DE19847267A1

DE19847267A1 - Transformer arrangement with cooling circuit

Info

Publication number: DE19847267A1
Application number: DE19847267A
Authority: DE
Inventors: Helmut Nieke
Original assignee: NIEKE ELEKTROAPPARATE GmbH
Current assignee: NIEKE ELEKTROAPPARATE GmbH
Priority date: 1998-10-07
Filing date: 1998-10-07
Publication date: 2000-04-13
Also published as: DE59905812D1; ATE242539T1; EP0993007A1; EP0993007B1

Abstract

The apparatus includes at least one transformer housed in a case, a cooling device and a circulating pump. A coolant is circulated through the case, the pump and the cooling device. The transformer is arranged as a layer winding in which at least one primary winding (7) and at least one secondary winding (9) are arranged concentrically in layers wound around a core. Cooling channels (11) are coaxially arranged between the layers.

Description

Die Erfindung betrifft eine Transformatoranordnung mit Kühlkreislauf, insbesondere zur Verwendung als Bahntransformatoranordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to a transformer arrangement with cooling circuit, especially for use as Railway transformer arrangement according to the preamble of Main claim.

Es sind Bahntransformatoren bekannt, die als Schei benwickler ausgebildet sind, wobei die Primär- und Sekundärwicklungen als Scheiben ausgebildet sind, die axial nebeneinander auf dem Kern angeordnet sind. Derartige Transformatoren sind mit einer Kühlung ver sehen, bei der das Kühlmittel, hier Transformatorenöl über Düsen unter hohem Druck zwischen und auf die scheibenförmigen Wicklungen beströmt wird. Das Öl wird über eine Pumpe abgezogen, einem Kühler zuge führt und anschließend wieder zur Kühlung verwendet. Ein solcher bekannter Scheibenwickler mit Kühlung hat den Nachteil, daß sich das auf- bzw. zwischen die Wicklungen eingedüster kalte Öl sehr schnell mit dem im Transformator vorhandenen heißen Öl mischt, so daß eine große Menge Öl, z. B. 1000 l im Kreislauf geführt werden muß, wenn nur 400 l wirksam notwendig sind. Darüber hinaus treten bei einem Scheibenwickler große axiale Kurzschlußkräfte auf, denen mit entsprechenden Spannelementen Rechnung getragen werden muß.Railway transformers are known as Schei benwickler are formed, the primary and Secondary windings are designed as disks are arranged axially side by side on the core. Such transformers are ver with cooling see where the coolant, here transformer oil over nozzles under high pressure between and on the disc-shaped windings is energized. The oil is drawn off via a pump, fed to a cooler leads and then used again for cooling. Such a known disc winder with cooling has the disadvantage that the on or between the Coils injected cold oil very quickly with that hot oil in the transformer mixes so that a large amount of oil, e.g. B. 1000 l in a circuit must be, if only 400 l are effectively necessary. In addition, large sizes occur in a disc winder axial short-circuit forces on those with corresponding Clamping elements must be taken into account.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Trans formatoranordnung zu schaffen, die geringe Abmessun gen aufweist und ein effektives Kühlsystem zur Ver fügung stellt.The invention has for its object a trans formator arrangement to create the small dimensions gene and an effective cooling system for ver provides.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.This object is achieved by the kenn drawing features of the main claim in connection solved with the features of the generic term.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse rungen möglich.By the measure specified in the subclaims Men are advantageous further training and improvements possible.

Dadurch, daß der Transformator als Lagenwickler aus gebildet ist, bei dem zwischen den Wicklungslagen Kühlkanäle vorgesehen sind, die gezielt und im we sentlichen laminar von dem Kühlmedium durchströmt werden, kann eine Transformatoranordnung mit äußerst geringer Bauhöhe zur Verfügung gestellt werden, der einen außerordentlich hohen Kühlwirkungsgrad auf weist. Dabei ist die Transformatorspule quasi in Form eines Wärmetauschers ausgebildet, dessen Kühlkanäle sehr dünn sein können, z. B. lichte Weiten von kleiner 3 mm aufweisen. Es wird dadurch eine geringe umlau fende Ölmenge verlangt, die Geschwindigkeit ist ge ring und gleichfalls sind die Druckfälle gering. The fact that the transformer as a layer winder is formed, in which between the winding layers Cooling channels are provided, which are targeted and in the we flows considerably laminar from the cooling medium can be a transformer arrangement with extreme low height are provided, the an extraordinarily high cooling efficiency points. The transformer coil is almost in shape a heat exchanger formed, the cooling channels can be very thin, e.g. B. clear widths of smaller 3 mm. This makes it a little umlau required oil quantity, the speed is high ring and likewise the pressure drops are low.

Dadurch, daß die durch den Verlusterzeuger, d. h. die Transformatorspule aufgewärmte Ölmenge nach der Rück kühlung durch den Kühler direkt ohne Mischung mit dem im Gehäuse befindlichen Öl zur Kühlung der Spule wie der zugeführt wird, wird der Wirkungsgrad erhöht. Der hierbei auftretende Vorteil liegt in der jeweiligen Differenz zur sich einstellenden Mischtemperatur aus rückgekühlter Flüssigkeit und der Flüssigkeit, die sich nach der im Kessel befindlichen Flüssigkeitsmen ge und deren Möglichkeit zum Temperaturausgleich richtet. Ein Angleichen der Temperaturen mit der Kes selflüssigkeit kann nur im Bereich der kurzen Zulauf kanäle im Kessel stattfinden. Aufgrund der geringen umzuwälzenden Kühlmediummenge können die Aggregate, wie Umwälzpumpe und Kühler kleiner ausgebildet wer den. Da die Druckabfälle bei der kontrollierten Füh rung des Kühlmediums durch die Kühlkanäle, bei der kaltes Öl gezielt in die heiße Spule eingebracht wird, gering sind, wird das Kühlmedium mit geringerem Druck z. B. Atmosphärendruck, in das Gehäuse eingebracht, wodurch dieses als Niederdruckkessel ausgebildet sein kann, was zur Folge hat, daß er leichter gebaut werden kann als es im Stand der Tech nik der Fall ist.The fact that the loss generator by the. H. the Transformer coil heated amount of oil after the return cooling through the cooler directly without mixing with the Oil in the housing for cooling the coil like which is fed in, the efficiency is increased. The the advantage that arises here lies in the respective Difference to the resulting mixing temperature recooled liquid and the liquid that according to the amount of liquid in the boiler ge and their possibility for temperature compensation judges. An alignment of the temperatures with the Kes Selfluid can only in the short supply area channels take place in the boiler. Because of the low the aggregates, such as the circulation pump and cooler who are smaller the. Since the pressure drops in the controlled Füh tion of the cooling medium through the cooling channels in which cold oil specifically introduced into the hot coil is, the cooling medium becomes less Pressure z. B. atmospheric pressure, in the housing introduced, making this as a low pressure boiler can be trained, with the result that he can be built lighter than in the prior art nik is the case.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenAn embodiment of the invention is in the Drawing shown and is in the following Description explained in more detail. Show it

Fig. 1 die zu einem Kühlkreislauf miteinander verbun denen Bauelemente der erfindungsgemäßen Transforma toranordnung mit Kühlsystem, Fig. 1, to a cooling circuit together verbun which components of the transformers according to the invention with door assembly cooling system,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Transformator, Fig. 2 is a longitudinal section through a transformer,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Transformator und Fig. 3 shows a cross section through the transformer according to the invention and

Fig. 4 eine schematische Darstellung der im Gehäuse aufgenommenen Transformatoren mit Strömungsauftei lung. Fig. 4 is a schematic representation of the transformers accommodated in the housing with flow division.

In Fig. 1 ist eine Transformatoranordnung mit Kühlsy stem dargestellt, der als Bahntransformator in gerin ger Bauhöhe unter den Wagenboden eines Triebzuges zu montieren ist. Dabei ist die verfügbare Einbauhöhe beispielsweise 450 bis 550 mm. Das in Fig. 1 gezeigte System besteht aus mindestens einem in einem Gehäuse bzw. Kessel 1 aufgenommenen, in Fig. 1 nicht darge stellten Transformator, einer Umwälzpumpe 2, einem Kühler 3 mit Ventilator und entsprechenden Verbin dungsleitungen 4, die das warme Kühlmedium aus dem Kessel zur Umwälzpumpe 2 und zum Kühler leiten und das kalte Kühlmedium, d. h. Transformatorenöl wieder in den Kessel 1 zurückführen.In Fig. 1, a transformer assembly with cooling system is shown, which is to be installed as a rail transformer in a low height under the car floor of a multiple unit. The available installation height is, for example, 450 to 550 mm. The system shown in Fig. 1 consists of at least one accommodated in a housing or boiler 1 , not shown in Fig. 1 presented transformer, a circulating pump 2 , a cooler 3 with fan and corresponding connec tion lines 4 , which the warm cooling medium from Guide the boiler to the circulation pump 2 and the cooler and return the cold cooling medium, ie transformer oil, back to the boiler 1 .

Zur Überwachung des Kühlsystems sind Druckmeßgeräte P und Temperaturmeßgeräte T vorgesehen und weiterhin kann in die Leitungen 4 ein Durchflußmesser Q einge setzt sein. Die Überwachung des Kühlsystems findet im wesentlichen durch die Kontrolle der Temperaturen der die Transformatoren kühlenden Flüssigkeit statt. Eine unzulässige Temperatur signalisiert dabei Fehler die auf Spulenfehler, auf Pumpenausfall oder Minderlei stung, auf Kühler- oder Kanalverschmutzung oder auf unzulässigem Überlast- oder Fahrbetrieb beruhen kön nen. To monitor the cooling system, pressure measuring devices P and temperature measuring devices T are provided, and furthermore, a flow meter Q can be inserted into the lines 4 . The monitoring of the cooling system essentially takes place by checking the temperatures of the liquid cooling the transformers. An impermissible temperature signals faults that may be due to coil faults, pump failure or underperformance, contamination of the cooler or duct, or impermissible overloading or driving.

In dem Kessel oder Gehäuse 1 sind zwei Transformato ren parallel nebeneinander angeordnet, wobei die ent sprechenden Spulen auf zwei Schenkeln eines Kerns sitzen.In the boiler or housing 1 , two transformers are arranged in parallel next to each other, the corresponding coils sitting on two legs of a core.

In den Fig. 2 und 3 ist eine Spule des Transforma tors im Längs- und Querschnitt dargestellt, die nach dem Prinzip eines Wärmetauschers aufgebaut ist. Die Spule 5 weist ein inneres Trägerrohr 6 auf, auf die konzentrisch eine Oberspannungswicklung 7 als Primär wicklung gewickelt ist, die beispielsweise für eine Hochspannung von 25 kV ausgelegt ist. Die Oberspan nungswicklung 7 besteht aus mehreren Lagen, zwischen denen Distanzleisten 8 angebracht sind. Diese Di stanzleisten 8 erstrecken sich über die gesamte Länge der Oberspannungswicklung 7, wobei zwischen innerem Trägerrohr 6 und erster Lage vorzugsweise gleichfalls Leisten 8 angeordnet sind. Auf der Oberspannungswick lung 7 sitzt die Traktionswicklung 9 als Sekundär wicklung, die gleichfalls mehrere Lagen umfaßt und die beispielsweise für eine Niederspannung von 2000 V ausgelegt ist. Zwischen Oberspannungswicklung 7 und Traktionswicklung 9 ist ein Separationsrohr 10 vor gesehen, das die Isolierung zwischen beiden Wicklun gen sicherstellt. Auch zwischen den Lagen der Trak tionswicklungen sind Leisten 8 vorgesehen.In FIGS. 2 and 3, a coil of the transformers gate shown in a longitudinal and cross section, which is constructed according to the principle of a heat exchanger. The coil 5 has an inner support tube 6 , on which a high-voltage winding 7 is wound concentrically as a primary winding, which is designed, for example, for a high voltage of 25 kV. The upper voltage winding 7 consists of several layers, between which spacers 8 are attached. This Di punch strips 8 extend over the entire length of the high-voltage winding 7 , wherein strips 8 are preferably also arranged between the inner support tube 6 and the first layer. On the high-voltage winding 7 sits the traction winding 9 as a secondary winding, which also comprises several layers and which is designed, for example, for a low voltage of 2000 V. Between the high-voltage winding 7 and the traction winding 9 , a separation tube 10 is seen before, which ensures the insulation between the two windings. Bars 8 are also provided between the layers of the traction windings.

Die Leisten 8 definieren die Größe bzw. die lichte Weite von Kühlkanälen 11, wobei die lichte Weite kleiner als 4 mm vorzugsweise kleiner als 3 mm ausge bildet sein kann.The strips 8 define the size or the clear width of cooling channels 11 , the clear width being less than 4 mm, preferably less than 3 mm.

Die Oberspannungswicklung 7 und die Traktionswicklung 9 können auch getrennt voneinander hergestellt wer den, wobei sie anschließend ineinandergesteckt wer den.The high-voltage winding 7 and the traction winding 9 can also be manufactured separately from one another, after which they are inserted into one another.

Die Wicklungen sind in einem äußeren Trägerrohr 12 aufgenommen, wobei das innere Trägerrohr 6 und das äußere Trägerrohr 12 beidseitig über die Wicklungen 7, 9 herausragen. Die Wicklungen werden von radial angeordneten Druckstücken 13 und von jeweils einem das Ende der Trägerrohre 6, 12 abschließenden ring förmigen Druckflansch 14 festgelegt. Zwischen Druck flanschen 14 und den Wicklungsenden wird somit je weils eine aus Raumsegmenten zwischen den Druckstüc ken 7 gebildete Verteilerkammer 15 hergestellt, die gleichzeitig als Hochspannungssicherheit gegen Masse und Streufelder dient und vermeidet, daß Streufelder in das Joch eindringen. Die Druckstücke 15 weisen Löcher 16 auf, durch die Segmente der Verteilerkammer 15 miteinander in Verbindung stehen. Weiterhin weisen die Druckflansche 14 Durchströmöffnungen 17 für das Kühlmedium auf.The windings are received in an outer carrier tube 12 , the inner carrier tube 6 and the outer carrier tube 12 protruding from the windings 7 , 9 on both sides. The windings are fixed by radially arranged thrust pieces 13 and by a ring-shaped pressure flange 14 which closes the end of the carrier tubes 6 , 12 . Between pressure flanges 14 and the winding ends is thus a Weil formed from space segments between the Druckstüc ken 7 distribution chamber 15 , which also serves as a high-voltage security against ground and stray fields and prevents stray fields from entering the yoke. The pressure pieces 15 have holes 16 through which segments of the distribution chamber 15 are connected to one another. Furthermore, the pressure flanges 14 have flow openings 17 for the cooling medium.

Die Trägerrohre 6, 12 sowie das Separationsrohr 10 und die Distanzleisten 8 für die Kühlkanäle 11 sind aus Glas-Faser-Verbundwerkstoffen hergestellt, die ihren Anforderungen an Isolationsfestigkeit und me chanischer Festigkeit gerecht werden.The carrier tubes 6 , 12 and the separation tube 10 and the spacer strips 8 for the cooling channels 11 are made of glass-fiber composite materials that meet their requirements for insulation strength and mechanical strength.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Spule wird zu sammen mit einer identisch aufgebauten Spule auf die zwei Schenkel eines Kerns aufgesetzt und in das Ge häuse 1 bzw. den Kessel eingesetzt, wobei der Kern über als Preßeisen ausgebildete Spannelemente zusam mengehalten und mit dem Gehäuse verbunden wird. Die Preßeisen sind dabei als Hohlprofile ausgebildet, die Durchströmöffnungen aufweisen, die wiederum mit den Durchströmöffnungen 17 der Spulen 5 in Verbindung stehen. Vorzugsweise weist auch das Gehäuse Hohlpro file auf, die zur Zu- und Abführung des Kühlmediums in die Preßeisen und gegebenenfalls als Nebenströme in das Innere des Gehäuses dienen. Spulen und Kern sind in dem Gehäuse befestigt, wobei in dem Gehäuse noch weitere Bauelemente wie Drosseln oder derglei chen aufgenommen sein können.The coil shown in FIGS . 2 and 3 is placed together with an identically constructed coil on the two legs of a core and inserted into the housing 1 or the boiler, the core holding together via clamping elements designed as press iron and holding it together with the Housing is connected. The press irons are designed as hollow profiles which have flow openings which are in turn connected to the flow openings 17 of the coils 5 . Preferably, the housing also has Hohlpro file, which are used for supplying and discharging the cooling medium into the press iron and optionally as secondary flows into the interior of the housing. Coils and core are fastened in the housing, and further components such as chokes or the like can also be accommodated in the housing.

In Fig. 4 ist schematisch das Strömungsschema in dem Gehäuse 1 dargestellt, das entsprechend Fig. 1 einer seits mit dem Kühler 3 und andererseits mit der Um wälzpumpe 2 verbunden ist. Entsprechend Fig. 4 sind zwei Spulen 5 auf jeweils einem Schenkel 18 des Kerns parallel angeordnet und über die Rückleitung 4 vom Kühler 3 wird kaltes Öl dem Gehäuse 1 entsprechend dem Pfeil 19 zugeführt. Dabei ist der Druck, mit dem das Öl zugeführt wird gering, er beträgt beispiels weise 0,15 bar. Das Öl gelangt in das als Hohlprofil ausgebildete Preßeisen, was durch das Bezugszeichen 20 angedeutet ist, und strömt über die Durchströmöff nungen 17 in den Flanschen 14 in die Verteilerkammern 15. Von den Verteilerkammern 15 wird das Öl in einer im wesentlichen laminaren Strömung durch die Kühlka näle 11 der Spulen 5 hindurchgeleitet, was durch die Pfeile 21 angedeutet wird. Durch die laminare Strö mung treten in der Spule kaum Druckverluste auf und das kalte Öl wird gezielt in den schmalen Kühlspalten durch die heiße Spule geführt, wodurch die Wärme ohne die Nachteile der laminaren Strömung kontrolliert abgeführt wird. Falls es jedoch gewünscht ist, kann die Strömung durch gezielte Maßnahmen turbulent ge führt werden. In Fig. 4, the flow diagram in the housing 1 is shown schematically, which is corresponding to Fig. 1 on the one hand with the cooler 3 and on the other hand with the circulation pump 2 is connected. According to FIG. 4, two coils 5 disposed on a respective leg 18 of the core and parallel via the return line 4 from the radiator 3 cold oil is supplied to the arrow 19 corresponding to the housing 1. The pressure at which the oil is supplied is low, for example 0.15 bar. The oil gets into the press iron designed as a hollow profile, which is indicated by the reference numeral 20 , and flows through the openings 17 in the flanges 14 in the flanges 14 into the distributor chambers 15 . From the distribution chambers 15 , the oil is passed in a substantially laminar flow through the cooling channels 11 of the coils 5 , which is indicated by the arrows 21 . Due to the laminar flow, there are hardly any pressure losses in the coil and the cold oil is directed through the hot coil in the narrow cooling gaps, whereby the heat is dissipated in a controlled manner without the disadvantages of the laminar flow. If desired, however, the flow can be turbulently guided through targeted measures.

Wenn das Öl die Spulen verläßt kann es gezielt her ausgeführt werden oder es kann zur Kühlung von sekun dären Verlusterzeugern verwendet werden, wie sie bei spielsweise in einer weiteren Kammer im Gehäuse auf genommen sein können, was durch das Bezugszeichen 22 angedeutet wird. Das Öl verläßt das Gehäuse 1, das noch weiteren Raum 23 für Durchführungen aufweisen kann, und wird entsprechend dem Pfeil 23 über die Umwälzpumpe 2 erneut dem Kühler zugeführt.If the oil leaves the coils it can be carried out specifically here or it can be used for cooling secondary loss generators, as can be added to the housing in example in another chamber, which is indicated by the reference numeral 22 . The oil leaves the housing 1 , which may have further space 23 for bushings, and is again supplied to the cooler via the circulation pump 2 in accordance with arrow 23 .

Bei einer 700 bis 800 mm langen Spule in entsprechen der Anordnung nach Fig. 4 findet beispielsweise eine Durchströmung von 7 l pro Sekunde bei einer Geschwin digkeit von nur 50 cm pro Sekunde (≘145 KW) statt. Alle Armaturen bzw. Öffnungen sind über gleitende Dichtungen an das Kanalsystem des Gehäuses bzw. an den Flüssigkeitskreislauf angeschlossen.With a 700 to 800 mm long coil in the arrangement according to FIG. 4, for example, a flow of 7 l per second takes place at a speed of only 50 cm per second (≘145 KW). All fittings or openings are connected to the duct system of the housing or to the liquid circuit via sliding seals.

Falls es notwendig ist, kann Öl durch parasitäre Boh rungen zusätzlich durch den Kessel geleitet werden.If necessary, oil can be removed by parasitic Boh additional pass through the boiler.

Claims

1. Transformer arrangement with cooling circuit, in particular for use as a railway transformer arrangement, which has at least one transformer accommodated in a housing, a cooler and a circulating pump, a cooling medium circulating through the housing, the pump and the cooler, characterized in that the Transformer is designed as a layer winding arrangement, in which at least one primary winding ( 7 ) and at least one secondary winding ( 9 ) are arranged concentrically in layers on a core, with coaxial cooling channels ( 11 ) being provided between the individual layers through which the cooling medium is targeted.

2. Transformer arrangement according to claim 1, characterized in that the flow of the cooling medium through the cooling channels ( 11 ) is substantially lami nar.

3. Transformer arrangement according to claim 1 or claim 2, characterized in that spacers ( 8 ) are provided between the layers to form the cooling channels ( 11 ).

4. Transformer arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling channels ( 11 ) on the inflow side are connected to a distributor chamber ( 15 ).

5. Transformer arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the housing ( 1 ) and / or clamping elements for bracing the core ( 18 ) of the transformer have hollow profiles for guiding the cooling medium.

6. Transformer arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one transformer has an inner support tube ( 6 ), the arranged thereon, the cooling channels ( 11 ) having primary winding ( 7 ), a separation tube ( 10 ), the Secondary winding ( 9 ) and an outer carrier tube ( 12 ) arranged thereon, provided with the cooling channels, wherein in the respective distribution chamber ( 15 ) on the inflow and / or outflow side of the cooling channels ( 11 ) spaced-apart pressure pieces ( 15 ) with flow openings ( 16 ) are provided and the distribution chambers ( 15 ) are closed with pressure flanges ( 14 ) which have flow openings ( 17 ).

7. Transformer arrangement according to one of the claims 1 to 6, characterized in that the Kühlka channels a clear width of less than 4 mm preferably less than 3 mm.

8. Transformer arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the housing ( 1 ) is designed as a low-pressure boiler.