DE2807809A1

DE2807809A1 - Kuehlsystem fuer ein elektrisches induktionsgeraet, insbesondere einen transformator

Info

Publication number: DE2807809A1
Application number: DE19782807809
Authority: DE
Inventors: Jun George Francis Mitchell
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-02-23
Filing date: 1978-02-23
Publication date: 1978-08-24
Also published as: FR2382080B1; IT7841528A0; US4145679A; GB1563791A; FR2382080A1; IT1104430B; CA1098187A

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein elektrisches mit elektrischen Anschlußleitungen versehenes Induktionsgerät, insbesondere einen Transformator, welches in einem ein verdampfungsfähiges als Kühl- und Isolationsmittel· wirkendes Flüssig-Dielektrikum enthaltenden Kessel angeordnet ist, wobei das Flüssig-Dielektrikum einen im Bereich der normalen Betriebstemperatur des Induktionsgerätes liegenden Verdampfung spunkt hat, mit einem Kühler, der über Anschlußleitungen mit einem über dem Induktionsgerät im Kessel befindlichen oberen Raum kommuniziert und der ferner mit einer Ablaufleitung an einen unterhalb des Induktionsgerätes im Kessel befindlichen Sumpf angeschlossen ist.

In der Elektrotechnik ist es allgemein bekannt, elektrische Geräte wie Transformatoren, Reaktoren oder dgl. vollkommen

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in ein Flüssig-Dielektrikum einzutauchen,um das Gerät einerseits zu kühlen und andererseits Elemente des Gerätes gegeneinander zu isolieren. Ein solches Kühlsystem hat große Nachteile einerseits wegen der großen Menge der benötigten Flüssigkeit und andererseits wegen der hohen Kosten für die Flüssigkeit aufgrund der Forderung nach Nichtentflammbarkeit. Bei einer Alternative zum Kühlen und Isolieren elektrischer Geräte wird Öl oder Askarel in Form einer zirkulierenden Flüssigkeit verwendet. Die Kühlung wird durch das Verdampfen der neutralen Flüssigkeit bewirkt, welche mit den wärmeerzeugenden Elementen in Berührung kommt. Die Flüssigkeit, deren Verdampf ungspunkt im Bereich der normalen Betriebstemperaturen des elektrischen Gerätes liegt, verdampft bei der Berührung mit den wärmeerzeugenden Elementen und führt von diesem diejenige Wärme ab, die der latenten Verdampfungswärme für diese Flüssigkeit entspricht. Der sich bildende Dampf wird dann kondensiert und wieder in einem kontinuierlichen Zyklus zu den wärmeerzeugenden Elementen zurückgeführt. Mit einer solchen Verdampfung der Flüssigkeit wird nicht nur mehr Wärme als bei einem Kühlsystem mit einer Ölzirkulation abgeführt, vielmehr bewirkt man auch die notwendige elektrische Isolation zwischen den elektrischen Elementen durch die Dampfphase bei normalen Betriebstemperaturen und dem normalen Betriebsdruck für das elektrische Gerät. Es ergibt sich jedoch, daß die Isolationseigenschaften des Dampfes direkt proportional dem innerhalb des das elektrische Gerät umgebenden Kessel befindlichen Druckes ist. Bei Systemen unter Verwendung flüssiger Kühlmittel in solch kleinen Mengen, daß nur ein Teil des elektrischen Gerätes in das Kühlmittel eingetaucht ist, ergibt sich ein geringer Dampfdruck für das Kühlmittel bei Umgebungsbedingungen, so daß der Anteil des Dampfes im Kessel nicht ausreicht, um eine zufriedenstellende Isolierung zu gewährleisten, wenn das elektrische Gerät in Betrieb genommen wird oder mit verhältnismäßig niederer Last arbeitet.

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Um hier eine Abhilfe zu schaffen und eine ausreichende Isolation für die Anfangsphase des Betriebs vorzusehen, ist es bekannt eine zweite Flüssigkeit in Kombination mit der verdampfungsfähigen Flüssigkeit zu verwenden, wobei diese zweite Flüssigkeit die notwendige elektrische Isolation im Anlaufbetrieb und bei der anfänglichen Erregung gewährleistet. Durch die US-PS 2 875 263 ist es bekannt ein nichtkondensierbares Gas, z.B. Schwefelhexafluorid zu verwenden, wogegen die US-PS 3 24-3 4-95 die Verwendung einer zweiten verdampfungsfähigen Flüssigkeit vorsieht, die jedoch einen niedrigeren Verdampfungspunkt als die erste verdampfungsfähige Kühlflüssigkeit hat» In beiden Fällen wird die elektrische Isolation zwischen den einzelnen Elementen von der zweiten Flüssigkeit bei normaler atmosphärischer Temperatur und atmosphärischem Druck bewirkt, da diese den größten Teil des Volumens im Kessel ausfüllt. Für beide Systeme gilt jedoch, daß die Temperatur des elektrischen Gerätes entsprechend der Last ansteigt, so daß die zusammengesetzte Atmosphäre im Gerät einen größeren Anteil der ersten verdampfungsfähigen Flüssigkeit in der Dampfphase enthält. Um einen zu starken Druckaufbau im das Gerät umgebenden Kessel zu vermeiden, und um ferner die Kühlwirkung aufrecht zu erhalten, muß die zweite Flüssigkeit von der ersten getrennt und aus dem Kessel entfernt werden. Daher benötigen diese Kühlsysteme Einrichtungen zum Trennen der ersten Flüssigkeit von der zweiten Flüssigkeit in Abhängigkeit von einem ansteigenden Druck und einer ansteigenden Temperatur innerhalb des Kesseiso Die für das Trennen der Flüssigkeiten verwendeten Komponenten haben nicht nur einen Einfluß auf die Langzeitzuverlässigkeit der elektrischen Geräte, sondern ermöglichen auch, daß geringe Anteile der zweiten Flüssigkeit rezirkuliert werden und dabei erneut mit dem elektrischen Gerät in Berührung kommen. Dies verringert den Gesamtwirkungsgrad des Kühlsystems, da die zweite Flüssigkeit in- der Gasphase ein ineffizientes Wärme-

übertragungsmedium

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übei'tragungsmedium. darstellt. Dadurch werden sehr viel größere Kühlsysteme benötigt, u" eine gegebene Wärmemenge von dem elektrischen Gerät ableiten zu können.

Es ist auch bereits bekannt, das elektrische Gerät völlig in ein verdampfungsfähiges Flüssig-Dielektrikum einzutauchen. Bei diesem. Kühlsystem ergeben sich ausgezeichnete Bedingungen für die Isolation beim Anlaufbetrieb, da es bekannt ist, daß ■ias Flüssig-Dielektrikuni bessere Isoliereigenschaften in der flüssigen Phase verglichen mit der Gasphase hat. In den 'jS-PS 2 872 651 ist ein^fi Kern- und Wicklungsanordnung beschrieben, die völlig in eine verdampfungsfähige Flüssigkeit innerhalb eines dicht versiegelten Kessels eingetaucht ist. Der Kessel ist zu einem Restanteil mit einem Edelgas gefüllt, das auch einen Teil des versiegelten Kühlsystems für einen Transformator füllt. Dieses Kühlsystem arbeitet an sich zufriedenstellend, jedoch sind erhebliche Aufwendungen für das Abdichten erforderlich, um sicherzustellen, daß das Edelgas völlig von der verdampfungsfähigen Flüssigkeit, die den Transformator umgibt, getrennt ist, damit der Wirkungsgrad der Kühlung nicht durch Verluste herabgesetzt wird. Außerdem bewirken geringe Anteile des Edelgases im Kühlsystem eine Verschlechterung des Kühleffektes, so daß das zu kühlende elektrische Gerät eine höhere Temperatur annimmt.

Ler· Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem, der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit dem eine rr.äxirsale Kühlleistung bei einer minimalen Menge einer Kühlflüssigkeit; erzielbar ist, wobei eine ausreichende elektrische Isolation auch in der Anfangsphase des Betriebs gewährleistet pein soll uni außerdem eine sehr hohe Zuverlässigkeit durch einen a;erine;st.":öglichen Anteil von beweglichen Elementen bei einer sehr einfachen konstruktiven Ausgestaltung sichergestellt; isc.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Induktionsgerät mit den elektrischen Anschlußleitungen voll in das Flüssig-Dielektrikum eingetaucht ist, wenn sich das Flüssig-Dielektrikum im wesentlichen in seiner Gesamtheit in der flüssigen Phase befindet, daß mit dem Kessel ein Speicherbehälter kommuniziert, in welchen beim Verdampfen des Flüssig-Dielektrikums während der Anlaufphase des Betriebs ein solcher Anteil des Flüssig-Dielektrikums überführt wird, daß der Flüssigkeitsspiegel im Kessel absinkt und sich der obere Raum :nit Dampf füllt, und daß der in den Speicherbehälter überführte Anteil des Flüssig-Dielektrikums zum Kessel zurückfließt, wenn das Induktionsgerät außer Betrieb ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen»

Ein nach den Merkmalen der Erfindung aufgebautes Kühlsystem, bei dem sowohl die Kühlung als auch die elektrische Isolation von den verdampfungsfähigen Flüssig-Dielektrikum bewirkt wird, umfaßt ein elektrisches Gerät, z.B. einen Transformator, der von einem Festisolator umgeben und in einem Kessel dicht verschlossen angeordnet ist. Unterhalb des Festisolators befindet sich ein freies Volumen in Form eines Sumpfes und oberhalb des Transformators ist ein oberer freier Raum vorgesehen, in welchen die Durchführungsisolatoren und elektrischen Anschlußleitungen ragen bzw. in welchem diese verlaufen. Zwischen die einzelnen Windungen des Transformators ist ferner eine weitere Festisolation eingefügt, die mit vom Sumpf zum oberen freien Raum verlaufenden Kühlkanälen versehen ist. Das Flüssig-Dielektrikum, dessen Verdampfungspunkt bei der normalen Betriebstemperatur liegt, füllt den Sumpf, die Kühlkanäle und den oberen Raum im Kessel immer dann voll aus, wenn sich der Transformator auf Umgebungstemperatur bzw. auf Umgebungsdruck

befindet

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befindet und nicht in Betrieb ist;. Dadurch ist eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen den Phasenwicklungen, den Dui'chführungsisolatoren und den Anschlußleitungen gewährleistet, um. einen Spannungsdurchbrucn während der Einschaltphase und dem Anlaufbetrieb zu vermeiden. Sobald der Transformator belastet wird und damit seine Betriebstemperatur ansteigt, geht ein Teil des in den Kühlkanalen befindlichen Flüssig-Dielektrikums in die Dampfphase über und führt darr.it eine der latenten Verdampfungswärrne entsprechende Warne von den wärmeerzeugenden Elementen ac. Der Dampf steigt in den Kühlkanälen nach oben in den oberen Raum und von dort in einen Kühler, wo er kondensiert; und wieder in den Kessel zurückgeleitet wird. Die Einleitung in den Kessel erfolgt im Sumpf, u.z. aufgrund der Schwerkraft. Durch die ansteigende Temperatur steigt der prozentuale Anteil des Dampfes innerhalb des Kessels an, wodurch sich ein Dampfdruck aufbaut. Mit ansteigendere Dampfdruck wird ein Teil des Flüssig-Dielektrikums in einen mit dem Kessel kommunizierenden Speicherbehälter gedrückt, wobei die Verhältnisse derart eingestellt sind, daß sich das Flüssigkeitsniveau über dem Transformator stabilisiert und diesen irr. normalen Betrieb voll bedeckt. Die Dampfatmosphäre im oberen Raum über diesem Flüssigkeitsniveau stellt eine einwandfreie Isolation der Anschlußleitungen und der Durchführungsisolatoren im oberen Teil des Kessels sicher. Mit abfallender Last kühlt sich der Transformator ab, wodurch der Dampfdruck im Kessel zurückgeht und damit aus dem Speicherbehälter entsprechend das Flüssig-Dielektrikum zum Kessel in Folge der Schwerkraft zurückfließt. Damit wird weiter sichergestellt, daß auch die Isolierung zitfischen den elektrischen Anschlußleitungen und den Durchführungsisolatoren weiterhin sichergestellt ist.

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Durch das komplette Füllen des Kessels des elektrischen Gerätes mit nur einem Typ eines Flüssig-Dielektrikums und dem graduellen Verdrängen eines Teils dieser Flüssigkeit beim Ansteigen der Temperatur und des Druckes auf die Betriebswerte entfällt die Notwendigkeit für eine zweite Flüssigkeit, die während der Anlaufphase für die ausreichende Isolierung beim Stand der Technik sorgt= Ferner werden die nachteiligen Effekte auf den Wirkungsgrad der Kühlung, welche sich mit der Verwendung einer solchen aweiten Flüssigkeit einstellen, vermieden, womit es möglich wird ein kleineres und sehr viel effizienteres Kühlsystem zu schaffen, mit welchem dieselbe Wärmemenge wie mit dem bisher bekannten großen Kühlsystemen abgeführt werden kann. Ferner wirkt sich die Verwendung eines Speicherbehälters, bei dem keine beweglichen Teile erforderlich sind, um das Flüssig-Dielektrikum vom Kessel aufzunehmen und zu diesem wieder zurückzubefordern als besonders vorteilhaft für die Zuverlässigkeit aus, wenn man das System gemäß der Erfindung mit den bekannten Systemen vergleicht, bei denen zwei isolierende Flüssigkeiten und die für Ihren Einsatz sehr aufwendigen druckabhängigen Elemente sowie Separationseinrichtungen erforderlich wurden, um eine ausreichende Isolierung und Kühlung über einen entsprechend großen Betriebsbereich sicherzustellen«

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung» Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene bzw» gebrochene »Seitenansicht eines Induktionsgerätes gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1.

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In Fig. 1 ist ein Induktionsgerät IO dargestellt, "bei dem der wärmeerzeugende Teil in eine- Kessel 12 dient verschlossen untergebracht ist. Dieser wärmeerzeugende Teil kann z.B. ein Transformator, ein Reaktor oder dgl. sein. Die vorliegende Beschreibung besieht sich auf einen Transformator, der im Betrieb Temperaturänderungen unterworfen ist. Dieser Transformator 14- besteht aus einem Eern 20 und Wicklungsanordnungen 16, die miteinander induktiv verknüpft sind. In der Darstellung ist im Interesse einer besseren Übersicht nur ein vertikal verlaufender Schenkel des Kerns dargestellt und ebenso nur eine Phasenwicklung '"c. Diese PLasenwicklung 18 besteht aus einem Hochspannungsleiter 22 und einem Niederspannungsleiter 2~, von denen .jeweils eine Vielzahl von Windungen um den Kern 20 verlaufen. Bei der bevorzugten Ausfuhr ungs form ist der Hochspannungsleiter 22 um den rliederspannungsleiter 2^- gelegt, obwohl auch ein anderer Aufbau mit einer beliebigen Leiterform z.B. in Form von Bändern oder Streifen Verwendung finden kann.

Der Hochspannungsleiter 22 und der ITiederspannungsleiter 2^ sind jeweils in zwei der Stärke von zwei Leitern entsprechenden Lagen konzentrisch um. den Kern 2\ gewickelt. ¥ie aus Fig. 2 hervorgeht, werden die einzelnen Doppellagen des Hochspannungsleiters und des Niederspannungsleiters durch eine Vielzahl vertikal angeordneter Abstandshalter 28 auf Abstand gehalten, so daß eine Vielzahl vertikal verlaufender Kühlkanal e 30 entsteht. Die Abstandshalter 28 sind nach einer bevorzugten Ausfuhrungsform aus einem Zellulosematerial z.B. Presspan oder Packpapier hergestellt. Die innerste Lage des i.'iederspannungsleiters '2^L- ist um eine Kernisolierung 26 herumgewickelt, die den Niederspannungsleiter 24- gegen den auf .-iassepotential liegenden Kern 20 isoliert. Eine Zwischenisolierung 52 ist zwischen d-.s Ivicklungspaket aus dem Niederspannungsleiter 2-'f- und dem Hochspannungsleiter 22 eingefügt, welches zweckmäßigerweise aus Packpapier besteht.

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Der Kessel 12 gemäß der Erfindung ist der Form des Transformators 14 angepaßt, u.z. in der Weise, daß ein Abstand von etwa 6 mm zwischen den Wänden des Kessels 12 und dem Kern sowie der Wicklungsanordnung 16 verbleibt. Am Kessel 12 sind ferner Durchführungsisolatoren 38 und 40 vorgesehen, an welche' die nicht dargestellten elektrischen Leitungen zum Hochspannungsleiter und zum Niederspannungsleiter angeschlossen sind, um diese mit einer äußeren Potentialquelle zu verbinden.

Der Zwischenraum zwischen den Wänden des Kessels 12 und dem Kern sowie Wicklungsanordnungen 16 ist mit einem neutralen Füllmaterial 34, wie z.B. Presspan oder einem zellulosehaltigen Schaum ausgefüllt, um den zum Füllen des Kessels notwendigen Anteil eines Flüssig-Dielektrikums 42 auf ein Kinimum zu reduzieren. Das Füllmaterial 34 umschließt den Kern und die Wicklungsanordnung 16 auch am Boden und an der Oberseite, wie aus Fig. 1 hervorgeht und läßt lediglich den Raum in Verlängerung der Kühlkanäle 30 frei. Im unteren Teil des Kessels unterhalb des Kerns und der Wicklungsanordnung 16 ist ein Sumpf 56 ausgebildet, in den die unteren Enden der Kühlkanäle 30 münden, so daß über diese Anschlüsse an den Sumpf die Kühlkanäle sich mit dem Flüssig-Dielektrikum 42 füllen können. Zwischen der Oberseite des Füllmaterials über dem Kern und der Wicklungsanordnung 16 und dem oberen Teil des Kessels 12 ist ein freies Volumen 44 vorgesehen, in welches die Durchführungsisolatoren 38 und 40 ragen, und in welchem die elektrischen Anschlußleitungen vorgesehen sind. Dieses freie Volumen 44 steht in unmittelbarer Kommunikation mit den Kühlkanälen 30.

Gemäß der Erfindung wird von dem verdampfbaren Flüssig-Dielektrikum 42 eine ausreichende Menge in den Kessel einge-

füllt

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füllt, so daß alle elektrischen Teile in die Flüssigkeit eingetaucht sind, wenn der Transformator 14 nicht erregt ist und sich auf Umgebungstemperatur sowie dem vorgesehenen Druck befindet. Dies dient einerseits dem Zweck der Kühlung der Phasenwicklung 18 und andererseits der Isolation der Phasenwicklungen gegeneinander soxfie der Isolation zwischen den einzelnen elektrischen Anschlußleitungen und den Durchführungsisolatoren 38 und 40. Unter diesen lastfreien Bedingungen füllt das Flüssig-Dielektrikum 4-2 die Kühlkanäle 30, den Sumpf 56 und das freie Volumen 4-4.

Als Alternative für die Kühlung elektrischer Induktionsgeräte durch das Zirkulieren eines Transformatoröls im Kessel •"2 ist es auch bekannt ein Flüssig-Dielektrikum zu verwenden, welches bei den normalen Betriebstemperaturen des Transformators 14 verdampft. Bei einem solchen Flüssig-Dielektrikum wird eine verhältnismäßig große Wärmemenge vom Transformator entsprechend der latenten Yerdampfungswärme abgeführt. Dieses Flüssig-Dielektrikum 42 muß auch eine ausreichende elektrische Isolation zwischen den einzelnen Windungen des Hochspannungsleiters und des ITiederspannungsleiters der Phasenwicklung und ebenso zynischen den elektrischen Anschlußleitungen und den Lurchführungsisolatoren gewährleisten. Für dieses Flüssig-Dielektrikum muß eine ausreichende Isolation nicht nur im flüssigen Zustand sondern auch im dampfförmigen Zustand gewährleistet sein, da ein verhältnismäßig großer Teil des Kessels 12 bei den normalen Betriebstemperaturen des Transformators 14 mit Dampf gefüllt ist. Es ist bekannt, daß neutrale fluorierte organische Verbindungen derartige Eigenschaften aufweisen, wobei es sich z.B. um Perflurodibutyläther oder Perflurocycloäther handeln kann. Andere Verbindungen, die für diesen Zweck Verwendung finden können sind z.B. durch die US-PS 2 961 476 bekannt.

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Um den Transformator 14 richtig zu kühlen, muß der erzeugte Dampf kondensiert und wieder zurück in den Kessel 12 geführt werden, damit die Menge des Flüssig-Dielektrikums 42 erhalten bleibt. Zu diesem Zweck ist ein Kühler 46 gemäß Fig. 1 vorgesehen, der mit einer Einlaßöffnung 48 an das freie Volumen 44 des Kessels 12 angeschlossen ist. Über eine Anschlußleitung 50 mit einer Einlauföffnung 52 und einer Auslauföffnung 54 steht der Kühler 46 in Verbindung mit dem Sumpf 56 im Bodenbereich des Kessels 12. Venn sich die Temperatur der Phasenwicklung 18 aufgrund der Betriebslast erhöht, verdampft ein Teil des Flüssig-Dielektrikums 42 in den Kühlkanälen 30. Dieser Dampf steigt nach oben in das freie Volumen 44 im oberen Teil des Kessels 12» Durch Konvektion fließt das Flüssig-Dielektrikum 42 vom Sumpf 56 aus in die Kühlkanäle nach, so daß die Isolierstärke zwischen den einzelnen Lagen der Phasenwicklung 18 konstant gehalten wird. Mit dem Ansteigen der Temperatur und des Dampfvolumens im Kessel 12 steigt auch der Druck an. Dieser Druck bewirkt ein Überströmen des Dampfes durch die Einlaßöffnung 48 zum Kühler 46, da dieser unter einem geringeren Druck als der Kessel 12 steht. An den Wänden des Kühlers 46 kondensiert der Dampf und fließt nach unten über die Einlauföffnung 52, die Anschlußleitung 50 und die Auslauföffnung 54 zum Sumpf 56-ab»

Wenn sich der Kühler 46 über den Niveau des Flüssig-Dielektrikums 42 im Kessel 12 befindet, fließt das Kondensat aufgrund der Gravitationskraft durch die Anschlußleitung 50 zurück in den Sumpf 56, so daß auf eine Förderpumpe verzichtet werden kann.

Wie bereits erwähnt, bietet der Dampf des Flüssig-Dielektrikums 42 eine ausreichende Isolation für die elektrischen Anschlußleitungen, die Durchführungsisolatoren 38 und 40 und die Phasen-

wicklung

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wicklung 18 bei den üblichen Arbeitstemperaturen und dem sich dabei ergebenden Druck im Transformatorkessel 12. Dies ist der Fall, da die Isolationsstärke des Dampfes mit zunehmendem Druck proportional anwächst. Beim anfänglichen Erregen des Transformators 14- und während eines Betriebs mit geringer Last reicht die Temperatur der Phasenwicklung 18 nicht aus, um den für eine, ausreichende Isolierung erforderlichen Dampfdruck im Kessel 12 aufzubauen. Aus diesem Grund ist vorgesehen, daß die Anschlußleitungen sowie die Durchführungsisolatoren 38 und 4G unter diesen Bedingungen ganz in das Flüssig-Dielektrikum 42 eingetaucht sind, d.h. es wire dafür Sorge getragen, daß der freie Raum 44 vollständig mit dem Flüssig-Dielektrikum 42 ausgefüllt ist. Damit erreicht man, daß auch beim Einschalten und bei niederem Lastberrieb die einzelnen Teile ausreichend durch die Eintauchung in das Flüssig-Dielektrikum 42 isoliert sind.

las sich über dem Kern und der Wicklungsanordnung befindliche Flüssig-Dielektrikum 42 behindert den einwandfreien Abfluß des entstandenen Dampfes zum Kühler 46 und läßt auch im Kessel 12 einen Überdruck entstehen, wenn der Transformator sich im normalen Lastbetrieb befindet. Daher wird es erforderlich, einen Teil des Flüssig-Dielektrikum 42 mit zunehmendem Druck im Kessel 12 abzuführen. Zu diesem Zweck ist ein Speicherbehälter 58 gemäß Fig_o 1 vorgesehen, der über eine Anschlußleitung 60 und eine Eintrittsöffnung 62 an den Kessel angeschlossen ist und durch die Auslauföffnung 64 mit der Anschlußleitung 60 kommuniziert. Dieser Speicherbehälter 58 hat eine ausreichend große Kapazität, um das im freien Volumen 44 befindliche Flüssig-Dielektrikum 42 aufzunehmen, zumindest jedoch denjenigen Teil des Flüssig-Dielektrikums, der sich oberhalb des Niveaus 66 gemäß Fig. 1 im freien Volumen 44 befindet.

Damit

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Damit die Isolation in der gewünschten Weise zwischen den Durchführungsisolatoren 38 und 40 soxvie den Anschlußleitungen aufrechterhalten wird, muß derjenige Teil des Flüssig- Dielektrikums 42 oberhalt des Niveaus 66 in den Speicherbehälter 58 und aus diesem wieder zurück in den Kessel entsprechend der Lastveränderungen des Transformators 14 transportiert werden. Der Parameter, nach dem sich dies abspielt, kann sowohl der Druck als auch die Temperatur oder eine Kombination aus beiden sein, da beide Parameter direkt lastabhängig sind. Bei der bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird jedoch als Parameter der Druck benutzt, da dieser für den Transport des Flüssig-Dielektrikums 42 zum Speicherbehälter und zurück in sehr zuverlässiger Weise geeignet ist und keinerlei bewegliche Teile benötigt.

Aus diesem Grund wird der Speicherbehälter 58 über der Eintritt so ffnung 62 in den Kessel angeordnet, wobei hierfür eine optimale Position in einer Ebene über der obersten Ebene des Flüssig-Dielektrikums im Kessel 12 ist, um den Anteil des Flüssig-Dielektrikums im Speicherbehälter 58 und in der Anschlußleitung 60 auf einem Minimum zu halten, wenn der Transformator 14 nicht erregt ist. Diese Position ist auch deshalb besonders zweckmäßig, da das Flüssig-Dielektrikum 42 vom Speicherbehälter 58 in den Kessel 12 aufgrund der Schwerkraft zurückfließt, wenn der Transformator unter Last steht„ Dadurch wird die Notwendigkeit für eine Förderpumpe vermieden. Die Eintrittsöffnung 62 der Anschlußleitung 60 an den Kessel 12 befindet sich in einem Bereich unterhalb des Flüssigkeitsniveaus 66, so daß diese Eintrittsöffnung 62 immer mit dem Flüssig-Dielektrikum kommuniziert.

Beim Betrieb wird durch die Belastung des Transformators 14 ein Temperaturanstieg und ein Druckanstieg im Kessel 12 ausgelöst ,

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gelöst, so daß sich zwischen dem Sessel 12 und dem Speicherbehälter 58 eine Druckdifferenz einstellt, welche das Abfließen des Flüssig-Dielektrikums ~2 in den Speicherbehälter 58 durch die Eintrittsöffnung 62 und die Anschlußleitung 60 auslöst. Dies ist solange der Fall, bis der vom Flüssigkeitsstand im Speicherbehälter 58 herrührende Druck gleich dem im Kessel 12 erzeugten Druck ist. Dieser Ausgleich läuft in entsprechender Weise xtfie bei einem Manometer ab und bedarf keinerlei Pumpe für den Flüssigkeitstransport. Der Abfluß des Flüssig-Dielektrikums 42 aus der Kessel 12 hält solange an, bis der Flüssigkeitsstand auf das Niveau 66 über dem Transformator abgesunken ist. Dadurch baut sich in dem freien Volumen 44 eine Dampfatmosphäre auf, welche über die Einlaßöffnung 48 zum Kühler 46 abfließen kann. Diese Dampfatmosphäre über dem Flüssigkeitsniveau 66 steht unter einem ausreichend hohen Druck, um eine genügende Isolierung der elektrischen Anschlußleitungen und der Durchführungsisolatoren 33 und 40 zu gewährleisten. Wenn die Last vom Transformator 14 entfernt wird, fällt die Temperatur und der Druck im Kessel 12 entsprechend bis zu einem Punkt, in welchem der von dem Flüssigkeitsniveau des Flüssig-Dielektrikums 42 abhängige Druck kleiner als der vom Speicherbehälter 58 einwirken&e Druck ist, so daß sich nuntnehr ein Rückfluß des Flüssig-Dielektrikums 42 zum Kessel 12 solange ergibt, bis im Zustand fehlender Belastung und der atmosphärischen Temperatur sowie des Druckes der Kessel 12 wieder völlig mit dem Flüssig-Dielektrikum 42 gefüllt ist.

Obwohl selbstverständlich auch andere Einrichtungen dazu benutzt werden können, um das Flüssig-Dielektrikum 42 aus dem Kessel zu befördern, wie z.B. Pumpen, Ventile oder Abtasteinrichtungen, hat das bevorzugte Verfahren gemäß der Erfindung den Vorteil sehr'hoher Zuverlässigkeit und das Fehlen geglichen Bedarfs an beweglichen Teilen.

Das

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Das Verfahren gemäß der Erfindung sum vollkommenen Füllen des Kessels 12 mit nur einem einsigen verdampfungsfähigen Flüssig-Dielektrikum bietet viele Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, Es ist klar, daß das völlige Auffüllen des Kessels 12 mit dem Flüssig-Dielektrikum 4-2 eine sehr gute elektrische Isolation für die Phasenwicklung 18, die elektrischen Anschlußleitungen und die Durchführungsisolatoren 38 und 40 sowohl beim anfänglichen Einschalten des Transformators 14 als auch während des Betriebs bei niederer Last gewährleistet. Außerdem erzielt man durch die Verwendung eines in der Form exakt angepaßten Kessels und das Ausfüllen wesentlicher Teile des Kessels mit einem Fasermaterial bzw. Füllmaterial den Vorteil, daß nur eine minimale Menge des verdampfungsfähigen Flüssig-Dielektrikums 42 benötigt wird. Um einen herkömmlichen Transformator von 1000 KVA zu kühlen, werden etwa 1325 Itr. Transformatoröl benötigt» Die Verwendung des verdampfungsfähigen Flüssig-Dielektrikums, welches sehr viel wirkungsvoller die Wärme abführt als Öl in Verbindung mit der erwähnten Formgebung für den Kessel, macht es möglich mit nur etwa 200 Itr» des verdampfungsfähigen Flüssig-Dielektrikums auszukommen, um den Kessel zu füllen und eine richtige Kühlung sowie Isolation für einen Transformator von 10C0 KVA zu gewährleisten»

Zusätzlich werden durch die Verwendung nur einer Flüssigkeitsart aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung nachteilige Effekte eliminiert, die bei der Verwendung eines nicht kondensierbaren Gases oder einer zweiten verdampfungsfähigen Flüssigkeit zur Kaltstartisolation auftreten» Das Vorhandensein von nur einem sehr kleinen Anteil dieser zweiten Flüssigkeit reduziert sehr stark den Kühleffekt bei bekannten der Kühlung dienenden Verdampfungssystemen, da diese Flüssigkeiten nur ein sehr schlechtes Wärmeübertragungsmedium sind. Die Verwendung

von

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Se.te: Λ8Τ _ Unser Zeichen: WS11 JF-1

von nur einem Flüssig-Dielektriku'-i; eliminiert ganz eindeutig alle diese schlechten Wirkungen und macht es möglich., ein kleineres Kühlsystem vorzusehen, das dieselbe Wärmemenge abführt wie die verhältnismäßig großen auf Verdampfung "beruhenden bekannten Kühlsysteiae. Außerdem entfallen die komplexen Einrichtungen zum Separieren des nicht kondensierbaren Gases oder der zweiten verdampfungsfähigen Flüssigkeit von der ersten als Dielektrikum wirkenden Flüssigkeit, Dadurch wird nicht nur der Kühleffekt xvesentlich verbessert, da eine völlige Trennung der beiden Flüssigkeiten möglich ist, sondern es wird vielmehr auch eine sehr viel größere Zuverlässigkeit erreicht, da, wie bereits erwähnt, die Notwendigkeit für Pumpen und Ventile entfällt, die mit den Separationseinrichtungen verbunden sind.

Aus dem vorausstehenden geht hervor, daß mit dem"Kühlsystem gemäß der Erfindung nur ein einziges verdampfungsfähiges Flüssig—Dielektrikum benötigt wird, u.z. sowohl zum Füllen des Kessels,um die erforderliche elektrische Isolation Im Anlaufbetrieb und im Betrieb bei niederer Last zu gewährleisten. Dieses Kühlsystem ist äußerst effizient, da sich keine nachteilige Beeinflussung auf den Fluß des in der Dampfphase sich befindlichen Teils des Flüssig-Dielektrikums ergibt. Da ferner ein Teil der Flüssigkeit entsprechend dem Ansteigen des Drucks im Kessel entfernt werden kann, ergibt sich ein maximaler Wirkungsgrad für die Kühlung bei gleichzeitiger Verbesserung der Zuverlässigkeit, da der entfernte Flüssigkeitsanteil sofort wieder in den Kessel zurückfließt, wenn der Druck lsi Kessel abnimmt. Alle diese Haßnahmen laufen ohne die Notwendigkeit von Pumpen und Ventilen, d.h. beweglichen Teilen ab, wodurch ein sehr langer Betrieb ohne Wartung möglich wird.

_Ä ^ ^ Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

Λ.) Kühlsystem für ein elektrisches mit elektrischen Anschlußleitungen versehenes Induktionsgerät, insbesondere einen
Transformator, welches in einem ein verdampfungsfähiges als Kühl- und Isolationsmittel wirkendes Flüssig-Dielektrikum
enthaltenden Kessel angeordnet ist, wobei das Flüssig-Dielektrikum einen im Bereich der normalen Betriebstemperatur des Induktionsgerätes liegende Verdampfungspunkt hat, mit einem Kühler, der über Anschlußleitungen mit einem über dem Induktionsgerät im Kessel befindlichen oberen Raum kommuniziert und der ferner mit einer Ablaufleitung an einen unterhalb des Induktionsgerätes im Kessel befindlichen Sumpf angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Induktionsgerät mit den elektrischen Anschlußleitungen (10, 38, 40) voll in das Flüssig-Dielektrikum (42) eingetaucht ist, wenn sich das Flüssig-Dielektrikum im wesentlichen in seiner Gesamtheit in der flüssigen Phase befindet, daß mit dem Kessel (12) ein Speicherbehälter (58) kommuniziert, in welchen beim Verdampfen des Flüssig-Dielektrikums (42)
während der Anlaufphase des Betriebs ein solcher Anteil des Flüssig-Dielektrikums überführt wird, daß der Flüssigkeitsspiegel (66) im Kessel (12) absinkt und sich der obere Saum (44) mit Dampf füllt, und daß der in den Speicherbehälter (58)

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Unser Zeichen: WS 11 3F-1 741

überführte Anteil des Flüssig-Dielektrikums (4-2) zum Kessel (12) zurückfließt, wenn das Induktionsgerät außer Betrieb ist.
2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennz e ichnet, daß der Speicherbehälter (58) bezüglich des Kessels (12) derart angeordnet ist, daß das Flüssig-Dielektrikum (42) in den Speicherbehälter (58) aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Speicherbehälter (58) und dem Kessel (12) während dem Betrieb des Induktionsgerätes fließt, und daß das Flüssig-Dielektrikum bei einer Verringerung der Druckdifferenz aufgrund der Schwerkraft in den Kessel zurückfließt.
3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der unterhalb des Induktionsgerätes befindliche Sumpf (56) mit dem oberen Raum (44) über durch das Induktionsgerät verlaufende Kühlkanäle (30) in Verbindung steht.
4. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen dem Sumpf (56) und dem oberen Raum (44) mit einer das Induktionsgerät (10) umgebenden Festisolation (Füllmittel 34) ausgefüllt ist, durch welche die Kühlkanäle (30) verlaufen.

5- Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen dem Induktionsgerät (10) und der Wandung des Kessels (12) mit der Festisolation (Füllmaterial 34) ausgefüllt ist.

809834/0890