静电感应系统及方法与流程

1.本公开总体上涉及包括发热的电气部件和冷却流体的静电感应系统。特别地，提供了一种静电感应系统以及一种控制静电感应系统的方法，该静电感应系统包括被布置成将冷却流体泵送为在正向方向和反向方向上通过冷却通道结构的泵装置，并且该方法包括泵送冷却流体以在正向方向和反向方向上通过冷却通道结构。


背景技术：

2.高压静电感应系统(如电力变压器)包括缠绕在磁芯上的绕组。每个绕组可以包括被布置在绕组盘中的多个电缆匝(cable turn)。多个绕组盘可以被布置在绕组段中。绕组通常通过绝缘材料电绝缘。绕组经常受到电流的影响，该电流会导致热量发展，如果不提供绕组的冷却，则可能损坏绕组或绝缘材料。
3.高压静电感应系统有多种冷却方式。例如，可以通过冷却流体(如油)循环通过高压静电感应系统的外壳的自然对流来执行冷却。可以使用包括泵的专用冷却系统来将绕组温度保持在可接受的范围内。
4.us 2018240587 a1公开了一种静电感应系统。该系统包括发热的部件、冷却流体、沿着发热的部件的冷却管道、以及被配置用于驱动冷却流体通过冷却管道的泵送系统。该泵送系统被配置用于按照作为时间的函数的预定流速曲线对冷却管道中的冷却流体施加随时间变化的流速。
5.ep 3171372 a1公开了一种车载变压设备，其包括变压器、绝缘油和泵。该泵被配置成选择性地使绝缘油在以下方向中的一个方向上流动：(i)与八个板状绕组的堆叠方向正交的方向中的一个方向；以及(ii)与这一个方向相反的另一方向。
6.jp s61179512a公开了一种气体绝缘变压器，其包括低压绕组、高压绕组、制冷剂、冷却管道、泵、以及驱动泵的电机。通过切换设置在电机上的用于驱动泵的开关，可以反转电机的旋转方向，从而也可以反转制冷剂的循环方向。
7.us 3416110 a公开了变压器10，其包括高压线圈、低压线圈、流体电介质、冷却管道和泵送装置。该泵送装置将冷却的流体电介质从热交换器装置泵送到第一上部隔室，通过绕组组件的上半部中的冷却管道到达第二上部隔室，然后通过管道装置进入第二下部隔室，通过绕组组件的下半部中的冷却管道到达第一下部隔室，然后通过热交换器装置。
8.jp s6094707a公开了一种静电感应电气设备，其包括绕组、冷却流体、管道和流体驱动设备。该静电感应电气设备可以设置有两种不同的冷却设计，而始终采用单向泵。
9.us 5508672 a公开了一种固定式缩减装置，其被布置成使得提供包括板型(或盘型)线圈的线圈组，这些线圈组被堆叠成多层，在其间插入间隔物(spacer)以穿过芯部，由此制冷剂可以通过层间间隙，并且这些线圈组可以被划分成多个线圈子组，并且所划分的线圈子组中的每隔一个线圈子组被制冷剂引导件围绕，该制冷剂引导件在其内周上设置有开口并且在其外周上设置有制冷剂流动端口，并且制冷剂被引入到制冷剂引导件中，以在水平方向上流过堆叠起来的线圈组的相应层间间隙。


技术实现要素：

10.静电感应系统中绝缘材料的老化很大程度上取决于绕组中一个或多个热点的位置和温度。在传统的油导向(od)冷却设计中，油被泵送通过外部冷却器并通过绕组下方的压力室，该压力室将油分配到绕组中。在这样的设计中，由于文丘里效应(venturi effect)，通常会在每个绕组段的底部出现绕组热点。例如由于静态涡流或局部停滞流体，在冷却流体的较高流速下也可能形成热点。因此，仅仅增加流速可能不会消除热点，或根本无法(或仅在有限的程度上)改善静电感应系统的冷却。
11.本公开的一个目的是提供一种具有增加的寿命的静电感应系统。
12.本公开的另一目的是提供一种具有紧凑设计的静电感应系统。
13.本公开的又一目的是提供一种改善了冷却的静电感应系统。
14.本公开的又一目的是提供一种具有简单设计的静电感应系统。
15.本公开的又一目的是提供一种具有可靠设计的静电感应系统。
16.本公开的又一目的是提供一种解决上述几个或所有的目的的组合的静电感应系统。
17.本公开的又一目的是提供一种控制静电感应系统的方法，该方法解决了上述一个、几个或所有的目的。
18.根据一方面，提供了一种静电感应系统，该静电感应系统包括发热的电气部件；介电冷却流体；沿电气部件的冷却通道结构；以及泵装置，该泵装置被布置成交替地被控制在第一模式和第二模式下，其中，在第一模式下，泵装置泵送冷却流体以驱动冷却流体在正向方向上通过冷却通道结构以冷却电气部件，并且其中，在第二模式下，泵装置泵送冷却流体以驱动冷却流体在与正向方向相反的反向方向上通过冷却通道结构以冷却电气部件。
19.当泵装置从第一模式切换到第二模式时，冷却流体流过冷却通道结构的流动方向反转，即从正向方向切换到反向方向。主要益处在正向方向和反向方向上交替冷却流体的流动时实现，其中在正向方向和反向方向上的温度分布(仅考虑流体动力效应)将基本上是相反的。
20.例如，在静电感应系统包括具有绕组盘的多个绕组段的情况下，在正向方向和反向方向中，冷的冷却流体将从相对侧进入每个绕组段。因此，与冷却流体在反向方向上流动时相比，当冷却流体在正向方向上流动时，由于文丘里效应而升高的温度将应用于每个绕组段中的相对盘。
21.通过在正向方向与反向方向之间交替冷却流体的流动，可以改变一个或多个热点的位置。因此，与冷却流体在反向方向上通过冷却通道结构时相比，当冷却流体在正向方向上通过冷却通道结构时，冷却回路中的至少一个热点位置是不同的。
22.从而可以减少静电感应系统的部件(如绝缘材料)的老化。可替代地或另外地，可以使静电感应系统更紧凑。因此，根据本公开的静电感应系统通过交替流过冷却通道结构并由此移动一个或多个热点来改善冷却。
23.根据本公开的泵装置因此可以被控制在第一模式和第二模式下，在第一模式下，泵装置泵送冷却流体以驱动冷却流体在正向方向上通过冷却通道结构，并且至少一个热点出现在第一位置，在第二模式下，泵装置泵送冷却流体以驱动冷却流体在反向方向上通过冷却通道结构，并且至少一个热点出现在与第一位置不同的第二位置。
24.根据本公开的泵装置可以被控制在两种不同的冷却模式(即，第一模式和第二模式)中的任一种下。在每种冷却模式下，冷却流体通过冷却通道结构的流动方向总是明确定义的。在第一模式下，冷却流体在正向方向上通过冷却通道结构，而在第二模式下，冷却流体在反向方向上通过冷却通道结构。冷却通道结构和泵装置可以形成冷却回路的一部分。
25.冷却通道结构可以是大致竖直的或者是竖直的。因此，冷却通道结构的端部可以被竖直地分开，例如使得绕组被竖直地布置在冷却通道结构的端部之间。在第一模式下，泵装置可以大致与重力配合。在第二模式下，泵装置可以大致抵消重力。
26.冷却通道结构被布置成将冷却流体供应到电气部件以冷却电气部件。冷却通道结构可以包括一个或多个平行段，如平行的水平段。
27.静电感应系统可以进一步包括用于电绝缘电气部件的绝缘材料。而且，可以通过使冷却流体通过冷却通道结构来冷却绝缘材料。
28.在整个本公开中，静电感应系统可以是电力变压器或电抗器(reactor)。静电感应系统可以是高压静电感应系统。如本文所使用的，高压可以是至少30kv，如至少100kv。
29.静电感应系统可以进一步包括绕组。在这种情况下，电气部件可以是绕组的电缆匝，并且冷却通道结构可以沿绕组从绕组的底部部分到绕组的顶部部分布置。冷却流体由此可以从底部部分到顶部部分流过整个绕组，反之亦然。顶部部分可以按大地测量学(geodetical)布置在底部部分上方。
30.绕组的每个电缆匝可以被布置在底部部分与顶部部分之间。当泵装置被控制在第一模式下时，冷却流体从底部部分流过冷却通道结构并流到顶部部分。当泵装置被控制在第二模式下时，冷却流体从顶部部分流过冷却通道结构流到底部部分。通过控制冷却流体大致向上流过绕组或大致向下流过绕组，可以移动一个或多个热点的位置。因此，可以控制和减少绝缘材料的老化。
31.绕组可以包括底部部分中的底部开口和顶部部分中的顶部开口。冷却通道结构可以在底部开口与顶部开口之间延伸。顶部开口可以按大地测量学布置在底部开口上方。
32.当泵装置被控制在第一模式下时，冷却流体可以通过底部开口进入冷却通道结构，在正向方向上通过冷却通道结构，并通过顶部开口从冷却通道结构排出。相反，当泵装置被控制在第二模式下时，冷却流体可以通过顶部开口进入冷却通道结构，在反向方向上通过冷却通道结构，并通过底部开口从冷却通道结构排出。
33.顶部开口可以与抽吸室处于直接流体连通。底部开口可以与外壳的底部段处于直接流体连通。
34.每个绕组可以包括多个盘，其中每个盘包括多个电缆匝。可替代地，每个绕组可以包括螺旋绕组结构或层绕组结构。静电感应系统可以包括一个或多个绕组。
35.冷却通道结构可以沿绕组高度的至少90％延伸，如沿至少98％延伸，如沿100％延伸。
36.冷却通道结构可以包括两个竖直段和至少一个将竖直段互连的水平段。在这种情况下，当泵装置被控制在第一模式下时，冷却流体可以在每个竖直段中被向上驱动，并且当泵装置被控制在第二模式下时，冷却流体可以在每个竖直段中被向下驱动。
37.静电感应系统可以进一步包括被布置在电气部件上方的抽吸室。当包括这种抽吸室时，静电感应系统具有顶部安装的油导向(od)设计。在专利申请us 2014327506 a1中描
述了抽吸室的一个示例。顶部安装的抽吸室更易于制造，并且能够减少冷却流体意外泄漏的不利影响。抽吸室可以形成冷却回路的一部分。
38.抽吸室可以被布置成当泵装置被控制在第一模式下时将冷却流体从冷却通道结构抽吸到抽吸室，并且被布置成当泵装置被控制在第二模式下时，将冷却流体从抽吸室排出到冷却通道结构中。
39.当泵装置被控制在第一模式下时，抽吸室可以另外被布置成从水平地位于电气部件外部的包含冷却流体的侧段抽吸冷却流体。相反地，当泵装置被控制在第二模式下时，抽吸室可以被布置成另外将冷却流体排出到侧段。
40.静电感应系统可以进一步包括在抽吸室与泵装置之间的基本上封闭的或封闭的上部通道。上部通道可以形成冷却回路的一部分。
41.静电感应系统可以进一步包括外壳，并且电气部件可以被布置在外壳内部。在这种情况下，泵装置可以被布置在外壳外部。
42.静电感应系统可以进一步包括被布置成对冷却流体进行冷却的冷却器。冷却器可以被布置在外壳外部。
43.静电感应系统可以进一步包括在泵装置与外壳之间的封闭的下部通道。下部通道可以形成冷却回路的一部分。
44.外壳可以包括在电气部件下方的底部段。在这种情况下，底部段和冷却通道结构可以被布置成使得当泵装置被控制在第一模式下时将冷却流体从底部段驱动到冷却通道结构中，并且使得当泵装置被控制在第二模式下时将冷却流体从冷却通道结构驱动到底部段中。底部段可以形成冷却回路的一部分。
45.外壳可以包括水平地位于电气部件外部的包含冷却流体的侧段。在这种情况下，侧段可以与底部段流体连通，例如通过自然对流的方式。
46.泵装置可以包括可逆泵。作为可能的替代方案，泵装置可以包括第一泵和第二泵。在泵装置的第一模式下，第一泵工作而第二泵不工作。在泵装置的第二模式下，第二泵工作而第一泵不工作。在这种情况下，第一泵和第二泵可以是不可逆的。
47.冷却流体可以是在电气部件的操作温度范围内普朗特数大于20、如大于50、如大于100的介电液体。冷却流体例如可以是矿物油、天然酯、合成酯或异链烷烃液体。
48.静电感应系统可以进一步包括控制系统。该控制系统可以包括数据处理设备和其上存储有计算机程序的存储器，计算机程序包括程序代码，该程序代码当由数据处理设备执行时，使数据处理设备执行以下步骤：将泵装置控制在第一模式下以泵送冷却流体，使得驱动冷却流体在正向方向上通过冷却通道结构以冷却电气部件；以及将泵装置控制在第二模式下以泵送冷却流体，使得驱动冷却流体在与正向方向相反的反向方向上通过冷却通道结构以冷却电气部件。计算机程序可以进一步包括程序代码，该程序代码当由数据处理设备执行时使数据处理设备执行根据本公开的任何步骤，或命令根据本公开的任何步骤的执行。
49.静电感应系统可以进一步包括监测系统。监测系统可以例如随时间收集或计算各种温度数据并计算热点温度和/或沿冷却通道的热点位置。监测系统可以包括用于收集温度数据的一个或多个温度传感器。可替代地或另外地，监测系统可以包括静电感应系统的数字孪生(digital twin)，用于计算温度数据。
50.根据另一方面，提供了一种控制静电感应系统的方法，该静电感应系统包括发热的电气部件、介电冷却流体、沿电气部件的冷却通道结构、以及被布置成泵送冷却流体的泵装置，其中，该方法包括将泵装置控制在第一模式下以泵送冷却流体，使得冷却流体在正向方向上通过冷却通道结构以冷却电气部件；以及将泵装置控制在第二模式下以泵送冷却流体，使得冷却流体在与正向方向相反的反向方向上通过冷却通道结构以冷却电气部件。该方法可以用根据第一方面的任何类型的静电感应系统来实施。
51.该方法可以进一步包括在将泵装置控制在第二模式下之前的至少五分钟期间，如至少十分钟期间，将泵装置控制在第一模式下。静电感应系统可以被配置为使得在泵装置在第一模式下操作至少五分钟之后，绕组内的全部冷却流体已被更换，并且在泵装置在第二模式下操作至少五分钟之后，绕组内的全部冷却流体已被更换。
52.可替代地，该方法可以包括在更长的时间段(如六个月)期间跟随季节变化来控制泵装置。例如，在夏季期间以第一模式控制泵装置，而在冬季期间以第二模式控制泵装置。
53.静电感应系统可以进一步包括被布置为使电气部件电绝缘的绝缘材料，并且其中，该方法进一步包括估计绝缘材料的状况或预期剩余寿命；以及基于该估计而在第一模式与第二模式之间切换对泵装置的控制。
54.该估计可以包括监测静电感应系统的各种参数，例如一个或多个位置处的温度。监测可以通过监测系统或数字孪生的方式来实施。可替代地或另外地，该估计可以包括静电感应系统的负载预测。
55.该方法可以进一步包括使用人工智能来估计绝缘材料的状况或预期剩余寿命。可替代地或另外地，可以使用人工智能来控制泵装置在第一模式与第二模式之间的控制的切换，以优化老化分布，而无需人工监督。
附图说明
56.本公开的进一步细节、优点和方面将从以下结合附图的实施例中变得清晰，其中：
57.图1：示意性地表示了静电感应系统和被控制在第一模式下的泵装置；以及
58.图2：示意性地表示了静电感应系统和被控制在第二模式下的泵装置。
具体实施方式
59.在下文中，将描述一种静电感应系统以及一种控制静电感应系统的方法，该静电感应系统包括被布置成泵送冷却流体以在正向方向和反向方向上通过冷却通道结构的泵装置，并且该方法包括泵送冷却流体以在正向方向和反向方向上通过冷却通道结构。相同或相似的附图标记将被用于表示相同或相似的结构特征。
60.图1示意性地表示了静电感应系统10。该示例的静电感应系统10是高压电力变压器，其包括填充有介电冷却流体14的外壳12。静电感应系统10进一步包括低压绕组16、高压绕组18和泵装置20。绕组16、18被布置在外壳12内部并且泵装置20被布置在外壳12外部。该示例的泵装置20包括可逆泵22。
61.以高压电力变压器为例，但本公开的静电感应系统10可以替代地是例如电抗器。图1中的电力变压器是单相变压器，但讨论在适用部分内与任何类型的变压器或其他静电感应系统10相关，例如如具有三腿或五腿磁芯的三相变压器。应当注意，图1只是示意性的，
并且被提供用于图示静电感应系统10的一些基本部分。
62.冷却流体14是介电液体，如矿物油、天然酯、合成酯或异链烷烃液体。冷却流体14在静电感应系统10的操作温度范围内具有大于100的普朗特数。
63.每个绕组16、18包括缠绕在电绝缘的绝缘材料26(如纸)中的多个电缆匝24。每个绕组16、18的电缆匝24绕磁芯(未示出)缠绕。在静电感应系统10的操作期间，每个电缆匝24是发热的电气部件。
64.电缆匝24被布置在盘28中。在图1中，每个绕组16、18包括12个盘28，但是盘28的数量和每个盘28中的电缆匝24的数量可以变化。每个绕组16、18进一步包括绝缘圆柱体30。一个或多个水平间隔物(未示出)可以被布置在盘28之间。一个或多个竖直间隔物(未示出)可以被布置在盘28与绝缘圆柱体30之间。两个压板屏障32被布置在绕组16、18之间。
65.每个绕组16、18进一步包括三个垫片34。垫片34交替地从绝缘圆柱体30水平突出。垫片34限定了多个绕组段。该示例的每个绕组16、18因此包括四个绕组段并且每个绕组段包括三个盘28。
66.每个绕组16、18包括顶部部分36和底部部分38。顶部开口40被布置在顶部部分36中，并且底部开口42被布置在底部部分38中。顶部开口40和底部开口42处于不同的高度并且在相应绕组16、18的竖直相对两侧上。
67.静电感应系统10进一步包括穿过每个绕组16、18的冷却通道结构44。每个冷却通道结构44在顶部开口40与底部开口42之间延伸穿过整个相应的绕组16、18。每个冷却通道结构44因此在相应绕组16、18的整个高度上延伸。
68.在该示例中，每个冷却通道结构44包括两个竖直段46和位于竖直段46之间的多个水平段48。通过冷却通道结构44的方式，冷却流体14可以被引向并经过电缆匝24以将热量从电缆匝24和绝缘材料26带走，从而使它们冷却。
69.静电感应系统10进一步包括控制系统50。控制系统50包括数据处理设备52和其上存储有计算机程序的存储器54。该计算机程序包括程序代码，该程序代码当由数据处理设备52执行时使数据处理设备52控制泵装置20的操作。
70.静电感应系统10进一步包括抽吸室56。抽吸室56被布置在外壳12内部、位于这两个绕组16、18上方。
71.静电感应系统10进一步包括冷却器58，例如热交换器。冷却器58与泵22被串联布置，在该示例中位于泵22下方。冷却器58也被布置在外壳12的外部。
72.静电感应系统10进一步包括上部通道60和下部通道62。该示例的上部通道60是被布置在抽吸室56与泵22之间的封闭管结构。为此，上部通道60延伸穿过外壳12中的上部开口64。与抽吸室56相邻的上部通道60分支成两个管段。该示例的下部通道62是被布置在冷却器58与外壳12的底部段66之间的管。下部通道62延伸穿过外壳12中的下部开口68。
73.外壳12进一步包括横向在绕组16、18外部的侧段70和在抽吸室56上方的顶部段72。侧段70和顶部段72还包含冷却流体14并且与底部段66流体连通。
74.在图1的示例中，泵22、冷却器58、下部通道62、底部段66、穿过绕组16、18的冷却通道结构44、抽吸室56和上部通道60形成冷却回路。
75.在图1中，泵装置20被控制在第一模式74下。这导致冷却流体14被迫在正向方向76上通过冷却通道结构44以冷却电缆匝24。如图1所示，已经积聚在底部部分38中的冷的冷却
流体14通过底部开口42被直接抽吸到冷却通道结构44中。当泵22被控制在第一模式74下时，冷却流体14从每个绕组16、18的底部部分38流到顶部部分36。
76.在第一模式74下，底部开口42构成入口并且顶部开口40构成出口。此外，在第一模式74下，冷却流体14在每个竖直段46中向上流动。因此，冷却流体14大致向上流过绕组16、18。
77.在该示例中，泵22被控制以将冷却流体14从泵22向下泵送通过冷却器58。因此，泵22在第一模式74下与重力配合。这导致抽吸室56通过冷却通道结构44抽吸冷却流体14以冷却电缆匝24。抽吸室56还可以直接从侧段70抽吸一些旁通的冷却流体14。由于文丘里效应，在这种情况下可能在一个或多个绕组段的下部部分中形成一个或多个热点78。
78.绝缘材料26的老化很大程度上取决于绝缘材料26相邻的局部温度的时间积分值。如果热点78保持在图1所示的位置，则与热点78相邻的绝缘材料26最终将经受更高的温度并因此更快地老化。静电感应系统10的寿命将因此缩短。
79.图2示意性地表示了静电感应系统10。在图2中，泵22被控制在第二模式80下。在控制系统50的控制下，泵22可以例如在大约十分钟的时间间隔期间交替地被控制在第一模式74和第二模式80下。
80.当泵22被控制在第二模式80下时，冷却流体14被迫在与正向方向76相反的反向方向82上通过冷却通道结构44，以冷却电缆匝24。因此，第二模式80不同于第一模式74。如图2所示，当泵22被控制在第二模式80下时，冷却流体14从每个绕组16、18的顶部部分36流到底部部分38。
81.在第二模式80下，顶部开口40构成入口并且底部开口42构成出口。此外，在第二模式80下，冷却流体14在每个竖直段46中向下流动。因此，冷却流体14大致向下流过绕组16、18。
82.在该示例中，泵22被控制以将冷却流体14从冷却器58向上泵送并进入上部通道60。因此，泵22在第二模式80下抵消重力。这导致抽吸室56将冷却流体14排出到冷却通道结构44中以冷却电缆匝24。在通过整个相应的绕组16、18之后，冷却流体14从冷却通道结构44排出到底部段66中。
83.由于文丘里效应，在这种情况下可能在一个或多个绕组段的上部部分中(即，与图1中当泵22在第一模式74下操作时不同的位置)形成一个或多个热点78。因此，热点78的位置取决于冷却流体14是在正向方向76上还是在反向方向82上通过冷却通道结构44而不同。从图1和图2可以得到，由于流体动力效应，绕组16、18中的温度分布在正向方向76和反向方向82上基本相反。
84.通过在第一模式74与第二模式80之间改变泵装置20的操作状态来一次次地交替冷却流体14通过冷却通道结构44的方向，可以改变一个或多个热点78的位置。随着时间平均，由此可以减少绝缘材料26的老化。可替代地，外壳12可以做得更紧凑。
85.为了确定何时在第一模式74与第二模式80之间切换，可以考虑绝缘材料26的状况或预期剩余寿命。该估计可以例如基于来自监测系统(未示出)的数据，如温度数据，或来自静电感应系统10的数字孪生(未示出)的数据。例如在控制系统50中实施的人工智能可以被用于进一步优化第一模式74与第二模式80之间的交替，而无需人工监督。
86.尽管已经参考示例性实施例描述了本公开，但是应当理解，本发明不限于以上描
述的内容。例如，应当理解，部件的尺寸可以根据需要而变化。因此，本发明可以旨在仅由所附的权利要求的范围限制。