CH661633A5

CH661633A5 - Verfahren zur kuehlung einer elektrischen apparatur.

Info

Publication number: CH661633A5
Application number: CH97783A
Authority: CH
Inventors: Gabriel Roge
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1983-02-22
Filing date: 1983-02-22
Publication date: 1987-07-31
Also published as: BR8400749A; DE3309724C2; FR2541552A1; DE3309724A1; FR2541552B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kühlung einer in einem Gefäss in eine Flüssigkeit eingetauchten elektrischen Apparatur, wobei die Apparatur bis zu einer bestimmten elektrischen Leistung durch eine natürliche Thermosiphonkühlung gekühlt wird und oberhalb der bestimmten elektrischen Leistung zusätzlich zur Thermosiphonkühlung und unabhängig von dieser eine Kühlung mit erzwungenem Durchfluss eingeschaltet wird.

Eine derartige Kühlung von Transformatoren ist in dem Prospekt «Die Kühlung von Grosstransformatoren» von Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. Baden (Schweiz), April 1966, Nr. 3219D, Seite 6, beschrieben.

Die natürliche Kühlung ist die einfachste Kühlungsart von elektrischen Apparaturen. Sie arbeitet zuverlässig und betriebssicher. Die in der Wicklung, im Blechpaket und in den massiven metallischen Konstruktionsteilen entstehende Wärme bewirkt, dass das Öl durch den natürlichen Auftrieb (Thermosi-phonwirkung) selbständig in Zirkulation gerät. Das erwärmte Öl strömt im oberen Teil aus dem Gefäss, in dem sich die elektrische Apparatur befindet aus, gelangt in einen Kühler in dem es gekühlt wird, und tritt anschliessend im unteren Teil wieder in das Gefäss ein, und der natürliche Kreislauf vollzieht sich von neuem.

Der Kühler besteht normalerweise aus Radiatoren, die zusätzlich durch Ventilatoren belüftet werden können, um die Kühlwirkung zu erhöhen. Bei den derzeit üblichen Kühlsystemen von beispielsweise Grosstransformatoren mit Leistungen über ca. 30 MVA ist die natürliche Thermosiphonkühlung gleichzeitig mit einer Kühlung mit erzwungenem Durchfluss der Kühlflüssigkeit gekoppelt, um die Kühlleistung bei erhöhter Beanspruchung des Transformators steigern zu können. Dadurch wird aber der natürlichen Zirkulation ein erzwungener Kreislauf

überlagert, und die Temperaturverteilung innerhalb des Transformatorenkessels derart stark ausgeglichen, dass die für eine Thermosiphonwirkung notwendige Temperaturdifferenz von beispielsweise 20° C zwischen unterem und oberem Teil des Kessels unterschritten wird. Die natürliche Kühlung kommt zum Stillstand und muss nunmehr durch einen forcierten erzwungenen Durchfluss ersetzt werden. Dies erfordert aber leistungsstärkere Umwälzpumpen und -kühler und grösser dimensionierte Rohrleitungen, die die Investitionskosten erhöhen. Ausserdem bleibt eine Unsicherheit hinsichtlich der Ausbildung von heissen Stellen innerhalb der Wicklung, da der erzwungene Durchlauf sich in erster Linie in einem Strömungsweg des geringsten Widerstandes, ungeachtet der thermischen Verhältnisse, vollzieht.

Dabei wird beispielsweise bei Transformatoren mit einer Leistung bis zu ca. 500 MVA in zahlreichen Anwendungsfällen die Kühlung mit erzwungenem Durchfluss des Kühlmittels lediglich für zeitlich limitierte Über- und Spitzenbelastungen und der sich daraus ergebenden thermischen Überbeanspruchung der Transformatorenwicklung benötigt, während für eine Kühlung im Nennleistungsbereich allein die Thermosiphonkühlung vollständig ausreichen würde.

Bei der Auslegung herkömmlicher Kühlsysteme wird deswegen oftmals von vornherein die natürliche Kühlung überhaupt nicht mehr berücksichtigt, und zwar deshalb nicht, weil die Strömungsverhältnisse der Kühlflüssigkeit im Transformatorenkessel und die hydrodynamischen Gesetzmässigkeiten, die sich aus der gegenseitigen Beeinflussung von natürlicher Kühlung und Kühlung mit erzwungenem Durchlauf ergeben, bis heute noch nicht in allen Einzelheiten bekannt sind. Die Konsequenz jedoch ist, dass man die weggefallene natürliche Kühlung durch leistungsstärkere und somit durch teurere Anlagenteile für die Kühlung mit erzwungenem Durchfluss kompensieren muss.

Ausgehend vom vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kühlung einer in einem Gefäss in eine Flüssigkeit eingetauchten elektrischen Apparatur, insbesondere Transformatorenwick-lung, zu schaffen, welches sowohl eine natürliche Thermosiphonkühlung als auch eine Kühlung mit erzwungenem Durchfluss der Kühlflüssigkeit umfasst, wobei beide Kühlungsarten in einer Weise vereinigt sind, dass die Kühlung mit erzwungenem Durchfluss einmal die natürliche Thermosiphonkühlung in ihrer Wirkungsweise unterstützt oder die negative Beeinflussung der natürlichen Thermosiphonkühlung durch die Kühlung mit erzwungenem Durchfluss auf einem Minimum beschränkt bleibt, und zum anderen beide Kühlungsarten mit jeweils optimalem Wirkungsgrad betrieben werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Entnahme und der Rückfluss der Flüssigkeit der Kühlung mit erzwungenem Durchfluss aus dem und in das Gefäss in der gleichen Höhe des Gefässes erfolgt.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen die folgenden:

Da Bemessung und Auslegung der Kühlung sowohl für Nenn- als auch für Spitzenleistungsbereich einer elektrischen Apparatur, beispielsweise eines Transformators, zwei voneinander unabhängige, auf zwei verschiedenen Prinzipien beruhende und sich gegenseitig nicht negativ beeinflussende Kühlungsarten umfasst, kann mit einer hohen Betriebssicherheit infolge der Redundanz im Kühlsystem und mit einer langen Lebensdauer der Apparatur gerechnet werden.

Da die Kühlung mit erzwungenem Durchfluss als Zusatzkühlung bei erhöhter Beanspruchung, beispielsweise des Transformators, in Ergänzung nur natürlichen Kühlung ausgelegt ist, können die Anlagenteile der Kühlung mit erzwungenem Durchfluss, wie Umwälzpumpe, Kühler usw. vergleichsweise geringer dimensioniert werden, womit sich entsprechend die Investitionskosten reduzieren.

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Der Vorteil der Weiterbildung nach Anspruch 2 ist insbesondere darin zu sehen, dass der Wirkungsgrad der Kühlung mit erzwungenem Durchlauf hoch ist, so dass die Anlagenteile für diese Kühlungsart redimensioniert und somit die Investitionskosten gesenkt werden können.

Bei der Weiterbildung nach Anspruch 3 wird der Wirkungsgrad der natürlichen Kühlung gesteigert und der Wirkungsgrad des erzwungenen Durchflusses, infolge des tieferen Temperaturniveaus beim Eintritt des Kühlmittels in den Kühler mit erzwungenem Durchfluss, reduziert.

Erfolgt die Entnahme und der Rückfluss der Flüssigkeit gemäss Anspruch 4, so liegt der Wirkungsgrad für beide Kühlungsarten in einem mittleren Bereich.

Der Vorteil der Weiterbildung nach Anspruch 5 besteht insbesondere darin, dass das Temperaturniveau der Kühlflüssigkeit in der Höhe der Entnahme- und Rückflussöffnungen über den gesamten horizontalen Querschnitt des Gefässes nahezu konstant gehalten werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert;

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Transformators mit teilweisem Schnitt durch die zugehörige Kühlvorrichtung,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt durch einen Teil des oberen Abschnitts des Transformators gemäss Fig. 1,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch den Kühler des Kühlkreises mit erzwungenem Durchfluss gemäss Fig. 1, und

Fig. 4 einen Horizontalschnitt durch einen Teil des Radiators gemäss Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Grosstransformator 1, welcher sowohl mit einer natürlichen Thermosiphonkühlung 6, 7, 8, 10, als auch mit einer Kühlung des erzwungenen Durchflusses 11, 12, 13, 14, 15, 16 versehen ist. Der Transformator 1, dessen Wicklung 20 in seinem Kessel 18 in eine Kühlflüssigkeit eingetaucht ist, ist mit jeweils isolierten HS-Anschlussstutzen 2 und NS-Anschlussstutzen 3 auf Rädern 4 verfahrbar auf einem Fundament 5 angeordnet. Die natürliche Thermosiphonkühlung 6, 7, 8 10 besteht aus dem Entnahmerohr 6, den Radiatoren 7 und dem Rückflussrohr 8. Die Rohre 6, 8 und die Radiatoren 7 sind auf einer Tragkonstruktion 9 auf dem Fundament 5 abgestützt. Zur zusätzlichen Kühlung der Radiatoren 7 dienen auch zwei Ventilatoren 10. In dem hier gezeigen Ausführungsbeispiel sind die Radiatoren 7 räumlich vom Transformatorenkessel 18 getrennt. Sie können jedoch auch unmittelbar direkt am Transformatorenkessel 18 angeordnet sein.

Die Kühlung mit erzwungenem Durchfluss II, 12, 13, 14 besteht aus dem ersten Entnahme- bzw. Rückflussrohr 11, dem Kühler 12, der Umwälzpumpe 13 und dem zweiten Entnahmebzw. Rückflussrohr 14. Der Kühler 12 ist teilweise geschnitten dargestellt, wobei der Ventilator 15 sichtbar wird, welcher durch den Elektromotor 16 angetrieben wird.

In Fig. 1 ist ersichtlich, dass das Entnahmerohr 6 der natürlichen Thermosiphonkühlung 6, 7, 8, 10 in den Deckel 17 des Transformatorenkessels 18 und das Rückflussrohr 8 in den unteren Teil der Seitenwand des Transformatorenkessels 18 einmünden.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, münden jedoch, sowohl das Entnahme- 11, 14, als auch das Rückflussrohr 11, 14 der Kühlung mit dem erzwungenem Durchfluss 11, 12, 13, 14 in der gleichen Horizontalebene in die Stirnseiten 19, 19' des Transformatorkessels 18 ein. Es ist vorteilhaft, wenn die Einmündungen der Rohre 11, 14 an den weitest voneinander entfernten Stellen, an den Endpunkten der Diagonalen der rechteckigen Horizontalebene des Transformatorkessels 18 liegen. In Fig. 2 ist die schematisch dargestellte Transformatorenwicklung mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet.

Gleiche Teile wie in Fig. 1 und 2 sind in den nachfolgenden Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Fig. 3 zeigt einen vertikalen Schnitt durch den Kühler 12 gemäss Fig. 1. Der Kühler 12 besteht im wesentlichen aus dem Gehäuse 21, der unteren 22 und oberen Kühlflüssigkeitseinbzw. -ausströmkammer 22' und den zu einem Bündel zusammengeschlossenen vertikal angeordneten Rohren 23. In Fig. 3 ist nur eine Lage der Rohre 23, die gestaffelt hintereinander liegen, dargestellt. Ebenfalls ist die Einmündung der Rohre 11, 14 in den Kühler 12 zu erkennen.

In Fig. 4 ist schliesslich ein Horizontalschnitt durch einen Teil der Radiatoren 7 und das Endteil des Entnahmerohres 6 gezeigt.

Nachstehend soll die Funktionsweise der oben beschriebenen Anordnung näher erläutert werden:

Im beispielsweisen Nennleistungsbereich des Transformators 1 werden die zu kühlenden Teile, vor allem die Wicklung 20, das Blechpaket und das Eisengestell mittels des natürlichen Kreislaufes der Thermosiphonkühlung 6, 7, 8, 10 gekühlt. Die im Eisengestell und in den massiven metallischen Konstruktionsteilen entstehende Wärme wird durch das Kühlöl im natürlichen Kreislauf abgeführt und gleichfalls wird durch diese Kühlungsart eine unzulässige Erwärmung an der Wicklung vermieden. Hohe Oberflächentemperaturen an den massiven Eisenteilen führen bekanntlich zu einer raschen Alterung des Kühlöls und Temperaturen, die in der Wicklung eine bestimmte kritische Grenze überschreiten, können zum frühzeitigen Verschleiss der Isolation und somit zur Verringerung der Lebensdauer des Transformators führen. Aus diesem Grund ist eine ausreichende und kontinuierliche Kühlung dieser Teile von ausschlaggebender Bedeutung.

Wird nun die Leistung des Transformators 1 gesteigert, so wird sich mit geringfügiger zeitlicher Verzögerung ebenfalls die Verlustwärme erhöhen, die dann möglichst rasch durch die Kühlflüssigkeit aus dem Transformator 1 abgeführt werden muss.

Durch, in Fig. 1 bis 4 nicht dargestellte Messfühler, die beispielsweise in der Transformatorenwicklung 20 angeordnet sind, und/oder durch Messung der Kühlflüssigkeitstemperatur und/oder durch Messung der elektrischen Leistung und/oder durch Messung des elektrischen Stromes wird die zunehmende Erwärmung der zu kühlenden Teile detektiert und es werden durch einen, in Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellten Regelkreis oder von Hand in einer ersten Kühlungsstufe die Ventilatoren 10 der natürlichen Kühlung zwecks verstärkter Belüftung der Radiatoren 7 eingeschaltet.

Steigt die Erwärmung nun weiter an, so wird ebenfalls durch einen in Fig. 1 bis 4 nicht dargestellten Regelkreis oder von Hand in einer zweiten Kühlungsstufe die Kühlung mit erzwungenem Durchfluss 11, 12, 13, 14, 15, 16 in Betrieb gesetzt.

Die gemeinsame Arbeitsweise der beiden Kühlarten gestaltet sich nun in drei Varianten im wesentlichen wie folgt:

1. Variante:

Die Entnahme- bzw. Rückflussrohre 11, 14 der Kühlung mit erzwungenem Durchfluss 11, 12, 13, 14, 15, 16 münden in den oberen Teil der Stirnwände 19, 19' des Transformatorkessels 18, auf der gleichen Horizontalebene des Kessels 18, ein.

Je nach Leistung der verwendeten Umwälzpumpen 13 und Kühler 12 wird mehr oder weniger stark nur die im oberen Teil des Kessels 18, sich befindende Kühlflüssigkeit zusätzlich gekühlt, jedoch nur bis zu einem Ausmass, dass die Temperaturdifferenz von beispielsweise 20°C zwischen dem oberen und unteren Teil des Kessels 18, nicht unterschritten wird, damit der natürliche Kreislauf nicht gehindert wird.

2. Variante:

Die Entnahme- bzw. Rückflussrohre 11, 14 der Kühlung mit erzwungenem Durchfluss 11, 12, 13, 14, 15, 16 münden in den unteren Teil der Stirnwände 19, 19' des Transformatorkessels 18, auf der gleichen Horizontalebene des Kessels 18, ein.

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Je nach Leistung der verwendeten Umwälzpumpe 13 und Kühler 12 wird mehr oder weniger stark nur die im unteren Teil des Kessels 18, sich befindende Kühlflüssigkeit zusätzlich gekühlt.

3. Variante:

Die Entnahme- bzw. Rückflussrohre 11, 14 der Kühlung mit erzwungenem Durchfluss 11, 12, 13, 14 münden in den mittleren Teil der Stirnwände 19, 19' des Transformatorkessels 18, auf der gleichen Horizontalebene des Kessels 18, ein.

Je nach Leistung der verwendeten Umwälzpumpe 13 und Kühler 12 wird mehr oder weniger stark nur die im mittleren Teil des Kessels 18, sich befindende Kühlflüssigkeit zusätzlich gekühlt.

Generell ist festzuhalten, dass die totale Kühlleistung die sich aus der erfindungsgemässen Kombination beider Kühlungsarten unter Berücksichtigung der eingesetzten Mittel, im wesentlichen bestehend aus Kühler 7, 12, Rohrleitungen 6, 8, 11, 14 und Umwälzpumpe 13 ergibt, im Vergleich zur herkömmlichen Kopplung beider Kühlungsarten zugenommen hat, und zwar deshalb, weil der natürliche Kreislauf sich in jedem Betriebsbereich des Transformators 1 ungehindert vollziehen kann und störende Einflüsse durch den erzwungenen Durchfluss der Kühlflüssigkeit ausgeschlossen werden.

In Variante 1 liegt der Wirkungsgrad der Kühlung mit erzwungenem Durchfluss 11, 12, 13, 14, 15, 16 am höchsten, und zwar deshalb, weil die Kühlerleistung um so grösser ist, je höher die Eingangstemperatur der Kühlflüssigkeit in den Kühler 12 ist.

In der Variante 2 liegt wiederum der Wirkungsgrad für den natürlichen Kreislauf am höchsten, weil die Temperaturdifferenz zwischen oberem und unteren Teil des Kessels 18 am gröss-ten ist. Das durch den natürlichen Kreislauf bereits gekühlte und durch das Rückflussrohr 8 in den Kessel 18 einströmende Öl wird nun noch weiter gekühlt.

Die Variante 3 zeigt nun einen Lösungsweg, der die Kühlflüssigkeit im Kessel 18 auf ein tieferes Temperaturniveau absenkt, aber zunächst nur im mittleren Bereich des Kessels 18.

Von dem mittleren Teil des Kessels 18 aus wird sich die Kühlung sowohl in die oberen als auch in die unteren Teile nun gleichmässig fortsetzen, wobei aber die Temperaturdifferenz zwischen oberem und unterem Teil nahezu konstant aufrechter-5 halten bleibt. Hierdurch ist gewährleistet, dass es zu keinem Eingriff in den natürlichen Kreislauf kommt.

Selbstverständlich bleibt die Einmündung der Rohre 11, 14 nicht auf die drei aufgeführten Varianten beschränkt, und es sind beliebig viele, über die gesamte Höhe des Transformato-lo renkessels 18 verteilte Horizontalebenen möglich, an denen die Rohre 11, 14 einmünden können.

Bisher wurde immer davon ausgegangen, dass der Transformator 1 in seinem Nennleistungsbereich ausschliesslich mittels Thermosiphonkühlung 6, 7, 8, 10 und darüber hinaus mit einer 15 kombinierten Kühlung bestehend aus Thermosiphonkühlung 6, 7, 8, 10 und Kühlung mit erzwungenem Durchfluss 11, 12, 13, 14, 15, 16 gekühlt wird.

Selbstverständlich war dies nur ein Ausführungsbeispiel und es sind beliebig viele Variantionsmöglichkeiten denkbar, bis zu 20 welchem Leistungsbereich des Transformators die Thermosiphonkühlung 6, 7, 8, 10 allein zur Anwendung gelangt, und ab welcher Leistungsgrenze die Kühlung mit erzwungenem Durchfluss 11, 12, 13, 14, 15, 16 zusätzlich eingeschaltet wird. So kann beispielsweise das Kühlsystem derart ausgelegt sein, dass 25 bis zum halben Nennleistungsbereich des Transformators 1 die Thermosiphonkühlung 6, 7, 8, 10 allein und darüber hinaus diese Kühlungsart gemeinsam mit der Kühlung mit erzwungenem Durchfluss 11, 12, 13, 14, 15, 16 zur Kühlung des Transformators 1 herangezogen wird.

30 Ausserdem ist die Anwendung der Erfindung selbstverständlich nicht nur auf Transformatoren 1 begrenzt, sondern sie kann für jede in eine Flüssigkeit eingetauchte und zu kühlende Apparatur, beispielsweise Drosselspulen, Schalter, Kernreaktoren usw., angewendet werden, wobei die Kühlflüssigkeit ein Di-35 elektrikum sein kann oder auch nicht. Für die Kühlflüssigkeit kommt in den meisten Fällen Öl in Frage, wobei aber auch jede andere Flüssigkeit, welche sich für Kühlzwecke eignet, verwendet werden kann.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

661 633

1. Verfahren zur Kühlung einer in einem Gefäss (18) in eine Flüssigkeit eingetauchten elektrischen Apparatur, wobei die Apparatur bis zu einer bestimmten elektrischen Leistung durch eine natürliche Thermosiphonkühlung (6, 7, 8, 10) gekühlt wird und oberhalb der bestimmten elektrischen Leistung zusätzlich zur Thermosiphonkühlung (6, 7, 8, 10) und unabhängig von dieser eine Kühlung mit erzwungenem Durchfluss (11, 12, 13, 14, 15, 16) eingeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme und der Rückfluss der Flüssigkeit der Kühlung mit erzwungenem Durchfluss (11, 12, 13, 14, 15, 16) aus dem und in das Gefäss (18) in der gleichen Höhe des Gefässes (18) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme und der Rückfluss der Flüssigkeit der Kühlung mit erzwungenem Durchfluss (11, 12, 13, 14, 15, 16) aus dem und in das Gefäss (18) im oberen Teil des Gefässes (18) erfolgt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme und der Rückfluss der Flüssigkeit der Kühlung mit erzwungenem Durchfluss (11, 12, 13, 14, 15, 16) aus dem und in das Gefäss (18) im unteren Teil des Gefässes (18) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme und der Rückfluss der Flüssigkeit der Kühlung mit erzwungenem Durchfluss (11, 12, 13, 14, 15, 16) aus dem und in das Gefäss (17) im mittleren Teil des Gefässes (18) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme und der Rückfluss der Flüssigkeit der Kühlung mit erzwungenem Durchfluss (11, 12, 13, 14, 15, 16) aus dem und in das Gefäss (18) an möglichst weit voneinander entfernt liegenden Orten erfolgt.