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Trockentransformator in druckfestem Gehäuse In den Untertag ebetrieben
von scblagwettergefährdeten Gruben werden zur Versorgung der Vorortbetriebe meist
Öltransformatoren verwendet. Sie sind aber für den örtlich rasch fortschreitenden
mechanisierten Abbau zu unbeweglich, weil sie wegen der Verqualmungsgefahr bei einem
ölbrand in feuerfest ausgemauerte Kammern gestellt werden müssen und ihre Verlegung
daher einen großen Aufwand an Arbeitszeit und Kosten erfordert. Auch ist es bekannt,
fahrbare öllose Umspannstationen mit normalen Trockentransformatoren in solchen
Untertagebetrieben zu verwenden, die keine Schlagwetter führen. Sie besitzen keinen
Schutz gegen Zündung von Schlagwettern und sind daher für die vorliegenden Zwecke
ungeeignet. In: ausländischen Schlagwettergruben verwendet man teilweise auch in
Quarzsand eingebettete Trockentransformatoren; diese haben aber den Nachteil, daß
sie wegen der schlechten Wärmeabfuhr mit sehr viel aktivem Material, also sehr groß
gebaut werden müssen. Sie werden daher, zumal noch die erhebliche Quarzsandfüllung
hinzutritt, für den Transport zu schwer; ihr Gewicht würde meist die zulässige Belastung
der bei uns üblichen Blindschachthäspel überschreiten.
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Zu den Forderungen, die an eitlen Trocketit.ransformator zur Verwendung
in schlagwettergefährdeten Gruben gestellt werden, gehört neben einem ausreichenden
Schutz gegen mechanische Beschädigungen und neben der Einhaltung bestimmter Abmessungen
beim Transport auf den Förderkörben und durch die schmalen und niedrigen Strecken
vor allem die Erfüllung der Bergbau-Behörden-Vorschriften., insbesondere was die
Gefahr der Zündung von explosiblen Grubenwettern (Methan-Luft-Gemischen) anbelangt.
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Ein nach den geltenden, Vorschriften zur Zeit noch zulässiger Schutz,
»erhöhte Sicherheit e« genannt, beruht im wesentlichen nur auf einer sorgfältigen
und sicheren Ausbildung der Wicklung des
Trockentransformators.
Diese Schutzart ist besonders dann als unzulänglich zu bezeichnen, wenn das Gehäuse,
wie dieses bei den bisherigen Konstruktionen von Leistungstrockentransformatoren
für Schlagwettergruben der Fall war, nur spritzwassergeschützt .ausgebildet ist
und die Grubenw etter zur Abführung der Verlustwärme unmittelbar an die Wicklungen
heranströmen. Dagegen bieten druckfeste Gehäuse, >;druckfeste Kapselun.g d:, genannt,
die den Explosionsdruck von in ihrem Innern gezündeten Luft-Methan-Gemischen aushalten
und so eine Übertragung der Explosion auf die außen befindlichen zündfähigen Grubenwetter
verhindern, ein hohes Maß von Sicherheit. Um die mechanische Beanspruchung der druckfesten
Gebäuse zu verkleinern, können an ihnen zur Druckentlastung Öffnungen mit Plattenschutzpaketen,
»Piattenschutzkapselung p« genannt, angebracht sein.
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Bisher wurden druckfeste Gehäuse nur bei kleinen Trockentransformatoren
verwendet, bei denen für die Abführung der Verlustwärme keine besonderen Vorkehrungen
zu treffen waren.
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Druckfeste Gehäuse lassen sich besonders leicht in Zylinder- oder
Kugelform bauen; diese Möglichkeit scheidet aber für die Kapselung von Bergbautransformatoren
größerer Leistung aus, wenigstens wen man die üblichen Drehstromkerntransformatoren
verwenden will, weil wegen des Transportes auf den Förderkörben von Haupt- und Blindschächten
und in den Untertagestrecken bestimmte Maße nicht überschritten werden dürfen. Zylinderische
druckfeste Gehäuse zulässiger Abmessungen würden Sonderkonstruktionen von Trockentransformatoren
mit Mantelkernen, eventuell in Einphasenbauart, erfordern, ohne daß es gelingen
dürfte -y Leistungsgrößen zu erreichen, wie sie in größeren. mechanisierten Vorortrevieren
notwendig sind.
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Die Erfindung zeigt nun einen Trockentransformator größerer Leistung,
insbesondere zum Einbau in schlag-wettergefährdete Gruben, unter Verwendung eines
druckfesten Gehäuses mit an der Gehäusewand anliegenden Strömungskanälen als Wärmeaust.auscher.
Erfindungsgemäß besitzen die Strömungskanäleeine solche Form und sind so angeordnet,
daß sie auf Grund eines hohen Widerstandsmomentes trotz geringer Raumbeanspruchung
das druckfeste Gehäuse für den Transformator bilden. Beispielsweise sind die Strömungskanäle
aus einzelnen -eine oder mehrere flache Rechteckformen oder angenäherte Rechteckformen
besitzenden oder bildenden Bauelementen zusammengesetzt; mit ihren Schmalseiten
liegen sie unmittelbar an der Gehäusewand an oder bilden diese, mit ihren Längsseiten
sind sie so nebeneinander angeordnet, daß sie in; wechselnder Reihenfolge von dem
inneren bzw. dem äußeren Kühlmittel durchströmt werden. Es sind also Wärmeaustauscher
mit zahlreichen Kanälen vorgesehen, die abwechselnd mit dem Innenraum in Verbindung
stehen und dann selbst druckfest gebaut sind oder für den Durchtritt der Außenluft
oder eines anderen Kühlmittels ausgebildet sind. Die Kanäle, einzeln betrachtet,
können als Träger hoher Festigkeit mit hohen Stegen und breiten Flanschen angesehen
werden. In bekannter Weise wird der Umlauf des inneren wie auch die Bew egung des
äußeren Kühlmittels durch ein oder mehrere Antriebsmittel oder ,auch durch die Verlustwärme
selbst bewirkt, wobei in diesem, Falle die Strömungskanäle nveckmäßigerweise senkrecht
anzuordnen sind.
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Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung der Erfindung und zeigen verschiedene
der möglichen Ausführungsformen. Abb. i und 2 zeigen je einen vertikalen und horizontalen
Schnitt durch den Transformator mit druckfestem Gehäuse. i ist der Transformator,
2 das Gehäuse, 3 und 4 die Strömungskanäle, von denen die Kanäle 3 mit dem druckfesten
Innenraum 6 in Verbindung stehen und selbst druckfest ausgebildet sind, während
die Kanäle 4 von der Außenluft durchströmt werden. Die Kanäle liegen abwechselnd
übereinander wid sind zu einem dichten Gefüge zusammengebaut. Wie aus Abb. 2 ersichtlich,
wird durch den Ventilatormotor 5 die Innenluft vom Raum 6 angesaugt und in die Kanäle
3 gedrückt, wo sie gekühlt wird, um dann wieder in den Raum 6 zu-. rückzuströmen.
Die Außenluft wird durch das zweite Ventilatorrad des Motors 5 bei 7 angesaugt,
strömt durch die Kanäle 4., um bei 8 wieder insi Freie zu treten.
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Die Abb. 3 bis i i zeigen Ausführungsformen für die Wärmeaustauscher
3, 4, die große Wärmeübergangsflächen besitzen und zweckmäßig aus Blechprofilen
geschweißt werden können. In Abb. 3 sind die Strömungskanäle 3, ¢ durch übereinandersetzen
von flachen, U-förmigen Blechprofilen 9 gebildet, wobei eine Schmalseite io unmittelbar
als Teil der Gehäusewandung dient. Es können auch, wie Ab-b- 4 zeigt, Uförmige Blechprofile
i i für die Strömungskanäle verwendet werden, die, aneinander gesetzt, mit der Gehäusewand
2 druckfeste Kanäle bilden. In Abb.5 dienen als Strömungskanäle mit dem Innenraum
in Verbindung stehende rechteckige Rohre 12, die in Abständen voneinander ,angeordnet
sind, wobei die Schmalseiten dieser Rohre durch Zwischenstücke 13 so verbunden sind,
daß die Kanäle 14 für den Durchfluß des äußeren Kühlmittels entstehen. Es kann auch,
wie Abb. 6 zeigt, ein als Gehäusewandung dienendes Blech 15 so fortlaufend
rechteckig gewunden sein, daß durch die Verbindung benachbarter Schmalseiten mittels
Zwischenstücken 16 eng aneinanderliegende Strömungskanäle entstehen, die
abwechselnd von dem inneren bzw. äußeren Kühlmittel durchströmt werden. Abb.7 zeigt
eine Anordnung, bei der die Zwischenstücke 17 gleichzeitig zwei Windungen des rechteckig
gewundenen Bleches i 5 überbrücken, so daß U-förmige Strömungskanäle 18 (für die
Außenluft) und i 9 (für die Innenluft entstehen, die mit ihren Schenkeln ineinandergreifen.
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An dien Enden der druckfesten Kanäle 3 müssen Durchtrittsöffnungen
zum Gehäuseinnenraum 6 vorgesehen werden. Um diese möglichst groß gestalten zu können,
sind, wie die Abb.8 zeigt, die an der Gehäusewand 2 anliegenden Schmalseiten der
das
innere gasförmige Kühlmittel führenden Kanäle 3 bei 2o verbreitert.
Den Blechprofilen kann entsprechend den Ausführungsformen nach Abb. 9 bis i i eine
solche Form gegeben werden, daß n Blechprofile aneinandergereiht 2 11 ---
t Strömungskanäle ergeben. Beispielsweise dient für die Bildung zweier benachbarter
Strömungskanäle ein U-förmiges Blechprofil 21, dessen Steg 22 einen Teil der Gehäusewandung
bildet (Abb. 9) oder gegen die Gehäusewandung anliegt (Abb. io) und dessen einer
Schenkel 23 in der Nähe des Steges 22 nach innen umgewinkelt und dann wieder so
parallel dem anderen Schenkel verläuft, daß mit dem benachbarten Blechprofil 24
ein Strömungskanal entsteht, wobei die beiden Schenkelenden 25 und 26 in gleicher
Richtung umgebogen sind, so daß beide Strömungskanäle 3, q. nach außen abgeschlossen
sind. Das Profil eines derartig geformten Bleches ist in Abb. i i dargestellt.
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Um die Druckfestigkeit der Kanäle 3 zu erhöhen, können in die Strömungskanäle
,1, die vom äußeren Kühlmittel durchströmt werden, auch Querstege 27 (Abb. io) eingebaut
sein. Vorteilhaft werden die Wärmeaustauscher so ausgebildet, daß die Schweißnähte,
soweit sie für die Dichtigkeit der überdruckräume maßgebend sind, von außen oder
vom Gehäuseinnern aus zugänglich bleiben, also nicht wie etwa in Abb. :1 oder 8
angegeben, nach Fertigstellung der Wärmeaustauscher unzugänglich werden; nur dann
ist eine Kontrolle der Schweißnähte nach Druckversuchen u. dgl. möglich.
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Da die Gehäusewandungen hohe Zugspannungen aufnehmen müssen, werden
zweckmäßigerweise Hauptbleche vorgesehen, wie sie in den Abb. q, 8 und io dargestellt
und mit 2 bezeichnet sind. Die Anordnung nach Abb. i o hat den Vorteil, daß für
die Dichtigkeit des Cberdruckkanals nur die Schließungsschweißnähte des Blechprofils
und die Schweißnähte an den Durchtrittsöffnungen maßgebend sind. Es bedeutet zweifellos
eine Erleichterung, wenn bei der Herstellung im wesentlichen nur auf diese Schweißnähte
geachtet werden muß.
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Bei der ir1 den Abb. t und 2 dargestellten und oben beschriebenen
Anordnung des Trockentransformators in druckfestem Gehäuse ist die Luftgeschwindigkeit
an den Wicklungen gering, da der Durchströmquerschanitt groß ist. Um den Wärmeübergang
zu verbessern, empfiehlt es sich, die Innenluft so zu führen, daß sie zwangsläufig
mit hoher Geschwindigkeit nur dicht an den Wicklungen und Kernen des Transformators
entlang strömen kann. Hierzu ist es notwendig, wie Abb. 12 bis 1.1 zeigen, einen
Kaltluftraum 28 und einen Warmluftraum 29 zu schaffen, die praktisch nur durch Kühlschornsteine
3o des Transformators miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann dieses dadurch
bewirkt werden, daß der äußerste Wicklungszylinder 31 jedes Kernes in geringem radialem
Abstand mit einem Hüllzylinder 32 aus Isolierstoff umgeben wird und eine Platte
33 an diesen Hüllzylinder angekleidet wird, die hier und an den Gehäusewandungen
2 dicht schließt. Zur Führung dieser Platte 33, die .aus einem oder mehreren Teilen
bestehen kann, dienen die Spannbolzen des Transformators; zweckmäßigerweise sind
auf den Spannbolzen Spiralfedern angeordnet, so daß die Platte beim Hereinstellen
des Transformators in das Gehäuse unter Federvorspannung auf einer Dichtung aufsetzen
kann. Zur Abdichtung gegenüber den Hüllzylindern können Gummimanschetten od. dgl.
vorgesehen sein.
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Wie aus den Abb. 12 bis 14 zu ersehen ist, wird der Umlauf des inneren
Kühlmittels wie folgt bewirkt: Die Luft wird aus dem Raunn 34, der von dem Warmluftraum
29 durch eine Blechplatte getrennt ist, vom Lüfterrnotor 5 angesaugt und in den
darunter befindlichen Raum 3 5, den die erwähnte Blechplatte von dem Kaltluftraum
28 scheidet, gedrückt. Die Luft strömt dann durch die Kühlkanäle 31" die unterhalb
der Platte 33 liegen, unter Abgabe der Restwärme in den Kaltluftraum 28, nimmt dann
innerhalb der Kühlschornsteine 3o die Verlustwärme des Transformators auf, strömt
in den Warmluftraum 29 und von dort unter Wärmeabgabe durch die Kühlkanäle 3" die
oberhalb der Platte 33 liegen, wieder in den Raum 34 vor d<1s Ventilatorrad.
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Im Gegensatz zu der Anordnung nach Abb. i und 2 'durchströmt also
jedes Luftteilchen bei einem Umlauf nicht nur einen, sondern zwei Kanäle der Wärmeaustauscher.
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Die grundsätzlich gleiche Anordnung, gegebenenfalls in leichterer
Bauart, ist auch zweckmäßig für Transformatoren in staubdichter Kapselung anwendhar,
also in den Fällen, in denen keine hohe tlberdrucksicherheit des Gehäuses gefordert
ist; dies ist der Fall, wenn man zwecks Fremdbelüftung das Transformatorgehäuse
über ein Druckminderventil vom Grubendruckluftnetz aus unter einen nur geringfügigen
Überdruck setzt oder wenn man sich mit der obenerwähnten Schutzart »erhöhte Sicherheit
e« begnügt oder auch den Transformator in schlagwetterfreien Bergwerken oder über
Tage verwenden will.
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Um einen leichten Transport der gekapselten Transformatoren auf den
Grubenschienen zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, an die Gehäuse Spurkranzräder
und eventuell auch Puffer und Kupplungsvorrichtungen anzubauen.