TECHNISCHES GEBIET
[0001] Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Trocknung eines mindestens
eine Wicklung und Feststoffisolationen enthaltenden Aktivteils nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1. Hierbei ist das Aktivteil in einem vakuumfesten Gehäuse angeordnet
und wird durch Versprühen von Öl im Gehäuse und durch einen in der mindestens einen
Wicklung geführten Strom auf einen durch die Temperatur der Wicklung bestimmten Temperaturendwert
aufgeheizt. Bei einem gegenüber Atmosphäre reduzierten Druck wird dem aufgeheizten
Aktivteil Wasser entzogen.
[0002] Bei geeigneter Prozessführung wird mit dem gattungsgemässen Verfahren ein einwandfrei
getrocknetes Aktivteil erreicht.
STAND DER TECHNIK
[0003] Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist in DE 195 01 323 A1 beschrieben. Bei
diesem Verfahren werden in einem vakuumfesten Gehäuse die Wicklungen eines Transformators
mit Strom und parallel dazu durch Einsprühen von erwärmtem Öl auf eine Solltemperatur
aufgeheizt und getrocknet. Das Öl wird zunächst bei Atmosphärendruck und dann - in
einer Variante des Verfahrens - bei sich allmählich reduzierendem Druck versprüht.
Durch die Absenkung des Drucks auf typischerweise 200 mbar wird die Entgasung und
Entwässerung der Wicklungen verbessert.
[0004] Ein weiteres Verfahren zur Trocknung von Feststoffisolationen hat W.Müntener/Firma
Micafil AG, Zürich/Schweiz bei einem 1999 in Stuttgart/ BRD abgehaltenen Symposium
zum Thema "LFH - Trocknung: Erfahrung und Trends" vorgetragen. Bei diesem Verfahren
wird ein Aktivteil eines im Feld angeordneten und mit Öl gefüllten Transformators
getrocknet. Zu diesem Zweck wird eine mobile LFH - Anlage (LFH = Low Frequency Heating)
an die im Aktivteil enthaltenen Oberspannungswicklungen des Transformators angeschlossen.
Die Unterspannungswicklungen werden kurz geschlossen. Das Transformatorgehäuse ist
mit einer Ölaufbereitungsanlage und mit einer Vakuumanlage verbunden.
[0005] Zum Trocknen wird das Aktivteil zunächst durch einen aus der LFH - Anlage gelieferten
niederfrequenten Strom sowie durch Transformatorenöl aufgeheizt, wobei das Öl über
die Ölaufbereitungsanlage erwärmt und umgewälzt wird.
[0006] Ist das Aktivteil auf eine vorbestimmte Solltemperatur aufgeheizt, so wird das heisse
Transformatorenöl aus dem Transformatorgehäuse entfernt und der Druck im Transformatorgehäuse
unter Berücksichtigung des Paschen - Gesetzes gegenüber Atmosphärendruck reduziert.
Während der Druckabsenkung erfolgt eine intensive Verdampfung des in den Feststoffisolationen
des Aktivteils vorhandenen Wassers. Hierbei wird in Abhängigkeit vom Druck im Inneren
des Transformatorgehäuses und der Höhe der Temperatur der Ober- und/oder der Unterspannungswicklung
die Grösse des Stroms verändert, um so ein schonendes Nachheizen und damit ein permanentes
Abdampfen des Wassers aus den Isolationen zu erreichen.
[0007] Ein wirksamer Entzug des Wassers treten bei diesem Verfahren und dem Verfahren nach
DE 195 01 323 A1 erst dann ein, wenn das Aktivteil auf die vorbestimmte Solltemperatur
aufgeheizt und der Gehäusedruck nach Entfernen des Öls weit unter Atmosphärendruck
abgesenkt ist.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0008] Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches eine rasche und besonders
schonende Trocknung ermöglicht, sowie eine einfach zu realisierende Vorrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.
[0009] Beim erfindungsgemässen Verfahren wird vor dem Versprühen des erwärmten Öls der Druck
im Gehäuse auf einen Arbeitswert reduziert, welcher grösser ist als ein durch das
Paschengesetz bestimmter Drucksollwert und kleiner als ein gegenüber Atmosphärendruck
eine hohe Abdampfrate des Wassers aus dem Aktivteil sicherstellender oberer Druckgrenzwert.
Zudem wird das Öl beim Arbeitswert bei eingeschaltetem Strom im Gehäuse versprüht,
und wird während des Versprühens des Öls, Sammelns des versprühten Öls am Gehäuseboden
sowie Wiedererwärmens und erneuten Versprühens des gesammelten Öls die Temperatur
der Wicklung grösser gehalten als die Temperatur des Öls. Das Aktivteil wird so bereits
zu Beginn des Aufheizvorgangs intensiv getrocknet. Es befindet sich zu diesem Zeitpunkt
in einem praktisch ölfreien, evakuierten Gehäuse, in dem es durch Versprühen des zuvor
erwärmten Öls und durch LFH - Heizen wirksam aufgeheizt wird. Das Verfahren ist daher
besonders schnell.
[0010] Da das in den hygroskopischen Feststoffisolationen des zu trocknenden Aktivteils
zunächst vorhandene Wasser schon bei relativ niedrigen Temperaturen aus den Isolationen
entfernt wird, und da das Aktivteil über die stromführende Wicklung von innen und
über das versprühte Öl zugleich von aussen aufgeheizt wird, wird der Trocknungsvorgang
nicht nur rasch, sondern zugleich auch schonend ausgeführt. Eine Reduktion der dielektrischen
Eigenschaften der Feststoffisolationen durch Polymerisation wird dadurch weitgehend
ausgeschlossen. Da die Temperatur des Öls unterhalb der Temperatur der im Inneren
des Aktivteils angeordneten Wicklung gehalten wird, erwärmen sich die innenliegenden
Teile der Isolationen des Aktivteils stärker als die dem Öl ausgesetzten aussenliegenden
Teile. Das aus dem Aktivteil zu entfernende Wasser wird daher aufgrund von Diffusionsvorgängen
aus dem Inneren des Aktivteils besonders schnell nach aussen geführt.
[0011] Aufgrund des raschen Trockenvorganges und der kleinen Menge an Öl ist der Energieanfall
vergleichsweise gering und kann das erfindungsgemässe Verfahren in sehr wirtschaftlicher
Weise ausgeführt werden. Dies vor allem auch deswegen, da wegen der geringen Ölmenge
eine die Aufbereitung und Erwärmung des Öls ausführende Anlage klein gehalten werden
kann.
[0012] Um Schäden am Aktivteil mit ausreichender Sicherheit auszuschliessen, wird der reduzierte
Druck im Gehäuse während des Ölsprühens und des Aufheizens der Wicklung mit Strom
oberhalb eines durch das Paschen - Gesetz bestimmten Drucksollwerts gehalten.
[0013] Eine wirkungsvolle Steuerung des erfindungsgemässen Trocknungsverfahrens ist möglich,
wenn während des Aufheizens des Aktivteils die pro Zeiteinheit aus dem Aktivteil tretende
Menge an Wasser, beispielsweise durch Messung des Wasserdampfpartialdruckes im Gehäuse,
erfasst wird, und wenn unterhalb eines Maximums der pro Zeiteinheit austretenden Wassermenge
die Wicklungstemperatur, vor allem durch Ölsprühen, konstant gehalten wird. Bei abgeschaltetem
Strom kann dann der reduzierte Druck unter den Drucksollwert abgesenkt und dann besonders
wirkungsvoll und energiesparend getrocknet werden. Um den Trocknungsgrad zu verbessern,
empfiehlt es sich, den Druck auf einen oberhalb des Drucksollwertes liegenden Wert
anzuheben und die Wicklungstemperatur sukzessive auf einen Temperaturendwert zu erhöhen,
sobald die pro Zeiteinheit anfallende Wassermenge unter einen Grenzwert gefallen ist.
[0014] Die Qualität der Trocknung kann zusätzlich erhöht werden, wenn nach dem Ölsprühen
das Öl bei reduziertem Druck aus dem Gehäuse entfernt und die Wicklungstemperatur
hierbei durch Heizen mit Strom konstant gehalten wird. Durch periodisches Senken des
reduzierten Drucks bei abgeschaltetem Strom unter den Drucksollwert können dann auch
noch geringe Wasserreste aus dem Aktivteil entfernt werden.
[0015] Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens weist
eine Ölaufbereitungsanlage zum Abziehen des am Gehäuseboden gesammelten Öls, zum Erwärmen
des abgezogenen Öls und zum Zuführen des gesammelten Öls auf sowie eine in der Decke
des Gehäuses angeordnete Sprühvorrichtung, welche mit einer erwärmtes Öl aus der Aufbereitungsanlage
zuführenden Leitung verbunden ist. Das Öl wird so von oben auf das Aktivteil aufgesprüht
und kann dann auf einem relativ langen Fliessweg viel Wärme abgeben. Dadurch dass
die Sprühvorrichtung mehrere über die Decke verteilte und auf das Aktivteil ausgerichtete
Sprühdüsen aufweist, welche vorteilhafterweise verstellbar ausgebildet sind, kann
das Öl gezielt versprüht werden und so der Wirkungsgrad der Vorrichtung zusätzlich
erhöht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0016] In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt,
und zwar zeigt:
- Fig.1
- ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens
mit einem ein Aktivteil eines elektrischen Gerätes aufnehmenden Gehäuse, einer LFH-Anlage,
einer Ölaufbereitungsanlage und einer Ölsprühvorrichtung, und
- Fig.2
- ein Diagramm, in dem wichtige Parameter des erfindungsgemässen Verfahrens, wie die
Temperaturen Toil des zu versprühenden Öls und Tw einer Wicklung des Aktivteils, der Gesamtdruck p im Gehäuse, der Wasserdampfpartialdruck
pH20 im Gehäuse und der von der LFH - Anlage abgegebene Strom I in Funktion der Zeit dargestellt
sind.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0017] In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Teile. In
der in Fig.1 dargestellten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens
bezeichnet 1 ein vakuumdichtes Gehäuse, welches über eine nicht bezeichnete Ventilanordnung
mit einer Vakuumanlage 2 verbindbar ist. Das Gehäuse nimmt ein Aktivteil 3 eines elektrischen
Gerätes, beispielsweise eines Transformators, auf. Ist der Transformator ölgefüllt,
dann kann das Transformatorgehäuse als Gehäuse 1 dienen. Das Gehäuse kann aber auch
irgendein anderer vakuumdichter, temperaturbeständiger Behälter sein mit vakuumdichten
Stromdurchführungen und kann anstelle eines grossen Aktivteils auch mehrere kleine
Aktivteile aufnehmen.
[0018] Das Aktivteil 3 enthält mindestens eine Wicklung und die Wicklung isolierende hygroskopische
Feststoffisolationen. Das aus Fig.1 ersichtliche Aktivteil enthält darüber hinaus
einen Eisenkern 4 und drei jeweils einer Phase eines dreiphasigen Stroms zugeordnete
Spulenblöcke 5, welche jeweils eine Ober- und eine Unterspannungswicklung aufweisen.
Die Unterspannungswicklungen 6 sind ausserhalb des Gehäuses kurzgeschlossen, wohingegen
die Oberspannungswicklungen 7 mit dem Stromausgang einer ausserhalb des Gehäuses 1
angeordneten niederfrequenten Wechselstrom oder Gleichstrom erzeugenden LFH - Anlage
8 verbunden sind.
[0019] Im Boden des Gehäuses 1 ist ein Abfluss 9 vorgesehen, durch den am Gehäuseboden gesammeltes
Öl 10 mit Hilfe einer Ölförderpumpe 11 in einen Ölerhitzer 12 einer Ölaufbereitungsanlage
13 abgezogen werden kann. Der Ausgang des Ölerhitzers 12 ist über einen Öleinlass
14 mit einer in der Decke des Gehäuses 1 angeordneten Sprühvorrichtung 15 verbunden.
Diese Sprühvorrichtung weist mehrere über der Decke verteilte Sprühdüsen 16 auf, welche
auf das Aktivteil ausgerichtet sind. Zumindest einige der Sprühdüsen 16 können auch
an den Seitenwänden des Gehäuses 1 angeordnet sein. Dadurch und durch verstellbar
ausgerichtete Sprühdüsen kann das Aktivteil 3 gezielt und nicht nur von oben, sondern
auch von der Seite besprüht werden.
[0020] Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung wird anhand von Fig. 2 näher erläutert:
In dem mit dem Aktivteil 3 beladenen Gehäuse 1 wird mit der Vakuumanlage 2 zunächst
der Druck p reduziert. Der bei der Durchführung des Verfahrens verwendete Arbeitswert
des reduzierte Drucks sollte grösser sein als ein durch das Paschengesetz vorgegebener
Drucksollwert p
pasch. Unterhalb dieses Drucksollwertes könnte es auf Grund des Paschengesetzes beim in
einem elektrischen Feld zu Überschlägen kommen. Beim Anlegen einer Heizspannung an
das Aktivteil könnten dann elektrische Entladungen auftreten, die zu einer Beeinträchtigung
des Isolationsvermögen des Aktivteils führen könnten. Der Arbeitswert des reduzierten
Drucks sollte aber auch möglichst klein sein, um eine hohe Abdampfrate für das aus
dem Aktivteil zu entfernende Wasser zu haben. Der Arbeitswert liegt unter 100 mbar,
typischerweise bei 10 bis 30 mbar.
[0021] An einem Zeitpunkt t
1 ist der Druck ausreichend reduziert. Es wird nun das Aktivteil mit einem durch die
Oberspannungswicklungen 7 geführten niederfrequenten Wechselstrom I und mit einem
in den Unterspannungswicklungen 6 hervorgerufenen Induktionsstrom aufgeheizt. Gleichzeitig
wird in der Ölaufbereitungsanlage 13 erwärmtes Öl zur Sprühvorrichtung 15 geführt
und von dort auf die Oberfläche des Aktivteils 3 aufgesprüht. Durch das kombinierte
Heizen mit Strom und mit Öl wird erreicht, dass die zum Trocknen des Aktivteils erforderliche
Wärme gleichzeitig von innen und von aussen zugeführt wird.
[0022] Dadurch wird eine besonders rasche und schonende Trocknung erreicht. In den Feststoffisolationen
gebundenes Wasser wird von den aufgeheizten Wicklungen weg nach aussen an die Oberflächen
der Feststoffisolationen geführt und abgedampft. Da das Aktivteil 3 beim Aufheizen
einem reduzierten Druck ausgesetzt ist, kann das Wasser bereits zu Beginn des Aufheizvorganges
vom Aktivteil 3 abdampfen. Die pro Zeiteinheit abdampfende Wassermenge wird indirekt
über eine Wasserdampf - Partialdruckmessung ermittelt und ist in Fig.2 als Kurve p
H2O dargestellt. Zugleich werden auch die Temperaturen T
oil des versprühten Öls und T
w der Wicklungen des Aktivteils 3 erfasst. Während die Öltemperatur T
oil direkt mit einem Temperatursensor ermittelt wird, basiert die Wicklungstemperatur
Tw auf einem in bekannter Weise aus den Temperaturen von Ober- und Unterspannnungswicklung
errechneten Mittelwert (vgl. z.B. den eingangs zitierten Stand der Technik nach W.
Müntener). Die entsprechenden Temperaturkurven sind ebenfalls in Fig. 2 eingetragen.
Ersichtlich wird während des Trocknungsprozesses T
w stets etwas grösser als T
oil gehalten. Es ist so sichergestellt, dass das im Aktivteil 3 vorhandene Wasser von
innen nach aussen geführt wird. Das abgedampfte Wasser wird über die Vakuumanlage
2 abgesaugt.
[0023] Zum Zeitpunkt t
2 ist die Wicklungstemperatur T
w1 schon relativ gross und liegt nicht mehr sehr weit (beispielsweise 10 oder 20°C)
unterhalb eines zulässigen Temperaturendwertes T
end von beispielsweise 110°C. Da bei dieser Temperatur p
H2O ein Maximum der pro Zeiteinheit abgegebenen Wassermenge überschritten ist, wird an
diesem Zeitpunkt die Wicklungstemperatur T
w konstant auf T
w1 gehalten. Auch die Öltemperatur wird konstant gehalten. Das Konstanthalten kann überwiegend
durch Ölsprühen bewirkt werden. Es empfiehlt sich jedoch, intermittierend auch mit
Strom zu heizen, da dann zum einen sichergestellt ist, dass T
w stets über T
oil liegt und das Wasser im Aktivteil von innen nach aussen diffundiert, und da dann
zum anderen während einer Strompause der Druck p unter den Drucksollwert T
pasch abgesenkt und das nach aussen geführte Wasser besser vom Aktivteil abgedampft werden
kann.
[0024] Zum Zeitpunkt t
3 fällt nicht mehr sehr viel Wasser an. Daher werden ab diesem Zeitpunkt bei einem
oberhalb des Drucksollwertes p
pasch liegenden Druck p die Öl- und die Wicklungstemperatur sukzessive erhöht. Bei jeder
Temperaturerhöhung fällt zunächst eine vergleichsweise grosse Wassermenge an. Nach
Überschreiten eines Maximum werden jeweils wieder die Öl- und die Wicklungstemperaturen
konstant gehalten und bei intermittierendem Heizstrom I in Strompausen der Druck p
unter den Drucksollwert p
pasch abgesenkt.
[0025] Zum Zeitpunkt t
4 ist die Endtemperatur T
end erreicht und wird das Heizen durch Ölsprühen eingestellt. Durch Stromheizung wird
das Aktivteil auf Endtemperatur gehalten. Bei einem oberhalb des Drucksollwertes p
pasch liegenden Druck wird das Öl 10 nun vollständig aus dem Gehäuse 1 abgezogen. Mit dem
Abziehen des Öls werden zugleich auch durch das Öl vom Aktivteil abgespülte Verunreinigungen
aus dem Gehäuse entfernt.
[0026] Zum Zeitpunkt t
5 ist das Öl entfernt. Es kann nun in einer sich anschliessenden Feinvakuumphase durch
intermittierendes Heizen und Drucksenken noch restliches Wasser aus dem Aktivteil
entfernt werden. Abschliessend kann dann bei abgeschalteter elektrischer Heizung das
Gehäuse belüftet und das getrocknete Aktivteil entnommen oder frisches Öl in das Gehäuse
gefüllt werden.
Bezugszeichenliste
[0027]
- 1
- Gehäuse
- 2
- Vakuumanlage
- 3
- Aktivteil
- 4
- Eisenkern
- 5
- Spulenblock
- 6
- Unterspannungswicklung
- 7
- Oberspannungswicklung
- 8
- LFH - Anlage
- 9
- Abfluss
- 10
- Öl
- 11
- Ölförderpumpe
- 12
- Ölerhitzer
- 13
- Ölaufbereitungsanlage
- 14
- Öleinlass
- 15
- Sprühvorrichtung
- 16
- Sprühdüsen
- I
- Strom einer LFH-Anlage
- p
- Gesamtdruck
- pH20
- Wasserdampfpartialdruck
- ppasch
- Drucksollwert
- T
- Temperatur
- Tend
- Temperaturendwert
- Tw
- Wicklungstemperatur
- Tw1
- konstante Wicklungstemperatur
- Toil
- Öltemperatur
- t
- Zeit
- t1, t2, t3, t4, t5
- Zeitpunkte
1. Verfahren zur Trocknung eines mindestens eine Wicklung (6, 7) und Feststoffisolationen
enthaltenden Aktivteils (3) in einem vakuumdichten Gehäuse (1), bei dem das Aktivteil
durch Versprühen von erwärmtem Öl (10) im Gehäuse (1) und durch einen in der mindestens
einen Wicklung geführten Strom (I) auf einen Temperaturendwert (Tend) aufgeheizt und dem Aktivteil (3) bei einem gegenüber Atmosphäre reduzierten Druck
(p) Wasser entzogen wird, dadurch gekennzeichnet,
dass vor dem Versprühen des erwärmten Öls der Druck (p) im Gehäuse auf einen Arbeitswert
reduziert wird, welcher grösser ist als ein durch das Paschengesetz bestimmter Drucksollwert
(ppasch) und kleiner als ein gegenüber Atmosphärendruck eine hohe Abdampfrate des Wassers
aus dem Aktivteil sicherstellender oberer Druckgrenzwert,
dass das Öl beim Arbeitswert bei eingeschaltetem Strom (I) im Gehäuse (10) versprüht wird,
und
dass während des Versprühens des Öl (10), Sammelns des versprühten Öls am Gehäuseboden
sowie Wiedererwärmens und erneuten Versprühens des gesammelten Öls (10) bei Arbeitsdruck
und eingeschaltetem Strom (I) die Temperatur (Tw) der Wicklung grösser gehalten wird als die Temperatur (Toil) des Öls.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ölsprühens und des Aufheizens der Wicklung mit Strom der reduzierte Druck
im Gehäuse oberhalb eines durch das Paschengesetz bestimmten Drucksollwertes (ppasch) gehalten wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufheizens des Aktivteils die pro Zeiteinheit aus dem Aktivteil (3) austretende
Menge an Wasser (pH2O) erfasst wird, und dass unterhalb eines Maximums der pro Zeiteinheit austretenden
Wassermenge die Temperatur (Tw) der stromgeheizten Wicklung konstant gehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanter Wicklungstemperatur (Tw1) und bei abgeschaltetem Strom (I) der reduzierte Druck (p) unter den Drucksollwert
(ppasch) abgesenkt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb eines Grenzwertes der pro Zeiteinheit anfallenden Wassermenge der Druck
auf einen oberhalb des Drucksollwertes liegenden Wert angehoben wird und sodann die
Wicklungstemperatur (Tw) sukzessive auf den Temperaturendwert (Tend) erhöht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ölsprühen (t4) das Öl bei reduziertem Druck aus dem Gehäuse entfernt und die Wicklungstemperatur
hierbei durch Heizen mit Strom konstant gehalten wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entfernen des Öls (t5) der reduzierte Druck bei abgeschaltetem Strom periodisch unter den Drucksollwert
(ppasch) gesenkt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer
Ölaufbereitungsanlage (13) zum Abziehen des am Gehäuseboden erwärmten Öls (10), zum
Erwärmen des abgezogenen Öls und zum Zuführen des erwärmten Öls, dadurch gekennzeichnet, dass in der Decke des Gehäuses (1) mindestens eine Sprühvorrichtung (15) vorgesehen ist,
welche mit einer erwärmtes Öl aus der Ölaufbereitungsanlage (13) zuführenden Leitung
verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung (15) mehrere über der Decke verteilte und auf das Aktivteil
(3) ausgerichtete Sprühdüsen (16) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühdüsen verstellbar ausgebildet sein.