WO2019158297A1 - Elektrisches gerät mit schenkelweise gekapselter wicklung und luftgekühltem kern - Google Patents

Abstract

Um ein elektrisches Gerät (1) zum Anschließen an eine Hochspannungsleitung mit wenigstens einem mit einem Isolierfluid befüllten Gehäuse (5,6), einem magnetisierbaren Kern (2), der wenigstens einen Kernschenkel (3,4) ausbildet, wenigstens zwei den Kernschenkel (3,4) umschließenden Wicklungen (18,19), die in jedem Gehäuse (5,6) angeordnet sind, zu schaffen, dessen Wicklungen mit Isoliermitteln unterschiedlicher thermischer Klassen bestückt werden können, wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Gehäuse (5,6) mehrere Kühlräume (16,17) ausbildet, wobei in jedem Kühlraum (16,17) eine Wicklung (18,19) zumindest teilweise angeordnet ist.

Description

Beschreibung

Elektrisches Gerät mit schenkelweise gekapselter Wicklung und luftgekühltem Kern

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät zum Anschließen an eine Hochspannungsleitung mit wenigstens einem mit einem Isolierfluid befüllten Gehäuse, einem magnetisierbaren Kern, der wenigstens einen Kernschenkel ausbildet, und wenigstens zwei den Kernschenkel umschließenden Wicklungen, die in dem Gehäuse angeordnet sind.

Ein solches elektrisches Gerät ist aus der WO 2014/086948 be reits bekannt. Dort ist ein Transformator für Schienenfahr zeuge offenbart, der über einen Kern mit zwei Kernschenkeln verfügt, die über ein unteres und oberes Joch unter Ausbil dung eines geschlossenen Magnetkerns miteinander verbunden sind. Jeder Kernschenkel wird von lediglich einer Wicklung umschlossen, von denen eine als Oberspannungswicklung dient. Die andere als Traktionswicklung bezeichnete Wicklung ist über den Kern induktiv mit der Oberspannungswicklung gekop pelt und stellt ausgangsseitig die gewünschte Traktionsspan nung für das Schienenfahrzeug bereit. Jede Wicklung ist in einem eigenen zylindrischen Gehäuse angeordnet, das mit einem Isolierfluid zum Isolieren und Kühlen der jeweiligen Wicklung befüllt ist. Die Kernschenkel erstrecken sich durch das Ge häuse hindurch, so dass der Kern luftgekühlt ist. Die zylind rischen Gehäuse sind jeweils mit einem Kühlelement ausgerüs tet, das für eine Kühlung der jeweiligen Wicklung sorgt.

Die WO 2014/086948 offenbart ferner einen Transformator, bei dem Oberspannungswicklung und Traktionswicklung konzentrisch zueinander und in einem gemeinsamen zylindrischen Gehäuse an geordnet sind. Das Gehäuse besteht aus einer Innen- und Au ßenwand, die mit einem Deckelabschnitt oben und unten dicht verschlossen sind. Der Kern erstreckt sich mit seinem Kern schenkel durch das Gehäuse hindurch, wobei ein wicklungsfrei- er Rückführungsschenkel über obere und untere Joche mit dem besagten Kernschenkel verbunden ist.

Dem vorbekannten elektrischen Gerät haftet der Nachteil an, dass Oberspannungs- und Unterspannungswicklung in einem ge meinsamen Gehäuse angeordnet sind. Daher müssen beide Wick lungen mit Isoliermitteln der gleichen thermischen Klasse ausgerüstet werden. Zwar ist ebenfalls bekannt Oberspannungs wicklung und Traktionsspannungswicklung in unterschiedlichen Gehäuseteilen anzuordnen. Bei dieser Lösung ist jeder Schen kel jedoch nur von einer einzigen Wicklung umschlossen, so dass ein raumgreifender Transformator geschaffen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Gerät der ein gangs genannten Art bereitzustellen, dessen Wicklungen mit Isoliermittel unterschiedlicher thermischer Klasse bestückt werden können, wobei gleichzeitig ein kompaktes und leis tungsfähiges elektrisches Gerät bereitgestellt ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass zumindest ein Gehäuse mehrere Kühlräume ausbildet, wobei in jedem Kühlraum eine Wicklung zumindest teilweise angeordnet ist.

Erfindungsgemäß ist ein elektrisches Gerät bereitgestellt, das zum Anschluss an eine Hochspannungsleitung mit einer Spannung von über 10 kV vorgesehen ist. Das elektrische Gerät verfügt über einen magnetisierbaren Kern, der wenigstens ei nen Kernschenkel ausbildet. Jeder Kernschenkel ist von zwei Wicklungen umschlossen, die konzentrisch zueinander angeord net sind. Beide Wicklungen sind daher schenkelweise gekapselt und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Erfindungsgemäß bildet dieses Gehäuse mehrere Kühlräume aus. In jedem Kühl raum ist wenigstens eine Wicklung zumindest teilweise ange ordnet. Die in einem Kühlraum angeordnete Wicklung oder deren Abschnitt kann daher mit Isoliermitteln ausgestattet werden, die von den Isoliermitteln der Wicklungsabschnitte oder Wick lungen in einem anderen Kühlraum des gleichen Gehäuses abwei chen. Somit kann die Kühlung des elektrischen Geräts so ein- gestellt werden, dass bei Normalbetrieb des elektrischen Ge räts in jedem Kühlraum unterschiedlich hohe Temperaturen herrschen .

Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung ist jeder Kühl raum mit einer eigenen Kühleinheit ausgerüstet. Abweichend davon ist lediglich eine Kühleinheit vorgesehen, die so ein gestellt ist, dass in den Kühlräumen unterschiedlich hohe Be triebstemperaturen herrschen. So kann die Kühleinheit bei spielsweise mit einer Pumpe ausgerüstet sein, mit der das Isolierfluid über das Gehäuse und deren Kühlräume umgewälzt wird. Das Isolierfluid kann beispielsweise durch einen Wärme tauscher abgekühlt werden und das frisch abgekühlte Isolier fluid zunächst in den ersten Kühlraum des Gehäuses überführt werden. Das Isolierfluid durchströmt den ersten Kühlraum und wärmt sich dabei auf. Anschließend gelangt es in den zweiten Kühlraum, in dem es von der dort angeordneten Wicklung oder dem dort angeordneten Wicklungsabschnitt noch weiter erwärmt wird. In den in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Kühlräumen stellen sich somit unterschiedlich hohe Temperatu ren ein. Die Strömung des Isolierfluids kann sich im Rahmen der Erfindung auch passiv, also ohne Verwendung einer Umwälz pumpe einstellen.

Isoliermittel der Wicklungen sind beispielsweise die Leiter isolation eines Wicklungsleiters, die Abstandshalter, die Wicklungsringe und dergleichen, wobei diese Aufzählung kei nesfalls abschließend gemeint ist.

Zweckmäßigerweise bildet der Kern zwei Kernschenkel aus, die sich jeweils durch ein Gehäuse erstrecken, in dem wenigstens eine Wicklung angeordnet ist, wobei die Kernschenkel durch Joche miteinander verbunden sind und in jedem Gehäuse eine Unterspannungswicklung und eine Oberspannungswicklung kon zentrisch zueinander angeordnet sind. Bei dieser Ausführung des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts sind zwei Oberspan nungswicklungen vorgesehen, die jeweils einen Schenkel des Kerns umschließen und konzentrisch zu einer Unterspannungs- wicklung angeordnet sind. Die beiden Oberspannungswicklungen sind dabei vorteilhafterweise elektrisch in Reihe zueinander geschaltet. Dies gilt auch für Unterspannungswicklungen ent sprechend. Ein wicklungsfreier Rückführungsschenkel ist bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung nicht vorgesehen. Jeder Kernschenkel erstreckt sich durch ein Gehäuse, in dem die beiden Wicklungen paarweise angeordnet sind. Dabei sind in jedem Gehäuse zwei Kühlräume vorgesehen, in denen jeweils unterschiedliche Abschnitte einer oder mehrerer Wicklungen oder jeweils eine Wicklung angeordnet sind. In diesem Zusam menhang können die Kernschenkel auch mehrstückig ausgebildet sein. Bei einer bevorzugten Variante umfasst der Kern zwei U- förmig ausgebildete Kernteile, wobei die freien Schenkel der beiden Kernteile stirnseitig aneinander anliegen. Der Verbin dungssteg jedes U-förmigen Kernteils bildet jeweils ein Joch aus, das zwei Schenkelteile und somit die beiden Schenkel miteinander verbindet, so dass ein geschlossener Eisenkreis ausgebildet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Weiterentwick lung ist jede Oberspannungswicklung in einem Oberspannungs kühlraum und jede Unterspannungswicklung in einem Unterspan nungskühlraum angeordnet. Gemäß dieser Ausgestaltung der Er findung erstreckt sich jeder Kernschenkel durch ein Gehäuse mit einem Oberspannungskühlraum und einem Unterspannungskühl raum. In dem Oberspannungskühlraum eines jeden Gehäuses ist eine Oberspannungswicklung angeordnet. In dem Unterspannungs kühlraum ist die Unterspannungswicklung angeordnet. Wieder sind die Oberspannungswicklungen der beiden Kernschenkel zu einander in Reihe geschaltet. Dies gilt entsprechend für die Unterspannungswicklungen .

Zweckmäßigerweise weist jedes Gehäuse eine innere Gehäusewand und eine äußere Gehäusewand sowie eine die Kühlräume vonei nander trennende Zwischenwand auf. Das Gehäuse erstreckt sich zweckmäßigerweise in einer Längsrichtung und ist zylindrisch ausgebildet, wobei der Zylinder einen kreisförmigen oder polygonen Querschnitt aufweist. Die äußere Gehäusewand und die trennende Zwischenwand weisen vorteilhafterweise die gleiche Querschnittsform auf. So sind beispielsweise die äu ßere Gehäusewand und die Zwischenwand beide kreiszylindrisch ausgestaltet, wobei der Durchmesser der äußeren Gehäusewand selbstverständlich größer ist als der Durchmesser der Zwi schenwand. Die innere Gehäusewand weist vorteilhafterweise ebenfalls die gleiche Gestalt auf, wie die Zwischenwand und die äußere Gehäusewand.

Die Kühlräume eines Gehäuses können im Rahmen der Erfindung miteinander verbunden sein. Abweichend davon sind die Kühl räume fluiddicht voneinander getrennt. Mit anderen Worten kann Isolierfluid aus dem einen Kühlraum nicht direkt in den zweiten Kühlraum gelangen. Dies ist bei einer vollständigen Kapselung nur mit Hilfe eines Rohr- oder Leitungssystems mög lich, die erwärmtes Isolierfluid aus dem Gehäuse abgeführt und abgekühltes Isolierfluid wieder zuführt. Das Rohr- oder Leitungssystem weist vorteilhafterweise eine Pumpe auf, die das Isolierfluid über die Gehäuse umwälzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jede äußere Gehäusewand aus einem elektrisch nicht leitenden Mate rial gefertigt. Das Material kann ein geeigneter faserver stärkter Kunststoff sein, welcher elektrisch isolierende Ei genschaften aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verfügt jedes Gehäuse über eine Gehäusewand, die in einer Quer- schnittsansicht als Rechteck mit abgerundeten Ecken ausge staltet ist. Das Rechteck mit abgerundeten Ecken wird im Sin ne der Erfindung ebenfalls als Zylinder bezeichnet. Zweckmä ßigerweise bildet auch die Zwischenwand ein Rechteck mit ab gerundeten Ecken aus. Dies gilt bei einer Variante auch für die innere Gehäusewand. Aufgrund der vom Kreiszylinder abwei chenden Ausgestaltung des Gehäuses, ist dessen Innenvolumen an die Außenkontur des Kerns angepasst und somit optimiert. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verfügt jedes Gehäuse über eine obere und untere Gehäuseplatte, die über Zugelemente miteinander verspannt sind. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist eine besonders einfache Konstruktion bereitgestellt, die Kostenvorteile mit sich bringt .

Das erfindungsgemäße elektrische Gerät ist beispielsweise ein Transformator, insbesondere Bahntransformator oder eine Dros sel .

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile verweisen und wobei

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts in einer Seitenansicht und

Figur 2 eine Querschnittsansicht eines Kernschenkels mit dem diesen umschließenden Gehäuse und den darin angeordneten Wicklungen verdeutlichen.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1 in einer Seitenansicht. Das als Trans formator 1 ausgeführte elektrische Gerät verfügt über einen Kern 2, der zwei Kernschenkel 3 und 4 aufweist, die sich je weils durch ein Gehäuse 5 und 6 erstrecken. Dabei sind die Kernschenkel 3 und 4 durch ein oberes 7 und unteres Joch 8 miteinander verbunden, so dass ein geschlossener Magnetkreis geschaffen ist. Der Kern 2 besteht erfindungsgemäß aus einem magnetisierbaren Material. Vorteilhafterweise ist der Kern als so genannter Wickelkern ausgeführt, der aus mehreren Wicklungs- oder Elektrobändern besteht, die aneinander anlie- gen. Dabei sind die Elektrobänder beispielsweise kornorien tierte Elektrobleche oder bestehen aus einem amorphen Materi al. Gewickelte Kerne sind jedoch grundsätzlich bekannt. Abweichend davon besteht der Kern aus aneinander anliegenden Eiektroblechen .

In jedem Gehäuse 5 beziehungsweise 6 sind eine in Figur 1 nicht sichtbare Unter- und Oberspannungswicklung angeordnet, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und den jeweili gen Kernschenkel 3 beziehungsweise 4 vollumfänglich umschlie ßen. Dabei ist die Oberspannungswicklung, die den Kern 3 um schließt, in Reihe zu der Oberspannungswicklung geschaltet, die den Kernschenkel 4 umschließt. Entsprechendes gilt für die jeweiligen Unterspannungswicklungen. Die Gehäuse 5 und 6 verfügen an jeder Stirnseite über eine obere Gehäusedeckel platte 9 sowie eine untere Gehäusedeckelplatte 10, die fluid dicht an der äußeren Gehäusewand 11 sowie der in Figur 1 nicht sichtbaren Gehäuseinnenwand anliegen, so dass ein fluiddicht gekapseltes Gehäuse 5 beziehungsweise 6 bereitge stellt ist. Die obere und untere Verschlussplatte sind über Zugelemente 12 miteinander verspannt. Die Zugelemente 12 sor gen auch für ein Verspannen der in den Gehäusen 5 und 6 ange ordneten Wicklungen, die ebenfalls zwischen den Verschluss platten 9 beziehungsweise 10 angeordnet ist. Zum Erzeugen der notwendigen Spannkraft verfügen die Zugelemente 12 an ihren freien Enden jeweils über ein Gewinde sowie über eine auf das besagte Gewinde aufschraubbare Mutter 13. Die freien Enden durchragen jeweils eine der Verschlussplatten, so dass diese durch Aufschrauben der Mutter 13 aufeinander zu bewegt werden können, bis die notwendige Spannkraft erreicht ist.

Figur 2 zeigt das Gehäuse 6 gemäß Figur 1 in einer geschnit tenen Querschnittsansicht. In dieser Darstellung ist erkenn bar, dass das Gehäuse 6 eine äußere Gehäusewand 11 sowie eine innere Gehäusewand 14 aufweisen. Ferner ist eine Zwischenwand 15 erkennbar, die einen ersten Kühlraum 16 von einem zweiten Kühlraum 17 trennt. Eine Unterspannungswicklung 18 ist kon zentrisch zu einer Oberspannungswicklung 19 angeordnet, die beide den Kernschenkel 4 umschließen. Das Gehäuse 6 und somit die Kühlräume 16 und 17 sind fluiddicht mit der oberen und unteren Gehäusedeckelplatte 9 und 10 verbunden, so dass die Kühlräume 16 und 17 fluiddicht voneinander getrennt sind.

Aufgrund der im Vergleich zur Oberspannungswicklungen höhere Ströme, die in der Unterspannungswicklung 18 fließen, und der größeren Nähe zum Kernschenkel 6 sind die Temperaturen des Isolierfluids, in diesem Fall eine Esterflüssigkeit, im Un terspannungskühlraum 17 höher als im ersten Oberspannungs kühlraum 16. Die Unterspannungswicklung 18 ist daher mit Iso liermitteln, beispielsweise elektrisch nicht leitenden Ab standshaltern, Leiterisolation und dergleichen, ausgerüstet, die für höhere Temperaturen ausgelegt und einer anderen ther mischen Klasse zugeordnet sind. Die Temperatur des Isolier fluids im Oberspannungskühlraum 16 ist jedoch im Vergleich mit den Temperaturen des Isolierfluids im zweiten Kühlraum 17 geringer. Daher kann die Oberspannungswicklung mit Isolier mitteln ausgestattet werden, die für geringere Maximaltempe- raturen ausgelegt sind. Diese sind somit kostengünstiger. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Kosten des elektri schen Geräts 1 herabzusetzen.

Sowohl die äußere Gehäusewand 11 als auch die innere

Gehäusewand 14 und die Zwischenwand 15 weisen jeweils im Querschnitt eine rechteckige Struktur mit abgerundeten Ecken auf .

Claims

Patentansprüche

1. Elektrisches Gerät (1) zum Anschließen an eine Hochspan nungsleitung mit

- wenigstens einem mit einem Isolierfluid befüllten Gehäu se (5,6),

- einem luftgekühlten magnetisierbaren Kern (2), der we nigstens einen Kernschenkel (3,4) ausbildet,

- wenigstens zwei den Kernschenkel (3,4) umschließenden Wicklungen (18,19), die in jedem Gehäuse (5,6) angeord net sind,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

zumindest ein Gehäuse (5,6) mehrere Kühlräume (16,17) ausbil det, wobei in jedem Kühlraum (16,17) eine Wicklung (18,19) zumindest teilweise angeordnet ist.

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 Kern (2) zwei Kernschenkel (3,4) ausbildet, die sich je weils durch ein Gehäuse (5, 6) erstrecken, wobei die Kern schenkel (3,4) durch Joche (7,8) miteinander verbunden sind, wobei in jedem Gehäuse (5,6) eine Unterspannungswicklung (18) und eine Oberspannungswicklung (19) konzentrisch zueinander 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 Oberspannungswicklung (19) in einem Oberspannungskühl raum (16) und jede Unterspannungswicklung (18) in einem Un terspannungskühlraum (17) angeordnet ist.

4. 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

jedes Gehäuse (5,6) eine innere Gehäusewand (14) und eine äu ßere Gehäusewand (11) sowie eine Kühlräume (16,17) voneinan der trennende Zwischenwand (15) aufweist.

5. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jede äußere Gehäusewand (11) aus einem elektrisch nicht lei tenden Material hergestellt ist.

6. 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 jedes Gehäuse (5,6) über eine Gehäusewand (11,14) verfügt, die ein Rechteck mit abgerundeten Ecken ausgebildet.

7. 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 jedes Gehäuse (5, 6) eine obere und eine untere Gehäuseplatte (9,10) aufweist, die über Zugelemente (12) miteinander ver spannt sind.