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1. WO2007003537 - TAP CHANGER

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Stufenschalter

Die Erfindung betrifft einen mit einer Isolierflüssigkeit gefüllten Stufenschalter und Einrichtungen zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenschwankungen dieser Isolierflüssigkeit .

Die Erfindung ermöglicht einen hermetischen Abschluss des

Schaltergefäßes und damit eine deutliche Reduzierung der Alterung des Schalteröles.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht wei-terhin den Verzicht auf Luftentfeuchter, externes Ausdehnungsgefäß und zugehörige Rohrleitungen. Des Weiteren löst die Erfindung das Problem der Gasansammlung in der Rohrleitung zum Ausdehnungsgefäß von hermetisch abgeschlossenen Schaltern.

Stufenschalter der oben genannten Art kommen vorwiegend in Leistungstransformatoren zum Regeln der Spannung unter Last zum Einsatz. Im Betrieb kommt es durch Erwärmung der Über-schaltwiderstände, Wärmeabgabe durch das den Schalter und sein Gefäß umgebende Isolier- und Kühlmedium des Transformators und weitere Einflüsse zu erheblichen Temperaturschwankungen. Diese bewirken wesentliche Änderungen des Volumens der Isolierflüssigkeit des Stufenschalters. Weiterhin kommt es durch Schaltlichtbögen und / oder Aufheizen der Über-schaltwiderstände zur thermischer Zersetzung von Isolierflüssigkeit und daraus resultierender Gasentwicklung. Diese Gase steigen auf Grund ihrer geringeren Dichte nach oben und müssen durch geeignete Maßnahmen abgeführt werden.

Stand der Technik ist die Verwendung von über dem Transformator angebrachten Ausdehnungsgefäßen, welche über eine geneigte Rohrleitung mit dem Schalter verbunden werden.
Über diese Rohrleitung erfolgt sowohl der Fluss der Isolier-flüssigkeit bei thermisch bedingten Volumenänderungen, als auch der Abtransport der Gase.

Bekannt ist die Verwendung eines gemeinsamen Ausdehnungsgefäßes für den Transformator und den Schalter, dabei kommt es jedoch zu einer Mischung der Isolierflüssigkeiten. Deshalb wird zurzeit überwiegend ein Zweikammerausdehnungsgefäß eingesetzt. Solche Ausdehnungsgefäße sind zum Beispiel in
DE19527763C2 beschrieben.

Nachteil dieser Ausdehnungsgefäße ist der Kontakt der Ölober-fläche mit der Außenluft, was die Verwendung von so genannten Luftentfeuchtern erfordert. In diesen Luftentfeuchtern wird die Luft über ein Trocknungsmittel geführt und hierbei entfeuchtet. Die Adsorptionsfähigkeit des Trocknungsmittels (Hygroskopizität) wird hierbei aufgebraucht und das Trocknungsmittel muss regelmäßig erneuert werden. Die periodisch notwendigen Sichtprüfungen sowie der regelmäßige Austausch des Trocknungsmittels, insbesondere in Gegenden mit hoher Luftfeuchtigkeit, stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar (Empfohlener Wartungsintervall: 3 Monate) . Diese Luftentfeuchter bieten des Weiteren keinen sicheren Abschluss gegen die Aufnahme von Feuchtigkeit und Sauerstoff durch die Isolierflüssigkeit, insbesondere bei schneller Abkühlung des Transformators .

In DE10010737A1 wird ein hermetisch abgeschlossener Transformator beschrieben, welcher zum Volumenausgleich einen dehnbaren Radiator vorsieht. Die Verwendung eines solchen Radiators zur Kompensation der Volumenausdehnung der Isolierflüssigkeit des Schalters erfordert einen erheblichen Aufwand und bringt Probleme bei der Abführung von Gasen aus dem Schaltergefäß. Für die Ausdehnung der Isolierflüssigkeit von Transformatoren sind Ausdehnungsgefäße bekannt, welche in der Hauptkammer eine Membran zur Trennung der Isolierflüssigkeit von der Umgebungsluft verwenden. Ein solches ist in DE3206368 beschrieben. Diese Ausdehnungsgefäße bieten zwar einen sicheren Ab-schluss der Isolierflüssigkeit von der Umgebungsluft, benöti-gen aber dennoch einen Luftentfeuchter, was mit den bereits erwähnten Nachteilen verbunden ist. Weiterhin führt der Kontakt mit der Umgebungsluft zur Alterung der Membran und bedingt somit technische Unsicherheiten.

Bekannt ist weiterhin der Einsatz von Gaspolstern direkt unter dem Deckel von Transformatoren (DE710389) . Diese Lösung bietet jedoch keine Möglichkeit der Abtrennung von Schadgasen vom Gaspolster.

In DE10224074A1 ist eine Anordnung für die in den Stufenschalter führende Rohrleitung beschrieben, welche ein Labyrinthsystem zur Vermeidung des Strömens von Gasen zum Ausdehnungsgefäß nutzt.

Dieses System bietet aber weder einen hermetischen Abschluss des Schalters, noch kann es das Eindringen von Gasen in die Rohrleitung vollständig verhindern. Auch die aufwändige Rohr-leitungs- anordnung zum Ölausdehnungsgefäß bleibt erforderlich.

Aus DE3504916C2 ist weiterhin ein Ausdehnungsgefäß bekannt, welches direkt auf dem Stufenschalterkopf montiert wird. Diese Lösung benötigt ebenfalls einen Luftentfeuchter, was die bekannten bereits eingangs genannten Nachteile zur Folge hat.

Ein hermetischer Abschluss lässt sich auch damit nicht erzielen.

Die im Folgenden beschriebene Erfindung ermöglicht eine Kom-pensation der Änderung des Volumens der Isolierflüssigkeit beim Betrieb des Schalters, bei Vermeidung der oben genannten Nachteile .

Die vorliegende Erfindung nutzt zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenschwankungen der Isolierflüssigkeit des

Schalters ein Gaspolster. Dieses Gaspolster wird erfindungsgemäß in das Schaltergefäß integriert. Das Schaltergefäß wird sowohl zur Atmosphäre als auch zum Isoliermedium des Transformators hermetisch abgeschlossen. Weiterhin wird das Gas-polster durch eine flexible Wand von der Isolierflüssigkeit getrennt. Das Gaspolster befindet sich in Verdrängungskörpern, welche durch Änderung ihrer Form und Größe die Volumenschwankungen der Isolierflüssigkeit aufnehmen.

Die von der flexiblen Wand der Verdrängungskörper bewirkte Trennung der Isolierflüssigkeit vom Gaspolster bewirkt den erfindungsgemäßen Effekt der Nichtmischung von im Gaspolster enthaltenem Gas mit den durch thermische Zersetzung von Isolierflüssigkeit entstehenden Gasen. Die Gaspolster zum VoIu-menausgleich werden erfindungsgemäß derart angeordnet, dass sie das Aufsteigen und die Abführung der durch Schaltlichtbögen und / oder Aufheizen der Überschaltwiderstände entstehenden Gase nicht behindern.

Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird der Ausgleichkörper zum Bestandteil des Schalters. Zusätzliche externe Baugruppen entfallen und führen zu einer Vereinfachung des gesamten Transformators. Probleme mit Gasansammlungen in Rohrleitungen und eine Behinderung der Ölströmung bei Temperatur- änderungen der Isolierflüssigkeit sind durch Entfall der mit diesen Problemen behafteten Baugruppen ausgeschlossen.

Dadurch werden Betriebsstörungen durch Gaspolster in der Ver-bindung zum Ausdehnungsgefäß bei Hermetiktransformatoren vermieden. Außerdem ermöglicht diese Gestaltung das Vorsehen eines speziellen Gassammeiraumes, durch welchen ein zu häufiges Ansprechen des Druckentlastungsventiles und der damit oft verbundene zusätzliche Ölverlust vermieden wird.

In einer weiteren Ausführung wird der Schalter im oberen Bereich mit einem zusätzlichen Volumen zur Aufnahme einer bestimmten Menge zusätzlicher Isolierflüssigkeit versehen, um den bei Zersetzung durch Schaltvorgänge und / oder Erhitzung der Überschaltwiderstände entstehenden Ölverlust zu ersetzen. Das bei der Ölzersetzung entstehende Gas steigt nach oben und sammelt sich in diesem zusätzlichen Raum. Durch das erheblich größere Gasvolumen kommt es zu einem Überdruck im Schaltergefäß. Überschreitet der Druck im Schalter einen vorbestimmten Grenzwert, so öffnet das während des normalen Betriebes geschlossene Druckentlastungsventil und stellt eine Druckentlastung mit der den Schalter umgebenden Atmosphäre her.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Volumenkompensati-onseinrichtung lässt sich ein völliger Abschluss der Isolierflüssigkeit des Schalters von der Atmosphäre / Umgebungsluft erreichen. Die Aufnahme von Feuchtigkeit und Sauerstoff durch die Isolierflüssigkeit wird verhindert. Eine Beeinflussung der elektr. Durchschlagfestigkeit der Isolierflüssigkeit durch Feuchtigkeit wird vermieden sowie die Alterung der Isolierflüssigkeit deutlich herabgesetzt.

Das äußere Ausdehnungsgefäß, der Luftentfeuchter sowie die zugehörigen Rohrleitungen können entfallen. Die regelmäßige Prüfung des Zustandes des Trocknungsmittels im Luftentfeuchter kann eingespart werden und es kommt zu Kosteneinsparungen durch den Entfall des kostspieligen regelmäßigen Austausches des Trocknungsmittels. Umweltverschmutzungs- und Entsorgungs-probleme durch verbrauchte Trocknungsmittel werden vermieden.

Vorteilhafterweise wird der erfindungsgemäße Schalter mit einem Gasablassventil (D3) ausgerüstet. Dieses kann zweckmäßigerweise derart ausgeführt oder gesteuert werden, dass es bei einem kleinen Gasdruck anspricht, nicht jedoch bei Anliegen von Isolierflüssigkeit. Dadurch ist ein ständiges Abpumpen der Gase möglich. Zum Schutz vor Überdruck dient ein Druckventil und / oder ein übliches großflächiges Druckentlastungsventil (D2). Durch die Kombination einer füllstandsu-nabhängigen Druckentlastungseinrichtung und einer bereits bei geringem Überdruck ansprechenden füllstandsabhängigen Druckentlastungseinrichtung, lässt sich ein sicherer Berstschutz für das Schaltergefäß bei kontinuierlicher Abfuhr sich bildender Gase ermöglichen.

Die Geschwindigkeit des notwendigen Volumenausgleiches bei Erwärmung ist von den thermischen Zeitkonstanten des Transformators und des Schalters sowie den Betriebsbedingungen abhängig, erfolgt aber in jedem Falle recht langsam. Um im Feh-lerfall schwallartige Volumenänderungen (Entstehung großer Gasmengen durch Zersetzung von Isolierflüssigkeit) von der Ausgeichsvorrichtung fernzuhalten, ist die Anbringung von Druckdämpfern (DD) im Kanal zur Ausgleichsvorrichtung vorteilhaft. Diese Druckdämpfer (DD) können aus einer Quer-schnittsverengung auf dem Weg der Isolierflüssigkeit zum Ausgleichskörper gebildet werden.

Gleichzeitig ist eine die Gasabfuhr wenig behindernde und verzögernde Führung der Gase zu einem Druckentlastungsventil (D2) oder einer anderen Druckminderungsvorrichtung vorzusehen.

In einer weiteren besonderen Ausführungsform wird der Aus-gleichskörper mit einem Federelement (Fl) versehen, um ein vorbestimmtes Druckspiel zu erzielen. Diese Federelemente können auch durch den Körper des Kompensators selbst gebildet werden.

In einer speziellen Ausführung wird die Ausgleichsvorrichtung mit einer Volumenbegrenzung in eine oder auch beide Richtungen ausgerüstet. Dadurch kann beispielsweise im Schaltergefäß ein besonderen Anforderungen entsprechendes Druckspiel realisiert werden. Diese Begrenzung ist ebenfalls durch eine Hubbegrenzung der Ausgleichselemente sowie eine mehrteilige Ausgeich-Vorrichtung mit Kammern unterschiedlicher Federkonstante möglich.

In weiteren Ausführungsformen werden die Gaspolster derart gestaltet, dass eine Einbindung in Funktionsteile des Schalters ermöglicht wird und somit nur geringer Raumbedarf notwendig ist. Ein Ausführungsbeispiel für diese Lösung ist die Verwendung metallischer Dehnkörper als Abschirmelektrode.

Die Ausführung der erfindungsgemäßen Ausgleichskörper ist als metallischer Kompensator, Blasenspeicher, Rollmembran, Foliensack, Kunststoffmembran oder Gummikompensator möglich. Durch die erfindungsgemäße Anordnung kommen die benötigten Ausgleichskörper (K) nicht in Kontakt mit der Atmosphäre (1), so dass die Korrosion von Metallkompensatoren unter Feuchtigkeit sowie das Altern von Kunststoffmembranen unter Einwirkung von Feuchtigkeit, Sauerstoff und Ozon vermieden werden. Dadurch werden die Anforderungen an die verwendeten Ausgleichskörper deutlich vermindert.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung werden diese Verdrängungselemente durch einfache gasgefüllte Ballons, deren Wand durch eine Metallfolie gebildet wird, dargestellt.
Besonders kostengünstig ist die Verwendung von ölbeständigem Gummi oder Kunststoff beziehungsweise Folien aus den genannten Materialien. Zur Erreichung der Gasundurchlässigkeit können die Verdrängungskörper aus metallisierter Kunstofffolie oder dünner Metallfolie bestehen. Um die erforderlichen thermischen und elastischen Eigenschaften bei einer extrem ge-ringen Gasdiffusion zu erzielen, können Mehrschichtfolien zum Einsatz kommen (z.B: unter Einsatz von: Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymeren / Fluorierten Ethylen-Propylen-Copolymeren / Nitril-Butadin-Kautschuk) . Die verwendeten Materialien können ebenfalls mit einer Textil- oder Glasfasereinlage versehen sein.

Außerdem sind Kompensatoren möglich, welche einen Unterdruck oder Vakuum aufweisen und über Federelemente gedehnt oder gestreckt werden. Die Änderung von Form und Volumen wird in diesem Fall durch das Zusammenspiel von Federkraft und Kom-pensatorinnendruck mit dem Schalterdruck bestimmt.

Vorteilhafterweise sind die Verdrängungskörper so dimensioniert, dass sie vakuumfest sind, um den für Großtransformato-ren üblichen Füllprozess zuzulassen. Diese Festigkeit kann bei Folien durch Kombination geeigneter Abmessungen und Wandstärken, aber auch durch eine Stützkonstruktion erfolgen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbei-spielen näher beschrieben.

Figur 1 zeigt einen Schalter (Sl) mit einem Schalterkopf (SK) , welcher am Deckel (TD) eines Transformators angeordnet ist. Der Raum innerhalb des Schalters (Sl) ist mit Isolier- flüssigkeit gefüllt. Da das Gehäuse des Schalters (SW) diesen hermetisch abschließt, kommt es bei Erwärmung der Isolierflüssigkeit des Schalters zu einer Erhöhung des Innendruckes im Schalter. Diese Druckerhöhung bewirkt eine Kompressi-on des Gases in den Ausgleichsvorrichtungen (K6) . Sich durch thermische Ölzersetzung bildende Gase steigen nach oben und werden zu einer Überwachungseinrichtung (B3) geführt. Ist die Gasmenge zu groß, wird Gas über ein Ventil (D3) abgelassen.

Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird der Ausgleichkörper zum Bestandteil des Schalters. Zusätzliche externe Baugruppen entfallen und führen zu einer Vereinfachung des gesamten Transformators. Vorteilhafterweise werden im Schalter sowieso vorhandene Bauteile in die Gestaltung der Ausgleich-körper einbezogen.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Ausgleichskörper durch Faltenbälge gebildet werden. Im Ausführungsbeispiel sind diese Ausgleichskörper (K3, K6) sowohl im Unterteil des Schalters, als auch im aus einem Isolierzylinder gebildeten Zentralrohr des Schalters (Zl) untergebracht. Im Ausführungsbeispiel sind weiterhin Teile der elektrischen Abschirmungen (A2) als metallische Dehnkörper gestaltet.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Volumenausgleich durch eine Vielzahl von Ausgleichskörpern (K5) gebildet wird. Diese Ausgleichskörper behindern das Aufsteigen der durch thermische Zersetzung von Isolierflüssigkeit entstehenden Gase nicht. Im Ausführungsbeispiel sammeln sich diese Gase in den Zwischenräumen der im Kopfbereich untergebrachten Ausgleichskörper (K5) und verdrängen dort Isolierflüssigkeit. Bei Vorhandensein einer vorbestimmten Gasmenge (Ölstand) bewirkt die Mess- und Steuereinheit (M64) ein Öffnen des Gasablassventiles (M67) und die Schadgase gelangen in die Atmosphäre (1) oder in eine zwischengeschaltete Auswerteeinheit (Gasanalyse) . Diese Ausgleichskörper lassen sich kostengünstig produzieren und in verschiedenen Schaltertypen in unter-schiedlicher Menge einbringen.

Die im Ausführungsbeispiel dargestellten Ausgleichskörper lassen sich in den verschiedensten Bereichen des Schalters unterbringen. Diese Ausführung ermöglicht weiterhin die Nut-zung einer Vielzahl so genannter toter Räume für den Volumenausgleich. Im Ausführungsbeispiel sind diese Ausgleichskörper sowohl im Kopfbereich des Schalters, als auch im aus einem Isolierzylinder gebildeten Zentralrohr des Schalters (Zl) untergebracht. Bei Undichtwerden einzelner Zellen füllen sich nur diese Einzelzellen mit Öl, das Gesamtsystem wird nicht gefährdet. Entweichendes Gas gelangt zum Buchholzschutz und führt bei Beschädigung einer entsprechenden Menge von Verdrängungselementen zum Auslösen desselben. Werden Ausgleichskörper (K5) im unteren Bereich des Schalters unterge-bracht, so verhindert eine Arretierung (GS) ein Aufsteigen dieser Ausgleichkörper. Diese Arretierung wird vorteilhafterweise derart gestaltet, dass sie bei Defekten von einzelnen Ausgleichskörpern freiwerdende Gase von elektrisch beanspruchten Teilen fernhält. Vorteilhafterweise werden diese Gase im Zentralzylinder (Zl) oder der Schalterwelle sicher in den Kopfbereich des Schalters geleitet.

Figur 4 zeigt einen Schalter, welcher im oberen Bereich des Gehäuses (SW) mit einem zusätzlichen Volumen (VZ) zur Aufnah-me einer geeigneten Menge zusätzlicher Isolierflüssigkeit versehen ist, um den bei Ölzersetzung, beispielsweise durch Erhitzung der Überschaltwiderstände, entstehenden Ölverlust zu ersetzen. Da das Ölvolumen im Verhältnis zu dem bei der Zersetzung entstehenden Gasvolumen sehr klein ist, genügt ei- ne geringe Menge Isolierflüssigkeit für den zwischen Hauptinspektionen liegenden Zeitraum. Beim Einsatz von Vakuumschaltzellen (SZ) ist, durch die bei diesen deutlich geringere thermisch bedingte Ölzersetzung, in einem besonderen Ausfüh-rungsbeispiel die Unterbringung des gesamten Ölvorrates für die Lebensdauer des Schalters möglich. Das bei der Ölzersetzung entstehende Gas steigt nach oben und sammelt sich in diesem zusätzlichen Raum (VZ). Durch das erheblich größere Gasvolumen kommt es zu einem Überdruck im Schaltergefäß. Ü-berschreitet der Druck im Schalter einen vorbestimmten

Grenzwert, so öffnet der während des normalen Betriebes geschlossene Gasablass (M67) und stellt eine Druckentlastung mit der den Schalter umgebenden Atmosphäre (1) her. Vorteilhafterweise regelt eine Steuerung (M51, M64) dass ein Anspre-chen des Gasablasses (M67) nur erfolgt, wenn eine vorbestimmte Menge Gas im Kopfbereich des Schalters vorhanden ist.
Den Schutz vor Druckwellen übernimmt das Druckentlastungsventil (D2) . Das Nachfließen des Öles aus dem oberen Teil des Schalterraumes (VZ) sowie der Ablass des entstehenden Gases ermöglichen eine weitgehende Wartungsfreiheit des Schalters bei kleiner Baugröße, vollständigem Abschluss der Isolierflüssigkeit von der Atmosphäre und ohne Benötigung eines äußeren Ölausdehnungsgefäßes .

Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgeführten Schalters, bei dem die Ausdehnung des Kompensa-tors (K6) über eine im Zentralrohr (Zl) untergebrachte Verbindung zu einer Auswerteinheit (M6) übertragen wird und zur Anzeige von Füllstand und / oder Druck benutzt wird. Eben-falls dargestellt ist die Übertragung der Kompensatorbewegung über einen Geber (M3) (z.B: Permanentmagnet) auf eine Erfassungseinheit (M2) .