Trockentransformatorspule und Trockentransformator

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Trockentransformatorspule (10, 62, 64, 66), umfassend wenigstens zwei hohlzylindrische, ineinander verschachtelte und radial beabstandete Wicklungen (12, 14, 46, 48) beziehungsweise Wicklungsteile, wobei in dem durch die Beabstandung gebildeten hohlzylindrischen Zwischenraum (16, 68) axial verlaufende Kühlkanäle (30, 32, 34, 36, 50) angeordnet sind. Der Füllfaktor des hohlzylindrischen Zwischenraumes (16, 68) mit Kühlkanälen (30, 32, 34, 36, 50) variiert über dessen radialen Umfang. Die Erfindung betrifft auch einen Trockentransformator (60), umfassend einen Transformatorkern mit wenigstens zwei Kernjochen (70) und mit wenigstens zwei Kernschenkeln (42), wobei um wenigstens einen Kernschenkel (42) eine erfindungsgemäße Trockentransformatorspule (10, 62, 64, 66) angeordnet ist. Der Füllfaktor des hohlzylindrischen Zwischenraums (16, 68) ist derart variiert, dass er in von den Kernjochen (70) stirnseitig abgeschatteten Bereichen (72, 74, 76, 78) höher ist als in den nicht abgeschatteten Bereichen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Ausführung einer Trockentransformatorspule. Die Erfindung betrifft auch einen Trockentransformator mit einer erfindungsgemäßen Trockentransformatorspule.

[0002] Es ist allgemein bekannt, dass Trockentransformatoren in Energieverteilungsnetzen zur Anpassung an jeweilige Spannungsebenen verwendet werden, beispielsweise zwischen 6kV / 10kV / 30kV oder 60kV Ebenen. Hierbei sind Nennleistungen von einigen 100kVA bis über 10MVA üblich. Während bei Höchstspannungstransformatoren - beispielsweise in der Spannungsebene 380kV - die Verwendung von Öl als Kühl- und Isolationsmittel unumgänglich ist, wird bei Trockentransformatoren aufgrund der geringeren Isolationsanforderungen in den entsprechen darunter liegenden Spannungsebenen bewusst auf eine ein flüssiges Kühl- beziehungsweise Isolationsmittel verzichtet. Dies bietet den Vorteil eines vereinfachten Aufbaus. Die Isolation beziehungsweise Kühlung erfolgt dann typischerweise über Umgebungsluft.

[0003] Aufgrund der im Vergleich zu Öl geringeren Wärmekapazität erweist sich die Kühlung eines Trockentransformators beziehungsweise der jeweiligen Trockentransformatorspulen mit Luft als schwierig und aufwändig. Es ist neben einer Vielzahl von die Trockentransformatorspule axial durchquerenden Kühlkanälen je nach Leistungsklasse üblicherweise auch eine forcierte Kühlung vorzusehen. Je nach Leistungsklasse erfordert eine forcierte Kühlung einen erheblichen Aufwand aufgrund der Notwendigkeit einer entsprechenden Förderung des Kühlmittels Luft durch die Kühlkanäle. Es gibt aber auch durchaus Trockentransformatorvarianten mit natürlicher Kühlung. Diese sind aber aufgrund der limitierten Kühlwirkung deutlichen Einschränkungen in deren maximaler Leistung unterworfen.

[0004] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Trockentransformatorspule anzugeben, welche ein verbessertes Kühlverhalten aufweist beziehungsweise ein vorhandenes Strömungsvolumen an Kühlmittel möglichst effektiv nutzt. Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, einen Trockentransformator mit verbessertem Kühlverhalten anzugeben.

[0005] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Trockentransformatorspule der eingangs genannten Art. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass der Füllfaktor des hohlzylindrischen Zwischenraumes mit Kühlkanälen über dessen radialen Umfang variiert.

[0006] Die Grundidee der Erfindung besteht darin, die Kühlkanäle, welche in einem hohlzylindrischen Zwischenraum einer Trockentransformatorspule angeordnet sind, gerade nicht mit einer gleichmäßigen sondern mit einer ungleichmäßigen Kühlkanaldichte anzuordnen und zwar derart, dass sich im eingebauten Zustand einer Trockentransformatorspule unter Berücksichtigung der gegebenen Strömungsverhältnisse eine möglichst homogene Durchströmung der Kühlkanäle ergibt.

[0007] Bei einem Einbau in einen Transformator, beispielsweise in einen dreiphasigen Transformator, sind Trockentransformatorspulen um einen jeweiligen Schenkel eines Transformatorkernes angeordnet. Bei einem dreiphasigen Transformator gibt es beispielsweise Kernausführungen mit drei oder fünf parallelen und in einer gemeinsamen senkrechten Ebene angeordneten Kernschenkeln, welche durch ein jeweils darunter beziehungsweise darüber verlaufendes Kernjoch verbunden sind.

[0008] Durch derartige Kernjoche erfolgt daher eine Abschattung der vorzugsweise senkrecht verlaufenden Kühlkanäle, so dass sich für durch die Kühlkanäle strömende Luft ein unterschiedlicher Strömungswiderstand ergibt. Als Folge dessen strömt durch die abgeschatteten Kühlkanäle aufgrund des höheren Strömungswiderstandes ein geringerer Luftstrom als durch die nicht-abgeschatteten Kühlkanäle, sofern ein homogener Füllfaktor mit Kühlkanälen über den gesamten Querschnitt des hohlzylindrischen Zwischenraums vorausgesetzt wird.

[0009] Ein Füllfaktor wird im Rahmen des Erfindungsgegenstandes definiert als das Verhältnis von aktiver Kühlkanalquerschnittsfläche über einen jeweiligen Teilabschnitt der Grundfläche des hohlzylindrischen Zwischenraums zu der Grundfläche selbst. Für den theoretischen Fall, dass der hohlzylindrische Zwischenraum lediglich hauchdünne Membranen aufweisen würde, durch welche eine Trennung der parallel verlaufenden Kühlkanäle erfolgt, wäre für den betreffenden Teilabschnitt der Füllfaktor nahe eins. Für den Fall, dass durch entsprechende Stützleisten oder der dergleichen die Hälfte der Grundfläche eines jeweiligen Teilabschnitts verbraucht wäre, wäre der Füllfaktor in diesem Teilabschnitt bei 50%. Ein hoher Füllfaktor in einem Teilabschnitt ist daher gleichzusetzen mit einem geringen Strömungswiderstand. Eine bereichsweise Variation des Füllfaktors kann beispielsweise durch eine entsprechende Materialdicke von Leistenelementen erfolgen, durch welche die Kühlkanäle gebildet sind.

[0010] Durch eine entsprechende abschnittsweise Anpassung des Füllfaktors lässt sich dadurch in vorteilhafter Weise eine Erhöhung des Strömungswiderstandes in Bereichen außerhalb der Trockentransformatorspule kompensieren. Somit ist für eine homogene Kühlung über den gesamten Spulenumfang gesorgt. Für den Fall, dass aufgrund der Anordnung der Trockentransformatorspulen ein inhomogener Kühlbedarf besteht, beispielsweise wenn benachbarte Trockentransformatorspulen gegenseitiger Wärmeeinstrahlung ausgesetzt sind, lässt sich aber auch gezielt eine inhomogene Durchstömung der Kühlkanäle entsprechend dem Kühlbedarf realisieren.

[0011] Die Dimensionierung des jeweiligen geeigneten Füllfaktors längs des Umfangs des hohlzylindrischen Zwischenraumes erfolgt anhand der gegebenen Strömungsbedingungen und der typischen Betriebsparameter des Transformators. Hierbei kann eine Durchströmung der Kühlkanäle lediglich anhand natürlicher Konvektion erfolgen, der Transformator kann aber auch über ein Kühlgebläse verfügen und auch in ein Gehäuse eingebaut sein.

[0012] Gemäß einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Trockentransformatorspule ist die Variation des Füllfaktors durch eine zumindest bereichsweise erfolgende Verengung wenigstens eines axialen Teilbereiches von wenigstens einem Kühlkanal bewirkt. Konstruktiv ist die Aufteilung des hohlzylindrischen Zwischenraums in völlig gleichartige Kühlkanäle nämlich besonders einfach zu realisieren. Um dennoch auch bei eigentlich gleichartigen Kühlkanälen eine Variation des Füllfaktors zu bewirken, ist es daher erfindungsgemäß vorgesehen, einen jeweiligen Kühlkanal abschnittsweise zu verengen, wodurch dann der jeweilige Strömungswiderstand durch den Kühlkanal erhöht wird.

[0013] In besonders bevorzugter Weise erfolgt eine jeweilige Verengung eines Kühlkanals durch ein darin oder davor angeordnetes Verengungselement. Diese bieten den Vorteil, dass sie sich nachträglich in bereits gefertigte Kühlkanäle von Trockentransformatorspulen einsetzen lassen und daher kaum zusätzlichen Aufwand erfordern. Es sind sowohl Verengungselemente denkbar, welche sich direkt in einen Kühlkanal einsetzen lassen und diesen bereichsweise verengen, es sind aber auch Blendelemente denkbar, welche direkt an einer axiale Stirnseite eines jeweiligen Kühlkanals angeordnet sind.

[0014] In besonders bevorzugter Weise ist ein jeweiliges Verengungselement aus einem Isolationsmaterial gefertigt. Hierdurch wird die Isolationsfähigkeit der ebenfalls bevorzugter Weise aus einem Isolationsmaterial gefertigten Kühlkanäle nicht negativ beeinträchtigt.

[0015] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trockentransformatorspule ist wenigstens ein Verengungselement aus mehreren Modulen mit unterschiedlichem Temperaturausdehnungskoeffizient gefertigt. Somit kann in vorteilhafter Weise eine temperaturabhängige Verengung des Querschnittes eines Kühlkanals erreicht werden. In einer besonders bevorzugten Variante ist daher das wenigstens eine Verengungselement derart ausgestaltet und angeordnet, dass bei steigender Temperatur der Strömungswiderstand durch den jeweiligen Kühlkanal reduziert wird. Somit hat eine lokal erhöhte Temperatur automatisch eine lokal verbesserte Kühlwirkung zur Folge. Eine entsprechende Ausführungsform umfasst beispielsweise ein zungenähnliches Verengungselement, welches in den Kühlkanal hineinragt und ähnlich dem Verhalten eines Bimetalstreifens ein temperaturabhängiges Biegeverhalten aufweist. Bei einer erhöhten Temperatur wird die Biegung reduziert und ein erhöhter Querschnitt des Kühlkanals freigegeben.

[0016] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch einen Trockentransformator, umfassend einen Transformatorkern mit wenigstens zwei Kernjochen und mit wenigstens zwei Kernschenkeln, wobei um wenigstens einen Kernschenkel eine erfindungsgemäße Trockentransformatorspule angeordnet ist, wobei der Füllfaktor des hohlzylindrischen Zwischenraums derart variiert ist, dass er in von den Kernjochen stirnseitig abgeschatteten Bereichen höher ist als in den nicht abgeschatteten Bereichen. Idealerweise ergibt sich hieraus zumindest für einen bevorzugten Betriebszustand des Trockentransformators trotz der Abschattungen eine homogene Durchströmung der jeweiligen Kühlkanäle mit Kühlmittel, wie zum Beispiel Luft.

[0017] Gemäß einer erfindungsgemäßen Variante des Trockentransformators ist dieser forciert gekühlt, weist also beispielsweise ein Fördermittel für Kühlluft auf, beispielsweise ein Gebläse. Hierdurch wird die Effektivität der Kühlkanäle noch einmal weiter gesteigert. Die durch ein Gebläse entstehenden Druckverhältnisse an den stirnseitigen Einlässen der jeweiligen Kühlkanäle sind bei der Auslegung einer geeigneten Füllfaktorverteilung zu berücksichtigen.

[0018] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

[0019] Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.

[0020] Es zeigen:

Fig. 1

eine exemplarische Trockentransformatorspule,

Fig. 2

einen exemplarischen Kernschenkel mit Trockentransformatorspule und

Fig. 3

einen exemplarischen Transformatorkern mit Trockentransformatorspulen.

[0021] Figur 1 zeigt eine exemplarische Trockentransformatorspule 10 in einer Draufsicht auf eine derer beiden Stirnflächen. Um eine Mittelachse herum sind ineinander geschachtelt und zueinander beabstandet eine erste 12 und eine zweite 14 Wicklung der Trockentransformatorspule 10 angeordnet. In einem durch die Beabstandung gebildeten hohlzylindrischen Zwischenraum 16 sind in mehreren exemplarischen Abschnitten 18, 20, 22, 24, 26, 28 mehrere Beispiele für Anordnungen von Kühlkanälen 30, 32, 34, 36 mit jeweils unterschiedlichen Füllfaktoren gegeben.

[0022] Im ersten 18 und zweiten 20 Abschnitt sind Kühlkanäle 30 vorgesehen, welche im ersten Abschnitt 18 tangential beabstandet sind, womit sich ein geringerer Füllfaktor ergibt als im zweiten Abschnitt 20, wo die Kühlkanäle 30 tangential aneinandergrenzend sind. Im dritten Abschnitt 22 sind wiederum tangential aneinander grenzende Kühlkanäle 32 angeordnet, welche in ihrem Inneren jedoch ein jeweiliges Verengungselement 38 aufweisen, so dass auch im dritten Abschnitt ein reduzierter Füllfaktor gegeben ist.

[0023] Im vierten 24 und fünften 26 Abschnitt sind Kühlkanäle 34 mit geringerem Durchmesser als der der Kühlkanäle 30 und 32 angeordnet. Im vierten Abschnitt 24 sind diese einlagig tangential aneinandergrenzend und im fünften Abschnitt 26 zweilagig tangential aneinandergrenzend angeordnet, so dass der fünfte Abschnitt 26 einen etwa doppelt so hohen Füllfaktor aufweist wie der vierte Abschnitt 24.

[0024] Im sechsten Abschnitt 28 wiederum sind tangential angeordnete Leistenelemente vorgesehen zur Beabstandung vorgesehen, durch deren Dicke letztendlich der Füllfaktor im sechsten Abschnitt 28 bestimmt ist.

[0025] Figur 2 zeigt einen exemplarischen Kernschenkel 42 mit Trockentransformatorspule in einer Abbildung 40. Der Kernschenkel 42 ist längs einer Rotationsachse 44 ausgerichtet, um welche radialsymmetrisch angeordnet eine erste 46 und eine zweite 48 Wicklung der Transformatorspule angeordnet sind. In einem hohlzylindrischen Zwischenraum zwischen radial beabstandeter erster 46 und zweiter 48 Wicklung ist ein Kühlkanal 50 gebildet, an dessen oberen Ende ein Verengungselement 50 eingesetzt ist. Hierdurch wird der Strömungswiderstand durch den Kühlkanal 50 künstlich erhöht, womit der effektiv wirksame Füllfaktor für diesen Bereich des hohlzylindrischen Zwischenraumes reduziert ist. Kühlluft tritt von der unteren Stirnseite in den Kühlkanal 50 ein und an dessen oberen stirnseitigen Ende wieder aus, wie mit den Pfeilen mit der Bezugsziffer 54 und 56 angedeutet.

[0026] Die Fig. 3 zeigt einen exemplarischen Transformatorkern mit darauf angeordneten Trockentransformatorspulen 62, 64, 66 in einer Draufsicht 60. Der Transformatorkern weist drei Schenkel auf, welche an ihren beiden jeweiligen Enden mit einem quer dazu verlaufendem Joch 70 verbunden sind. Jeweilige Kühlkanäle sind in jeweiligen hohlzylindrischen Zwischenräumen 68 der Trockentransformatorspulen 62, 64, 66 gebildet. Das obere 70 und das untere Joch sind in einem Abstand zu den jeweiligen axialen Stirnflächen der Trockentransformatorspulen 62, 64, 66 angeordnet, so dass ein Luftstrom in den abgeschatteten Bereichen 72, 74, 76, 78 nicht ungehindert in die Kühlkanäle eintreten kann. Die hierdurch gebildete Verengungsstelle wird erfindungsgemäß durch einen erhöhten Füllfaktor in den entsprechenden Bereichen des hohlzylindrischen Zwischenraumes kompensiert, so dass sich für die alle Kühlkanäle unter der Berücksichtigung einer jeweiligen Abschattung ein etwa gleicher Strömungswiderstand ergibt.

Bezugszeichenliste

[0027] 

10

exemplarische Trockentransformatorspule

12

erste Wicklung von Trockentransformatorspule

14

zweite Wicklung von Trockentransformatorspule

16

hohlzylindrischer Zwischenraum

18

erster Abschnitt von hohlzylindrischem Zwischenraum

20

zweiter Abschnitt von hohlzylindrischem Zwischenraum

22

dritter Abschnitt von hohlzylindrischem Zwischenraum

24

vierter Abschnitt von hohlzylindrischem Zwischenraum

26

fünfter Abschnitt von hohlzylindrischem Zwischenraum

28

sechster Abschnitt von hohlzylindrischem Zwischenraum

30

erster Kühlkanal in hohlzylindrischem Zwischenraum

32

zweiter Kühlkanal in hohlzylindrischem Zwischenraum

34

dritter Kühlkanal in hohlzylindrischem Zwischenraum

36

vierter Kühlkanal in hohlzylindrischem Zwischenraum

38

exemplarisches Verengungselement

40

exemplarischer Kernschenkel mit Trockentransformatorspule

42

Kernschenkel

44

Mittelachse

46

erste Wicklung von Trockentransformatorspule

48

zweite Wicklung von Trockentransformatorspule

50

Kühlkanal

52

exemplarisches Verengungselement

54

einströmende Luft

56

ausströmende Luft

60

exemplarischer Transformatorkern mit Trockentransformatorspulen

62

erste Trockentransformatorspule

64

erste Trockentransformatorspule

66

erste Trockentransformatorspule

68

holzylindrischer Zwischenraum von erster Trockentransformatorspule

70

Kernjoch

72

erster abgeschatteter Bereich

74

erster abgeschatteter Bereich

76

erster abgeschatteter Bereich

78

erster abgeschatteter Bereich

Ansprüche

1. Trockentransformatorspule (10, 62, 64, 66), umfassend wenigstens zwei hohlzylindrische, ineinander verschachtelte und radial beabstandete Wicklungen (12, 14, 46, 48) beziehungsweise Wicklungsteile, wobei in dem durch die Beabstandung gebildeten hohlzylindrischen Zwischenraum (16, 68) axial verlaufende Kühlkanäle (30, 32, 34, 36, 50) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Füllfaktor des hohlzylindrischen Zwischenraumes (16, 68) mit Kühlkanälen (30, 32, 34, 36, 50) über dessen radialen Umfang variiert.

2. Trockentransformatorspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Füllfaktors durch eine zumindest bereichsweise erfolgende Verengung wenigstens eines axialen Teilbereiches von wenigstens einem Kühlkanal (30, 32, 34, 36, 50) bewirkt ist.

3. Trockentransformatorspule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Verengung eines Kühlkanals (30, 32, 34, 36, 50) durch ein darin oder davor angeordnetes Verengungselement (38, 52) erfolgt.

4. Trockentransformatorspule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliges Verengungselement (38, 52) aus einem Isolationsmaterial gefertigt ist.

5. Trockentransformatorspule nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verengungselement (38, 52) aus mehreren Modulen mit unterschiedlichem Temperaturausdehnungskoeffizient gefertigt ist.

6. Trockentransformatorspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Verengungselement (38, 52) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass bei steigender Temperatur der Strömungswiderstand durch den jeweiligen Kühlkanal (30, 32, 34, 36, 50) reduziert wird.

7. Trockentransformator (60), umfassend einen Transformatorkern mit wenigstens zwei Kernjochen (70) und mit wenigstens zwei Kernschenkeln (42), wobei um wenigstens einen Kernschenkel (42) eine Trockentransformatorspule (10, 62, 64, 66) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Füllfaktor des hohlzylindrischen Zwischenraums (16, 68) derart variiert ist, dass er in von den Kernjochen (70) stirnseitig abgeschatteten Bereichen (72, 74, 76, 78) höher ist als in den nicht abgeschatteten Bereichen.

8. Trockentransformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Fördermittel für Kühlluft aufweist.

Zeichnung