NL2018951B1

NL2018951B1 - Oil-cooled power transformer and power coil

Info

Publication number: NL2018951B1
Application number: NL2018951A
Authority: NL
Inventors: Wilhelmus Antonius Dorpmanns Luc
Original assignee: Royal Smit Transf B V
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2018-11-28

Abstract

8UITTREKSEL De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een olie-gekoelde vermogenstransformator en op een olie-gekoelde vermogensspoel. 5 Volgens de uitvinding worden de afstandselementen, welke gebruikt worden in de olie- gekoelde vermogenstransformator olie-gekoelde vermogensspoel, direct voorafgaand aan het wikkelen van de wikkeling(en) gedroogd of gedroogd gehouden. Hierdoor zal het geluidsniveau dat de transformator of spoel tijdens bedrijf genereert aanzienlijk reduceren. 108 EXTRACT The present invention relates to an oil-cooled power transformer and to an oil-cooled power coil. According to the invention, the spacer elements used in the oil-cooled power transformer oil-cooled power coil are kept dried or dried immediately prior to the winding of the winding (s). This will considerably reduce the noise level generated by the transformer or coil during operation. 10

Description

Olie-gekoelde vermogenstransformator en vermogensspoelOil-cooled power transformer and power coil

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een olie-gekoelde vermogenstransformator en op een olie-gekoelde vermogensspoel.The present invention relates to an oil-cooled power transformer and to an oil-cooled power coil.

Vermogenstransformatoren en vermogensspoelen zijn bekend uit de stand der techniek. Een vermogenstransformator transformeert vermogen met een relatief hoge spanning, bijvoorbeeld 380 kV, naar vermogen met een lagere spanning, bijvoorbeeld 110 kV, of vice versa. Deze transformatoren worden gekenmerkt door het hoge schijnbare vermogen (> 10 MVA) dat deze transformatoren moeten kunnen verwerken.Power transformers and power coils are known in the art. A power transformer transforms power with a relatively high voltage, for example 380 kV, to power with a lower voltage, for example 110 kV, or vice versa. These transformers are characterized by the high apparent power (> 10 MVA) that these transformers must be able to process.

Vermogensspoelen kunnen in een hoogspanningsnet onder andere gebruikt worden voor het verminderen van het blindvermogen dat door de energieleverancier geleverd moet worden. Ook de spoelen moeten een hoog schijnbaar vermogen kunnen weerstaan.Power coils can be used in a high-voltage network for, among other things, reducing the reactive power that must be supplied by the energy supplier. The coils must also be able to withstand a high apparent power.

Figuur IA en figuur 1B geven een voorbeeld van respectievelijk een deel van een bekende olie-gekoelde vermogenstransformator en een deel van een bekende olie-gekoelde vermogensspoel. Hierbij duidt verwijzingscijfer 1 de magnetische kern aan, welke doorgaans van domein-georiënteerd magnetisch blik vervaardigd is. Om kern 1 zijn in figuur IA een tweetal wikkelingen geplaatst welke beide om een wikkelkern 4 zijn gewikkeld. Wikkelkern 4 is doorgaans vervaardigd van geperst cellulose. Een eerste wikkeling omvat een veelvoud aan eerste windingen 2 en een tweede wikkeling omvat een veelvoud aan tweede windingen 3. Als voorbeeld kan de eerste wikkeling de primaire zijde van de transformator voorstellen en de tweede wikkeling de secundaire zijde. Het moge duidelijk zijn dat figuren IA en 1B enkel één voorbeeld tonen van respectievelijk een olie-gekoelde vermogenstransformator en een olie-gekoelde vermogensspoel. Talloze andere configuraties zijn voor de vakman bekend welke nog meer wikkelingen of wikkelingsdelen omvatten. De onderhavige uitvinding strekt zich ook uit tot dergelijke uitvoeringsvormen.Figure 1A and Figure 1B give an example of a part of a known oil-cooled power transformer and a part of a known oil-cooled power coil, respectively. Reference numeral 1 herein designates the magnetic core, which is generally made of domain-oriented magnetic cans. In Figure 1A two windings are placed around core 1, both of which are wound around a winding core 4. Winding core 4 is generally made from pressed cellulose. A first winding comprises a plurality of first turns 2 and a second winding comprises a plurality of second turns 3. As an example, the first winding can represent the primary side of the transformer and the second winding the secondary side. It will be clear that Figures 1A and 1B only show one example of an oil-cooled power transformer and an oil-cooled power coil, respectively. Numerous other configurations are known to those skilled in the art which comprise even more windings or winding parts. The present invention also extends to such embodiments.

De wikkelingen worden gevormd door geïsoleerde draad, meestal bestaande uit meerdere onderling geïsoleerde metalen strengen, om de wikkelkern te wikkelen. Deze wikkelingen kunnen, zoals getoond in figuur IA, uit meerdere lagen bestaan in een richting parallel aan een axiale as van wikkelkern 1. Het aantal windingen dat wordt gebruikt voor de eerste en tweede wikkeling bepaalt de transformatieverhouding van de transformator. Elke winding is omgeven door een isolatielaag. Deze laag is meestal vervaardigd uit geperst cellulose. Het voordeel van dit materiaal is dat het goed doordrenkt kan worden met transformatorolie.The windings are formed by insulated wire, usually consisting of several mutually insulated metal strands, to wrap the winding core. As shown in Fig. 1A, these windings can consist of several layers in a direction parallel to an axial axis of winding core 1. The number of turns used for the first and second winding determines the transformation ratio of the transformer. Each turn is surrounded by an insulation layer. This layer is usually made from pressed cellulose. The advantage of this material is that it can be well infused with transformer oil.

Figuren IA en 1B tonen tevens een veelvoud aan afstandselementen 5. Deze elementen houden windingen 2, 3 van respectievelijk de eerste en tweede wikkeling van elkaar gescheiden. Deze afstand is nodig omdat tijdens bedrijf een groot spanningsverschil kan bestaan tussen de eerste wikkeling en de tweede wikkeling. Tevens kunnen elementen 5 tussen de lagen van een wikkeling gebruikt worden indien deze uit meerdere lagen bestaat (niet getoond). Een verder voordeel van afstandselementen 5 is dat deze kanalen creëren waardoor transformatorolie kan stromen voor het koelen van de wikkelingen. Een dergelijke functie vervullen afstandselementen 5 in de olie-gekoelde vermogensspoel welke is getoond in figuur 1B. In deze spoel zijn windingen 2 en 2’ onderdeel van dezelfde wikkeling en zijn derhalve elektrisch met elkaar verbonden.Figures 1A and 1B also show a plurality of spacer elements 5. These elements keep turns 2, 3 of the first and second windings separate from each other, respectively. This distance is necessary because during operation a large voltage difference can exist between the first winding and the second winding. Elements 5 can also be used between the layers of a winding if it consists of several layers (not shown). A further advantage of spacer elements 5 is that they create channels through which transformer oil can flow to cool the windings. Such a function fulfills spacer elements 5 in the oil-cooled power coil shown in Figure 1B. In this coil turns 2 and 2 "are part of the same winding and are therefore electrically connected to each other.

De in figuren IA en 1B getoonde wikkelingen en wikkelwijze dienen slechts ter illustratie. De vakman is bekend met verschillende manieren om windingen te wikkelen en is bekend met verschillende transformator en spoelconfiguraties. Zo kunnen de afstandselementen radiaal of axiaal georiënteerd zijn. Echter, bij alle bekende configuraties wordt gebruik gemaakt van afstandselementen.The windings and winding method shown in Figures 1A and 1B are for illustrative purposes only. The person skilled in the art is familiar with different ways of winding windings and is familiar with different transformer and coil configurations. The spacer elements can thus be radially or axially oriented. However, with all known configurations, spacer elements are used.

Figuur 1C toont een bekende 3-fasen olie-gekoelde vermogenstransformator 10. Deze omvat een behuizing 11 waarin de wikkelingen voor de primaire en secundaire zijde voor elke fase 12A-12C voorzien zijn. De kern van de transformator in figuur 1C omvat een bovenste juk 13, een onderste juk 14 en een drietal kernpolen 15 welke overeenkomen met kernen 1 uit figuur IA . Hierbij vormen poten 15 en jukken 13, 14 een gesloten circuit van magnetisch materiaal. Om elk van de kernpoten 15 is een wikkelkern met wikkelingen aangebracht zoals getoond in figuur 1A. Verder verbinden elektrische aansluitingen 16 de wikkelingen met de buitenzijde.Figure 1C shows a known 3-phase oil-cooled power transformer 10. This comprises a housing 11 in which the windings for the primary and secondary side are provided for each phase 12A-12C. The core of the transformer in Figure 1C comprises an upper yoke 13, a lower yoke 14 and three core poles 15 which correspond to cores 1 of Figure 1A. Legs 15 and yokes 13, 14 form a closed circuit of magnetic material. A winding core with windings is arranged around each of the core legs 15 as shown in Figure 1A. Furthermore, electrical connections 16 connect the windings to the outside.

Naast de configuratie getoond in figuur IC zijn meerdere configuraties bekend voor vermogenstransformatoren, zoals één-fase transformatoren en transformatoren met sluitjukken. De uitvinding strekt zich ook uit tot dergelijke uitvoeringsvormen.In addition to the configuration shown in Figure IC, several configurations are known for power transformers, such as single-phase transformers and closing yokes. The invention also extends to such embodiments.

Behuizing 11 is volledig gevuld met transformatorolie. Hiertoe omvat behuizing 11 een opening 17. Dezelfde of een andere opening is gebruikt voor het afpompen van behuizing 11 voorafgaand aan het vullen met transformatorolie.Housing 11 is completely filled with transformer oil. For this purpose housing 11 comprises an opening 17. The same or a different opening is used for pumping out housing 11 prior to filling with transformer oil.

Een vermogensspoel heeft eenzelfde opbouw als de vermogenstransformator uit figuur 1C met de uitzondering dat geen tweede wikkeling om de wikkelkern is geplaatst. Tevens is de opbouw van de kern anders.A power coil has the same construction as the power transformer of Figure 1C with the exception that no second winding is placed around the winding core. The structure of the core is also different.

Doordat zowel de vermogenstransformator als de vermogensspoel met grote vermogens overweg moeten kunnen, bijvoorbeeld met schijnbare vermogens van 10MVA of meer, is koeling vereist. Doorgaans vindt koeling plaats door middel van transformatorolie. Hierbij zijn de relevante elektrische componenten zoals de magnetische kern, de wikkelkern en de wikkelingen doordrenkt en omgeven door transformatorolie welke in de behuizing is gebracht. Door de opwarming van de transformatorolie tijdens bedrijf zal een stroming in de olie opgewerkt worden door middel van het thermosifon-effect. Het is tevens mogelijk een stroming op te wekken door middel van een pompcircuit.Because both the power transformer and the power coil must be able to handle large powers, for example with apparent powers of 10 MVA or more, cooling is required. Usually cooling takes place by means of transformer oil. The relevant electrical components such as the magnetic core, the winding core and the windings are soaked in and surrounded by transformer oil which has been introduced into the housing. Due to the heating of the transformer oil during operation, a flow in the oil will be worked up by means of the thermosiphon effect. It is also possible to generate a flow by means of a pump circuit.

Zoals boven gesteld, wordt, voorafgaand aan het vullen van de behuizing van de vermogenstransformator of vermogensspoel met transformatorolie, de behuizing afgesloten en afgepompt. Dit is noodzakelijk om hel water, dat zich in de behuizing bevindt, af te voeren. Water vermindert namelijk de doorslagspanning van de transformatorolie en beïnvloedt de levensduur van de transformator of spoel op nadelige wijze. Het afpompen geschiedt meestal door een vacuüm te creëren in de behuizing als gevolg waarvan het resterende water zal verdampen. Tevens wordt de transformator of spoel na het aanbrengen van de wikkelingen verwarmd om het in de isolatie aanwezige water te laten verdampen, alvorens deze in de behuizing geplaatst wordt.As stated above, prior to filling the housing of the power transformer or power coil with transformer oil, the housing is sealed and pumped out. This is necessary to drain the water contained in the housing. Namely, water reduces the breakdown voltage of the transformer oil and adversely affects the life of the transformer or coil. The pumping is usually done by creating a vacuum in the housing as a result of which the remaining water will evaporate. The transformer or coil is also heated after the windings have been applied to allow the water present in the insulation to evaporate before it is placed in the housing.

Naast de elektrische eigenschappen van vermogenstransformatoren en vermogensspoelen worden andere kenmerken steeds belangrijker. Een voorbeeld hiervan is het geluidsniveau dat geproduceerd wordt tijdens bedrijf.In addition to the electrical properties of power transformers and power coils, other characteristics are becoming increasingly important. An example of this is the noise level that is produced during operation.

Een doel van de onderhavige uitvinding is een oplossing te verschaffen waarmee het geproduceerde geluidsniveau verminderd kan worden.An object of the present invention is to provide a solution with which the noise level produced can be reduced.

Dit doel is bereikt door middel van een werkwijze voor het vervaardigen van een olie-gekoelde vermogenstransformalor volgens conclusie 1 en/of door middel van een werkwijze voor het vervaardigen van een olie-gekoelde vermogensspoel volgens conclusie 2. Volgens de uitvinding worden de werkwijzen voor het vervaardigen van een olie-gekoelde vermogenstransformator en olie-gekoelde vermogensspoel beide gekenmerkt door het direct voorafgaand aan het wikkelen van de wikkeling(en) drogen of gedroogd houden van het veelvoud aan afstandselementen.This object has been achieved by means of a method for manufacturing an oil-cooled power transformer according to claim 1 and / or by means of a method for manufacturing an oil-cooled power coil according to claim 2. According to the invention, the methods for manufacture of an oil-cooled power transformer and oil-cooled power coil, both characterized by drying the plurality of spacer elements immediately prior to winding the winding (s).

Een belangrijk aspect van de onderhavige uitvinding is dat aanvraagster heeft geconcludeerd dat het relatief hoge geluidsniveau van de olie-gekoelde vermogenstransformator en de olie-gekoelde vermogensspoel mede zijn oorzaak vindt in de speling ter plaatse van de afstandselementen. Dit wordt hierna beschreven onder verwijzing naar figuur 2.An important aspect of the present invention is that the applicant has concluded that the relatively high noise level of the oil-cooled power transformer and the oil-cooled power coil are partly due to the play at the location of the spacer elements. This is described below with reference to Figure 2.

Figuur 2 toont een tweetal individuele windingen van de vermogenstransformator uit figuur IA. Hierbij geeft de punt in de linker winding 2 aan dat de stroomvector door die winding uit de figuur wijst en geeft het kruis in de linker winding 3 aan dat de stroomvector door die winding in de figuur wijst.Figure 2 shows two individual windings of the power transformer from Figure IA. Here, the point in the left-hand turn 2 indicates that the current vector points through that turn from the figure and the cross in the left-hand turn 3 indicates that the current vector points through that turn in the figure.

Ter plaatse van de windingen 2, 3 heerst een magnetisch veld Hl, H2, welke in figuur 2 eveneens als vector is weergegeven. Als gevolgd van de Lorentzkracht wordt op windingen 2, 3 een kracht uitgeoefend welke in figuur 2 als vectoren Fl, F2, F3, F4 is weergegeven. Figuur 2 loont eveneens dat afstandselementen 5 zich gedragen als een veerkrachtig en/of dempend element.At the location of the windings 2, 3, there is a magnetic field H1, H2, which is also shown in Figure 2 as a vector. As a result of the Lorentz force, a force is exerted on turns 2, 3 which is shown in Figure 2 as vectors F1, F2, F3, F4. Figure 2 also pays off for spacer elements 5 to behave as a resilient and / or damping element.

Tijdens bedrijf zal de oriëntatie van krachten F1-F4 continu wisselen waardoor windingen 2, 3 een oscillerend gedrag zullen vertonen met geluidproductie tot gevolg. Afstandselementen 5 vormen hierbij een belangrijk verend en/of dempend element dat de geluidproductie kan reduceren.During operation, the orientation of forces F1-F4 will change continuously, as a result of which windings 2, 3 will show an oscillating behavior, resulting in noise production. Spacer elements 5 hereby form an important resilient and / or damping element that can reduce noise production.

De aanvraagster heeft echter gevonden dat het verende en/of dempende karakter van afstandselementen 5 bij de bekende olie-gekoelde vermogenstransformator en spoel niet optimaal is. Meer in hel bijzonder heeft de aanvraagster gevonden dat er relatief veel speling tussen windingen 2, 3 is, met een lagere verende en/of dempende werking tot gevolg.However, the applicant has found that the resilient and / or damping nature of spacer elements 5 in the known oil-cooled power transformer and coil is not optimal. More specifically, the applicant has found that there is relatively much play between turns 2, 3, with a lower spring and / or damping effect as a result.

De aanvraagster heeft gevonden dat de achterliggende oorzaak van deze speling gevonden kan worden bij de fabricage werkwijze die gevolgd wordt bij de vervaardiging van de bekende olie-gekoelde vermogenstransformatoren en spoelen. Bij deze werkwijze worden de afstandselementen ingezet tijdens het wikkelen op de gebruikelijke wijze. Echter, de afstandselementen zijn hydrofiele elementen. Op het moment dat deze elementen bij de bekende werkwijze worden gebruikt, is het vochtpercentage relatief hoog. Als laatste stap voorafgaand aan het met transformatorolie vullen van de behuizing wordt de behuizing aigepompt om al het water uil de transformator dan wel spoel te krijgen. Verder worden de wikkelingen na het wikkelen vaak onderworpen aan hoge temperaturen voor het eveneens laten verdampen van water uit de isolatiematerialen. De aanvraagster heeft gevonden dat als gevolg van het uittreden van vocht, de afstandselementen zullen slinken en dat dit slinken de oorzaak is voor de speling tussen de windingen zoals hierboven beschreven.The applicant has found that the underlying cause of this play can be found in the manufacturing process that is followed in the manufacture of the known oil-cooled power transformers and coils. In this method, the spacer elements are deployed during the winding in the usual manner. However, the spacer elements are hydrophilic elements. At the moment that these elements are used in the known method, the moisture percentage is relatively high. As a final step prior to filling the housing with transformer oil, the housing is pumped in to get all the water from the transformer or coil. Furthermore, the windings after winding are often subjected to high temperatures for also allowing water to evaporate from the insulating materials. The applicant has found that as a result of the escape of moisture, the spacer elements will shrink and that this shrinkage is the cause of the play between the turns as described above.

Door nu de afstandselementen direct voorafgaand aan het wikkelen van de wikkeling/en) te drogen dan wel gedroogd te houden, kan bereikt worden dat het slinken als gevolg van het verwarmen en afpompen verminderd wordt. Hierdoor kunnen de afstandselementen de oscillerende bewegingen van de windingen beter voorkomen en/of dempen en zal het geluidsniveau tijdens bedrijf afnemen.By drying or keeping the spacer elements immediately prior to winding the winding / s, it can be achieved that the shrinkage is reduced as a result of heating and pumping. As a result, the spacer elements can better prevent and / or damp the oscillating movements of the windings and the noise level will decrease during operation.

Bij de bekende werkwijze worden de afstandselementen op voorraad gehouden. Bij het wikkelen voor een nieuwe transformator of spoel wordt een geschikte hoeveelheid afstandselementen uit de voorraad genomen en ingezet bij het wikkelen. Hierbij wordt niet, in tegenstelling tot de werkwijze volgens de uitvinding, een droogproces gebruikt voordat de afstandselementen daadwerkelijk worden ingezet bij het wikkelen.In the known method, the spacer elements are kept in stock. When winding for a new transformer or coil, a suitable amount of spacer elements is taken from the supply and used for winding. In this case, unlike the method according to the invention, a drying process is not used before the spacer elements are actually used for winding.

Binnen de context van de onderhavige uitvinding moet onder direct voorafgaand aan het wikkelen worden verstaan dat de afstandselementen gedroogd worden voorafgaand aan het wikkelen zodat het vochtgehalte in de afstandselementen aanzienlijk lager wordt. Na het drogen van de afstandselementen kunnen de afstandselementen direct ingezet worden bij het wikkelen of kunnen de afstandselementen worden opgeslagen onder droge condities, zoals in een klimaatkast, lot het moment dat de afstandselementen gebruikt dienen te worden bij het wikkelen. De vakman zal begrijpen dat hoe langer er gewacht wordt met het inzetten van de afstandselementen bij het wikkelen na het drogen of na het uit een klimaatkast halen van de afstandselementen, hoe meer vocht er weer wordt geabsorbeerd in de afstandselementen. Het geniet daarom de voorkeur de afstandselementen zo kort mogelijk voor het wikkelen te drogen of gedroogd te houden.In the context of the present invention, immediately prior to wrapping is to be understood to mean that the spacer elements are dried prior to wrapping so that the moisture content in the spacer elements becomes considerably lower. After drying of the spacer elements, the spacer elements can be used immediately during winding or the spacer elements can be stored under dry conditions, such as in a climate cabinet, at the moment that the spacer elements are to be used for winding. It will be appreciated by those skilled in the art that the longer the spacer elements are used for winding after drying or after removing the spacer elements from a climate cabinet, the more moisture is absorbed into the spacer elements. It is therefore preferable to dry or keep the spacer elements as short as possible before winding or to keep them dried.

Het drogen vindt bij voorkeur in een gesloten ruimte plaats, zoals een oven. Hierbij worden de afstandselementen bij voorkeur blootgesteld aan een temperatuur tussen de 70 en 140 gradenThe drying preferably takes place in a closed space, such as an oven. The spacer elements are herein preferably exposed to a temperature between 70 and 140 degrees

Celsius gedurende een periode van meer dan 12 uur. Bij voorkeur worden de afstandselementen blootgesteld aan een temperatuur tussen de 90 en 120 graden Celsius gedurende een periode van meer dan 24 uur. Hierbij kan het drogen tevens het ontvochtigen omvatten van de lucht in de gesloten ruimte gedurende de tijd dat de afstandselementen aan de bovengenoemde temperatuur wordt blootgesteld. Na het drogen kunnen de afstandselementen opgeslagen worden in een klimaatkast. In een dergelijke kast kunnen de afstandselementen onder lage luchtvochtigheidscondities worden gehouden om absorptie van vocht in de afstandselementen te voorkomen.Celsius for a period of more than 12 hours. Preferably the spacer elements are exposed to a temperature between 90 and 120 degrees Celsius for a period of more than 24 hours. Drying can also include dehumidifying the air in the closed space during the time that the spacer elements are exposed to the above-mentioned temperature. After drying, the spacer elements can be stored in a climate cupboard. In such a cupboard, the spacer elements can be kept under low humidity conditions to prevent absorption of moisture in the spacer elements.

De hierboven beschreven uitvoeringsvormen van de uitvinding dienden ter uitleg van de uitvinding. De uitvinding is niet beperkt lot deze uitvoeringsvormen. De vakman zal begrijpen dat verscheidene wijzigingen mogelijk zijn zonder daarbij af te wijken van de beschermingsomvang van de uitvinding welke gedefinieerd wordt door de hiernavolgende conclusies en equivalenten daarvan.The embodiments of the invention described above served to explain the invention. The invention is not limited to these embodiments. Those skilled in the art will appreciate that various modifications are possible without thereby departing from the scope of the invention which is defined by the following claims and equivalents thereof.

Claims

A method for manufacturing an oil-cooled power transformer, comprising; providing a housing, a core and a winding core; winding a first winding and a second winding around the winding core, the first winding corresponding to a primary side of the transformer and the second winding to a secondary side of the transformer; placing a plurality of spacer elements simultaneously with the winding for spacing turns associated with the first winding with respect to turns associated with the second winding; placing the winding core with the first and second winding around the core and in the housing; and filling the housing with transformer oil; characterized by keeping the plurality of spacer elements dry or dried immediately prior to winding the first and second windings.

A method for manufacturing an oil-cooled power coil, comprising: providing a housing, a core and a winding core; winding a winding around the winding core; placing a plurality of spacer elements simultaneously with the winding to keep the windings of the winding at a distance; placing the winding core with the winding around the core and in the housing; and filling the housing with transformer oil; characterized by drying or maintaining the plurality of spacer elements immediately prior to winding the winding.

The method of claim 1 or 2, wherein the plurality of spacer elements are made from pressed cellulose.

Method according to one of the preceding claims, wherein said drying takes place in a closed space such as an oven or climate cupboard.

The method of claim 4, wherein said drying comprises exposing the spacer elements to a temperature between 90 and 120 degrees Celsius for a period of more than 24 hours.

The method of claim 5, wherein said drying also comprises dehumidifying the air in the closed space during said exposure.

A method according to claim 5 or 6, further comprising after drying drying the spacer elements in a climate cabinet under low humidity conditions for keeping said spacer elements dried.