DE69901596T2

DE69901596T2 - Geräuscharmer Transformator

Info

Publication number: DE69901596T2
Application number: DE69901596T
Authority: DE
Inventors: Stefano Calabro; Franco Moriconi
Original assignee: ABB T&D Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: DE69901596D1; AU7213601A; ATE218243T1; AU759099B2; EP1041588A1; EP1041588B1; CA2367592A1; US6633107B1; WO2000058978A1; CN1352801A; JP2002540614A; CN1237552C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Transformatoren im allgemeinen und insbesondere elektrische Transformatoren, die mit Mitteln spezieller Struktur und Geometrie ausgestattet sind, um niedrige Rauschpegel zu erhalten.
Bekanntlich enthalten elektrische Transformatoren im allgemeinen einen Kessel mit einem Transformatorfluid (d. h. Mineralöl), einem Transformatorkern und einer Wicklungsbaugruppe. Der Transformatorkern und die Wicklungsbaugruppe sind im allgemeinen in dem Transformatorfluid angeordnet und zu dem Transformatorkessel beabstandet.
Es ist ebenfalls bekannt, daß Rauschen von Transformatoren ein Problem für Elektrizitätswerke oder Energieversorgungsunternehmen darstellt, besonders wenn die Transformatoren in Wohngebieten installiert sind.
Der Fachmann weiß, daß Rauschen in Transformatoren durch die Vibration des Kerns und der Wicklungsbaugruppe während des elektromagnetischen Betriebs sowie durch Kühlventilatoren verursacht wird, welche eingesetzt werden, um die während des elektromagnetischen Betriebs erzeugte Wärme aus dem Kessel in die Umgebung abzuleiten. Während das Rauschen der Kühlventilatoren durch Entwickeln von mit geräuscharmen Blättern ausgerüsteten Ventilatoren niedrigerer Geschwindigkeit und größeren Durchmessers effektiv verringert werden kann, ist die Reduzierung des Rauschens bedingt durch Vibrationen von Kern und Wicklungsbaugruppe noch immer ein Problem, da bekannte Lösungen nach dem Stand der Technik von einigen Nachteilen betroffen sind.
Die meisten der konventionellen Lösungsansätze nach dem Stand der Technik sind auf passive Lösungen gerichtet.
Bei einem bekannten Ansatz wird dem Transformatorkern Masse hinzugefügt, um Vibrationen des Kerns zu verhindern. Leider führt dieser Ansatz dazu, daß Transformatoren eine deutlich vergrößerte Kernquerschnittsfläche haben, was wiederum eine beträchtliche Gewichtszunahme und höhere Kosten mit sich bringt.
Andere Ansätze sehen die Verwendung passiver Vorrichtungen in dem Transformatorkessel vor. Diese Vorrichtungen bestehen aus Stapeln von Lagen aus Materialien mit elastischen Eigenschaften (d. h. Gummi). In dem Transformatorkessel angeordnet wirken sie als Dämpfungselemente, die durch Vibrationen des Kerns und der Wicklungsbaugruppe erzeugte Druckwellen des Transformatorfluids absorbieren. Der Hauptnachteil bei diesem Ansatz besteht darin, daß derartige Vorrichtungen nur zum Absorbieren von Fluiddruckwellen einer bestimmten Amplitude und Frequenz ausgelegt werden können. Ändern sich Frequenz und Amplitude dieser Druckwellen aufgrund veränderter Betriebsbedingungen, kann es sein, daß die Dämpfung der Vorrichtungen nicht wirksam wird.
Die Verwendung aktiver Vorrichtungen zur Rauschreduktion ist beispielsweise in dem US-Patent Nr. 5,726,617 offenbart, das einen elektrischen Transformator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zum Reduzieren von Druckwellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10 sowie eine aktive Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 beschreibt.
Das vorstehend erwähnte Patent sieht die Verwendung von Vorrichtungen zum dynamischen Ändern des Drucks vor, die in dem Transformatorkessel angeordnet sind. Diese Vorrichtungen, die beispielsweise aus Hydraulikbetätigern, Pumpen oder dergleichen bestehen, ändern den Druck des Transformatorfluids dynamisch, um die durch den arbeitenden Kern und die Wicklungsbaugruppe erzeugten Druckwellen zu reduzieren. Eine aktive Dämpfungsvorrichtung, die zwischen Transformatorkessel und Transformatorkern und Wicklungsbaugruppe angeordnet ist, ist ebenfalls offenbart. Ihre Funktion besteht darin, die Vibrationen des Kerns und der Wicklungsbaugruppe aktiv zu dämpfen. Vibrationssensoren und eine Steuerung der erwähnten aktiven Vorrichtungen sind innerhalb oder außerhalb des Kessels angeordnet.
Die in diesem Patent beschriebene Lösung ist jedoch hinsichtlich ihrer Implementierung schwierig, da kein spezieller Hinweis auf die Struktur der erwähnten aktiven Vorrichtungen gegeben ist. Tatsächlich muß zum Betätigen von Hydraulikbetätigern, Pumpen oder dergleichen eine beträchtliche Menge Energie bereitgestellt werden. Bedingt durch die keineswegs vernachlässigbare Größe derartiger Vorrichtungen, können diese zudem nur in begrenzter Zahl in dem Kessel angeordnet werden. Dies bedeutet, daß die Vermeidung des Rauschens mit Sicherheit nicht optimal ist, da sie von der speziellen Anordnung der den Druck dynamisch ändernden Vorrichtungen abhängt. Darüber hinaus sind offensichtlich komplizierte Montagearbeiten zum Installieren der Hydraulikbetätiger und/oder ähnlichen Vorrichtungen notwendig. Auch zum Installieren der zwischen Kern und Kessel des Transformators angeordneten Dämpfungsvorrichtungen sind komplizierte Montagearbeiten notwendig. Dies erhöht die Fertigungskosten zusätzlich.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Transformator anzugeben, der die oben erwähnten Probleme beseitigt, und zwar insbesondere ohne jegliche Kostensteigerung für Fertigung oder Montage von Vorrichtungen, die geeignet sind, das Rauschen von Kern und Wicklungsbaugruppe zu eliminieren.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen elektrischen Transformator anzugeben, der zum Reduzieren des durch Kern- und Wicklungsbaugruppe erzeugten Rauschens mehrere aktive Vorrichtungen verwendet, die geeignet sind, das Volumen des Transformatorfluids in dem Transformatorkessel zu verändern, und die leicht im inneren des Kessel installiert werden können. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Transformator anzugeben, der mehrere aktive Vorrichtungen hat, die leicht in Abhängigkeit der Betriebsbedingungenen des Transformators steuerbar sind.
Um diese und andere Aufgaben zu lösen, die im folgenden deutlich werden, wird gemäß vorliegender Erfindung ein elektrischer Transformator angegeben mit
- einem Kessel, der Transformatorfluid enthält;
- einer Baugruppe aus Transformatorkern und -wicklung, die innerhalb des Kessels und zu diesem beabstandet in dem Transformatorfluid angeordnet ist;
- aktiven Mitteln zum Verändern des Volumens des Transformatorfluids, um Druckwellen zu reduzieren, die durch die Vibration der Kern- und Wicklungsbaugruppe während des elektromagnetischen Betriebs erzeugt werden, wobei die aktiven Mittel innerhalb des Kessels in dem Transformatorfluid angeordnet sind.
Der Transformator nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Mittel zumindest eine Zelle haben, mit
- einem Hauptkörper und einer gewellten Membran, die mit dem Hauptkörper verbunden ist, um einen geschlossenen Behälter zu realisieren, der geeignet ist, eine Niederdruckatmosphäre im Inneren zu halten;
- Betätigungsmitteln, die in dem geschlossenen Behälter angeordnet und fest mit der gewellten Membran verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung ausführlicher beschrieben, die als nicht einschränkende Beispiele in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt sind, in denen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines elektrischen Transformators nach der Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer aktiven Zelle, die in einem elektrischen Transformator nach der Erfindung enthalten ist;
Fig. 3 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer aktiven Zelle, die in einem elektrischen Transformator nach der Erfindung enthalten ist.
In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines elektrischen Transformators nach der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Der Transformator nach der vorliegenden Erfindung hat einen Kessel 1, der ein Transformatorfluid 2 wie z. B. Mineralöl enthält. Eine Baugruppe bestehend aus Transformatorkern und -wicklung, die schematisch durch das Bezugszeichen 3 dargestellt ist, ist innerhalb des Kessels und zu ihm beabstandet in dem Transformatorfluid angeordnet.
Wie in Fig. 1 schematisch angedeutet, erzeugt die Vibration der Kern- und Wicklungsbaugruppe während des elektromagnetischen Betriebs des Transformators Druckwellen 4. Aktive Mittel, die zumindest aus einer Zelle 5 bestehen, sind vorgesehen, um das Volumen des Transformatorfluids 2 zwecks Reduzierung der Druckwellen 4 zu regulieren.
Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei unterschiedliche schematische Ansichten einer möglichen Struktur einer Zelle 5.
Eine Zelle 5 ist als ein Hauptkörper 20 aufgebaut, mit dem eine gewellte Membran 21 verbunden ist, um einen geschlossenen Behälter zu realisieren. Der Hauptkörper 20 und die Membran 21 bestehen vorzugsweise aus rostfreiem Stahl und können an den Kanten verschweißt sein. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist jede Zelle 5 mit elastischen Mitteln 23, vorzugsweise einer weichen Feder versehen, die vorzugsweise am zentralen Bereich 22 zwischen Hauptkörper 20 und gewellter Membran 21 befestigt ist. Die elastischen Mittel 23 dienen dazu, den zentralen Bereich 22 parallel zur Ebene des Hauptkörpers 20 zu halten.
Ferner sind in der Zelle 5 Betätigungsmittel 24 vorgesehen. Diese sind fest mit der gewellten Membran 21 verbunden und vorzugsweise nahe dem zentralen Bereich 22 angeordnet. In einem in den Fig. 2 und 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Betätigungsmittel 24 mit mehreren piezoelektrischen Stapelelementen 25 realisiert. Vorzugsweise hat eine Zelle 5 auch ein Ventil 26, das notwendig ist, um im Inneren eine Niederdruckatmosphäre 28 zu erzeugen (ein Richtwert kann 0,1 bar sein), sowie einen elektrischen Anschluß 27, der notwendig ist, um den Betätigungsmitteln 24 Antriebssignale zuzuführen. Die Niederdruckatmosphäre bewirkt, daß die gewellte Membran 21 teilweise auf den Hauptkörper 20 gezogen wird. Durch das Vorhandensein der Betätigungsmittel 24 wird verhindert, daß die Membran 21 vollständig zusammenfällt. Vorzugsweise können mehrere Zellen 5 in dem Kessel 1 plaziert und mit außerhalb des Kessels 1 angeordneten Steuermitteln 6 verbunden sein. Die Auslegung der aktiven Zellen in dem Kessel kann vom Fachmann leicht gewählt und optimiert werden, um die effektivste Aufhebung der Druckwellen 4 zu erreichen. Erfassungsmittel 7 zum Erfassen von Druckwellen 4 sind ebenfalls vorgesehen. Sie enthalten einen oder mehrere Wandler, beispielsweise Druckwandler 8, die in dem Kessel plaziert sind, oder, alternativ dazu, Schwingungswandler 9, die außerhalb des Kessels 1 angeordnet sind, um die durch die Druckwellen 4 hervorgerufenen Vibrationen des Kessels 1 zu erfassen. Auch die Erfassungsmittel 7 sind mit den Steuermitteln 6 verbunden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthalten die Steuermittel 6 eine Rückkopplungsregelung, wie beispielsweise einen programmierten Digitalrechner.
Im folgenden wird die Funktionsweise des Reduzierens des Transformatorrauschens unter Bezugnahme auf alle erwähnten Figuren beschrieben.
Druckwellen 4 werden von Erfassungsmitteln 7 erfaßt, welche Eingangssignale 100, die die Amplitude und Frequenz dieser Druckwellen 4 angeben, an die Steuermittel 6 übertragen.
Unter Verwendung geeigneter Softwareprogramme analysieren die Steuermittel 6 die Eingangssignale 100 und übertragen entsprechend Ausgangssignale 101 zum Antreiben der in jeder Zelle 5 enthaltenen Betätigungsmittel 24.
Die Mittel 24 aktivieren die gewellte Membran 21 und bringen sie zum Schwingen, wodurch Druckwellen erzeugt werden, die in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 40 angedeutet sind, welche in der Lage sind, das Volumen des Transformatorfluids zu verändern. Diese Änderungen des Fluidvolumens, proportional zu Amplitude und Frequenz der Druckwellen 4, sind äußerst effektiv beim Reduzieren des Rauschens der Kern- und Wicklungsbaugruppe.
Wenn sich die Betriebsbedingungen des Transformators ändern, ändert sich auch die Schwingungsart der Membran 21 entsprechend, bedingt durch die Wirkung der Steuermittel 6, welche die Größe der Druckwellen 4 jederzeit minimieren.
Wie bereits erwähnt, können unter Berücksichtigung der am besten geeigneten Auslegung mehrere Zellen in dem Transformatorkessel 1 angeordnet sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung können verschiedene Gruppen von Zellen, die unterschiedlichen Stellen im Kessel entsprechen, unabhängig voneinander angesteuert werden. In der praktischen Umsetzung kann jede Zellengruppe in enger Beziehung zu Amplitude und Frequenz derjenigen Druckwellen angesteuert werden, welche zu einem bestimmten Zeitpunkt auf den Bereichs des Kessels einwirken, an dem die Gruppe plaziert ist.
Es hat sich gezeigt, daß die vorliegende Erfindung relativ leicht und zu geringen Kosten realisierbar ist. Tatsächlich hat jede Zelle 5 eine Struktur, die sehr leicht zu fertigen ist und sehr kleine Ausmaße hat. Durch die Verwendung von piezoelektrischen Elementen als Betätigungsmittel konnte jede Zelle leicht gesteuert werden, sowohl separat als auch parallel mit anderen Zellen. Dies bedeutet, daß eine relativ große Anzahl Zellen eingesetzt werden kann. Die Verwendung einer großen Anzahl Zellen wird auch durch die Antriebssignale relativ niedriger Spannung begünstigt, die für die Betätigungsmittel der Zellen verwendet werden können.
Die vorstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dient Illustrationszwecken. Sie ist weder erschöpfend noch beschränkt sie die Erfindung auf die detailliert offenbarte Form. Angesichts der vorstehenden Lehre sind offensichtlich viele Modifizierungen und Variationen möglich.
In der praktischen Anwendung können sich viele Variationen für den Fachmann im Rahmen der hier offenbarten Erfindung selbst ergeben.

Zusammenfassung

Elektrischer Transformator mit einem Kessel, der Transformatorfluid enthält, einer Baugruppe aus Transformatorkern und -wicklung, die innerhalb des Kessels und zu diesem beabstandet in dem Transformatorfluid angeordnet ist, aktiven Mitteln, die innerhalb des Kessels in dem Transformatorfluid angeordnet sind, um das Volumen des Transformatorfluids zwecks Reduzierung von Druckwellen zu verändern, die durch die Vibration der Kern- und der Wicklungsbaugruppe während des elektromagnetischen Betriebs erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Mittel zumindest eine Zelle haben, die einen Hauptkörper und einer gewellte Membran hat, die mit dem Hauptkörper verbunden ist, um einen geschlossenen Behälter zu realisieren, der geeignet ist, eine Niederdruckatmosphäre im Inneren zu halten, und die Betätigungsmittel enthält, die in dem geschlossenen Behälter angeordnet und fest mit der gewellten Membran verbunden sind.

Claims

1. Elektrischer Transformator mit:

- einem Kessel (1), der Transformatorfluid (2) enthält;

- einer Baugruppe (3) aus Transformatorkern und -wicklung, die innerhalb des Kessels und zu diesem beabstandet in dem Transformatorfluid angeordnet ist;

- aktiven Mitteln zum Verändern des Volumens des Transformatorfluids, um Druckwellen (4) zu reduzieren, die durch die Vibration der Kern- und Wicklungsbaugruppe während des elektromagnetischen Betriebs erzeugt werden, wobei die aktiven Mittel innerhalb des Kessels in dem Transformatorfluid angeordnet sind

dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Mittel zumindest eine Zelle (5) haben, mit

- einem Hauptkörper (20) und einer gewellten Membran (21), die mit dem Hauptkörper verbunden ist, um einen geschlossenen Behälter zu realisieren, der geeignet ist, eine Niederdruckatmosphäre im Inneren aufrecht zu halten;

- Betätigungsmitteln (24), die in dem geschlossenen Behälter angeordnet und fest mit der gewellten Membran verbunden sind.

2. Elektrischer Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er elastische Mittel (23) enthält, die in der Zelle angeordnet sind und die gewellte Membran und den Hauptkörper verbinden.

3. Elektrischer Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsmittel ein piezoelektrisches Stapelelement (25) oder mehrere piezoelektrische Stapelelemente enthalten.

4. Elektrischer Transformator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsmittel mit Steuermitteln (6) verbunden sind, welche außerhalb des Kessels angeordnet sind.

5. Elektrischer Transformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel mit Erfassungsmitteln (7) verbunden sind, die Druckwellen erfassen, die durch die Vibration der Kern- und Wicklungsbaugruppe während des elektromagnetischen Betriebs erzeugt werden, und an die Steuermittel ein Signal übertragen, das die Amplitude und Frequenz der Druckwellen angibt.

6. Elektrischer Transformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel in dem Kessel des Transformators angeordnet sind.

7. Elektrischer Transformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel außerhalb des Kessels des Transformators angeordnet sind.

8. Elektrischer Transformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel einen oder mehrere Wandler (9) zum Erfassen der durch die Druckwellen erzeugten Schwingungen des Kessels enthalten.

9. Elektrischer Transformator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel einen oder mehrere Druckwandler (8) enthalten.

10. Verfahren zum Reduzieren der Druckwellen (4), die beim elektromagnetischen Betrieb eines elektrischen Transformators nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche durch die Vibration der aus Kern und Wicklung bestehenden Baugruppe (3) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

- Erfassen von Druckwellen, die durch die Vibration der Kern- und Wicklungsbaugruppe beim elektromagnetischen Betrieb des elektrischen Transformators erzeugt werden;

- Übertragen von Signalen (100), die Amplitude und Frequenz der Druckwellen angeben, an die Steuermittel (6);

- Analysieren des von den Erfassungsmitteln übertragenen Signals und Übertragen von Signalen (101) zum Antreiben der Steuermittel (24) in jeder der Zellen (5);

- Erzeugen von Druckwellen des Transformatorfluids durch die Vibration der gewellten Membran (21) jeder Zelle, wobei die Druckwellen in Amplitude und Frequenz variieren und geeignet sind, das Volumen des Transformatorfluids zu regulieren.

11. Aktive Vorrichtung zum Regulieren des Volumens eines Fluids (2), in dem die Vorrichtung angeordnet ist, durch Erzeugen von Druckwellen (4) des Fluids, die in Amplitude und Frequenz variieren, gekennzeichnet durch

- einen Hauptkörper (20) und eine gewellte Membran (21), die mit dem Hauptkörper verbunden ist, um einen geschlossenen Behälter zu realisieren, der geeignet ist, eine Niederdruckatmosphäre im Inneren zu halten;

- Betätigungsmittel (24), die in dem geschlossenen Behälter angeordnet und fest mit der gewellten Membran verbunden sind.