CN103688322A - 干式变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于移动式应用的干式变压器(70,90)，所述干式变压器包括变压器芯(86,92)和至少一个径向内部的中空柱状的第一绕组段(34,54)和至少一个径向外部的中空柱状的第二绕组段(32,58)，所述第一绕组段和第二绕组段围绕共同卷绕轴卷绕并且由所述变压器芯(86,92)穿过，所述第一绕组段和第二绕组段彼此嵌套并且在径向上彼此隔开，从而在所述第一绕组段和第二绕组段之间形成中空柱状的冷却通道(10,60,62)。为了所述隔开而设有间隔元件(24,26,28,40,42)，所述间隔元件如此布置，使得在轴向方向上冷却剂能够流过所述冷却通道(10,60,62)。所述间隔元件(24,26,28,40,42)沿着所述冷却通道(10,60,62)的径向周边、在所述冷却通道的轴向长度上如此形成和布置，使得能够在所述至少一个第二绕组段(32,58)的至少一个支承面(44)上均衡该水平变压器的成比例的重量，而没有发生所述冷却通道(10,60,62)的变形。

Description

干式变压器
技术领域
本发明涉及一种用于移动式应用的干式变压器，所述干式变压器包括：变压器芯和至少一个径向内部的中空柱状的第一绕组段和至少一个径向外部的中空柱状的第二绕组段，所述第一绕组段和第二绕组段围绕一个共同卷绕轴卷绕并且由变压器芯穿过，所述第一绕组段和第二绕组段彼此嵌套并且在径向上彼此隔开，从而在它们之间形成中空柱状的冷却通道，其中，为了所述隔开而设有间隔元件，所述间隔元件如此布置，使得冷却剂能够在轴向方向上流过冷却通道。
背景技术
众所周知，相应的有线供电网可供传输电能使用。根据待传输的电功率，所述供电网例如具有380kV、110kV或者10kV的标称电压，其中，典型情况下使用50Hz或者60Hz的网络频率。用于给固定用电器供电的供电网典型情况下构造为三相的，因此具有三个供电线路的系统可供使用，在所述三个供电线路中，在对称状态下，在彼此之间相移分别为120°时，电流和电压在数值上相等。
用于移动式用电器（例如铁路或者电车）的能量供应系统典型情况下单相构造，也就是说，经由单个供电线路进行供电，其中然后经由金属轨道实现回线。在无轨电车的情况下，由于不存在可以用作回路导体的轨道，通常设置两个供电线路。在这种应用中，网络频率通常是、至少在欧洲是16 2/3赫兹，在一些情况下（如S-有轨电车的情况下），也个别使用直流电压。
为了对从10kV到15kV的典型交流供给电压进行变压，设置移动式变压器，所述移动式变压器然后例如被集成到旅客列车的地板下区域（Unterflurbereich）中。
由于地板下布置，所述移动式变压器尤其在高度方面只有很有限的空间可供使用并且大多情况下被实现为油浸变压器。在此，油一方面被用作冷却剂，用于导出在运行中产生的废热，又被用作绝缘剂，通过所述绝缘剂能够实现更小的绝缘间距并因此实现紧凑的构型。
然而，在此缺点是，出于机械原因，这种变压器大多情况下只可以被直立地布置，但这与在地板下区域中扁平的空间相悖。此外，出于安全原因，如有可能，在交通工具中应避免作为可燃介质的油。在这种情况下，尤其弃用油的冷却效果。
发明内容
基于现有技术状况，本发明的任务是说明一种用于移动式应用的要尽可能灵活布置的干式变压器。
所述任务通过一开始提到的类型的干式变压器来解决。所述干式变压器的特征在于，间隔元件沿着冷却通道的径向周边、在冷却通道的轴向长度上如此形成和布置，使得能够在所述至少一个第二绕组段的至少一个支承面上均衡(abtragen)该水平变压器的成比例重量，而没有发生冷却通道的变形或者由冷却通道构成的扩散通道的变形。
通过弃用油作为将运行中所产生的废热例如导出至热交换器的冷却剂，可以设置一种替代的冷却系统，所述冷却系统不用油而是优选借助空气工作。由于空气的热容量较低，因此根据本发明设置变压器绕组与冷却介质的显著增大的接触面积。此外，例如借助鼓风机来增大冷却剂通过量是有利的。
这尤其通过如下冷却通道来实现，所述冷却通道设置在彼此嵌套的中空柱状的绕组段之间。所述冷却通道一方面用于影响根据本发明的干式变压器的短路阻抗，即也可以被视为扩散通道（只要它们布置在两个电隔离的绕组段之间）。另一方面，所述冷却通道用于从内部冷却变压器绕组。即根据本发明规定，允许冷却剂、尤其是空气强制流过所述冷却通道。空气提供以下优点：加热的空气可直接排放到环境中而无需附加的热交换器。根据本发明，为了增大冷却面积还可选地设置其他冷却通道，例如设置在多个串联连接的绕组段之间，所述多个串联连接的绕组段构成低电压绕组或高电压绕组。然而，由此根据本发明的干式变压器所需的空间需求相比类似的油浸变压器增大。
因此，根据本发明规定，水平布置变压器，使得这些绕组的卷绕轴因此在水平面内延伸。由此实现变压器的特别扁平且更确切地说更加二维的结构类型，该结构类型迎合在地板下区域中可供使用的平坦的但更确切地说大面积的空间提供。
通过由绝缘材料制成的间隔元件来提供对中空柱状绕组段的隔开，通过所述间隔元件至少主要在相对于卷绕轴径向的方向上提供支撑。这种类型的干式变压器的根据现有技术的安装是竖直的。这一方面具有冷却技术的原因，即这样的话沿卷绕轴延伸的冷却通道然后能够通过自然的冷却来操作，其方式是，环境空气自下而上流过这些冷却通道。但这另一方面也是机械上所需的。即在竖直的布置中，变压器置于其变压器芯的下侧上，因此变压器的整个重量（例如500kg至1000kg）能够直接通过变压器芯的支承面均衡到支撑面上。布置在变压器芯的支腿上的绕组因此直立定向，并且因此主要在卷绕轴的方向上遭受重力。在变压器的直立定向上没有发生在绕组中在相对于卷绕轴的径向方向上的力负载（Kraftbeanspruchung）。
由于在径向方向上典型情况下不存在的或者仅仅微小的力负载，现有技术的干式变压器的冷却通道的支撑元件也相应地没有设计用于这种类型的径向力负载。然而，根据本发明规定，使干式变压器能够水平地布置在其绕组的相应的支承面上或至少能够安放在其上。即使干式变压器在地板下区域中主要固定在其变压器芯的侧上，使得变压器的重量实际上无需通过绕组来均衡，因此所述变压器组的具有例如2米的长度的变压器芯如此长，使得由重力决定地实现变压器芯的弯曲。因此，即使在这种情况下根据本发明应加强绕组，以便接收增大的径向作用的力，从而抵消弯曲。
为了在绕组的外表面的相应支承面上实现干式变压器的根据本发明的水平布置，相应的绕组也能够相应地被加强用于接收径向的力负载。因此，根据本发明规定，相应地使间隔元件在对于变压器的特定的水平布置位置关键的区域中的布置变密集，使得在干式变压器水平放置的情况下，也不超过间隔元件的每个基本面积的最大压应力。作为绝缘材料（例如玻璃纤维增强的复合材料或层压纸板）的替代物，只要冷却通道位于例如400V的低电压绕组的多个段之间，也可考虑根据所述冷却通道上的电压比例来将金属——例如块状铝型材——用于间隔元件。在这种情况下，由于低的电压负载而不要求间隔元件的绝缘能力，相反地，绝缘能力已经由绕组导体的常规绝缘（die übliche Isolation） 来承担。根据本发明的具有两个支腿芯的变压器的典型结构尺寸例如具有：1.5m-2.5m的长度、0.75m的高度以及1.5m的宽度。
根据本发明的干式变压器通过有利的方式避免了对油的使用，但仍然有相应的冷却可能性。此外，所述干式变压器通过其以扁平结构类型的水平布置来实现，使得它能够简单地集成到机车或者火车的地板下区域中。通过在冷却通道中选择性地放大间隔元件或者使间隔元件变密集，对于变压器的水平放置实现一个/多个绕组的相应稳定性，以便向下均衡变压器的整个重量。
按照根据本发明的干式变压器的另一种扩展方案，至少一个第二绕组段恰恰具有相应的优选支承面，仅仅通过所述优选支承面就能够均衡水平变压器的成比例重量，而没有发生冷却通道的变形。干式变压器然后具有特定的水平优选位置。因此，能够仅仅针对优选位置来放大间隔元件或使间隔元件变密集，使得用于放大的耗费减小到最小值。
因此，按照另一发明变型方案，这些间隔元件在相对于相应支承面的径向方向上密集地布置，使得在冷却通道的相应区域中得到增大的径向抗压能力。原则上在间隔元件的材料给定的情况下存在以下可能性：或者以彼此较小的间隔布置、即密集地布置相应的区域，或者相应地增大间隔元件的宽度或者接触面积。
遵循本发明的另一种实施方式，间隔元件形成为条状的或通道状的，并且优选沿着卷绕轴延伸。由此，中空柱状的冷却通道划分为多个流动技术上有利地在轴向方向上走向的冷却通道。因此，通过有利的方式使冷却效果得到改善和均匀化。
根据本发明的另一种实施方式，间隔元件形成为点状的支撑元件。这一方面提供制造技术的优点，其中，例如在相对于轴向方向相应地对角错开地布置点状支撑元件的情况下同样实现改善的冷却效果。点状支撑元件例如具有圆形的平面图，例如具有4cm的直径和同样是4cm的高度(视扩散通道或者冷却通道的所期望的设计而定)。
按照干式变压器的另一种根据本发明的扩展方案，设置嵌套在相应的第一绕组段和第二绕组段之间的中空柱状的相应第三绕组段，其中，在这些相应绕组段之间分别设置冷却通道。优选地，设置至少一个径向内部的第一绕组段和至少一个径向外部的第二绕组段用于低电压，并且设置至少一个径向中间的第三绕组段用于高电压。通过在两个低电压绕组、例如具有0.4kV的标称电压的低电压绕组之间非典型地布置高电压绕组、即例如具有15kV的标称电压的高电压绕组，以有利的方式增大变压器的短路阻抗，这然后在故障情况下导致减小的短路电流。径向内部的绕组例如设置用于列车供暖装置的供电，而径向外部的绕阻然后设置用于驱动装置的供电。
根据本发明的一种优选的实施方式，变压器芯具有恰恰两个支腿，至少一个第一绕组和至少一个第二绕组分别围绕所述两个支腿布置。所述两支腿的实现尤其在考虑有轨电车供电网的单相情况下有利。相应的高电压绕组和低电压绕组在两个支腿上的划分导致更充分地利用可供使用的空间，并且因此导致根据本发明的变压器的尽可能紧凑的结构类型。
根据干式变压器的一个优选的扩展变型方案，干式变压器布置在包围其的壳体中，所述壳体具有进口和出口，其中，在壳体内设置空气导流板，所述空气导流板如此布置，使得通过进口进入的冷却剂沿着嵌套的相应绕组段蜿蜒地通过壳体或者冷却通道或者在冷却通道中构成的扩散通道而导向出口。壳体一方面提供对变压器的机械保护，这尤其在布置在地板下区域中时有利。引导冷却空气沿着由空气导流板所确定的通道、优选通过冷却通道或者扩散通道改善了冷却效果。通过沿着相应绕组段蜿蜒地引导冷却空气，尤其对于具有两个嵌套的绕组段的变型方案实现了：进口和出口是在变压器壳体的同一侧上。这使得这样的变压器的由维护决定的安装或者拆除变得容易。优选地，设置鼓风机，以便挤压冷却空气通过绕组段。
在另一个发明变型方案中，以例如由铝制成的轻质结构类型来制造壳体以及在壳体中所使用的保持结构——例如用于变压器芯的压杆。由此，通过有利的方式减小了变压器的重量，这尤其基于变压器的所设置的移动式运用——例如在轨道车辆中的运用——特别有利。
优选地，设置抑制振动且匹配相应支承面的形状的支撑元件，通过所述支撑元件将干式变压器支撑和/或固定在支承面上。通过使例如楔状的和例如由硬化橡胶制成的支撑元件匹配相应支承面的外部形状，来确保支承面的均匀的压力负荷。基于支撑元件的抑制振动的特性，不仅抑制运行中的变压器的例如16 2/3Hz的本征振动，而且抑制通过例如变压器集成在其中的机车的运动引起的冲击效果。
遵循根据本发明的干式变压器的一种优选的实施方式，彼此嵌套的绕组段浇铸在一起。这增大绕组的电部分的机械稳定性，并且通过有利的方式来提高相应的抗压能力（Druckbeanspruchbarkeit）。绕组的浇铸或者加固例如借助环氧树脂来实现。必要时，也可将带状预浸料用作相应绕组层之间的层绝缘，所述带状预浸料在卷绕匝时引入。在随后的加热工艺中加热变压器绕组，并且完全聚合包含在预浸料中处于B状态的树脂，这然后导致相应绕组的机械稳定。
根据本发明，在一种变型方案中规定，相应的第一绕组段、相应的第二绕组段和/或相应的第三绕组段彼此电连接。这不仅能够借助串联电路来实现，而且能够借助并联电路来实现。优选地，高电压绕组串联连接用于减小电压负载，并且低电压绕组并联连接用于增大电流负载能力。根据本发明的变压器典型情况下包括两支腿芯，其具有各两个彼此嵌套的绕组装置。显然，也可能的是，例如将在同一绕组装置中彼此嵌套的多个相应的第一绕组段、第二绕组段和/或第三绕组段串联连接。
此外，根据本发明还规定，至少一个第一绕组段和至少一个第二绕组段电串联连接，使得形成自耦变压器。所述自耦变压器可选地具有多个抽头，并且其特征在于特别高的功率密度。
其他有利的扩展可能性从其他从属权利要求中得出。
附图说明
根据附图中所示的实施例详细描述本发明、其他实施方式和其他优点。
图1示出示例性的中空柱状的冷却通道的剖面；
图2示出示例性彼此嵌套的绕组段的第一剖面；
图3示出示例性彼此嵌套的绕组段的第二剖面；
图4示出示例性的第一干式变压器的剖视图;
图5示出示例性的第二干式变压器的剖视图。
具体实施方式
图1示出示例性的中空柱状的冷却通道的剖面10，其中，未示出径向内部和外部的相邻绕组段。在径向外边界12和径向内边界14之间构成中空柱状的冷却通道，在所述冷却通道中在径向方向上布置条状的间隔元件24、26、28，所述间隔元件沿着绕组的轴延伸。所述间隔元件例如由玻璃纤维增强的复合材料或层压纸板制成。由此，在这些间隔元件24、26、28之间沿着轴向延伸构成通道16、18、20、22，根据本发明，所述通道设置为用于流过空气的冷却通道。在其期望定向上示出冷却通道，其中，在下方区域中更密集地、即以彼此更小的间隔来布置间隔元件24、26、28。因此，冷却通道在其下方区域中的抗压能力增大，使得由此能够均衡未示出的变压器或者变压器芯的重量，而没有发生冷却通道的变形或者由冷却通道所构成的扩散通道的变形。
图2示出示例性彼此嵌套的绕组段32、34的第一剖面30，所述绕组段在这种情况下具有近似矩形的横截面。这样的横截面形状有利于增大填充因子或者最大地利用在铁路车辆或机车的地板下区域中有限的空间提供。第一绕组段34和第二绕组段32的径向隔开通过条状的间隔元件40、42来实现，其中，在第一绕组段34和第二绕组段32之间构成相应的冷却通道36、38。彼此嵌套的绕组段在其期望定向上示出，即水平的，其中，在下方区域中示出支承面44。为了增大彼此嵌套的绕组段在径向方向上相对于支承面44的抗压能力，相应地使这些间隔元件在下方区域中的分布密集。
图3示出彼此嵌套的绕组段54、56、58的第二剖面，所述绕组段在这种情况下具有类似圆形的横截面。在绕组段54、56、58之间构造用作冷却通道的冷却通道60、62，其中，在图示中未示出设置在其中的间隔元件。径向内部的第一绕组段54包围变压器芯支腿52并且电方面看是低电压绕组，例如用于列车供暖装置的400V供电。径向中间的第三绕组段是高电压绕组，例如15kV的绕组，所述高电压绕组由有轨电车电源的架空线馈电。径向外部的第二绕组58是低电压绕组，并且例如给未示出的机车的电驱动装置供电。
图4示出示例性的第一干式变压器的横截面视图70。水平布置在铝壳体72中的是两支腿变压器芯86，所述两支腿变压器芯在其每一个支腿上由彼此嵌套的绕组段82、84的相应的装置包围。各三个中空柱状的绕组段彼此嵌套，其中，在所述绕组段之间在径向上设置相应的中空柱状的冷却通道或扩散通道。在彼此嵌套的绕组段的装置的相应的下方区域中设置楔状的并且与径向外部的绕组段的支承面的外轮廓匹配的、由硬化橡胶材料制成的支撑元件78，通过所述支撑元件成比例地向下均衡绕组和变压器芯的重量。支撑元件在其侧布置在相应的中间元件76——例如铝条的中间元件上。在上方的区域中，设置从形状上相似的相应阻尼元件88，所述阻尼元件能够实现绕组82、84或者变压器在壳体72中的固定，然而，所述阻尼元件显然不用于均衡重量。绕组装置82、84之间的空气导流板74用于形成用于冷却剂的相应导向通道，所述导向通道沿着绕组段延伸。壳体的尺寸例如在高度方面是0.7m，在宽度方面是1.6m，而在长度方面是2.4m。通过水平的布置，尽管由冷却通道决定的增大的空间需求，还是能够实现在铁路车辆的地板下区域中的布置。
图5示出示例性的第二干式变压器的剖视图90。所述第二干式变压器基本上相应于图4所示的干式变压器，但以俯视透视图示出。水平布置在壳体112中的是两支腿变压器芯92，所述两支腿变压器芯在其两个支腿上由彼此嵌套的中空柱状的绕组段94、96包围。壳体112具有进口98和出口100，其中，借助空气导流板106、108、110来确保将进入的空气102蜿蜒地引导通过壳体。利用未示出的鼓风机引入的空气在以相应的箭头所指示的方向上流经内壳时变热，并且然后在排出口100处作为加热的空气流104重新排出。
参考标记列表
10示例性的中空柱状的冷却通道的剖面
12 冷却管道的径向外边界
14 冷却管道的径向内边界
16 第一冷却通道段
18 第二冷却通道段
20 第三冷却通道段
22 第四冷却通道段
24 冷却通道的第一间隔元件
26 冷却通道的第二间隔元件
28 冷却通道的第三间隔元件
30 彼此嵌套的绕组段的第一剖面
32 径向外部的第二绕组段
34 径向内部的第一绕组段
36 嵌套的绕组段的第一冷却通道段
38 嵌套的绕组段的第二冷却通道段
40 第一间隔元件
42 第二间隔元件
44 支承面
50 彼此嵌套的绕组段的第二剖面
52 变压器芯支腿
54 第一绕组段
56 第三绕组段
58 第二绕组段
60 第一冷却通道
62 第二冷却通道
70 示例性的第一干式变压器的剖视图
72 壳体
74 第一空气导流板
76 中间元件
78 支撑元件
80 空气通道
82 彼此嵌套的第一绕组段
84 彼此嵌套的第二绕组段
86 变压器芯磁轭
88 阻尼元件
90 示例性的第二干式变压器的剖视图
92 变压器芯
94 彼此嵌套的第一绕组段
96 彼此嵌套的第二绕组段
98 进口
100 出口
102 进入的空气
104 流出的空气
106 第二空气导流板
108 第三空气导流板
110 第四空气导流板
112 壳体。

Claims (13)

1. 一种用于移动式应用的干式变压器(70,90)，所述干式变压器包括变压器芯(52,86,92)和至少一个径向内部的中空柱状的第一绕组段(34,54)和至少一个径向外部的中空柱状的第二绕组段(32,58)，所述第一绕组段和第二绕组段围绕共同卷绕轴卷绕并且由所述变压器芯(86,92)穿过，所述第一绕组段和第二绕组段彼此嵌套并且在径向上彼此隔开，使得在所述第一绕组段和第二绕组段之间形成中空柱状的冷却通道(10,60,62)，其中，为了所述隔开而设有间隔元件(24,26,28,40,42)，所述间隔元件如此布置，使得在轴向方向上冷却剂能够流过所述冷却通道(10,60,62)，其特征在于，
所述间隔元件(24,26,28,40,42)沿着所述冷却通道(10,60,62)的径向周边、在所述冷却通道的轴向长度上如此形成和布置，使得能够仅仅在所述至少一个第二绕组段(32,58)的恰好一个优选支承面(44)上均衡该水平干式变压器的成比例的重量，而没有发生所述冷却通道(10,60,62)的变形。
2. 根据权利要求1所述的干式变压器，其特征在于，所述间隔元件(24,26,28,40,42)在径向方向上相对于相应的支承面(44)密集地布置，使得在所述冷却通道(10,60,62)的相应区域中得到增大的径向抗压能力。
3. 根据权利要求1或2所述的干式变压器，其特征在于，所述间隔元件(24,26,28,40,42)形成为条状的或通道状的，并且优选沿着所述卷绕轴延伸。
4. 根据以上权利要求中任一项所述的干式变压器，其特征在于，所述间隔元件(24,26,28,40,42)形成为点状的支撑元件。
5. 根据以上权利要求中任一项所述的干式变压器，其特征在于，设置嵌套在相应的第一绕组段(34,54)和第二绕组段(32,58)之间的相应的中空柱状的第三绕组段(56)，其中，在这些相应的绕组段(32,34,54,56,58)之间分别设置冷却通道(10,60,62)。
6. 根据权利要求6所述的干式变压器，其特征在于，设置至少一个径向内部的第一绕组段(34,54)和至少一个径向外部的第二绕组段(32,58)用于低电压，并且设置至少一个径向中间的第三绕组段(56)用于高电压。
7. 根据以上权利要求中任一项所述的干式变压器，其特征在于，所述变压器芯(52,86,92)具有恰恰两个支腿(52)，至少一个第一绕组段(34,54)和至少一个第二绕组段(32,58)分别围绕所述两个支腿布置。
8. 根据以上权利要求中任一项所述的干式变压器，其特征在于，所述干式变压器布置在包围其的壳体(72,112)中，所述壳体具有进口(98)和出口(100)，其中，在所述壳体(72,112)内设置空气导流板(74,106,108,110)，所述空气导流板如此布置，使得通过所述进口(98)进入的冷却剂沿着相应的嵌套的绕组段(30)被蜿蜒地引导通过所述壳体(72,112)或者所述冷却通道(10,60,62)或者在所述冷却通道中构成的冷却通道(16,18,20,22,36,38)至所述出口。
9. 根据权利要求9所述的干式变压器，其特征在于，以轻质结构类型来制造所述壳体(72,112)以及所述壳体中使用的保持结构。
10. 根据以上权利要求中任一项所述的干式变压器，其特征在于，设置抑制振动且与相应的支承面(44)的形状的匹配的支撑元件(78)，通过所述支撑元件将所述干式变压器支撑和/或固定在所述支承面(44)上。
11. 根据以上权利要求中任一项所述的干式变压器，其特征在于，彼此嵌套的绕组段(30)浇铸在一起。
12. 根据以上权利要求中任一项所述的干式变压器，其特征在于，相应的第一绕组段(34,54)、相应的第二绕组段(32,58)和/或相应的第三绕组段(56)彼此电连接。
13. 根据权利要求1至12中任一项所述的干式变压器，其特征在于，所述至少一个第一绕组段(34,54)和所述至少一个第二绕组段(32,58)电串联连接，使得构成自耦变压器。
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