ES2883399T3 - Conductos de enfriamiento para devanado de transformadores - Google Patents

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Santis Junior Eugenio De
Joel Mendes
Antonio Pedro Silva
Stephan Voss
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Abstract

Una disposición de devanado (300, 400, 500, 600, 700, 800) para una instalación eléctrica (900), la disposición de devanado (300), en donde el conductor eléctrico se bobina, forma varias capas (321-327) alrededor de un eje (330), en donde: ­- cada conducto de enfriamiento (301-304) de la pluralidad de conductos de enfriamiento se extiende entre un par de capas adyacentes (321-327) del conductor eléctrico (309) en dirección axial a través de la disposición de devanado (300) y en dirección tangencial, no completamente alrededor del eje (300), en donde cada capa hace 10 contacto con al menos un conducto de enfriamiento (301-304) y los conductos de enfriamiento se disponen en una disposición espiral de dentro hacia afuera, de modo que la pluralidad de conductos de enfriamiento formen una estructura circunferencial alrededor del eje que incremente un diámetro de la disposición de devanado de una manera constante y que, por lo tanto, asegura una forma cilíndrica de la disposición de devanado; ­- los conductos de enfriamiento (301-304) de la pluralidad de conductos de enfriamiento se distribuyen entre más de un par de capas adyacentes (321-327), de modo que la disposición de devanado (300) es esencialmente cilíndrica; caracterizado porque la disposición de devanado comprende dos pluralidades de conductos de enfriamiento (401, 402) dispuestas en disposiciones en espiral (461, 462), en donde cada conducto de la primera disposición en espiral se dispone diametralmente opuesta a otro conducto de la segunda disposición en espiral, por lo tanto, cada capa hace contacto con dos conductos de enfriamiento.

Description

DESCRIPCIÓN
Conductos de enfriamiento para devanado de transformadores
La invención se relaciona con el campo técnico de disposiciones de devanado para instalaciones eléctricas.
Un transformador eléctrico es equipo utilizado en una red eléctrica de un sistema eléctrico. Los transformadores eléctricos son responsables de convertir el voltaje y corriente para transportar y distribuir energía eléctrica.
El material conductor se calienta debido al efecto Joule y pérdidas adicionales producidas por corrientes de Foucault. En consecuencia, es necesario enfriar estos materiales para mantener una temperatura admisible, y para evitar los fenómenos de degradación de aislamiento. Por ejemplo, la temperatura promedio permitida para un material de aislamiento de clase A es de 105°C. Por lo tanto, es crucial diseñar todo el transformador para ajustar la temperatura máxima permitida.
En el lado de bajo voltaje (LV) de grandes transformadores eléctricos se utiliza normalmente un devanado de láminas como un material conductor. El uso de este tipo de devanado trae ventajas, esencialmente en solidez, debido a la prevención de fuerzas axiales provocadas por el corto circuito externo en la parte activa del transformador. La misma corriente eléctrica se ajusta a lo largo del devanado de láminas para compensar desequilibrios de los campos geométricos y magnéticos entre la parte de alto voltaje (HV) y la parte LV del transformador. Además, los devanados de láminas pueden producirse normalmente en un proceso de producción rápido y simple.
El enfriamiento interior se logra mediante un conducto de enfriamiento interno desplazado circunferencialmente y compuesto por tiras por consistencia mecánica y solidez del devanado. Los canales totales se colocan normalmente entre varias capas de material conductor y aislante, donde el aceite hace contacto con una vuelta completa o una porción de una vuelta cuando se utiliza un canal parcial.
El número de canales de enfriamiento se relaciona con la cantidad de energía que se necesita para liberar el devanado y puede combinar varios canales de enfriamiento concéntricos en dirección radial, pero por separado. El límite es la dimensión radial de los devanados y se relaciona directamente con todo el diseño de la máquina y proporcionalmente con los costos.
DE 102011 080827 A1 describe una propuesta para la posición y geometría de los conductos de enfriamiento y disposición de conductos simétricos de simetría en lados opuestos.
JPH09199344 (A) describe una tira ondulada para canal de enfriamiento que contribuye a una pieza completa y fácil de ensamblar, sin embargo, no es un material conductor y se ubica entre un par de vueltas.
JPH08316052 (A) describe un transformador de devanado de láminas que prevé varios orificios para permitir que un refrigerante circule en dirección circunferencial.
US 2 544 845 (A) describe una construcción de transformador en la que los conductos de enfriamiento para la circulación del medio de enfriamiento se forman en diferentes capas circunferenciales, en donde de preferencia solo un par de conductos se forman en cualquier capa mediante el uso de un miembro separador único hecho de material de aislamiento.
El diseño típico de transformadores eléctricos para distribución de energía de acuerdo con el estado de la técnica se basa en tipos de devanado de láminas y devanado de alambre y compuesto por canales de enfriamiento axial. La figura 1A muestra una disposición de devanado de alambre del estado de la técnica, mientras que la figura 1B muestra una disposición de devanado del estado de la técnica que se basa en una lámina bobinada. Para transformadores de energía es usual tener devanado tipo capa o devanado tipo disco. Durante el proceso de devanado una serie de tiras se coloca alrededor de una vuelta ordinaria y después se requiere más de una vuelta subsecuente con respecto al enfriamiento y temperatura requerida.
La figura 2A muestra un componente 200 para un transformador eléctrico de acuerdo con el estado de la técnica. El componente 200 comprende una disposición de devanado interior 210 y una disposición de devanado exterior 220 dispuesto alrededor de la disposición de devanado 210. La disposición de devanado interior 210 se hace de lámina conductora aislada para la parte LV del transformador. La disposición de devanado exterior 220 se hace de alambre esmaltado para la parte HV del transformador de distribución. La disposición de devanado interior 210 y la disposición de devanado exterior 220 forman juntos una disposición general de devanado. El componente 200 comprende varios canales de enfriamiento en dirección axial. Durante la operación del transformador eléctrico, los canales de enfriamiento fluyen normalmente por medio de un aceite de refrigeración. El canal 230 de enfriamiento que se ubica entre la disposición de devanado interior 210 y la disposición de devanado exterior 220 se denomina normalmente canal de dispersión. Tanto la disposición de devanado interior 210 como la disposición de devanado exterior 220 comprenden a su vez otros conductos de enfriamiento circunferencial 211-213, 221-223. Entre cada par de conductos de enfriamiento circunferenciales adyacentes 211-213, 221-223 se dispone más de una capa de devanados, como puede verse mejor en la figura 2B, la cual es una vista alargada del devanado interior 210 hecho de lámina conductora. Por lo tanto, algunas capas del conductor eléctrico están más cerca de los conductos de enfriamiento que otras. Esto es un inconveniente, ya que el calor de estas capas debe recorrer un camino más largo para disiparse. Además, como puede observar sin esfuerzo, el volumen de conductos de enfriamiento es casi el mismo volumen que el del material conductor.
Como puede verse también mejor en la figura 2B, los conductos de enfriamiento circunferenciales 211-213 se estabilizan mediante tiras 215-218 que se extienden en dirección axial a lo largo de los conductos circunferenciales 211, 212.
El uso de cada canal de enfriamiento incrementa la dimensión radial. Para evitar el sobrecalentamiento y minimizar el daño del transformador, se utiliza normalmente un gran coeficiente de seguridad para densidad eléctrica. Por ejemplo, se incrementa la sección transversal de los conductores. También se aplica material de aislamiento especial tal como Nomex® cuando se espera que la temperatura máxima exceda el valor para materiales de clase A.
Sin embargo, aún existe una necesidad para disposiciones de devanado con disipación de calor mejorada y tamaño de construcción reducido. Es objeto de la presente invención reducir el tamaño de una disposición de devanado y mejorar la disipación de calor.
Este objetivo se resuelve mediante las medidas tomadas de acuerdo con la reivindicación independiente. Otras realizaciones ventajosas se proponen mediante las reivindicaciones dependientes.
De acuerdo con un aspecto, se propone una disposición de devanado para una instalación eléctrica. La disposición de devanado comprende un conductor eléctrico y una pluralidad de conductos de enfriamiento. El conductor eléctrico se bobina, formando varias capas alrededor de un eje. Cada conducto de enfriamiento de la pluralidad de conductos de enfriamiento se extiende entre un par de capas adyacentes del conductor eléctrico bobinado en dirección axial a través de la disposición devanado y en dirección tangencial no completamente alrededor del eje. Los conductos de enfriamiento de la pluralidad de conductos de enfriamiento se distribuyen entre más de un par de capas adyacentes, de modo que la disposición de devanado es esencialmente cilíndrica.
Para producir una disposición de devanado, se bobina un conductor eléctrico, de modo que varias capas del conductor eléctrico alrededor de un eje se formen de tal manera que cada conducto de enfriamiento de una pluralidad de conductos de enfriamiento se extienda entre un par de capas adyacentes del conductor eléctrico bobinado en dirección axial a través de la disposición de devanado y en dirección tangencial no completamente alrededor del eje. Además, los conductos eléctricos se bobinan de tal manera que los conductos de enfriamiento de la pluralidad de conductos de enfriamiento se distribuyan entre más de un par de capas adyacentes, de modo que la disposición de devanado es esencialmente cilíndrica.
A continuación, la invención se describe con base en las realizaciones ilustradas por las figuras.
La figura 1A muestra disposición de devanado de alambre de acuerdo con el estado de la técnica.
La figura 1B muestra una disposición de devanado que se basa en una lámina bobinada de acuerdo con el estado de la técnica.
La figura 2A muestra un componente para un transformador eléctrico de acuerdo con el estado de la técnica. La figura 2B que es una vista alargada del devanado interior del componente mostrado en la figura 2A.
La figura 3 muestra un esquema de vista superior de una disposición de devanado.
La figura 4A muestra una vista en perspectiva de una disposición de devanado de acuerdo con la invención.
La figura 4B muestra una vista superior de la disposición de devanado de la figura 4A.
La figura 5 muestra una vista superior de una disposición de devanado de acuerdo con una realización de la invención.
La figura 6A muestra un esquema de una vista superior de una disposición de devanado para un transformador de acuerdo con el estado de la técnica.
La figura 6B muestra un esquema de una vista superior de una disposición de devanado de acuerdo con una realización de la invención.
La figura 7A muestra un esquema de una disposición de devanado con varios tipos de forma y disposición de conductos de enfriamiento que ilustra varias realizaciones de la invención.
La figura 7B es una vista alargada de la disposición de devanado de la figura 7A.
La figura 8A es un esquema de una vista superior de una disposición de devanado que se obtuvo mediante un proceso de devanado directo.
La figura 8B es una vista alargada de la disposición de devanado de la figura 8A.
La figura 9 es una vista en perspectiva de un transformador trifásico que comprende cualquiera de las disposiciones de devanado descritas previamente.
La figura 3 muestra un esquema de vista superior de una disposición de devanado 300 para una instalación eléctrica. La disposición de devanado 300 comprende un conductor eléctrico 309 y una pluralidad de conductos de enfriamiento 301- 304. Los conductos de enfriamiento 301-304 se disponen dentro de la disposición de devanado 300. El conductor eléctrico se bobina, formando varias capas 321-327 alrededor de un eje 330. Cada conducto de enfriamiento 301-304 se extiende entre un par de capas adyacentes 322-326 del conductor eléctrico bobinado 309 en dirección axial a través de la disposición devanado 300 y en dirección tangencial no completamente alrededor del eje 330. Adyacente, en este contexto se refiere a que ninguna otra capa del conductor eléctrico 309 está entre el par de capas adyacentes. Por ejemplo, en la figura 3, el conducto 301 de enfriamiento se ubica entre el par de capas adyacentes 325, 326 y el conducto de enfriamiento 302 se ubica entre las capas adyacentes 324, 325, etc. La pluralidad de conductos de enfriamiento 301-304 se distribuye entre más de un par de capas adyacentes 321­ 327, de modo que la disposición de devanado 300 es esencialmente cilíndrico.
Considerando que el conducto de enfriamiento más interior 321 puede enfriarse desde dentro de la cavidad central de la disposición de devanado, y el conducto de enfriamiento más exterior 327 puede enfriarse desde el exterior de la disposición de devanado, sólo cuatro conductos de enfriamiento son necesarios para asegurar que cada una de las siete capas ejemplares 321-327 haga directamente contacto con un medio de enfriamiento. Los cuatro conductos de enfriamiento 301-304 se disponen de modo que dentro de la disposición de devanado se pueden considerar que constan de cuatro segmentos que se distribuyen entre cuatro pares diferentes de capas, de modo que los cuatro segmentos formen una estructura circunferencial alrededor del eje de la disposición de devanado cilíndrica que incrementa ese diámetro de la disposición de devanado de manera constante. Por supuesto, la invención no se limita a disposiciones de devanado con cuatro conductos de enfriamiento. El concepto inventivo puede, por ejemplo, aplicarse a disposiciones de devanado que tienen más de dos conductos de enfriamiento. Por ejemplo, cada conducto de enfriamiento 301-304 de la pluralidad de conductos de enfriamiento se extiende entre un par de capas adyacentes 321-327 del conductor eléctrico bobinado 309 en dirección tangencial como máximo 180 grados alrededor del eje 330. Esto permite distribuir dos o más conductos de enfriamiento de una manera simple y regular entre diferentes pares de capas, de modo que la pluralidad de conductos de enfriamiento forme una estructura circunferencial alrededor del eje que asegurar una forma cilíndrica de la estructura devanada.
El conductor eléctrico 309 es normalmente una lámina o un alambre. Si el conductor 309 eléctrico es una lámina, normalmente cada vuelta de la lámina corresponde a una capa. Si el conductor 309 eléctrico es un alambre, normalmente una pluralidad de vueltas forma una capa.
La figura 4A muestra una vista en perspectiva de una disposición de devanado 400 de acuerdo con la invención. La figura 4B muestra un dibujo esquemático de vista superior de la disposición de devanado 400. La disposición de devanado 400 comprende un conductor eléctrico y dos pluralidades de conductos de enfriamiento 401, 402. El conductor eléctrico se bobina en varias capas 420. Los conductos de enfriamiento 401, 402 son paralelos al eje 410 y se dispone en dos disposiciones en espiral 461, 462. Cada capa de la disposición de devanado hace contacto con dos conductos de enfriamiento.
La figura 5 muestra una vista superior de una disposición de devanado 500 que es similar a la disposición de devanado descrito en las figuras 4a y 4B. Sin embargo, en lugar de 2 disposiciones en espiral, la disposición de devanado de la figura 5 comprende cuatro disposiciones en espiral 561, 562, 563, 564 con canales de enfriamiento.
La figura 6A muestra un dibujo esquemático de vista superior de una disposición de devanado 650 de acuerdo con el estado de la técnica. La disposición de devanado 650 comprende dos disposiciones de canales de enfriamiento estándar circunferenciales. Dos conductores de enfriamiento circunferenciales 651, 652 cada uno se dispone completamente entre un par de capas.
La figura 6B muestra un dibujo esquemático de vista superior de una disposición de devanado 600 de acuerdo con una modalidad de la invención que ilustra las diferencias con el conducto de enfriamiento estándar de la técnica anterior de la figura 6A. Para obtener suficiente enfriamiento, la disposición 600 de devanado distribuye los conductos de enfriamiento sobre la disposición de devanado completa a lo largo de dos formas en espiral 621, 622.
Las figuras 6A y 6B son útiles para ilustrar el volumen adicional que es necesario para tomar en cuenta para los dos canales de enfriamiento 651, 652 de la disposición de devanado 650. Suponiendo que la extensión radial de un conducto de enfriamiento único de la disposición de devanado 650 es igual a la extensión radial de uno de los conductos de enfriamiento 651, 652, sólo se necesita la mitad de la extensión total radial para proporcionar conductos de enfriamiento para la disposición de devanado 600 que para la disposición de devanado 650.
La figura 7A muestra un dibujo esquemático de vista superior que ilustra varios tipos de forma y disposición de los conductos de enfriamiento y tiras. La figura 7B es una vista alargada de una parte de la disposición de devanado 700 de la figura 7A.
La disposición de devanado 700 muestra un conducto 701 de enfriamiento simple formado por medio de tiras cilíndricas 751, 752; un conducto 702 de enfriamiento formado por medio de una tira cilíndrica 752, un aislamiento y una flexión 753; un conducto de enfriamiento 704 formado por medio de una tira rectangular 754, un aislamiento y una flexión 755; un conducto de enfriamiento 705 formado por medio de la flexión casi rectangular 755, y una flexión suave 756; y un conducto de enfriamiento 706 formado por medio de una tira ovalada y un aislamiento Por supuesto, muchos otros tipos de formar y disposiciones son posibles para formar un conducto de enfriamiento. La figura 8A muestra un dibujo esquemático de vista superior que ilustra una disposición de devanado 800 que se obtuvo mediante un proceso de devanado directo. La figura 8b muestra una vista alargada de una parte de la disposición de devanado 800. La disposición de devanado comprende una pluralidad de conductos de enfriamiento 801, 802, 803, 804, 805, 806, 807, 808, 809, 810, 811, 812 que se extiende en dirección axial. Cada conducto de enfriamiento tiene una forma triangular y se forma por medio de una tira 821, 822, 823, 824, 825, 826, 827, 828, 829, 830, 831, 832 sobre el cual se bobina al menos una capa del conducto eléctrico 899, de modo que cada tira expanda una parte del conductor eléctrico 899 para formar el respectivo conductor de enfriamiento 801, 802, 803, 804. Esto permite un proceso de producción particularmente simple y eficiente de los conductos de enfriamiento. La figura 9 muestra un transformador de parte activa 900 para ilustrar una ubicación posible 901 de disposiciones de devanado de acuerdo con una realización de la invención.
Las realizaciones de la invención permiten obtener una mejor compacidad de devanado para disminuir la cantidad de material conductor y mejorar el efecto de enfriamiento. Como otra ventaja, se vuelve posible que por ejemplo, el contacto directo con cada vuelta del devanado evite eficientemente zonas calientes en la zona concentrada donde no está presente ningún conducto de enfriamiento.
De acuerdo con las realizaciones, los conductos de enfriamiento se crean y estabilizan por medio de una tira. Tales tiras pueden hacerse de formas y materiales diferentes. Es un propósito garantizar la consistencia del devanado. Otras ventajas y características que involucran a un conducto de enfriamiento para devanado de transformadores con conductos de enfriamiento divididos en una posición subsecuente están en los siguientes conceptos:
• Considerar un devanado de transformador con al menos un canal de enfriamiento que se cruza al menos dos veces por la misma vuelta.
• Un conducto de enfriamiento (tradicionalmente único) se divide en N segmentos distribuidos entre las vueltas (por ejemplo, mínimo 2N-1), por ejemplo, en una disposición en espiral de dentro hacia afuera.
• Introducir conductos de enfriamiento, como se explica a sí mismo en las figuras, unificar la distribución del efecto de enfriamiento y evitar el incremento de dimensión radial debido al canal de enfriamiento.
• El conducto de enfriamiento se dispone mediante una espiral a lo largo del devanado;
• El conducto de enfriamiento puede hacerse mediante la deformación de lámina mediante un proceso mecánico, tal como prensado, laminación o forja, o mediante la tensión de la máquina devanadora.
• El conducto de enfriamiento puede incorporar diferentes tipos de tiras, tal como metal, PSP, y puede combinar diferentes materiales.
• Los conductos de enfriamiento pueden tener diferentes anchos.
• Los conductos de enfriamiento pueden combinarse mediante devanado de láminas divididas.
• Una disposición de devanado puede comprender elementos para deformar y crear los conductos que pueden extraerse después del proceso de devanado.
• Para evitar dimensiones más grandes, se desea optimizar el número de canales de enfriamiento e incluso incrementar la sección de conductor transversal y en consecuencia, su masa para condiciones nominales requeridas.
• Para mejorar el efecto de enfriamiento y al mismo tiempo evitar el incremento de dimensión radial, las realizaciones de la invención se basan en un diseño que permite tener una distribución nueva de conductos de enfriamiento a lo largo de la dirección en espiral que probablemente unifique el efecto de enfriamiento en cada vuelta y contribuye a disminuir la temperatura total.
• Este conducto de enfriamiento en posiciones subsecuentes para devanados del transformador eléctrico (denominado cDuct) abre la posibilidad de ahorrar gastos al eliminar el espacio adicional cuando sea necesario utilizar más de un canal de enfriamiento completo. Este concepto puede aplicarse a la mayoría de los tipos de devanados, devanados LV y HV. Esto incrementará el efecto de enfriamiento total, utilizando el mismo espacio ocupado por un canal de enfriamiento único.
De acuerdo con otras realizaciones, la disposición de devanado puede comprender tiras de metal, así como tiras redondas, cuadradas, rectangulares y/o en forma de T.
El proceso de flexión puede realizarse como a continuación:
a) Comenzar el proceso de devanado.
b) Enrolle transversal y deformar la lámina. Obsérvese que el proceso de flexión incrementa la longitud del devanado. Sin embargo, se compensa mediante una disminución del radio exterior de la disposición de devanado. Cuando no se requiere un proceso de devanado:
c) Proceso de devanado: colocar tira para deformar y crear el conducto de enfriamiento
d) especificar el siguiente ángulo e incluir la siguiente tira. Alfa_i+1=360°/Step_i Radial_i+1=Radial_i+Foil_thickness (+t_Insulation)
e) Tiras alineadas de diámetro simétrico.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Una disposición de devanado (300, 400, 500, 600, 700, 800) para una instalación eléctrica (900), la disposición de devanado (300), en donde el conductor eléctrico se bobina, forma varias capas (321-327) alrededor de un eje (330), en donde:
- cada conducto de enfriamiento (301-304) de la pluralidad de conductos de enfriamiento se extiende entre un par de capas adyacentes (321-327) del conductor eléctrico (309) en dirección axial a través de la disposición de devanado (300) y en dirección tangencial, no completamente alrededor del eje (300), en donde cada capa hace contacto con al menos un conducto de enfriamiento (301-304) y los conductos de enfriamiento se disponen en una disposición espiral de dentro hacia afuera, de modo que la pluralidad de conductos de enfriamiento formen una estructura circunferencial alrededor del eje que incremente un diámetro de la disposición de devanado de una manera constante y que, por lo tanto, asegura una forma cilíndrica de la disposición de devanado;
- los conductos de enfriamiento (301-304) de la pluralidad de conductos de enfriamiento se distribuyen entre más de un par de capas adyacentes (321-327), de modo que la disposición de devanado (300) es esencialmente cilíndrica; caracterizad o porque la disposición de devanado comprende dos pluralidades de conductos de enfriamiento (401, 402) dispuestas en disposiciones en espiral (461, 462), en donde cada conducto de la primera disposición en espiral se dispone diametralmente opuesta a otro conducto de la segunda disposición en espiral, por lo tanto, cada capa hace contacto con dos conductos de enfriamiento.
2. La disposición de devanado (300) de conformidad con la reivindicación 1, en donde cada conducto de enfriamiento (301-304) de la pluralidad de conductos de enfriamiento se extiende entre un par de capas adyacentes (321-327) del conductor eléctrico bobinado (309) en dirección tangencial como máximo 180 grados alrededor del eje (330).
3. La disposición de devanado (300) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la pluralidad de conductos de enfriamiento (301-304) de disponen de modo que la pluralidad de conductos de enfriamiento (301-304) abarque alrededor del eje (330).
4. La disposición de devanado (300) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde los conductos de enfriamiento (301-304) comprenden componentes formados, tal como un tubo o un adaptador T.
5. La disposición de devanado (300) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el conductor eléctrico (309) es una lámina o un alambre.
6. La disposición de devanado (300) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde cada capa comprende una o varias vueltas, y donde el conductor eléctrico (309) se aísla, de modo que cada vuelta se aísla contra vueltas adyacentes.
7. La disposición de devanado (300) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde los conductos de enfriamiento (301-304) se refuerzan mediante tiras (821-836) que se extienden paralelas al eje (330).
8. La disposición de devanado (300) de conformidad con la reivindicación 8, en donde los conductos de enfriamiento (821-816) se forman mediante las tiras (821-836), en donde el conductor eléctrico (309) se expanden sobre las tiras (821-836).
ES14192497T 2014-11-10 2014-11-10 Conductos de enfriamiento para devanado de transformadores Active ES2883399T3 (es)

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