen der Oberspannungswicklung 3.2 und der Unterspannungswicklung 3.1 angeordnet. Die thermische Barriere 4 ist umfänglich geschlossen und ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildet. Dabei umschließt sie die ebenfalls zy¬ lindrische Unterspannungswicklung 3.1 vollständig. Oberhalb des Gefäßes 14 ist ein Ausdehnungsgefäß 18 angeordnet, das zur Aufnahme der temperaturbedingten Volumenschwankungen des Isolierfluids 30 dient. Zum Kühlen der Teilwicklungen 3.1 und 3.2 ist eine Kühleinrichtung vorgesehen, die zwei Kühleinheiten aufweist, wobei eine erste Kühleinheit ein Kühlregister 15.1, eine Umwälzpum¬ pe 16.1 sowie einen Temperatursensor 22.1, eine Zuführungs- leitung 37.1 sowie eine Rückführungsleitung 38.1 aufweist. Die zweite Kühleinheit verfügt über ein Kühlregister 15.2, eine Umwälzpumpe 16.2, einen Temperatursensor 22.2, eine Zuführungsleitung 37.2 sowie eine Rückführungsleitung 38.2. Die Zuführungsleitung 37.1 weist eine Austrittsöffnung 32 auf, die unterhalb der radial innen liegenden Unterspannungswicklung 3.1 angeordnet ist. Eine Eintrittsöffnung der Rückführungsleitung 38.1 ist direkt mit einem Wicklungsoberbau 9.1 der Wicklung 3.1 verbunden. Der Wicklungsoberbau 9.1 ist strömungstechnisch abgedichtet, damit ist gemeint, dass die Strömung des Isolierfluids 30 von dem Wicklungsoberbau ge¬ führt ist. Die Rückführungsleitung 38.1 ist über eine Verbindungsleitung mit dem Ausdehnungsgefäß 18 verbunden, das wie¬ derum über eine zweite Verbindungsleitung mit dem Innenraum des Gefäßes 14 des Transformators 1 verbunden ist. Die Zufüh- rungsleitung 37.2 der zweiten Kühleinheit mündet mit ihrer
Austrittsöffnung direkt in der Seitenwand des Gefäßes 14. Die Rückführungsleitung 38.2 ist nahe der Oberkante des Gefäßes angeschlossen. Durch die Innenwand der thermischen Barriere 4 ist somit ein erster Kühlraum begrenzt, in dem die Unterspan- nungswicklung 3.1 angeordnet ist. Die Außenwand der thermi¬ schen Barriere 4 begrenzt zusammen mit dem Gefäß 14 einen zweiten Kühlraum, in dem die Oberspannungswicklung 3.2 liegt. Gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das von der ersten Kühleinheit 15.1, 16.1, 37.1, 38.1 gekühl- te Isolierfluid 30 über den abgedichteten Wicklungsunterbau 8.1 direkt zur Unterspannungswicklung 3.1 und von dort aus direkt zurück zum Kühlregister 15.1 geführt. Die hydraulische Kopplung der Kühlräume erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel nur über das Ausdehnungsgefäß 18. Es stellen sich unter- schiedliche Kühlraumtemperaturen in den Kühlräumen ein. Die
Isolierungen sind an diese Kühlraumtemperaturen jeweils ange- passt . Die Temperatursensoren 22.1 und 22.2 sind jeweils mit einer figürlich nicht dargestellten Steuerungseinheit über eine Signalleitung verbunden. Übersteigt die von den Temperatursensoren 22.1 bzw. 22.2 erfasste Temperatur des Isolierfluids 30 einen zuvor für die jeweilige Teilwicklung 3.1 oder 3.2 festgelegten Schwellenwert, erhöht die Steuerungseinheit die Leistung der Umwälzpumpe und somit die Leistung der jeweili¬ gen Kühleinheit. Die Schwellenwerte wurden in Abhängigkeit der thermischen Klasse der Isolierstoffe der jeweiligen Teil- Wicklungen ermittelt.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1, bei dem die hydraulische Kopplung der Kühlkreise über die nach oben offenen Wicklungsoberbauten 9.1, 9.2 der Teilwicklungen 3.1, 3.2 erfolgt. Es kommt oberhalb der Teilwicklungen 3.1 und 3.2 zu einer Mischung des Isolierfluides 30. In den jeweils einer Teilwicklung 3.1, 3.2 zugeordneten Kühleinheiten wird das Isolierfluid 30 unterschiedlich gekühlt. So wird im Kühlkreis für die Teilwicklung 3.2 deren Wicklungsleiter mit einer aufwändigen Hochspannungsisolation ausgerüstet sind, ein höherer Kühlaufwand be¬ trieben. Mit anderen Worten wird das Isolierfluid 30 auf eine tiefere Temperatur gekühlt. Der Kühlraum der Teilwicklung 3.1, sowie der Kern 2 werden in den über den Kühler 15.2 gebildeten Kühlkreislauf einbezogen.
Die Teilwicklung 3.1 mit geringeren Anforderungen an deren Spannungsfestigkeit, die also einen im Vergleich zur anderen Teilwicklung geringen Anteil an Isolierwerkstoffen aufweist, ist mit einer Isolation einer höheren thermischen Klasse ausgestattet und kann so bei höherer Temperatur betrieben werden. Die Ausstattung dieser Teilwicklung mit Hochtemperaturisolierstoffen erfordert nur geringe Kosten. Im Rahmen der Erfindung ist es zweckmäßig Teilwicklungen mit einer vergleichsweise geringen Spannungsfestigkeit bei einer höheren Temperatur zu betreiben, als die Teilwicklungen mit einer hohen Spannungsfestigkeit. Die Auslegung des Kernes 2 auf höhere Temperaturen erfordert nur einen sehr geringen Aufwand, da keine Formteile erforderlich sind und eine elektrische Feldbeanspruchung nicht be- rücksichtigt werden muss. Demzufolge wird der Kern 2 eben¬ falls höheren Betriebstemperaturen ausgesetzt.
Die Zufuhr des in getrennten Kühleinheiten gekühlten Isolier- fluides 30 zu den Teilwicklungen 3.1 und 3.2 erfolgt über den Wicklungsunterbau 8.1, 8.2 der jeweiligen Teilwicklung 3.1 bzw . 3.2.
Der jeweils schichtweise aufgebaute Wicklungsunterbau 8.1, 8.2 wird zur getrennten Zuführung des Isolierfluides 30 zu den durch die thermisch Barriere getrennten Teilwicklungen
3.1, 3.2 genutzt. Die hier nicht im Detail dargestellten Iso¬ lierstoffScheiben des jeweiligen Wicklungsunterbaus 8.1, 8.2 sind so ausgestaltet, dass eine Trennung der Strömung des Isolierfluids 30 zu den jeweiligen Teilwicklungen 3.1 und 3.2 bereitgestellt ist.
Zur Entkopplung der Fluidströmungen sind die Wicklungsunterbauten 8.1 und 8.2 gegeneinander abgedichtet. Weiterhin ist zumindest eine Verbindungsleitung 37.1 vorgesehen, die sich zwischen der Kühleinheit 15.1, 16.1 und dem Wicklungsunterbau 8.2 erstreckt, so dass die Strömung des gekühlten Isolier- fluids gegenüber dem Innenraum des Gefäßes 14 abgedichtet ist. Im Ausführungsbeispiel ist das Kühlregister 15.1 über eine Rohrleitung 37.1 direkt mit dem Wicklungsunterbau 8.2 verbunden.
Im Ausführungsbeispiel sind die nicht zur Kühlung oder zur Führung des Isolierfluids 30 benötigten Räume 40 zwischen der Teilwicklungen 3.2 und dem Gefäß 14 zur Vermeidung von Bypäs- sen mittels Beilagen 11.2 verschlossen.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei durch die thermische Barriere 4 getrennten Kühlräu- men. Die thermische Barriere 4 umfasst zylindrische Abschnit¬ te 4.1 und 4.2 sowie eine Trennwand 4.5. Im gezeigten Ausfüh¬ rungsbeispiel bewirkt die aus einem thermisch isolierenden Material hergestellte thermische Barriere 4 eine thermische und strömungstechnische Entkopplung der radial außen liegen¬ den Teilwicklung 3.2 von der innen liegenden Teilwicklung 3.1 und dem Kern 2 des Transformators 1. Die Entkopplung wird mit anderen Worten durch die Trennung der Isolierfluidströme beider Kühlkreise mittels der thermischen Barriere 4 erreicht.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine elektrische Barrie¬ re 7 als Abschnitt in die Barriere 4 integriert. Zur thermi¬ schen Trennung der Isolierfluidströmung wird der Wicklungsunterbau 8.2 der Teilwicklung 3.2 strömungstechnisch mit der Zuführungsleitung 37.2 verbunden, welche zum außerhalb des
Gefäßes angeordneten Kühlerregister 15.2 der zweiten Kühleinheit führt. Die radial innen liegende Teilwicklung 3.1 und die Kühlkanäle des Kernes 2 liegen zum Fluidraum des Gefäßes 14 hin offen. Weiterhin wird die Zuführungsleitung 37.1 des ersten Kühlregisters 15.1 in einer Höhe unterhalb der Unter¬ kante der Teilwicklung 3.1 mit dem Gefäß 14 verbunden. Die innenliegende Teilwicklung 3.1 und der Kern 2 werden somit durch „freie" also nicht geführte Strömung mit gekühltem Iso¬ lierfluid 30 versorgt. Jede Teilwicklung verfügt neben einem Wicklungsunterbau 8.1 beziehungsweise 8.2 über einen Wick¬ lungsoberbau 9.1, 9.2. Jeder Wicklungsoberbau 9.1 und 9.2 liegt offen zum Fluidraum des Gefäßes 14. Durch die Öffnungen ihres Wicklungsoberbaus 9.1, 9.2 sind im Ausführungsbeispiel beide Kühlräume über das Gefäßinnere also den Fluidraum des Gefäßes 14 hydraulisch miteinander verbunden.
Zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenschwankungen des Isolierfluides 30 sind der Innenraum des Gefäßes 14 und somit beide Kühlräume mit dem Ausdehnungsgefäß 18 verbunden. Inner- halb der besagten Fluidräume des Transformators 1 kommt es auf Grund der Temperaturabhängigkeit der Dichte des Isolier- fluids 30 zu einer thermischen Schichtung des Isolierfluids 30. Diese thermische Schichtung wird durch eine hohe Viskosi- tat des eingesetzten Isolierfluids 30 und die sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten im großen Querschnitt verstärkt. Im speziellen Ausführungsbeispiel wird dieser Effekt zur thermischen Trennung der beiden Kühlkreisläufe genutzt. Dazu erfolgt erfindungsgemäß die Anordnung des Anschlusses der
Rückführungsleitung 38.2 zum Kühlregister 15.2 unterhalb des Anschlusses der Rückführungsleitung 38.1 zum Kühlregister 15.1. Um eine Durchmischung des unterschiedlich stark erwärmten Iso-lierfluids 30 zu vermeiden, ist im üblicherweise of- fenen Bereich oberhalb der Wicklungen ein weiterer Abschnitt 4.5 der thermischen Barriere 4 vorgesehen. Dieser Abschnitt 4.5 überragt die elektrische Barriere 7. Im Ausführungsbei¬ spiel beträgt der vertikale Abstand H5 von der Oberkante des Abschnitts 4.5 der thermischen Barriere 4 zur Rückführungs- leitung 38.2 ein Vielfaches des die Strömung begrenzenden
Durchmessers der Rückführungsleitung 38.2. Damit wird verhindert, dass deutlich höher temperiertes Isolierfluid 30, wel¬ ches die Unterspannungswicklung 3.1 durchströmt hat, in die Rückführungsleitung 38.2 gelangt.
Zur Vermeidung der Bildung von Bypässen werden potentielle unerwünschte Strömungskanäle 10.5 beispielsweise zwischen Ab¬ schnitten 7.5 des Barrierensystems 4 und der elektrischen Barriere 7 an einem ihrer Enden durch Beilagen aus Isolierma- terial ganz oder teilweise verschlossen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Teilwicklungen 3.1 und 3.2 innerhalb der Kühlräume vertikal übereinander liegende Temperaturbereiche 5.1, 5.2, 5.3 beziehungsweise 6.1, 6.2 aus, die mit einer elektrischen Isolation aus Isolierwerkstoffen ausgerüstet sind, die eine von Temperaturbe¬ reich zu Temperaturbereich unterschiedliche thermische Be¬ lastbarkeit aufweisen. So ist die thermische Belastbarkeit der Isolierstoffe in dem vom Isolierfluid 30 zuerst durch- strömten Temperaturbereich 5.1 geringerer als die Isolierstoffe der in Strömungsrichtung nachgelagerten Temperaturbereiche. Darüber hinaus können auch innerhalb der Temperaturbereiche zumindest teilweise Isolierwerksoffe unterschiedli- eher thermischer Klassen eingesetzt werden. So kann die thermische Belastbarkeit eines Isolierstoffes geringer sein, wenn dieser zum heißesten Punkt des Temperaturbereichs also bei¬ spielsweise zu einer bestimmten Wicklungslage den notwendigen Abstand einhält. Somit kann beispielsweise innerhalb eines Temperaturbereichs 5.1 eine Abstufung der thermischen Klasse erfolgen, je nachdem ob der Isolierwerkstoff als Leiterisola¬ tion, Abstandshalter, Potentialsteuerring oder Barriere eingesetzt wird.
Diese Anordnung ist für verschiedenste Isolierstoffe und da¬ mit verschiedene Temperaturbereiche anwendbar. Nachfolgend wird eine beispielhafte Zuordnung der thermischen Klassen zu den im Ausführungsbeispiel dargestellten Temperaturbereichen angegeben. Im Ausführungsbeispiel kommt ein Isolierfluid auf Basis eines Esters zum Einsatz.
Auslegungsbeispiel für eine Wicklungsanordnung nach Fig. 3 (Thermische Klassen der Isolierstoffe nach EN 60085:2008)
Figure imgf000019_0001
Hierbei soll der Begriff „Abstandshalter" radiale und axiale Abstandshalter wie beispielsweise Leisten, Reiter, Zwischenlagen oder dergleichen umfassen. Der Begriff „Barrierensys- tem" soll Barrieren, Winkelringe, Kappen, Scheiben, Isolierzylinder oder dergleichen mit beinhalten.
Die Staffelung der thermischen Leistungsfähigkeit der Isolierstoffe kann auch innerhalb der thermischen Klassen nach EN 60085 vorgenommen werden, hier besteht eine Vielzahl an Möglichkeiten, beispielsweise ist auch eine Staffelung in Differenzen kleiner 10K möglich. Weiterhin sind im Ausführungsbeispiel die Heißpunkte der Tem¬ peraturbereiche mit thermischen Sensoren 25.1, 25.2, 25.3, 26.1, 26.2 ausgestattet, die jeweils mit einer figürlich nicht dargestellten Steuereinheit verbunden sind. Im Ausführungsbeispiel ist weiterhin im Bereich der jeweiligen Austrittsöffnung im Wicklungsoberbau 9.1 oder 9.2 ein Sensor 27, 28 zur Messung der maximalen Temperatur der Isolierflüssigkeit 30 angeordnet.
In Figur 3 sind somit fünf Temperaturbereiche 5.1, 5.2, 5.3, 6.1, 6.2 vorgesehen, die jeweils mit Isoliersoffen aus 3 unterschiedlichen thermischen Klassen bestückt sind. Somit ergeben sich für jeden Temperaturbereich unterschiedliche zu- lässige Maximaltemperaturen. Die Isolierflüssigkeit 30 darf in den im Strömungsverlauf vorn angeordneten Temperaturberei¬ chen nicht die für das Isolierfluid zulässige Maximaltempera¬ tur erreichen, da sonst der Temperaturgradient von der Wicklung zum Isolierfluid 30 in den nachfolgend durchströmten Wicklungsbereichen für eine ausreichende Kühlung zu gering wird .
Da wie beschrieben die zulässigen Temperaturen in den verschiedenen Temperaturbereichen unterschiedlich sind, macht es Sinn, die Temperaturen in den Temperaturbereichen getrennt zu überwachen. Im Ausführungsbeispiel sind daher die Heißpunkte aller Temperaturbereiche mit thermischen Sensoren ausgestat¬ tet und die Signale einer Steuereinheit zugeführt. Jedem die¬ ser Signale wird ein auf die thermische Klasse der Isolier- Werkstoffe des entsprechenden Wicklungsbereiches abgestimmter Schwellwert zugeordnet. Überschreitet eines der Temperatur¬ signale den ihm zugeordneten Schwellwert wird ein Steuersig¬ nal erzeugt. Dieses kann je nach Auslegung ein Warnsignal auslösen, die Abschaltung bewirken, eine Senkung der Last des elektrischen Geräts auslösen oder aber zur Steuerung der Kühlanlage genutzt werden. Vorzugsweise werden dem Signal jedes Temperatursensors 25.1, 25.2, 25.3, 26.1, 26.2 verschiedene Schwellwerte für Kühlan¬ lagensteuerung, Warnung und Auslösung zugeordnet. Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine Kühleinheit als aktive Kühleinheit ausgestaltet ist und über eine Umwälzpumpe 16.2 verfügt, während die andere Kühleinheit eine passive Kühleinheit 15.1 ist, bei der das Isolierfluid 30 auf Grund einer sich einstellenden Temperaturdifferenz über das Kühlregister 15.1 umgewälzt wird.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Wicklung 3.2 mit den höheren hochspannungstechnischen Anforderungen, also die Wicklung mit einem hohen Anteil an Isolierstoffen und aufwän- dig zu fertigenden Isolierteilen, durch die aktiver Kühleinheit 15.2, 16.2 forciert gekühlt. Die Teilwicklung 3.2 ist wieder von zylindrischen Abschnitten 4.1 der thermischen Barriere 4 umschlossen. Die Zuführung des gekühlten Isolier- fluids 30 erfolgt über den strömungstechnisch abgedichteten Wicklungsunterbau 8.2 der über die Zuführungsleitung 37.2 mit der Kühleinheit 15.2 und der Pumpe 16.2 verbunden ist.
Das Gefäß 14 ist ferner mit dem Kühlregister 15.1 verbunden. Die stärker gekühlte Teilwicklung 3.2 ist mit Isolierstoffen einer geringen thermischen Klasse versehen. Da sich beim Betrieb eines gezeigten Transformtors 1 große Differenzen der Temperaturen des Isolierfluids 30 innerhalb und außerhalb der thermischen Barriere 4 einstellen, sind zusätzliche
Barrierenabschnitte 4.6 vorgesehen, die eine Fluidströmung direkt an der Wandung der Barriere 4.2 vermeiden und damit die thermische Beeinflussung der Teilwicklung 3.2 verringern. Im Ausführungsbeispiel werden dazu direkt den Barrierenab¬ schnitt 4.2 folgende elektrische Barrieren und Winkelringe mit Beilagen versehen, welche die Fluidströmung innerhalb des Kanales zwischen den Barrieren verhindern.
In diesem Ausführungsbeispiel weist nur die Teilwicklung 3.1 zwei Temperaturbereiche 5.1 und 5.2 auf. Hinsichtlich der Temperaturbereiche gelten die Ausführungen zu Figur 6 hier entsprechend .
Figur 5 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Transformators 1 mit natürlicher Kühlung (ONAN-Kühlung) dar. Hierbei wird die Bewegung der Isolierflüssigkeit durch thermischen Auftrieb bewirkt. Das von den Teilwicklungen 3.1, 3.2 erwärmte Iso- lierfluid 30 steigt auf Grund seiner geringeren Dichte gegen¬ über der Isolierflüssigkeit 30 der weiteren Umgebung der Wicklung auf und wird durch von unten zuströmende kalte Iso¬ lierflüssigkeit 30 ersetzt. Der Gewichtsunterschied zwischen der warmen Flüssigkeitssäule in den Wicklungskanälen und der kälteren Flüssigkeitssäule im Kühlregister 15.1 oder 15.2 erzeugt eine Druckdifferenz, welche als antreibende Kraft für den Fluidkreislauf dient. Darüber hinaus führt eine höhere geometrische Anordnung der kalten Isolierfluidsäule des Kühl¬ registers zu einer Erhöhung der die Kühlmittelströmung antreibenden Druckdifferenz. Dieser Effekt wird im Ausführungsbeispiel genutzt, um eine Wicklung 3.1 mit einem erhöhten Druck und damit einem höheren Volumenstrom der Isolierflüssigkeit zu versorgen. Dazu wird das Kühlregister 15.1, wel¬ ches die Wicklung 3.1 mit gekühltem Isolierfluid versorgt, mit einem größeren Abstand zur Mitte der Wicklung 3.1 angeordnet, als das Kühlregister 15.2, das zur Versorgung der Teilwicklung 3.2 und des Kernes 2 vorgesehenen ist.
Dieser Höhenversatz wird hier - auf Grund des fest stehenden Abstandes der Teilwicklung zu einer vom Boden des Gefäßes definierten Bodenebene - durch den Abstand des jeweiligen Kühl- registers zur besagten Bodenebene beschrieben. Diese verschiedenen Höhenlagen werden daher hier als lotrechter Abstand Hl, H2 des jeweiligen Kühlregisters 15.1, 15.2 zur der Bodenebene berücksichtigt, die durch den Boden des Gefäßes 14 definiert ist.
Hl ist größer als H2. Da beide Teilwicklungen 3.1 und 3.2 am unteren Joch des Kerns 4 abgestützt sind, liegen deren Mitten in etwa gleicher Höhe. Demzufolge ist der Abstand zwischen der Mitte des ersten Kühlers 15.1 und der Mitte der ersten Wicklung 3.1 größer als der Abstand zwischen der Mitte des zweiten Kühlers 15.2 und der Mitte der zweiten Wicklung 3.2. Wird diese Antriebskraft zu hoch, dann kommt es auf Grund des Strömungswiderstandes in der Wicklung zu einer starken Nebenströmung des Isolierfluids 30 zwischen Teilwicklung und Gefäßwand des Transformators 1, welche die Effektivität der Kühlung senkt. Um dies zu vermeiden erfolgt im Ausführungs- beispiel die Zufuhr des gekühlten Isolierfluides 30 zu der mit der höher angeordneten Kühleinheit 15.1 verbundenen Wicklung 3.1 über den dafür strömungstechnisch abgedichteten Wicklungsunterbau 8.1. Somit ist die Isolierfluidströmung an die verschiedenen Betriebstemperaturen der beiden Teilwicklungen und deren unterschiedliche Strömungswiderstände angepasst.
Die Kühlregister 15.1 und/oder 15.2 können im Rahmen der Er- findung mit Lüftern ausgerüstet sein.
Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfin¬ dungsgemäßen elektrischen Geräts 1, das sich von dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel dahin unterscheidet, dass die Kühlregister 15.1 und 15.2 mit Lüftern oder Ventilatoren 17 ausgerüstet sind. Dabei weisen das Kühlregister 15.1 und das Kühlregister 15.2 eine unterschiedliche Anzahl von Lüftern 17 auf. Darüber hinaus liegen die Kühlregister 15.1 und 15.2 auf der gleichen Höhe. Die Zuführungsleitung 37.1 der ersten Kühleinheit ist genau unterhalb der ersten Teilwicklung 3.1, also der Unterspannungswicklung, angeordnet. Die thermische Barriere 4 erstreckt im Gegensatz zu den in den Figuren 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispielen bis zur oberen Wandung des Gefäßes 14, wobei die Rückführungsleitung 38.1 den Kühlraum im Inneren der thermischen Barriere 4 mit dem Kühlregister
15.1 verbindet. Die erste Kühleinheit bildet daher wieder ei¬ nen geschlossen umlaufenden Kühlkreislauf aus, wobei die hyd¬ raulische Kopplung zwischen dem ersten Kühlraum und dem zwei- ten Kühlraum, der von der Außenwand der thermischen Barriere 4 und der Innenwand des Gefäßes 14 definiert wird, über das Ausdehnungsgefäß 18 erfolgt. Hierzu sind die entsprechenden Verbindungsleitungen vorgesehen.
Da sich im Ausführungsbeispiel die thermische und strömungs¬ technische Trennung der Wicklungen auch oberhalb der Wicklungen fortsetzt, sind beide Kühlräume jeweils mit einem eigenen Buchholzrelais 20 ausgestattet, um Gasansammlungen in beiden Kühlräumen zu überwachen.
Bei steigender Belastung des Transformators 1 steigen die Temperaturen in beiden Teilwicklungen 3.1, 3.2 unterschiedlich an und werden zunächst ohne Lüfterunterstützung ge- kühlt (ONAN-Kühlung) . Die Lüfter 17 werden für jeden Kühlkreis unterschiedlich bei für beide Teilsysteme unterschiedlichen Temperaturen zugeschaltet beziehungsweise gesteuert.
Im Ausführungsbeispiel wird die Kühleinheit für den Kühlraum mit der Teilwicklung welche mit Isolierwerkstoffen einer geringeren thermischen Klasse ausgestattet ist, bereits bei ei¬ ner niedrigeren Temperatur auf Lüfterbetrieb umgeschaltet, als der Kühler für die Teilwicklung mit Isolierwerkstoffen einer höheren thermischen Klasse. Um beide Teilwicklungen bei voller Last betreiben zu können, verfügt das Kühlregister
15.2 im Vergleich zum Kühlregister 15.2 über eine größere Anzahl von Lüftern 17.
Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1, das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 entspricht, wobei jedoch die Kühleinheiten 15.1 und 15.2 jeweils als passive Kühleinheiten ausgelegt sind, so dass die Kühleinheiten je¬ weils keine Umwälzpumpe aufweisen.
Weitere hier nicht dargestellte Komponenten des elektrischen Gerätes 1, zum Beispiel Stufenschalter, werden entsprechend ihrer jeweils zulässigen Betriebstemperatur einem der beiden Kühlräume zugeordnet.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Gerät (1) zum Anschluss an ein Hochspannungs¬ netz mit
- einem Gefäß (14), das mit einem Isolierfluid (30) befüllt ist,
- einem in dem Gefäß (14) angeordneten Aktivteil, das einen magnetisierbaren Kern (2) und Teilwicklungen (3.1, 3.2) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Kern (2) aufweist, und - einer Kühleinrichtung (15) zum Kühlen des Isolierfluids (30) ,
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
wenigstens eine thermische Barriere (4), die Kühlräume be¬ grenzt, in denen jeweils wenigstens eine Teilwicklung (3.1, 3.2) angeordnet ist, wobei die Kühleinrichtung (15) wenigs¬ tens zwei Kühleinheiten aufweist und jede Kühleinheit zum Kühlen einer zugeordneten Teilwicklung (3.1, 3.2) eingerichtet ist.
2. Elektrisches Gerät (1) 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
die thermische Barriere (4) wenigstens eine Eintrittsöffnung ausbildet, die an einen Ausgang der Kühleinrichtung (15) angeschlossen ist.
3. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die thermische Barriere (4) eine Teilwicklung zumindest ab- schnittsweise umschließt.
4. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die thermische Barriere (4) zumindest abschnittsweise eine elektrische Barriere ist.
5. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die erste Teilwicklung eine Unterspannungswicklung (3.1) und eine zweite Teilwicklung eine Oberspannungswicklung (3.2) sind, wobei die Wicklungen (3.1, 3.2) konzentrisch zueinander und zu einem sich durch die innere Unterspannungswicklung hindurch erstreckenden Kernabschnitt (2) angeordnet sind.
6. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
eine erste Kühleinheit (15.1, 16.1) zum Kühlen der Unterspan¬ nungswicklung (3.1) und eine zweite Kühleinheit (15.2, 16.2) zum Kühlen der Oberspannungswicklung (3.2) eingerichtet sind.
7. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Kühlraum, in dem die Oberspannungswicklung angeordnet ist, mit dem Kühlraum, in dem die Unterspannungswicklung an- geordnet ist, über ein Ausdehnungsgefäß hydraulisch gekoppelt ist .
8. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
mindestens eine Kühleinheit (15.1, 16.1) mit dem Wicklungsun¬ terbau (8.1, 8.2) und / oder Wicklungsoberbau (9.1, 9.2) ei¬ ner Teilwicklung (3,1, 3,2) so verbunden ist, dass die bei Normalbetrieb jeweils über die Kühleinheiten (15.1, 16.1) ge- führten Strömungen des Isolierfluids (30) voneinander getrennt sind.
9. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
jede Kühleinheit (15) ein Kühlregister (15.1, 15.2) aufweist.
10. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Kühlregister (15.1, 15.2) unterschiedliche lotrechte Ab¬ stände (Hl, H2) zu einer durch eine Bodenfläche des Gefäßes (14) definierten Bodenebene (35) aufweisen.
11. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Teilwicklungen (3.1, 3.2) unterschiedliche Teilwicklungs- Isolierungen aufweisen.
12. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Kühleinrichtung eine Steuerungseinheit mit Temperatursen¬ soren aufweist, wobei die Temperatursensoren zum Erfassen der Temperatur einer Teilwicklung und/oder zum Erfassen der Temperatur des Isolierfluids in einer Teilwicklung eingerichtet sind .
13. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
wenigstens eine Teilwicklung Temperaturbereiche (5.1, 5.2, 5.3) aufweist, in denen Isolierstoffe unterschiedlicher thermischer Belastbarkeit angeordnet sind.
14. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
in wenigsten zwei Temperaturbereichen (5.1, 5.2, 5.3) jeweils ein Temperatursensor zur Messung einer Heißpunktemperatur angeordnet ist, der ausgangsseitig Temperaturmesswerte bereit¬ stellt, die mit einem in Abhängigkeit der im jeweiligen Temperaturbereich eingesetzten Isolierstoffe zuvor festgelegten Schwellenwert verglichen werden, wobei auf der Grundlage die¬ ses Vergleichs ein Steuersignal erzeugt wird.
15. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
mehrere strömungstechnisch verbundene Temperaturbereiche (5.1, 5.2, 5.3) im Kühlraum mit Sensoren (25.1, 25.2, 25.3) zur Messung der Heißpunkttemperatur der Teilwicklung (3.1, 3.2) im jeweiligen Temperaturbereich (5.1, 5.2, 5.3) ausgestattet sind und den Signalen jedes dieser Temperatursensoren jeweils eigene Schwellenwerte zur Auslösung von Steuertunkti- onen zugeordnet sind, welche auf die thermische Klasse der in den jeweiligen Temperaturbereichen (5.1, 5.2, 5.3) der Teilwicklung (3.1, 3.2) verwendeten Isolierwerkstoffe abgestimmt sind .
16. Elektrisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
jede der strömungstechnisch und thermisch getrennten Teilwicklungen (3.1, 3.2) über eigene Sensoren zur Temperatur- Überwachung der Wicklungstemperatur (25.3, 26.2) und/oder
Sensoren (27, 28) zur Messung der maximalen Isolierfluidtem- peratur in den thermisch getrennten Kühlräumen der Wicklungen (3.1, 3.2) verfügt und die Sensoren mit einer Steuereinheit verbunden sind, welche mit Mitteln zur Überwachung der Ein- haltung der für jeden Kühlraum unterschiedlichen zulässigen Temperaturen der Wicklungen (3.1, 3.2) und/oder des Isolier- fluides 30 und zur unabhängigen Steuerung der jeweils einem Kühlraum zugeordneten Kühleinheiten (15.1, 15.2) versehen ist .
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