EP0043511A1 - Einrichtung zur Nutzbarmachung der Verlustwärme von im Inneren flüssigkeitsgekühlten Transformatoren oder Drosselspulen - Google Patents

Einrichtung zur Nutzbarmachung der Verlustwärme von im Inneren flüssigkeitsgekühlten Transformatoren oder Drosselspulen Download PDF

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EP0043511A1
EP0043511A1 EP81104933A EP81104933A EP0043511A1 EP 0043511 A1 EP0043511 A1 EP 0043511A1 EP 81104933 A EP81104933 A EP 81104933A EP 81104933 A EP81104933 A EP 81104933A EP 0043511 A1 EP0043511 A1 EP 0043511A1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/10—Liquid cooling
    • H01F27/12—Oil cooling

Definitions

  • the invention relates to a device for harnessing the heat loss from liquid-cooled transformers or choke coils, in which the temperatures are not kept higher than the maximum permissible temperatures in view of normal service life consumption of the insulation of the windings by throttling the cooling device.
  • a transformer or a choke coil is not always operated with full load, but only with partial load, with less heating than under nominal conditions.
  • a relatively low and usually strongly fluctuating temperature level is reached, which means that a comparatively great technical outlay is required to utilize the lost energy with the previous means.
  • This low temperature level is due to the long-term behavior of the insulating materials used in the transformer, which are not subjected to excessive thermal loads to achieve the desired long service life allowed to.
  • the amount of energy lost in transformers is relatively small due to their very high level of development.
  • the invention is therefore based on the object of improving the efficiency of a device for waste heat recovery from transformers by raising the working temperature of the internal coolant, taking into account different load conditions, to such an extent that, compared to the condition without waste heat recovery, there is no increased thermally induced service life consumption of the winding insulation of the transformer or the choke coil, taking into account that the highest thermal stress on the winding insulation depends on the hot spot temperature on the conductor of the winding.
  • this object is achieved in that the distance of the temperature of the internal coolant under the boiler lid of the maximum permissible temperature for the insulation of the winding with regard to its normal service life consumption, depending on the load on the transformer or the choke coil by throttling the normal cooling device, so that the temperature of the coolant at full load of the transformer is lower than at partial load.
  • the heat loss of the transformer or the choke coil the circuit of the internal coolant, e.g. Oil is withdrawn via heat exchangers or heat pumps connected in parallel or in series with the switchable or bridgeable normal cooling device, the transformer itself representing at least part of a required heat store.
  • the internal coolant e.g. Oil
  • parts of the normal cooling device such as radiators, oil - air or oil-water coolers, are throttled individually or via manifolds at a few or only a single point in accordance with the difference between the actual value and the setpoint under the cover prevailing oil temperature, which is dependent on the one hand on the transformer load and on the other hand either independently or depending on the ambient temperature.
  • the permissible lid oil temperatures result from the consideration of the assumption that according to DIN 57536 edition March 1977 below 80 ° C hot spot temperature at the insulation the service life consumption is negligibly small.
  • the device according to the invention is very advantageous because it increases the economic efficiency in utilizing the power loss of transformers essentially by increasing the temperature of the internal coolant up to values at which there is just no service life need occurs by taking into account the temperature difference that actually occurs at partial load between the transformer winding and the internal coolant. For this reason, an increase in the coolant temperature is possible under partial load conditions, without this leading to increased service life consumption for the insulating materials used.
  • a conventional transformer tank 1, shown only schematically, is provided on one broadside for normal cooling of the internal coolant oil heated in the interior of the transformer by the winding and iron losses with a cooling device 2, which usually consists of radiators, oil coolers with forced air cooling or oil Water coolers exist.
  • a manifold 3 connects the oil return of several parts of the cooling device 2 and leads to a throttle point shown as valve 5.
  • the valve 5 is automatically set via a temperature cooler 4 in the cover oil and via a temperature controller 13 in accordance with a predetermined temperature setpoint such that the values for the cover oil temperature specified by a setpoint generator are maintained.
  • the temperature setpoint is primarily dependent on the load on the transformer and can also be varied depending on the heat requirement for heating purposes or for domestic water heating.
  • An oil-water heat exchanger 7, the oil circuit of which is driven by a pump 6, is connected to the transformer tank 1 in parallel to the normal cooling device 2 via a valve 11 in the oil feed and via a valve 12 in the oil return.
  • the water heated in the heat exchanger 7 is pressed into a water supply 9 by a water pump 8.
  • the cooled water returns in a closed circuit via a water return 10 to the heat exchanger 7.
  • the pipe 10 serves as a fresh water inlet and the pipe 9 discharges the heated water from the heat exchanger 7.
  • valve 5 in the oil return is via the temperature sensor in the cover oil of the transformer and the temperature controller 13 the normal transformer cooling device 2 more or less opened and dissipated the excess amount of heat. No further temperature control device is therefore required in the water circuit.
  • the temperature controller 13 can e.g. Using a process computer, take into account the fact that the heat requirement and thus the flow temperature of the water in the heating system should increase as the ambient temperature decreases in order to always achieve the same room temperature.
  • the heat loss of the transformer can also be extracted from the coolant via the evaporator of a heat pump. In these cases, the heat loss from the transformer is raised to a higher temperature level by using a heat pump.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine derartige Einrichtung bei der über zusätzlich zu den normalen Kühleinrichtungen (2) angebrachte Wärmetauscher (7) oder Wärmepumpen Wärme entnommen wird, wobei durch Drosselung (5) der normalen Kühleinrichtung (2) abhängig von der Belastung des Transformators (1) oder der Drosselspule das innere Kühlmittel, z.B. Öl, eine begrenzte Temperatur nicht überschreitet, so daß gegenüber dem Zustand ohne Verlustwärmeverwertung keine zusätzliche Alterung der Wicklungsisolierung und damit kein zusätzlicher Lebensdauerverbrauch eintritt. Dadurch ist die Nutzung der Verlustwärme des Transformators (1) oder der Drosselspule möglich, ohne daß eine verkürzte Lebensdauer des Transformators oder der Drosselspule in die Wirtschaftlichkeitsberechnung einbezogen werden muß. Die wirtschaftliche Ausnutzung der Verlustwärme ist insbesondere für solche Transformatoren (1) oder Drosselspulen möglich, die in unmittelbarer Nachbarschaft von Wärmeverbrauchern im Einsatz sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Nutzbarmachung der Verlustwärme von flüssigkeitsgekühlten Transformatoren oder Drosselspulen, in denen durch Drosselung der Kühleinrichtung die Temperaturen nicht höher als die mit Rücksicht auf normalen Lebensdauerverbrauch der Isolierung der Wicklungen jeweils maximal zulässigen Temperaturen gehalten sind.
  • Die Nutzung der Verlustwärme von Transformatoren oder Drosselspulen ist bisher im wesentlichen aus Gründen mangelnder Wirtschaftlichkeit unterblieben.
  • Normalerweise wird ein Transformator oder eine Drosselspule nicht ständig mit Vollast, sondern nur mit Teillast betrieben, wobei eine geringere Erwärmung als unter Nennbedingungen erfolgt. Außerdem besteht der Bedarf, die Verlustwärme für Heizzwecke auszunutzen gerade in der kalten Jahreszeit, während der das innere Kühlmittel Öl eines außen luftgekühlten Transformators ohnehin kälter bleibt als bei maximaler Umgebungstemperatur. Unter den vorgenannten Bedingungen stellt sich ein relativ niedriges und meist stark schwankendes Temperaturniveau ein, durch das für die Ausnutzung der Verlustenergie mit den bisherigen Mitteln ein verhältnismäßig großer technischer Aufwand erforderlich ist.
  • Dieses niedrige Temperaturniveau ist durch das Langzeitverhalten der in dem Transformator verwendeten Isolierstoffe bedingt, die zur Erzielung der erwünschten großen Lebensdauer thermisch nicht zu stark belastet werden dürfen. Darüber hinaus ist auch die Menge der anfallenden Verlustenergie in Transformatoren auf Grund von deren sehr hohem Entwicklungsstand verhältnismäßig klein.
  • Technische Möglichkeiten zur Verlustwärmeverwertung von Transformatoren durch Wärmepumpen und Wärmeaustauscher sind in der Zeitschrift "Elektrizitätswirtschaft" im 55. Jahrgang auf den Seiten 825 bis 831 beschrieben. Ausgangspunkt für die dort angegebenen Lösungen ist die Ausnutzung der Verlustwärme von Öltransformatoren bei niedrigen und mittleren Belastungen ohne Begrenzung der Öltemperatur durch Maßnahmen an der äußeren Kühleinrichtung. Nach der dort vorgesehenen Konzeption wird die mit steigender Verlustleistung ansteigende Öltemperatur erst bei Erreichen eines einstellbaren Höchstwertes dadurch begrenzt, daß die normale Eigenkühlung des Transformators selbsttätig in Betrieb gesetzt wird. Nachteilig ist hierbei im Hinblick auf die Nutzbarmachung der Verlustwärme, daß gerade die kleineren Verlustwärmemengen im Teillastbereich bei niedrigeren Temperaturen im Kühlmittel anfallen als die größere Verlustwärme bei Vollast.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Wirtschaftlichkeit einer Einrichtung zur Verlustwärmeverwertung von Transformatoren zu verbessern, indem die Arbeitstemperatur des inneren Kühlmittels unter Berücksichtigung unterschiedlicher Lastzustände jeweils soweit angehoben wird, daß gegenüber dem Zustand ohne Verlustwärmeverwertung kein erhöhter thermisch bedingter Lebensdauerverbrauch der Wicklungsisolierung des Transformators oder der Drosselspule eintritt, wobei zu berücksichtigen ist, daß sich die höchste thermische Beanspruchung der Wicklungsisolierung nach der Heißpunkttemperatur am Leiter der Wicklung richtet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Abstand der Temperatur des inneren Kühlmittels unter dem Kesseldeckel von der für die Isolierung der Wicklung im Hinblick auf deren normalen Lebensdauerverbrauch maximal zulässigen Temperatur abhängig von der Belastung des Transformators oder der Drosselspule durch Drosselung der normalen Kühleinrichtung so eingestellt ist, daß die Temperatur des Kühlmittels bei Vollast des Transformators niedriger ist, als bei Teillast.
  • Nach vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, daß die Verlustwärme des Transformators oder der Drosselspule dem Kreislauf des inneren Kühlmittels, z.B. Öl, über parallel oder in Reihe zu der abschaltbaren bzw. überbrückbaren normalen Kühleinrichtung geschaltete Wärmetauscher oder Wärmepumpen entzogen ist, wobei der Transformator selbst mindestens einen Teil eines erforderlichen Wärmespeichers darstellt.
  • Nach zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind Teile der normalen Kühleinrichtung, wie Radiatoren, Öl- - Luft oder Öl-Wasser-Kühler einzeln oder über Sammelrohre zusammengefaßt an wenigen oder nur einer einzigen Stelle gedrosselt nach Maßgabe der Differenz zwischen Ist-und Sollwert der unter dem Deckel herrschenden öltemperatur, die einerseits abhängig von der Transformatorbelastung und die andererseits entweder unabhängig oder auch abhängig von der Umgebungstemperatur vorgegeben ist. Dabei ergeben sich die zulässigen Deckelöltemperaturen aus der Berücksichtigung der Annahme, daß nach DIN 57536 Ausgabe März 1977 unterhalb von 80°C Heißpunkttemperatur an der Isolierung deren Lebensdauerverbrauch vernachlässigbar klein ist.
  • Die erfindungsgemäße Einrichtung ist sehr vorteilhaft, denn sie erhöht die Wirtschaftlichkeit bei-der Ausnutzung der Verlustleistung von Transformatoren im wesentlichen durch die Erhöhung der Temperatur des inneren Kühlmittels bis auf Werte, bei denen gerade noch kein Lebensdauerverbrauch auftritt, indem der bei Teillast zwischen der Transformatorwicklung und dem inneren Kühlmittel tatsächlich auftretende Temperaturunterschied berücksichtigt wird. Eine Erhöhung der Kühlmitteltemperatur ist aus diesem Grund bei Teillastzuständen möglich, ohne daß dies für die eingesetzten Isolierwerkstoffe zu erhöhtem Lebensdauerverbrauch führt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Ein lediglich schematisch dargestellter, herkömmlicher Transformatorkessel 1 ist an einer Breitseite zur normalen Kühlung des im Inneren des Transformators durch die Wicklungs- und Eisenverluste erwärmten inneren Kühlmittels Öl mit einer Kühleinrichtung 2 versehen, die üblicherweise aus Radiatoren,Öl-Kühlern mit forcierter Luftkühlung oder Öl-Wasser-KÜhlern besteht. Ein Sammelrohr 3 verbindet den Ölrücklauf mehrerer Teile der Kühleinrichtung 2 und führt zu einer als Ventil 5 dargestellten Drosselstelle. Das Ventil 5 ist über einen Temperaturkühler 4 im Deckelöl und über einen Temperaturregler 13 nach Maßgabe eines vorgegebenen Temperatur-Sollwertes automatisch so eingestellt, daß die von einem Sollwertgeber vorgegebenen Werte für die Deckelöltemperatur eingehalten sind. Der Temperatur-Sollwert ist dabei in erster Linie abhängig von der Belastung des Transformators und ist außerdem in Abhängigkeit vom Wärmebedarf für Heizzwecke oder für eine Brauchwassererwärmung variierbar.
  • Am Transformatorkessel 1 ist parallel zur normalen Kühleinrichtung 2 über ein Ventil 11 im Ölvorlauf und über ein Ventil 12 im Ölrücklauf ein Öl-Wasser-Wärmetauscher 7 geschaltet, dessen Ölkreislauf durch eine Pumpe 6 angetrieben ist. Das im Wärmetauscher 7 erwärmte Wasser wird von einer Wasserpumpe 8 in einen Wasservorlauf 9 gedrückt. Bei Verwertung der Verlustwärme zu Heizzwecken kehrt das abgekühlte Wasser im geschlossenen Kreislauf über einen Wasserrücklauf 10 zum Wärmetauscher 7 zurück. Bei Verwertung der Verlustwärme zur Brauchwassererwärmung ist kein geschlossener Wasserkreislauf vorhanden. In diesem Fall dient das Rohr 10 als Frischwasserzulauf und durch das Rohr 9 erfolgt der Ablauf des erwärmten'Wassers aus dem Wärmetauscher 7.
  • Wenn auf der Wasserseite des Öl-Wasser-Wärmetauschers 7 weniger Wärme abgenommen wird, als er auf Grund seiner Auslegung und der vom Transformator angebotenen Verlustwärme abzugeben im Stande ist, wird über den Temperaturfühler im Deckelöl des Transformators und den Temperaturregler 13 das Ventil 5 im Ölrücklauf der normalen Transformatorkühleinrichtung 2 mehr oder weniger geöffnet und über diese die überschüssige Wärmemenge abgeführt. Im Wasserkreislauf wird damit keine weitere Temperaturregeleinrichtung erforderlich.
  • Der Temperaturregler 13 kann durch entsprechende Vorgabe des Temperatur-Sollwertes des Deckelöles z.B. über einen Prozeßrechner dem Umstand Rechnung tragen, daß der Wärmebedarf und damit die Vorlauftemperatur des Wassers in der Heizungsanlage mit sinkender Umgebungstemperatur ansteigen sollte, um stets gleiche Raumtemperatur zu erzielen.
  • Für alle Fälle, in denen die Vorlauftemperatur des Kühlmittels für einen vorgesehenen Anwendungszweck nicht ausreichend hoch ist, kann dem Kühlmittel die Verlustwärme des Transformators auch über den Verdampfer einer Wärmepumpe entzogen werden. Durch den Einsatz einer Wärmepumpe wird in diesen Fällen die Verlustwärme des Transformators auf ein höheres Temperaturniveau angehoben.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Nutzbarmachung der Verlustwärme von im Inneren flüssigkeitsgekühlten Transformatoren oder Drosselspulen über zusätzlich zu der normalen Kühleinrichtung angebrachte Wärmetauscher oder Wärmepumpen durch Drosselung der normalen Kühleinrichtung, dadurch gekennnzeichnet, daß der Abstand der Temperatur des inneren Kühlmittels unter dem Kesseldeckel von der für die Isolierung der Wicklung im Hinblick auf deren normalen Lebensdauerverbrauch maximal zulässigen Temperatur so eingestellt ist, daß die Temperatur des inneren Kühlmittels bei Vollast des Transformators (1) oder der Drosselspule niedriger ist als bei Teillast.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Transformator (1) oder die Drosselspule im Rahmen der Nutzung ihrer Verlustwärme selbst als Wärmespeicher verwendet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur des inneren Kühlmittels abhängig von der Belastung des Transformators (1) oder der Drosselspule eingestellt oder geregelt ist und dabei mit zunehmender Belastung des Transformators (1) abnimmt.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur des inneren Kühlmittels unabhängig von der Umgebungstemperatur eingestellt oder geregelt ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur des inneren Kühlmittels unter Berücksichtigung unterschiedlichen Heizungsbedarfs abhängig von der Umgebungstemperatur eingestellt oder. geregelt ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Teile der normalen Kühleinrichtung (2) einzeln oder über Sammelrohre (3) zusammengefaßt an wenigen oder nur einer einzigen Stelle (5) gedrosselt sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand der Temperatur des inneren Kühlmittels von der für die Isolierung zulässigen Temperatur unabhängig von der zur Heizung oder Brauchwassererwärmung verwendeten Wärmemenge durch intermittierenden Betrieb der normalen Kühleinrichtung (2) des Transformators (1) oder der Drosselspule eingestellt ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur des inneren Kühlmittels unter dem Kesseldeckel eines ONAN-, ONAF-oder luftgekühlten Transformators (1) oder Drosselspule bei Vollast und Umgebungstemperaturen unter + 2°C etwa 57°C und bei Halblast unabhängig von der Umgebungstemperatur etwa 72°C nicht überschreitet.
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