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WO2017125407A1 - Transformator mit temperaturabhängiger kühlung - Google Patents

Transformator mit temperaturabhängiger kühlung Download PDF

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Publication number
WO2017125407A1
WO2017125407A1 PCT/EP2017/050933 EP2017050933W WO2017125407A1 WO 2017125407 A1 WO2017125407 A1 WO 2017125407A1 EP 2017050933 W EP2017050933 W EP 2017050933W WO 2017125407 A1 WO2017125407 A1 WO 2017125407A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cooling
riser
electrical device
insulating liquid
housing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2017/050933
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg FINDEISEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to CN201780007671.2A priority Critical patent/CN108475573B/zh
Priority to RU2018126579A priority patent/RU2693035C1/ru
Priority to EP17700953.7A priority patent/EP3378072A1/de
Priority to US16/071,569 priority patent/US10629356B2/en
Priority to CA3011772A priority patent/CA3011772C/en
Publication of WO2017125407A1 publication Critical patent/WO2017125407A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/10—Liquid cooling
    • H01F27/12—Oil cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/02—Casings
    • H01F27/025—Constructional details relating to cooling
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/104—Particular pattern of flow of the heat exchange media with parallel flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/10—Liquid cooling
    • H01F27/12—Oil cooling
    • H01F27/14—Expansion chambers; Oil conservators; Gas cushions; Arrangements for purifying, drying, or filling

Definitions

  • the invention relates to an electrical device with a Ge ⁇ housing, arranged in the housing and can be acted upon by high voltage active part, which he testifies in his operation heat ⁇ , provided for cooling insulating, with which the housing is filled, and a cooling system for cooling the insulating liquid having at least one heat-conducting connected to the outer atmosphere cooling element through which the insulating liquid is passed.
  • radiators are equipped for cooling with radiators. These are connected directly to the housing of the transformer, so that the insulating liquid flows through the radiator from the inside ⁇ . With their outer side, the radiators are facing the atmosphere ⁇ sphere.
  • a plurality of radiators are provided, which are arranged parallel to each other and form so-called radiator batteries.
  • an oil conservator is provided, which is connected to the housing of the transformer. Large temperature fluctuations can cause the thermal expansion coefficient of the insulating liquid according to large volume changes, so expansive expansion vessels are necessary to accommodate the high temperatures generated during large volumes of insulating liquid in Trans ⁇ formator safe.
  • the object of the invention is therefore to provide a transformer of the aforementioned type, in which temperature fluctuations are economically limited or even avoided.
  • the cooling system comprises a riser section connected to the housing and provided with Steiga concernede Trenten, the attachments on each Steigabzwei- is connected to a cooling element, wherein the volume of the riser section is selected as a function of a thermal expansion ⁇ coefficient of the insulating liquid so in that the level reaches a different number of riser branches at given temperatures.
  • an electrical device for example a transformer or a throttle is admirge ⁇ provides, which is equipped with a passive temperature-dependent cooling system.
  • the cooling system is equipped with a riser section in ⁇ example, a riser or a riser, which is provided with riser branches.
  • each Steigab- branching is connected to the input of a cooling element, so that heated upward rising insulating liquid from the riser section in the connected with the riser branch ⁇ cooling element flow.
  • the volume of the insulating liquid is chosen so that when changing the temperature in the prior art Temperartur Scheme the level of the insulating liquid, al ⁇ so their surface or the level in the riser section än ⁇ changed.
  • the outlet of the cooling element is again expediently connected to the housing via a pipeline, so that the cooling liquid can be guided via the respective cooling element, in other words circulating in other words.
  • the configuration of the respective cooling element is arbitrary within the scope of the invention.
  • the volume of the insulating liquid is chosen so that the level, ie the level of Isolierflüs ⁇ sity, within the riser section of the temperature of the insulating liquid is determined.
  • Tlrben ⁇ a level or a level of the insulating liquid is reached in which the insulating liquid beyond that achieved by their Steiga responsible herein cooling element.
  • the flow is conditioned by convection in the sense that heated cooling liquid flows upwards.
  • the vertical distance of the Steiga concernede Trenten and the volume of the rising section, which is determined by its diameter are selected in dependence of the thermal expansion coefficient of the insulating liquid or dimensio ⁇ defined.
  • the cooling system also acts as Ausdehnungsge ⁇ fäß so that the otherwise usually provided Ausdeh- tion vessel, either completely eliminated or can be made more compact.
  • the housing of the electric overall con troller and fills the cooling system with so much insulating liquid, that the housing is filled at all temperatures in the réelle ⁇ known temperature range up to the lower edge of the Gezzau ⁇ se final upward lid to the Isolierthe ⁇ ness is.
  • the invention also has an advantageous effect on the cold start behavior of a transformer. Is he ⁇ -making contemporary transformer, for example, after a War ⁇ tung extended period out of service and is then put back into operation or it is, for example, newly ⁇ provides the cooling need of a high level of insulating liquid is low.
  • the insulating liquid can heat up faster and thus reaches its desired properties faster.
  • the favorable cold start behavior of the transformer is advantageous in particular when liquid esters are used as the insulating liquid and represents a significant motivation of the invention.
  • each riser ⁇ section is formed as a riser.
  • the or each riser section has an obliquely ⁇ to a side wall of the housing extending oblique ⁇ section, wherein the riser branches are arranged in the inclined portion.
  • the term "obliquely” means that it is not perpendicular or horizontal but inclined, in other words, the inclined section subtends an angle with a horizontal line the insulating liquid rises in the oblique section, so that, depending on the vote of Volu ⁇ men of the riser or riser section of the skew and the coefficient of thermal expansion, one, two or more cooling elements are flowed through by the insulating liquid.
  • the cooling elements are arranged at different heights, ie staggered in other words in height.
  • the insulating liquid is an oil, an acetic ter or other known insulating liquid with which the required voltage strength between the chip is at high voltage ⁇ active part and the housing is usually situated on Erdpoten ⁇ potential is made possible.
  • Suitable esters are esters which are present in liquid form at the stated operating temperature. Such esters are also referred to as ester fluid.
  • each riser branch is connected to a radiator having a plurality of internal cooling channels.
  • Radiators are known in the art, so that can be dispensed with a detailed explanation and illustration here. It is essential here that the radiator has a plurality of inner cooling channels, which are all connected to an upper inlet of the radiator. At the lower end of the radiator, the cooling channels open into a lower collecting duct, which is connected to the output of the radiator and a corresponding pipe to the Ge ⁇ housing of the transformer.
  • the connection of a further radiator by a corresponding increase in the insulating liquid in the riser section considerably increases the surface area of the cooling systems. In other words, the so-called
  • Step height of the cooling according to this embodiment comparatively large.
  • each riser branch is connected to a separate cooling pipe each.
  • the cooling tube has in comparison with the one radiator a much smaller cooling surface, so that according to this illustration, a corresponding finer-level cooling is provided.
  • the riser section has a vertical pipe section. This extends the housing to a side facing away from a bottom wall side, ie upwards, the Steigabzwei ⁇ tions are arranged in the vertical pipe section.
  • each riser branch is connected to an inlet of a tubular tube cooling, which is connected at its output to the housing in its bottom region.
  • a Steiga concernedeist with egg ⁇ nem input a line leading to a heat exchanger pipe is connected at least, wherein the heat exchanger has its output connected to the housing in the bottom region.
  • the heated Isolierflüs ⁇ stechnik is guided at a certain temperature, in addition via a heat exchanger, so that the heat energy of a wide ⁇ ren use can be supplied.
  • the riser branch is already connected to a heat exchanger.
  • At least one riser branch is connected to a heat pipe and, for example, to so-called heat pipes.
  • Heat pipes are known in the art as such, so that their Ausgestal ⁇ tion can be dispensed with in detail.
  • Heat pipes or heat pipes are effective coolant and usually with a first end heat-conducting ver ⁇ connected with the object to be cooled. Due to the heating, a liquid is evaporated at this end inside the heat pipe. The endothermic evaporation provides the desired cooling. The steam then rises to a cooler spot and condenses there. The condensed liquid is brought about, for example, capillary ⁇ as of the lower end.
  • a fan is provided for enhancing the cooling effect of the cooling system.
  • the fan may, for example, cooperate with a heat exchange register in the sense that an air flow generated by the fan is guided past the outer surface of the cooling elements or the radiator, wherein heat is absorbed by the passing air and thus dissipated.
  • the fan is connected to a control device, which in turn is connected to a level sensor.
  • the level sensor provides output signals that correspond to a level in the riser section.
  • the control device controls the fan, so that at high critical temperatures, the rotational speed of the fan increases and thus an increased, faster air flow is generated. This enhances the cooling effect of the fan.
  • the Ventila ⁇ tor in this way also just on or off.
  • the housing, the cooling elements and the riser pipe a réellefes ⁇ te, hermetically closed unit form, wherein the space is filled ⁇ upper half of the level of the insulating liquid with a komp- ressiblen inert gas.
  • the compressible inert gas such as nitrogen, then acts as a gas cushion. Increases the temperature and thus the level of the insulating ⁇ liquid in the cooling system and the riser, the inert gas is compressed in the remaining over the insulating part of the cooling system.
  • additional inert gas containers are filled with the via a pipeline with the gas leading part of the cooling system or the riser ver ⁇ prevented.
  • the cooling function can be controlled exactly.
  • the increase in the load / temperature curve can be adjusted specifically.
  • the Tem perature ⁇ rose is controllable as a linear than exponential, but also as a logarithmic function, as in an inventive design of the electrical device temperature of each temperature-a particular cooling surface can be assigned.
  • each Steigab ⁇ branch in the riser associated with a certain number of cooling elements depends on the respective requirements:
  • the riser section above a ma ⁇ imum filling level of the insulating liquid is provided with an opening through which caused with changes in temperature of the insulating liquid changes in volume thereof, a gas exchange with the environment or other vessels is possible, and that the interior of the cooling elements the volume human fluctuations of the insulating liquid wholly or partially receives.
  • the electrical device is a transformer or a choke.
  • Figures 1 to 6 each show an embodiment of the electrical device according to the invention in a schematic representation.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the device according to the invention, which here is a transformer 1.
  • the transformer 1 has an active part 2, which in turn consists of a winding arrangement 4, which is wound around a magnetic core 3.
  • the winding assembly 4 consists of a figuratively not shown under and high-voltage winding.
  • the transformer 1 has a housing 6 which is filled with an insulating liquid 20.
  • an oil conservator 26 is provided, which is connected via a pipe 15 to the housing 6 of the transformer 1.
  • a cooling system 8 is arranged between the oil conservator 26 and the housing 6, a cooling system 8 is arranged.
  • the cooling system 8 has a riser 15 as a riser section, which has a sloping section 15.1.
  • a return pipe 16 is provided.
  • each radiator 10 is in turn equipped with a plurality of mutually parallel cooling channels, which are connected via an outlet to the return pipe 16.
  • levels of the insulating liquid are further illustrated by dashed lines ver ⁇ light.
  • the level 21.3 corresponds to the minimum level of the insulating liquid, which sets when the Trans ⁇ formator 1 is not in operation. In normal operation, a level is set which is referenced with 21.1.
  • the level 21.5 corresponds to a maximum level.
  • the radiators or, in other words, cooling elements 10 are staggered in height. This height graduation has an advantageous effect on the circulation rate of the insulating liquid 20 through the cooling system 8.
  • the radiators are also hydraulically connected to the transformer 1. As the temperature rises, the expansion of the insulating liquid 20 leads to an increasing fill level in the radiators 10 and the pipeline 15 and in particular in the inclined section 15.1.
  • the radiators 10 can only be effective if the insulating liquid passes through them or circulates in them. For this purpose, the Isolier crampkeitstand in the
  • each of the radiator 10 zugeordne ⁇ th climbing branch 9 reach.
  • the arrangement of the cooling elements 10 is selected such that, depending on the desired cooling rate, a fill level of the insulating liquid corresponding number of radiators in the flow of the insulating liquid 20 einbezo ⁇ conditions. Since the cooling system 8 according to the invention assumes the recording of the thermally induced fluctuations in volume of the insulating liquid, the expansion tank 26 can be compact ⁇ staltet and completely eliminated in a different embodiment thereof.
  • Figure 2 shows a different from Figure 1;sbei ⁇ game of the electrical device 1 according to the invention, here is also designed as a transformer 1.
  • the housing 6 and the cooling unit 8 are so dimensioned that the lower edge of the lid of the Trans ⁇ formators at all temperatures of the insulating liquid 20 is disposed below the surface of the insulating 20th
  • the lower parts of a figured not represent ⁇ high voltage bushing are always completely surrounded by the insulating liquid 20.
  • the pipe 15 has a sloping portion 15.1.
  • the cooling tubes 10 also act as a cooling element and depending on the level of the insulating liquid 20 in the circulation of Isolierminute- 20 are included, so that the cooling power increases so far that a balance between the heat loss of the transformer 1 and the heat output of the cooling system 8 sets. If the fill level is so high that almost all the cooling tubes 10 are included in the cooling, this is detected by a sensor 34, which is arranged in a tubular projection protruding vertically from the pipeline 15. The output signal of the sensor 34 is transferred to a control device, not shown figuratively ⁇ , which then switches on a fan 12, which provides additional cooling. The control of the fan 12 is combined with the hydraulic cooling.
  • the upper collector pipe of the cooling system 8 that is to say the pipe 15, is provided with a ventilation line 18. Liquid level with increasing insulation, air is displaced from the cooling system 8 and discharged via the vent 18 and a dehumidifier 28, which is arranged at the outer end of the vent line 18 to assist in cooling the then ⁇ passing lowering of the level of the system and the insulating liquid ei ⁇ ne humidification of the insulating liquid to avoid.
  • Figure 3 shows another embodiment of the inventions ⁇ to the invention transformer 1, which here has means for thermal insulation 39, are realized in the example shown by insulation boards. The thermal insulation panels 39 are attached to the outside of the housing 6 of the transformer 1.
  • the housing 6 is filled with a Isolierthe ⁇ ness 20 on the basis of natural or synthetic esters as the viscosity of these fluids is significantly higher than 20 insulating fluids based on mineral oil.
  • the riser branch 9 in the riser 15 is arranged such that the circulation of the insulating liquid 20 of the device in the cooling elements does not begin until a temperature of the insulating liquid 20 that ensures safe operation of the electrical device is reached.
  • FIG. 1 a circuit for utilizing the heat loss of the transformer is shown in FIG. This consists of a heat exchanger 17.1 of a heating circuit for
  • the entry of the Isolierrough ⁇ ness 20 is provided at a height which corresponds to a temperature at which a sensible use of the waste heat is possible.
  • the additional cooling elements are at their upper fluid inlet ⁇ upper half of Steiga concernede Trent 9 for the refrigerating cycle in an embodiment with waste heat recovery
  • Waste heat disposal arranged.
  • an effective use of waste heat without motorized valves is possible because automatically the cycle for waste heat recovery is preferably supplied with warm coolant.
  • Exceeds Ver ⁇ loss heat of the transformer 1 the heat amount required by the plant for the Ver ⁇ loss or heat utilization is the
  • the insulating liquid 20 rises so that large ⁇ re cooling elements are included in the cooling system.
  • the Temperaturdiffe ⁇ limit can lead to the inclusion of further cooling elements 10, precisely control.
  • the insulating liquid 20 is a control ⁇ accuracy of less than 1 K possible.
  • the housing of the electrical device and the cooling system are filled with so much insulating liquid 20 that the housing is filled at all temperatures inICE ⁇ known temperature range to the lower edge of the housing upwards concluding lid with the Isolierrough ⁇ ability and thus the windings 4 and the Untertei ⁇ le of the bushings 7 are always surrounded by the insulating liquid.
  • the diameter of the riser pipe 15 is increased above the uppermost riser branch, so that at a further increase in temperature, the cooling capacity no longer increases with the cooling surface, but only as a function of the temperature difference to the ambient temperature.
  • This Magni- fication of the cross section of the riser pipe further serves to receive a further induced by heating increase in the volume of the insulating liquid, after already al ⁇ le cooling elements are incorporated in the cooling circuit by achieving the appropriate filling level of the insulating liquid.
  • FIG 4 shows an embodiment of the invention, in which conventional radiators 10.1, 10.2, 10.3 are arranged on the transformer 1, that their upper manifolds 10.8 are arranged offset in height.
  • the transformer 1 has a significantly reduced in volume expansion vessel 26.
  • the cooling elements 10 are at least partially ⁇ arranged at the same height and a vehicle equipped with Steiga concernede Trenton
  • the j eology fill level not filled with insulating liquid 20 cooling elements 10, as well as the supply line to the cooling system are compressible gas volumes and can serve with appropriate design for an internal short circuit of the transformer as burst protection.
  • Figure 5 shows a further embodiment in which the adaptation of the cooling surface to the temperature of the transformer 1 by tilting commercial plates or Rohrradi- ator 10 is achieved.
  • the inclined section 15.1 of the Steigroh ⁇ res 15 is at the top, in the exemplary embodiment the input ge ⁇ genübericide, end with a vent port shipping ⁇ hen.
  • the Radiative gate 10 thus acts both cooling and also serves as conservator of the transformer 1.
  • the technical Lö ⁇ solution is feasible both as breathing transformer 1, as well as a hermetically sealed transformer first
  • a gas compression chamber is closed ⁇ 29, which is shown in dashed lines in Figure 5 to the pipe 18 instead of the dehumidifier 28th
  • the space above the insulating liquid 20 is filled with an inert gas, preferably nitrogen.
  • the transformer 1 is additionally equipped with heat pipes 14. These are arranged so as to their cooling effect entfal ⁇ th only upon reaching a certain level of the insulating 20th
  • the heat pipes 14 are designed for relatively high operating temperatures and lead to a considerable increase in the dissipated power loss.
  • the heat pipes are for example a "heat pipe” or a “thermosiphon", known as such and manage without pumps or the like.
  • the heat pipes are manufactured by the heat pipes.
  • the heat pipes are manufactured by the heat pipes.
  • a condensation section of the thermosyphon 14 is provided with additional cooling surfaces.
  • the addition of blowing out the condensation portion of the heat pipe 14 with a fan 12.5 is mög ⁇ Lich.
  • the transformer 1 is executed in the exemplary embodiment in a hermetically sealed design.
  • the riser 15 is extended above the maximum level 24 with a gas compression chamber 29.

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Abstract

Um ein elektrisches Gerät (1) mit - einem Gehäuse (6), - einem in dem Gehäuse (6) angeordneten und mit Hochspannung beaufschlagbaren Aktivteil (2), das bei seinem Betrieb Wärme erzeugt, - einer zur Kühlung vorgesehenen Isolierflüssigkeit (20), mit der das Gehäuse (6) befüllt ist, und - einer Kühlanlage (8) zum Kühlen der Isolierflüssigkeit (20), die wenigstens ein wärmeleitend mit der Außenatmosphäre verbundenes Kühlelement (10) aufweist, über das die Isolierflüssigkeit (20) geführt wird, zu schaffen, bei dem Temperaturschwankungen kostengünstig begrenzt oder sogar vermieden sind, wird vorgeschlagen, dass die Kühlanlage (8) einen mit dem Gehäuse (6) verbundenen und mit Steigabzweigungen (9) versehenen Steigabschnitt (15,15.1) aufweist, der an jeder Steigabzweigung (9) mit einem Kühlelement (10) verbunden ist, wobei das Volumen des Steigabschnittes (15, 15.1) in Abhängigkeit eines Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolierflüssigkeit (20) so gewählt ist, dass der Füllstand (21) bei vorgegebenen Temperaturen eine unterschiedliche Anzahl von Steigabzweigungen (9) erreicht.

Description

Beschreibung
Transformator mit temperaturabhängiger Kühlung
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät mit einem Ge¬ häuse, einem in dem Gehäuse angeordneten und mit Hochspannung beaufschlagbaren Aktivteil, das bei seinem Betrieb Wärme er¬ zeugt, einer zur Kühlung vorgesehenen Isolierflüssigkeit, mit der das Gehäuse befüllt ist, und einer Kühlanlage zum Kühlen der Isolierflüssigkeit, die wenigstens ein wärmeleitend mit der Außenatmosphäre verbundenes Kühlelement aufweist, über das die Isolierflüssigkeit geführt wird.
Ein solches elektrisches Gerät ist aus der ständigen Praxis bereits bekannt. So werden Öltransformatoren gemäß dem Stand der Technik zur Kühlung mit Radiatoren ausgestattet. Diese sind direkt am Gehäuse des Transformators angeschlossen, so dass die Isolierflüssigkeit den Radiator von innen durch¬ strömt. Mit ihrer Außenseite sind die Radiatoren der Atmo¬ sphäre zugewandt. Insbesondere bei großen Kühlanlagen sind mehrere Radiatoren vorgesehen, die parallel zueinander angeordnet sind und sogenannte Radiatorbatterien ausbilden. Beim Betrieb des Transformators kommt es aufgrund von Lastschwan¬ kungen zu erheblichen Änderungen der vom Aktivteil abgegebenen Wärmemenge und infolgedessen zu erheblichen Änderungen der Temperatur der Isolierflüssigkeit. Zur Aufnahme der durch diese Temperaturschwankungen verursachten Volumenänderung der Isolierflüssigkeit ist üblicherweise ein Ölausdehnungsgefäß vorgesehen, das mit dem Gehäuse des Transformators verbunden ist. Große Temperaturschwankungen können dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolierflüssigkeit entsprechend zu großen Volumenänderungen führen, so dass raumgreifende Ausdehnungsgefäße notwendig sind, um die bei hohen Temperaturen entstehenden großen Volumina an Isolierflüssigkeit im Trans¬ formator sicher aufzunehmen.
Bei hermetisch abgeschlossenen Transformatoren treten von der Temperatur der Isolierflüssigkeit abhängige Druckschwankungen auf, die sich ebenfalls nachteilig auf den Betrieb des elekt¬ rischen Geräts auswirken. Im Falle einer Entfeuchtungseinrichtung, die mit dem Gehäuse eines atmenden Transformators verbunden ist, sollte der Durchsatz von Luft begrenzt werden, da sich ansonsten der Verbrauch an Entfeuchtungsmitteln erhöht .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Transformator der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem Temperaturschwan- kungen kostengünstig begrenzt oder sogar vermieden sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Kühlanlage einen mit dem Gehäuse verbundenen und mit Steigabzweigungen versehenen Steigabschnitt aufweist, der an jeder Steigabzwei- gung mit einem Kühlelement verbunden ist, wobei das Volumen des Steigabschnittes in Abhängigkeit eines Wärmeausdehnungs¬ koeffizienten der Isolierflüssigkeit so gewählt ist, dass der Füllstand bei vorgegebenen Temperaturen eine unterschiedliche Anzahl von Steigabzweigungen erreicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches Gerät, beispielsweise ein Transformator oder eine Drossel bereitge¬ stellt, die mit einer passiven temperaturabhängigen Kühlanlage ausgerüstet ist. Mit anderen Worten wird mit steigender Kühlanforderung, also mit steigender Temperatur der Isolierflüssigkeit, die wirksame Kühloberfläche der Kühlanlage er¬ höht. Hierzu ist die Kühlanlage mit einem Steigabschnitt bei¬ spielsweise einem Steigrohr oder einer Steigkammer ausgerüstet, der mit Steigabzweigungen versehen ist. Jede Steigab- zweigung ist mit dem Eingang eines Kühlelements verbunden, so dass erwärmte nach oben steigende Isolierflüssigkeit von dem Steigabschnitt in das mit dem Steigabzweig verbundene Kühl¬ element fließen kann. Das Volumen der Isolierflüssigkeit ist so gewählt, dass bei Temperaturänderungen in dem vorbekannten Temperarturbereich sich der Pegel der Isolierflüssigkeit, al¬ so ihre Oberfläche oder der Füllstand, im Steigabschnitt än¬ dert. Zweckmäßigerweise ist jede Steigabzweigung mit dem obe¬ ren, also vom Bodenbereich des elektrischen Geräts, abgewand- ten Eingang des Kühlelements verbunden, wobei der Ausgang des Kühlelements weiter unten, also mit einem geringeren Abstand zum Bodenbereich des elektrischen Geräts angeordnet ist. Der Ausgang des Kühlelements ist wieder zweckmäßigerweise über eine Rohrleitung mit dem Gehäuse verbunden, so dass die Kühlflüssigkeit über das jeweilige Kühlelement geführt werden kann, also mit anderen Worten zirkuliert. Grundsätzlich ist die Ausgestaltung des jeweiligen Kühlelements im Rahmen der Erfindung beliebig. Das Volumen der Isolierflüssigkeit ist so gewählt, dass der Füllstand, also der Pegel der Isolierflüs¬ sigkeit, innerhalb des Steigabschnitts von der Temperatur der Isolierflüssigkeit bestimmt ist. So wird bei einer vorbe¬ stimmten Temperatur Tl ein Füllstand oder ein Pegel der Isolierflüssigkeit erreicht, bei dem die Isolierflüssigkeit über die von ihr erreichte Steigabzweigung in das dieser zugeordnete Kühlelement strömt. Hierbei wird die Strömung durch Kon- vektion in dem Sinne bedingt, dass erwärmte Kühlflüssigkeit nach oben strömt. Der vertikale Abstand der Steigabzweigungen und das Volumen des Steigabschnittes, der durch ihren Durchmesser bestimmt ist, sind in Abhängigkeit des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolierflüssigkeit ausgewählt beziehungsweise dimensio¬ niert. Dies bedeutet, dass bei einer vorgegebenen zweiten Temperatur Tl, die beispielsweise kurz unterhalb eines kriti¬ schen Wertes liegt, der Isolierflüssigkeitspegel die zweite Steigabzweigung erreicht und somit die Isolierflüssigkeit über zwei Kühlelemente geführt ist, wobei sich die Oberfläche der gesamten Kühlanlage vergrößert. Es stellt sich somit eine stufenweise erhöhte Kühlung ein. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den Steigabschnitt mit zwei, drei, vier oder mehr Steigabzweigungen auszurüsten, je nachdem wie feinstufig die Kühlung eingestellt werden soll. Auf diese Weise ist eine kostengünstige, zuverlässige und hoch- wirksame temperaturabhängige Kühlung bereitgestellt.
Darüber hinaus wirkt die Kühlanlage auch als Ausdehnungsge¬ fäß, so dass das ansonsten üblicherweise vorgesehene Ausdeh- nungsgefäß, entweder vollständig entfallen oder aber kompakter ausgestaltet werden kann.
Im Rahmen der Erfindung sind das Gehäuse des elektrischen Ge- rätes und die Kühlanlage mit so viel Isolierflüssigkeit befüllt, dass das Gehäuse bei allen Temperaturen im vorbe¬ kannten Temperaturbereich bis zur Unterkante eines das Gehäu¬ se nach oben abschließenden Deckels mit der Isolierflüssig¬ keit gefüllt ist.
Die Erfindung wirkt sich insbesondere auch vorteilhaft auf das Kaltstartverhalten eines Transformators aus. Ist der er¬ findungsgemäße Transformator beispielsweise nach einer War¬ tung längere Zeit außer Betrieb und wird anschließend wieder in Betrieb genommen oder wird er beispielsweise neu aufge¬ stellt, ist die Kühlung mangels eines hohen Füllstands an Isolierflüssigkeit gering. Die Isolierflüssigkeit kann sich schneller erwärmen und erreicht so schneller ihre gewünschten Eigenschaften. Das günstige Kaltstartverhalten des Transfor- mators ist insbesondere beim Einsatz von flüssigen Estern als Isolierflüssigkeit vorteilhaft und stellt eine wesentliche Motivation der Erfindung dar.
Im Rahmen der Erfindung sind beispielsweise auch mehrere Steigabschnitte möglich. Die geometrische Ausgestaltung des oder der Steigabschnitte ist im Rahmen der Erfindung grundsätzlich beliebig. Bevorzugt ist jedoch, dass jeder Steigab¬ schnitt als Steigrohr ausgebildet ist. Vorteilhafterweise weist der oder jeder Steigabschnitt einen schräg zu einer Seitenwand des Gehäuses verlaufenden Schräg¬ abschnitt auf, wobei die Steigabzweigungen im Schrägabschnitt angeordnet sind. Mit dem Begriff „schräg" ist im Rahmen der Erfindung gemeint, dass dieser weder senkrecht noch horizon- tal, sondern geneigt verläuft. Mit anderen Worten spannt der Schrägabschnitt mit einer Horizontalen einen Winkel auf. Die Steigabzweigungen sind in dem Schrägabschnitt angeordnet. Mit zunehmender Temperatur steigt die Isolierflüssigkeit in dem Schrägabschnitt an, so dass je nach Abstimmung des Volu¬ mens des Steigrohres oder Steigabschnittes der Schräglage und des Wärmeausdehnungskoeffizienten ein, zwei oder mehrere Kühlelemente von der Isolierflüssigkeit durchströmt werden. Gemäß einer bevorzugten diesbezüglichen Weiterentwicklung sind auch die Kühlelemente unterschiedlich hoch angeordnet, also mit anderen Worten in der Höhe gestaffelt.
Zweckmäßigerweise ist die Isolierflüssigkeit ein Öl, ein Es- ter oder eine sonstige bekannte Isolierflüssigkeit, mit der die notwendige Spannungsfestigkeit zwischen dem auf Hochspan¬ nung liegenden Aktivteil und dem üblicherweise auf Erdpoten¬ zial befindlichen Gehäuse ermöglicht ist. Als Ester kommen hier Ester in Betracht, die bei der angegebenen Betriebstem- peratur in flüssiger Form vorliegen. Solche Ester werden auch als Esterfluid bezeichnet.
Zweckmäßigerweise ist jede Steigabzweigung mit einem Radiator verbunden, der mehrere innere Kühlkanäle aufweist. Radiatoren sind dem Fachmann bekannt, so dass hier auf eine ausführliche Erläuterung und Darstellung verzichtet werden kann. Wesentlich ist hier, dass der Radiator mehrere innere Kühlkanäle aufweist, die alle mit einem oberen Einlass des Radiators verbunden sind. Am unteren Ende des Radiators münden die Kühlkanäle in einem unteren Sammelkanal, der über den Ausgang des Radiators und eine entsprechende Rohrleitung mit dem Ge¬ häuse des Transformators verbunden ist. Das Zuschalten eines weiteren Radiators durch entsprechenden Anstieg der Isolierflüssigkeit im Steigabschnitt erhöht die Oberfläche der Kühl- anläge beträchtlich. Mit anderen Worten ist die so genannte
Stufenhöhe der Kühlung gemäß dieser Ausgestaltung vergleichsweise groß.
Abweichend hiervon ist jede Steigabzweigung mit jeweils einem separaten einzelnen Kühlrohr verbunden. Das Kühlrohr weist im Vergleich mit dem einen Radiator eine wesentlich kleinere Kühloberfläche auf, so dass gemäß dieser Darstellung eine entsprechende feinstufigere Kühlung bereitgestellt ist. Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist der Steigabschnitt einen senkrechten Rohrabschnitt auf. Dieser verlängert das Gehäuse zu einer von einer Bodenwandung abgewandten Seite, also nach oben hin, wobei die Steigabzwei¬ gungen in dem senkrechten Rohrabschnitt angeordnet sind.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung der Erfindung ist jede Steigabzweigung mit einem Eingang einer rohrförmigen Rohrkühlung verbunden, die an ihrem Ausgang mit dem Gehäuse in dessen Bodenbereich verbunden ist. Die Verwendung eines vertikalen Steigrohres ermöglicht eine kompaktere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Gerätes.
Zweckmäßigerweise ist wenigstens eine Steigabzweigung mit ei¬ nem Eingang einer zu einem Wärmetauscher führenden Rohrleitung verbunden, wobei der Wärmetauscher ausgangsseitig mit dem Gehäuse im Bodenbereich verbunden ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung wird die erwärmte Isolierflüs¬ sigkeit bei einer bestimmten Temperatur zusätzlich über einen Wärmetauscher geführt, so dass die Wärmeenergie einer weite¬ ren Verwendung zugeführt werden kann. Zweckmäßigerweise ist bereits die Steigabzweigung mit einem Wärmetauscher verbunden .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Steigabzweigung mit einem Wärmerohr und beispielsweise mit so genannten Heat-Pipes verbunden. Heat-Pipes sind dem Fachmann als solche bekannt, so dass auf deren Ausgestal¬ tung im Detail verzichtet werden kann. Wärmerohre oder Heat- Pipes sind effektive Kühlmittel und üblicherweise mit einem ersten Ende wärmeleitend mit dem zu kühlenden Gegenstand ver¬ bunden. Aufgrund der Erwärmung wird an diesem Ende im Inneren des Wärmerohres eine Flüssigkeit verdampft. Die endotherme Verdampfung sorgt für die gewünschte Kühlung. Der Dampf steigt dann an eine kühlere Stelle und kondensiert dort. Die kondensierte Flüssigkeit wird z.B. über Kapillareffekte wie¬ der an das untere Ende gebracht. Weiterhin kann es im Rahmen der Erfindung zweckmäßig sein, dass ein Ventilator zum Verstärken der Kühlwirkung der Kühlanlage vorgesehen ist. Der Ventilator kann beispielsweise mit einem Wärmeaustauschregister in dem Sinne zusammenwirken, dass ein vom Ventilator erzeugter Luftstrom an der Außenfläche der Kühlelemente oder des Radiators vorbeigeführt wird, wobei Wärme von der vorbeiströmenden Luft aufgenommen und so abgeführt wird.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist der Ventilator mit einer Regelungseinrichtung verbunden, die ihrerseits mit einem Füllstandssensor verbunden ist. Der Füllstandssensor stellt ausgangsseitig Signale bereit, die einem Füllstand im Steigabschnitt entsprechen. Entsprechend dieser Füllstandssignale steuert die Regelungseinrichtung den Ventilator an, so dass bei hohen kritischen Temperaturen die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilators erhöht und somit ein erhöhter, schnellerer Luftstrom erzeugt wird. Dies verstärkt die Kühlwirkung des Ventilators. Natürlich kann der Ventila¬ tor auf diese Weise auch einfach nur ein- oder ausgeschaltet werden .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden das Gehäuse, die Kühlelemente sowie das Steigrohr eine druckfes¬ te, hermetische abgeschlossene Einheit, wobei der Raum ober¬ halb des Füllstandes der Isolierflüssigkeit mit einem komp- ressiblen Inertgas befüllt ist. Das kompressible Inertgas, beispielsweise Stickstoff, wirkt dann wie ein Gaspolster. Steigt die Temperatur und somit der Füllstand der Isolier¬ flüssigkeit in der Kühlanlage und dem Steigrohr, so wird das Inertgas im über der Isolierflüssigkeit verbleibenden Teil der Kühlanlage komprimiert. Bei Bedarf werden zusätzliche mit dem Inertgas befüllte Behälter über eine Rohrleitung mit dem Gas führenden Teil der Kühlanlage oder des Steigrohres ver¬ bunden. Somit erhält man einen hermetischen Abschluss des Transformators und die Isolierflüssigkeit wird vor Einflüssen der Umgebungsluft zuverlässig geschützt. Durch geeignete Gestaltung des Querschnittes des Steigrohres, des Höhenversatzes zwischen den Steigabzweigungen sowie der Anzahl der zu jeder Steigabzweigung zugeordneten Kühlelemente kann die Kühlfunktion exakt gesteuert werden. Der Anstieg der Last/Temperaturkurve lässt sich gezielt einstellen. Der Tem¬ peraturanstieg ist als lineare, als exponentielle, aber auch als logarithmische Funktion steuerbar, da bei einer erfindungsgemäßen Gestaltung des elektrischen Gerätes jeder Tempe- ratur eine bestimmte Kühlfläche zugeordnet werden kann. Dazu wird je nach gewünschtem Verlauf der Kühlkurve jeder Steigab¬ zweigung im Steigrohr eine bestimmte Anzahl von Kühlelementen zugeordnet . Die Auswahl richtet sich nach den jeweiligen Anforderungen:
Kaltstartverhalten, Einsatz bei arktischen Temperaturen, Viskosität der Isolierflüssigkeit (Ester) , Druckausgleich bei hermetisch abgeschlossener Ausführung, Wicklungsverluste. Zur Verringerung des Luftaustausches bei atmenden Transforma- toren sowie zur Begrenzung der Druckschwankungen bei hermetisch abgeschlossenen Transformatoren kann logarithmischer Verlauf des Temperaturanstieges durch überproportionale Zu¬ nahme der einbezogenen Kühlelemente vorteilhaft sein. Das heißt, die Zuordnung der Anzahl von Kühlelementen je Steigab- zweigung steigt mit der Höhe der Anordnung der Steigabzwei¬ gung im Steigrohr.
Zur Beibehaltung niedriger Wicklungsverluste eignet sich eine rasche Einbeziehung der gesamten Kühlanlage bei Erreichung der optimalen Betriebstemperatur.
Vorteilhafterweise ist der Steigabschnitt oberhalb eines ma¬ ximalen Füllstandes der Isolierflüssigkeit mit einer Öffnung versehen ist, durch welche bei durch Temperaturänderungen der Isolierflüssigkeit verursachten Volumenänderungen derselben ein Gasaustausch mit der Umgebung oder weiteren Gefäßen möglich ist, und dass der Innenraum der Kühlelemente die Volu- menschwankungen der Isolierflüssigkeit ganz oder teilweise aufnimmt .
Die Gewährleistung einer minimalen Betriebstemperatur ist beispielsweise auch mit nur wenigen oder nur einer Steigrohrabzweigung möglich, an die dann die gesamte Kühlanlage ange¬ schlossen wird.
Vorteilhafterweise ist das elektrische Gerät ein Transforma- tor oder eine Drossel.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin¬ dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei die
Figuren 1 bis 6 jeweils ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Gerä- tes in schematischer Darstellung zeigen .
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungs¬ gemäßen Gerätes, das hier ein Transformator 1 ist. Der Trans- formator 1 verfügt über einen Aktivteil 2, welcher wiederum aus einer Wicklungsanordnung 4 besteht, die um einen Magnetkern 3 gewickelt ist. Die Wicklungsanordnung 4 besteht aus einer figürlich nicht weiter dargestellten Unter- sowie Oberspannungswicklung. Darüber hinaus verfügt der Transformator 1 über ein Gehäuse 6, das mit einer Isolierflüssigkeit 20 befüllt ist. Zur Aufnahme von Isolierflüssigkeit bei hohen Temperaturen ist ein Ölausdehnungsgefäß 26 vorgesehen, das über eine Rohrleitung 15 mit dem Gehäuse 6 des Transformators 1 verbunden ist. Zwischen dem Ölausdehnungsgefäß 26 und dem Gehäuse 6 ist eine Kühlanlage 8 angeordnet. Die Kühlanlage 8 verfügt über ein Steigrohr 15 als Steigabschnitt, das einen Schrägabschnitt 15.1 aufweist. Ferner ist ein Rückleitungs- rohr 16 vorgesehen. In dem Schrägabschnitt 15.1 der Rohrlei- tung 15 sind Steigabzweigungen 9, die mit dem oberen Eingang von Radiatoren 10 verbunden sind. Jeder Radiator 10 ist seinerseits mit mehreren parallel zueinander verlaufenden Kühlkanälen ausgerüstet, die über einen Ausgang mit dem Rücklei- tungsrohr 16 verbunden sind. In Figur 1 sind ferner Füllstände der Isolierflüssigkeit durch gestrichelte Linien verdeut¬ licht. Der Füllstand 21.3 entspricht dem minimalen Füllstand der Isolierflüssigkeit, der sich einstellt, wenn der Trans¬ formator 1 nicht in Betrieb ist. Bei Normalbetrieb stellt sich ein Füllstand ein, der mit 21.1 referenziert ist. Der Füllstand 21.5 entspricht einem maximalen Füllstand.
Aufgrund des zum Teil schrägen Verlaufs der Rohrleitung 15 sind die Radiatoren oder mit anderen Worten Kühlelemente 10 in der Höhe gestaffelt angeordnet. Diese Höhenstaffelung wirkt sich vorteilhaft auf die Zirkulationsgeschwindigkeit der Isolierflüssigkeit 20 durch die Kühlanlage 8 aus. Durch die Rückführleitung 16 sind die Radiatoren ferner hydraulisch mit dem Transformator 1 verbunden. Bei steigender Temperatur kommt es durch die Ausdehnung der Isolierflüssigkeit 20 zu einem steigenden Füllstand in den Radiatoren 10 sowie der Rohrleitung 15 und insbesondere in dem Schrägabschnitt 15.1. Die Radiatoren 10 können nur wirksam werden, wenn die Isolierflüssigkeit diese durchsetzt beziehungsweise in ihnen zirkuliert. Dazu muss der Isolierflüssigkeitstand in dem
Schrägabschnitt 15.1, die jeweils dem Radiator 10 zugeordne¬ ten Steigabzweig 9 erreichen. Die Anordnung der Kühlelemente 10 ist derart gewählt, dass je nach gewünschter Kühlrate eine dem Füllstand der Isolierflüssigkeit entsprechende Anzahl von Radiatoren in die Strömung der Isolierflüssigkeit 20 einbezo¬ gen ist. Da die Kühlanlage 8 erfindungsgemäß die Aufnahme der thermisch bedingten Volumenschwankungen der Isolierflüssigkeit übernimmt, kann das Ausdehnungsgefäß 26 kompakter ausge¬ staltet und in einem hiervon abweichenden Ausführungsbeispiel vollkommen entfallen.
Figur 2 zeigt ein von Figur 1 abweichendes Ausführungsbei¬ spiel des erfindungsgemäßen elektrischen Gerätes 1, das hier ebenfalls als Transformator 1 ausgebildet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind das Gehäuse 6 und die Kühlanlage 8 so dimensioniert, dass die Unterkante des Deckels des Trans¬ formators bei allen Temperaturen der Isolierflüssigkeit 20 unterhalb der Oberfläche der Isolierflüssigkeit 20 angeordnet ist. Somit sind die unteren Teile einer figürlich nicht dar¬ gestellten Hochspannungsdurchführung stets vollständig von der Isolierflüssigkeit 20 umgeben. Auch gemäß dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Rohrleitung 15 einen Schrägabschnitt 15.1 auf. Die Steigabzweigungen 3 des
Schrägabschnitts 15.1 sind jedoch jeweils mit dem Eingang ei¬ nes separaten Kühlrohrs 10 verbunden. Die Kühlrohre 10 wirken ebenfalls als Kühlelement und können je nach Füllstand der Isolierflüssigkeit 20 in die Zirkulation der Isolierflüssig- keit 20 einbezogen werden, so dass die Kühlleistung soweit ansteigt, dass sich ein Gleichgewicht zwischen der zugeführten Verlustwärme des Transformators 1 und der abgegebenen Wärme der Kühlanlage 8 einstellt. Ist der Füllstand so hoch, dass nahezu sämtliche Kühlrohre 10 in die Kühlung mit einbe- zogen sind, wird dies durch einen Sensor 34, der in einem senkrecht sich aus der Rohrleitung 15 hervorragenden rohrför- migen Fortsatz angeordnet ist, erfasst. Das Ausgangssignal des Sensors 34 wird an eine figürlich nicht gezeigte Rege¬ lungseinrichtung überführt, die daraufhin einen Ventilator 12 zuschaltet, der eine zusätzliche Kühlung bereitstellt. Die Ansteuerung des Ventilators 12 ist so mit der hydraulischen Kühlung kombiniert.
In dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das obe- re Sammelrohr der Kühlanlage 8, also die Rohrleitung 15, mit einer Entlüftungsleitung 18 versehen. Bei steigendem Isolier- flüssigkeitsspiegel wird Luft aus der Kühlanlage 8 verdrängt und über die Entlüftung 18 und einem Entfeuchter 28 abgeführt, welcher an dem äußeren Ende der Entlüftungsleitung 18 angeordnet ist, um bei Erkalten der Anlage und der dann ein¬ tretenden Absenkung des Füllstands der Isolierflüssigkeit ei¬ ne Befeuchtung der Isolierflüssigkeit zu vermeiden. Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfin¬ dungsgemäßen Transformators 1, der hier Mittel zur Wärmedämmung 39 aufweist, in dem gezeigten Beispiel durch Dämmplatten realisiert sind. Die Wärmedämmplatten 39 sind außen am Gehäu- se 6 des Transformators 1 angebracht. Damit wird es bei¬ spielsweise möglich auch bei arktischen Außentemperaturen einen wechselnden Lastbetrieb zu fahren, da nun die Leerlauf¬ verluste zu einer Erwärmung des Transformators führen bei der die Viskosität der Isolierflüssigkeit auf Werte sinkt, welche eine Zirkulation derselben ermöglichen. Damit wird die Bildung gefährlicher lokaler Heißstellen in der Wicklung bei Lastwechseln vermieden. Dies ist insbesondere bei Transforma¬ toren vorteilhaft, deren Gehäuse 6 mit einer Isolierflüssig¬ keit 20 auf Basis von natürlichen oder synthetischen Estern befüllt ist, da die Viskosität dieser Fluide deutlich höher ist als bei Isolierflüssigkeiten 20 auf Basis von Mineralöl. Die Steigabzweigung 9 im Steigrohr 15 ist derart angeordnet, dass erst bei Erreichung einer den sicheren Betrieb des elektrischen Gerätes gewährleistenden Temperatur der Isolier- flüssigkeit 20 die Zirkulation der Isolierflüssigkeit 20 des Gerätes in den Kühlelementen beginnt.
Weiterhin ist in Figur 3 ein Kreislauf zur Nutzung der Verlustwärme des Transformators dargestellt . Dieser besteht aus einem Wärmetauscher 17.1 der einen Heizkreislauf zur
Abwärmenutzung 17.5 speist . Der Eintritt der Isolierflüssig¬ keit 20 ist in einer Höhe vorgesehen, welche einer Temperatur entspricht bei der eine sinnvolle Nutzung der Abwärme möglich ist. Weiterhin werden bei einer Ausführung mit Abwärmenutzung die weiteren Kühlelemente mit ihrem oberen Fluideinlass ober¬ halb der Steigabzweigung 9 für den Kühlkreislauf mit
Abwärmenutzung angeordnet . Somit ist eine effektive Nutzung der Abwärme ohne motorisch verstellbare Armaturen möglich, da automatisch der Kreislauf zur Abwärmenutzung bevorzugt mit warmer Kühlflüssigkeit versorgt wird . Überschreitet die Ver¬ lustwärme des Transformators 1 die von der Anlage zur Ver¬ lustwärmenutzung benötigte Wärmemenge oder ist die
Abwärmenutzung außer Betrieb, so kommt es zur weiteren Erwär- mung der Isolierflüssigkeit und damit zu einer Volumenzunah¬ me. Damit steigt die Isolierflüssigkeit 20 an, so dass weite¬ re Kühlelemente in die Kühlung einbezogen werden. Durch geeignete Einstellung des Durchmessers des Steigrohres 15 zur Versorgung der Kühlanlage 8 lassen sich die Temperaturdiffe¬ renzen die zur Einbeziehung weiterer Kühlelemente 10 führen, präzise steuern . Somit ist bei entsprechend kleinem Durchmes¬ ser des Steigrohres 25 der Isolierflüssigkeit 20 eine Steuer¬ genauigkeit kleiner 1 K möglich .
Im Rahmen der Erfindung sind das Gehäuse des elektrischen Gerätes und die Kühlanlage mit so viel Isolierflüssigkeit 20 gefüllt, dass das Gehäuse bei allen Temperaturen im vorbe¬ kannten Temperaturbereich bis zur Unterkante eines das Gehäu- se nach oben abschließenden Deckels mit der Isolierflüssig¬ keit gefüllt ist und somit die Wicklungen 4 und die Untertei¬ le der Durchführungen 7 stets von der Isolierflüssigkeit umgeben sind. Vorteilhafterweise wird der Durchmesser des Steigrohres 15 oberhalb der obersten Steigabzweigung vergrößert, so dass bei einem weiteren Temperaturanstieg die Kühlleistung nicht mehr mit der Kühlfläche, sondern nur noch als Funktion der Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur steigt . Diese Vergrö- ßerung des Querschnittes des Steigrohres dient weiterhin der Aufnahme einer weiteren durch Erwärmung bedingten Zunahme des Volumens der Isolierflüssigkeit, nachdem durch Erreichung des entsprechenden Füllstandes der Isolierflüssigkeit bereits al¬ le Kühlelemente in den Kühlkreislauf einbezogen sind.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem konventionelle Radiatoren 10.1, 10.2, 10.3 derart an dem Transformator 1 angeordnet sind, dass ihre oberen Sammelrohre 10.8 in der Höhe versetzt angeordnet sind . Der Transformator 1 verfügt über ein im Volumen erheblich reduziertes Ausdehnungsgefäß 26. Die Entlüftung der Kühlanlage 8 erfolgt über Rohrleitungen zum Ausdehnungsgefäß 26, die oberhalb eines Buchhol zrelais 31 angeordnet sind . In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Kühlelemente 10 zumindest teilweise auf gleicher Höhe ange¬ ordnet und über ein mit Steigabzweigungen ausgerüstetes
Steigrohr 15 mit dem Transformator 1 verbunden.
Die beim j eweiligen Füllstand nicht mit Isolierflüssigkeit 20 gefüllten Kühlelemente 10, sowie die Zuleitung zur Kühlanlage sind kompressible Gasvolumina und können bei entsprechender Gestaltung bei einem inneren Kurzschluss des Transformators als Berstschutz dienen.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel bei dem die Anpassung der Kühlfläche an die Temperatur des Transformators 1 durch Schrägstellung handelsüblicher Platten oder Rohrradi- ator 10 erreicht wird. Der Schrägabschnitt 15.1 des Steigroh¬ res 15 ist am oberen, im Ausführungsbeispiel dem Eingang ge¬ genüberliegenden, Ende mit einem Entlüftungsanschluss verse¬ hen . Über diesen Anschluss wird die bei steigendem Füllstand verdrängte Luft über die Rohrleitung 18 abgeführt . Der Radia- tor 10 wirkt somit sowohl kühlend und dient darüber hinaus als Ausdehnungsgefäß des Transformators 1. Die technische Lö¬ sung ist sowohl als atmender Transformator 1 , als auch als hermetisch abgeschlossener Transformator 1 ausführbar . Bei hermetischer Ausführung wird an die Rohrleitung 18 an Stelle des Luftentfeuchters 28 eine Gaskompressionskammer 29 ange¬ schlossen, die in Figur 5 gestrichelt dargestellt ist . Der Raum über der Isolierflüssigkeit 20 wird mit einem Inertgas , vorzugsweise Stickstoff , gefüllt . Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 ist der Transformator 1 zusätzlich mit Wärmerohren 14 ausgestattet . Diese sind derart angeordnet, dass sie erst bei Erreichung eines bestimmten Füllstand der Isolierflüssigkeit 20 ihre Kühlwirkung entfal¬ ten . Die Wärmerohre 14 sind für relativ hohe Betriebstempera- turen ausgelegt und führen zu einer erheblichen Erhöhung der abführbaren Verlustleistung . Die Wärmerohre sind z.B. eine „Heat pipe" oder ein „Thermosiphon" , die als solche bekannt und ohne Pumpen oder dergleichen auskommen . Im Ausführungs- beispiel sind die Wärmerohre als Thermosiphon 14 ausgestal¬ tet. Dabei wird ein Kondensationsabschnitt des Thermosiphons 14 mit zusätzlichen Kühlflächen versehen . In einer speziellen Ausgestaltung ist die zusätzlich Beblasung des Kondensations- abschnitts des Wärmerohres 14 mit einem Ventilator 12.5 mög¬ lich . Weiterhin ist der Transformator 1 im Ausführungsbei- spiel in hermetisch abgeschlossener Ausführung ausgeführt . Dazu ist das Steigrohr 15 oberhalb des maximalen Füllstandes 24 mit einer Gaskompressionskammer 29 erweitert.
Bezugszeichenliste :
• 1 Elektrisches Gerät
• 2 Aktivteil
• 3 Kern
· 4 Wicklung
• 6 Gehäuse
• 7 Hochspannungsdurchführung
• 8 Kühlanlage
• 9 Steigabzweigung
· 10 Kühlelement
• 10.1 ... 10.5 Kühlelemente 1,2,3,4,5
• 10.8 Oberes Sammelrohr des Kühlers (bei Radiator)
• 12 Ventilator
• 14 Heat Pipe / Wärmerohr
· 15 Steigrohr
• 16 Rückleitung
• 17.1 Wärmeaustauschanläge
• 17.2 Pumpe
• 17.5 Heizkreislauf für Abwärmenutzung
· 18 Rohrleitung
• 19 Rohrleitung
• 20 Isolierflüssigkeit
• 21 Isolierflüssigkeitsstand
• 21.1 IsolierflüssigkeitsSpiegel bei Normalbetrieb · 21.3 Minimaler Isolierflüssigkeitsstand
• 21.5 Maximaler Isolierflüssigkeitsstand
• 24 Bereich oberhalb des Isolierflüssigkeitsstands
• 26 Ölausdehnungsgefäß
• 28 Luftentfeuchter
· 29 Druckkompensationsgefäß
• 31 Buchhol zrelais
• 33 Temperatursensor
• 34 Füllstandssensor
• 36 Drucksensor
· 39 Wärmedämmplatten

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Gerät (1) mit
- einem Gehäuse (6),
- einem in dem Gehäuse (6) angeordneten und mit Hochspannung beaufschlagbaren Aktivteil (2), das bei seinem Betrieb Wärme erzeugt,
- einer zur Kühlung vorgesehenen Isolierflüssigkeit (20), mit der das Gehäuse (6) befüllt ist, und
- einer Kühlanlage (8) zum Kühlen der Isolierflüssigkeit
(20), die wenigstens ein wärmeleitend mit der Außenatmosphäre verbundenes Kühlelement (10) aufweist, über das die Isolier¬ flüssigkeit (20) geführt wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Kühlanlage (8) einen mit dem Gehäuse (6) verbundenen und mit Steigabzweigungen (9) versehenen Steigabschnitt (15,15.1) aufweist, das an jeder Steigabzweigung (9) mit einem Kühlelement (10) verbunden ist, wobei das Volumen des Steigabschnit¬ tes (15, 15.1) in Abhängigkeit eines Wärmeausdehnungskoeffi- zienten der Isolierflüssigkeit (20) so gewählt ist, dass der Füllstand (21) bei vorgegebenen Temperaturen eine unterschiedliche Anzahl von Steigabzweigungen (9) erreicht.
2. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Steigabschnitt (15,15.1) wenigstens einen schräg zu einer Seitenwand des Gehäuses (6) verlaufenden Schrägabschnitt (15.1) aufweist und die Steigabzweigungen (9) in dem Schräg¬ abschnitt (15.1) angeordnet sind.
3. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
jede Steigabzweigung (9) mit einem Radiator (10) verbunden ist, der mehrere innere Kühlkanäle aufweist.
4. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jede Steigabzweigung (9) mit einem separaten Kühlrohr (10) verbunden ist.
5. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Steigabschnitt (15) einen senkrechten Rohrabschnitt auf¬ weist, der das Gehäuse (6) zu einer von einer Bodenwandung abgewandten Seite hin verlängert, wobei die Steigabzweigungen (9) in dem senkrechten Rohrabschnitt angeordnet sind.
6. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
jede Steigabzweigung (9) mit einem Eingang einer rohrförmigen Rohrkühlung (10) verbunden ist, die an ihrem Ausgang mit dem Gehäuse (6) in dessen Bodenbereich verbunden ist.
7. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
wenigstens eine Steigabzweigung (9) mit einem Eingang einer zu einem Wärmeaustauscher (17.1) führenden Rohrleitung verbunden ist, wobei der Wärmeaustauscher (17.1) ausgangsseitig mit dem Gehäuse (6) in dessen Bodenbereich verbunden ist.
8. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Steigabzweigung (9) der zum Eingang eines
Wärmetauschers (17.1) führenden Rohrleitung unterhalb zumindest einer weiteren Steigabzweigung (9) für ein weiteres Kühlelement (10) angeordnet ist.
9. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorgenannten Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6), die Kühl¬ elemente (10) sowie den Steigabschnitt (15) eine druckfeste, hermetische abgeschlossene Einheit bilden und der Raum ober¬ halb des Füllstandes der Isolierflüssigkeit (20) mit einem kompressiblen Inertgas befüllt ist.
10. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigabschnitt (15) oberhalb eines maximalen Füllstandes der Isolierflüssigkeit (20) mit einer Öffnung versehen ist, durch welche bei durch Temperaturänderungen der Isolierflüssigkeit (20) verursachten Volumenänderungen derselben ein Gasaustausch mit der Umgebung oder weiteren Gefäßen möglich ist, und dass der Innenraum der Kühlelemente (10) die Volumenschwankungen der Isolierflüssig¬ keit (20) ganz oder teilweise aufnimmt.
11. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
eine Steigabzweigung (9) mit einem Wärmerohr (14) verbunden ist .
12. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
einen Ventilator zum Verstärken der Kühlwirkung der Kühlanlage .
13. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Ventilator (12) eine Regelungseinrichtung aufweist, die mit einem Füllstandssensor (34) verbunden ist.
14. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Kühlelemente (10) höhenversetzt angeordnet sind.
15. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das elektrische Gerät ein Transformator (1) oder eine Dros¬ selspule ist.
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