专利名称：用于水下工作的带冷却循环回路的电气构件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电和/或电子构件，尤其一种变压器，包括具有热交换 单元的冷却循环回路。此外，本发明还包括这种构件在海上平台内的安装 以及此类平台的设计。
背景技术：
由于适用的内陆地区的缩减以及海上高的风速，使利用海上风能可以 成为对于在陆地建立风力发电设备的一种经济的令人感兴趣的替代方案。 在海上风力场的网络连接中关键的成本重点是要在海上建造变电站。所使用的电气构件，例如变压器、整流器和开关，按现有技术或装配 在一个处于水上方的平台平面上并进行运行，或安装在用包封部分的内部，例如风力发电设备的塔架内部。例如DE10313036A1介绍了一种建造风力 发电设备的方法。在该发明中的功率模块主要是变压器，它具有竖立在风 力发电设备的基础上并被风力发电设备的塔架紧邻地完全包围的支架。然而该发明的缺点是，由于变压器运行产生的热能无控制地在风力发 电设备的塔架内上升，以及没有相宜地从变压器中导出。采用该发明不能 保证变压器有效和均匀地散热。此外，以此方式只能安装其尺寸明显小于塔架直径的电气构件。长期 以来由现有技术已知，将电气构件安置在海面上方的远处。基于海上平台这种高的结构方式，为了在海上区域设计所需要的平台， 将所谓的百年波作为结构计算的基础，百年波相当于有关区域内近一百年 最大可能的潮浪。基于结构上的这些边界条件，海上的电气构件如变压器 以及变电站的其他部件，为防止被百年波破坏而设置在明显高于水面的平 台平面上，这牵扯到用于平台建立及运行的昂贵费用。由于在结构上如此 设计的平台在海面上方大的高度，平台的结构及所使用的材料必须满足很 高的稳定性要求。例如由DE10310708A1已知风力发电设备的基础以及需 要高的结构费用。
此外，要导出的热能通过附加的散热器和风扇排出是现有技术，其中， 散热器和风扇并列装在变压器的容器壁上。为了充分散热，有必要在变压 器的容器壁上大面积地布置多个散热器。在散热器旁安装风扇用于变压器 容器壁的垂直或水平通风，由此增大了变压器所需的空间体积。使用风扇 同样需要配置用于提供电源和控制风扇的辅助设备和开关装置。为此必须 在变压器近旁提供附加的位置。风扇的能耗同样造成费用支出。风扇的控 制器必须安装在带有开关设备的专用开关拒内。在使用风扇时，为了安全 和控制必须在变压器上安装变压器保护开关和监控设备，它们一方面造成 高的设备配置成本及运行成本。此外，需要风扇开关拒与风扇之间的电连 接，这种连接必须根据海上区域的环境条件绝对安全。风扇控制柜和风扇 本身还需要定期检查和维护，尤其对于海上设备而言，这与高昂的成本相 关联。此外，由于海上区域的天气和季节条件，不可能由工作人员在当地 随时实施检查和维护作业。按另一种方案，由现有技术，例如由DE10127276A1已知一种水下变 压器，它设计用于在海面下运行。对于水下变压器的运行，通常在海面上 方不需要平台。但迄今的水下变压器的缺点是，这些水下变压器没有相宜 地散热，并因而尺寸设计为大于实际所需。此外，这些水下变压器需要复杂的装置，用于保证在温度引起冷却介 质和/或绝缘介质体积变动时的压力平衡。在EP1082736B1中介绍了另一种水下变压器，它有一个完全包围第一 容器并配备有压力密封的电缆插座的第二容器。确切地说规定用于极深海 中的小型配电网变压器的这种设计，也没有解决所列举的问题以及并不保 证有效冷却。发明内容因此本发明所要解决的技术问题是，提供一种较少维护的电气和/或电 子构件，它在深海运行时可以有效散热并与此同时保证电气和/或电子构件 小的尺寸。此外，本发明所要解决的技术问题是设计一种与现有技术相比 经济得多的海上变电站。下面在本发明的范围内电气构件理解为电气和/或电子构件或相应构件 的组合。
名称变压器用作电气构件的代表。按照本发明上述技术问题通过权利要求1的特征得以解决。在这里规 定，热交换单元的至少一个冷却元件可被第一种液体、尤其海水绕流，其 中，冷却元件之间的距离和冷却元件的尺寸选择为，使第一种液体围绕冷 却元件产生一种紊流的绕流。根据所选择的第一种液体的粘度来选择冷却 元件的尺寸和各自的距离。通过如此布局，可以保证有效地排出在电气构 件运行期间产生的热量，因为通过紊流的流动可导致使大的液体量与热交 换单元接触，以及吸收从热交换单元发出的热量并迅速排出。当电气构件 在海上区域使用时，热交换单元设在海面下方的平台平面上，以及由此实 现与现成的作为第一种液体的海水进行热交换。海水的平均温度例如在北 海和东海最高为20°C,并因此非常适合作为用于冷却在电气构件内产生的 热能的冷却源，这种热能通过热交换单元输送给周围的海水。为保证第 一种液体在热交换单元上大的流量，按电气构件的 一种优选设计，在热交换单元周围设导流装置。因此海水作为第一种液体被引导和 转向到热交换单元。导流装置设计为，它或产生朝冷却件方向的层流，接 着通过冷却元件的尺寸设计将层流转换成海水的紊流。另一方面，尤其当 导流装置就近配置在热交换单元附近时，它的形状可以设计为，使之直接 产生紊流并接着通过对热交换单元的冷却元件尺寸设计得到更进一步强 化。在这里，导流装置的形状、尺寸及数量根据在热交换单元附近的环境 条件和海水的流速选择。作为导流装置的形状尤其优选大空间的面配置结 构，这样的面配置结构将海水流从不同的方向朝热交换单元方向转向和导引。例如在DE102004030522.6中公开了 一种作为范例的导流装置形状。有利地，电气构件可紧密封闭地完全被作为第一种液体的海水绕流， 其中，电气构件的外壁具有用于增大表面的凹槽和间隔面和/或具有用于导 引第 一 种液体的导流装置。通过借助附加的间隔面和凹槽增大了电气构件有效地散热。通过增大热交换面积，这不仅涉及热交换单元而且也涉及变 压器的整个外壁，借助绕流变压器的海水造成最大可能的热交换，并因而 保证对作为电气构件的变压器最佳冷却。按一项优选的扩展设计，第二种液体、尤其一种冷却油，在冷却循环 回路内部循环，与此同时冷却循环回路与在第 一种液体表面上方的液体胀 缩桶连接。在这里，冷却循环回路通过连接通道与液体胀缩桶连接。采用 电气构件的这种设计，在构件内部造成有利于电安全的过压。有利地，将 此胀缩桶用于承受构件和/或冷却循环回路的冷却液和/或绝缘液因受热引 起的体积变动。与此同时可以通过液体胀缩桶补偿冷却循环回路内部的压 力波动。水下的电连接是一个特殊的问题。按照本发明的另 一种实施方式这一问题这样解决将充油的导线通道延伸到平台上。这一设计可以实现一种 可靠的和没有困难的电缆连接或更换，因为电缆在水面上方连接。接头有 利地借助电缆插座实现。在此实施例中(图2和3)，通向胀缩桶的冷却剂 管道与用于电连接的导线通道组合。在这里，电缆接线匣设在液体胀缩桶 下方。此外，可以利用海上平台的支柱作电缆通道(图3和5)。按一种特殊 的实施方式，这些支柱也可以充填绝缘液并因而可以用作安全的油绝缘的 导线通道。在这里当使用油胀缩桶时，用于处于水面上方的胀缩桶的油胀 缩管道与用于电连接的导线通道的组合也可以在支柱内实施。优选地，在连接通道内布置通向电气构件的电连接导线，其中，连接 导线有这样的特性，即，它们例如通过连接导线的外涂层或其材料的选择 不会因第二种液体而遭受化学和/物理损伤。由此连接通道可以完全集成在 冷却循环回路内并充填第二种液体，例如冷却油。在这种情况下，电连接导线集成在冷却循环回路内并延伸到处于海面上方的平台平面上。在此平 台平面上，通过适用的触头或电缆插座，实现处于海面下方的电气构件与 外部电源线的电连接。按另一种方案，在连接通道内延伸两个彼此隔开的 连接井，它们一方面保留电连接导线，以及另一方面在液体胀缩桶与冷却 循环回路之间建立单独的连接。在电气构件的这种构型中，电连接导线不 必专门防止受冷却油化学和/或物理损伤。按一种优选的实施方式，电气构件的部件，尤其热交换单元、导电的 外部接头和液体胀缩桶，设在平台的不同平面上。平台的这些平面部分在 海面下方。如此布局可以使电气构件有效地利用平台上的空间，以及尤其 在为海上应用而设置时可以显著减小平台的尺寸。承受风力负荷和百年波 负荷的面积通过缩小平台尺寸而大大减小，或甚至可以完全取消。由此同 样使平台的支柱遭受小得多的负荷。由于减小了平台的静结构的负荷，所 以不需要支柱在海底广阔地锚固，其结果是避免基础的费用和环境负坦。优选地，电连接导线和/或冷却通道设在平台的支架内部。在平台的支 架内部铺设导线和通道，可以避免提供在处于海面下方的热交换单元与设胀缩桶之间单独的连接通道。此外，连接导线和冷却通道可防外部影响， 例如被海水腐蚀、强海水流或风力负荷。
在从属权利要求中说明按本发明的其他设计。下面借助附图详细说明 本发明。其中图1示意性表示在海面上方的平台上按照本发明的电气构件； 图2示意性表示在海面下方带有液体胀缩桶的按照本发明的电气构件； 图3示意性表示设在海面下方的海上风力发电设备塔架上的按照本发 明的电气构件；图4示意性表示在海面下方带有按照本发明的导流装置的本发明电气 构件；以及图5示意性表示按照本发明的平台。
具体实施方式
图1表示一个按照本发明的作为电气构件1的变压器，它装在海面上 方的平台15上，其中，在本发明的范围内规定海水是第一种液体4。冷却 循环回路6a、 6b与热交换单元2连接，它设在第一种液体4的表面，亦即 海面上方或下方。热交换单元2的冷却元件3被海水4绕流并有效地排出 处于冷却循环回路6a、 6b的冷却剂内的热量。冷却元件3之间的距离和冷 却元件3的尺寸，相对于第一种液体4的入流方向选择为，能造成第一种 液体4紊流地绕流。图2表示按照本发明的变压器1,它安排在海水4的表面下方的平台 15最下部平面10a上，其中，热交换单元2同样处于海水4的表面下方。 处于冷却循环回路6a、 6b中的冷却剂、在这里是冷却油的压力平衡，通过 设在海水4表面上方的液体胀缩桶7得以保证。在液体胀缩桶7与变压器1
之间的连接通道8内的液柱，同样在构件及其冷却循环回路6a、 6b的内部 产生相对于外部海水4环境压力而言足够的内压。所述的液体胀缩桶有利 地配备有空气干燥器13,以防止水分侵入冷却液和/或绝缘液内。基于第一 种液体4在电气构件1上的液体压力并因而基于在冷却循环回^各6a、 6b上 的液体压力，液体胀缩桶7 —方面用作溢流罐，以及另一方面用于建立冷 却循环回路6a、 6b内部必要的内压。此外，经由变压器1与液体胀缩桶7 之间的连接通道8，可以将电连接导线9导向变压器1。在变压器l的外壁 上加工有凹槽和间隔面12,它们通过增大热交换面积而增加向周围海水4 的散热。图2还表示出了按照本发明的海上平台15,其中平面10a设置用于在 水面4下方安装电气部件。采用平台15的按照本发明的结构，可以显著减 小平台15的尺寸。在现有技术中迄今只看到一些它们的平面设在原离水面 的上方并由此保证防止地区性不同的百年波的平台。采用按照本发明的平 台15，可以在水面4下方安置电气部件、例如按照本发明的电气构件1, 并由此防止海面的影响。图示的实施例表示一种用于变电站的海上平台，其特征在于，将那些 尺寸设计取决于质量、最大风力负荷和所谓百年波的大面积和重的部件， 尤其变压器1和整流器，布置在水面下方的一个深度处，这一深度处于针 对当地确定的百年波20的至少一个波幅21的海平面下方。按照本发明规 定将用于安置变电站部件1的平台层设计为，它整个或部分是可渗透流动 介质的。按此实施例，整个水下层10a侧向敞开，所以它对海水的流动只造 成在尺寸设计时应考虑的小的阻力，但与此同时允许海水良好地进入要冷 却的部件。图3仍表示一个按照本发明的变压器1，它的热交换单元2设在海水4 的表面下方的平台15上，以及具有一个设在海水4上方的液体胀缩桶7。 在图3中平台15安装在风力发电设备的下部塔架区14上，以及不需要附 加的到达海面的支柱。上部平台段10b的稳定性仅通过与风力发电设备塔 架14的连接来保证。通过减少穿过海面的平台支柱数量，进一步减小所谓 百年波的作用面。因为在这里既没有电气构件1也没有附加的支柱到达百 年波和强风的作用区，所以可以显著节省用于海上变电站的底座、基础和 总体结构的费用。
图4中的导流装置5或可以直接安置在处于海面下方的变压器1上，或安置在热交换单元2的近旁。在这种情况下对导流装置5的固定直接在 变压器1上或在平台15上进行。同样，导流装置5也可以设在平台15的 外部，并因而保证对按照本发明的变压器1或对热交换单元2有非常充分 的流场。导流装置5的形状、尺寸和数量可根据环境和流速改变，在这里， 除光滑表面外也可以使用例如在DE102004030522.6中介绍的导流装置5。图5表示一种实施例，其中电气构件安装在风力发电设备的塔架11上， 使之处于水平面4的下方和塔架11的外部，以及它的重量由风力发电设备 塔架的基础支承。采用按照本发明的构件布局，可以明显降低平台的成本。 在这里，电气构件在本实施例中以这样的方式设在水平面4的下方，即， 在构件上方离海平面4保持一个距离22，该距离大于当地确定的百年波20 的波幅21。与此同时，在此实施例中也达到对电气构件已说明的有效冷却。 供电或馈电线由海底电缆(在图5中用虚线表示)保证。在这里馈电线集 成在平台内、尤其支柱11内。
权利要求
1.一种带有绕组导线的电气构件(1)，包括具有热交换单元(2)的冷却循环回路(6a、6b)，其特征为所述热交换单元(2)的至少一个冷却元件(3)可被第一种液体(4)绕流，其中，冷却元件(3)的尺寸和/或两个冷却元件(3)之间的距离选择为，使第一种液体(4)围绕冷却元件(3)产生紊流的绕流。
2. 按照权利要求1所述的电气构件(1 ),其特征为，导流装置(5 )将 第一种液体(4)导向热交换单元(2)和/或电气构件(1)。
3. 按照权利要求1或2之一所述的电气构件(1),其特征为，所述电 气构件(1)可紧密封闭地和完全被第一种液体(4)绕流，其中，电气构 件(1 )的外壁具有用于增大表面的凹槽和间隔面(12)和/或具有用于导引 第一种液体(4)的导流装置(5)。
4. 按照权利要求1至3中任一项所述的电气构件(1 )，其特征为，第 二种液体在冷却循环回i 各(6a、 6b)内部循环以及冷却循环回if各(6a、 6b) 通过连接通道(8)与在第一种液体(4)表面上方的液体胀缩桶(7)连接。
5. 按照权利要求1至4中任一项所述的用绝缘液和/或冷却液充填的电 气构件(1 ),其特征为，该构件(1 )通过连接管道(8 )与用于绝缘液和/ 或冷却液的第二个容器(7)连接，该第二个容器定位在水面(4)上方以 及通过处在此容器内的液体静压导致电气构件(1 )及其冷却设备(2)内 的过压。
6. 按照权利要求4或5所述的电气构件(1 ),其特征为，在连接通道 (8)内布置通往电气构件(1)的电连接导线(9)，其中，连接导线(9)有这样的特性，即，其不会因第二种液体而遭受化学和/物理损伤。
7. 按照权利要求1至6中任一项所述的电气构件(1 ),其特征为，在 具有至少两个平面(10a、 10b)的平台(15)上设热交换单元(2)、电气 构件(1)、导电的外部接头(16)和/或液体胀缩桶(7)。
8. 按照权利要求4至7中至少一项所述的电气构件(1 )，其特征为， 电连接导线(9 )和/或冷却通道(6a、 6b )和/或连接通道(8 )设在平台(15 ) 的支架(11 )的内部。
9. 按照上述诸权利要求中至少一项所述用于变电站的电气构件(1 )和 附属的海上平台，其特征为，电气构件以这样的方式设在水面(4)的下方，即，在此构件保持一个离海面(4)的距离(22),这一距离大于在此地点 确定的百年波(20)的波幅(21)。
10. 按照权利要求9所述的海上平台，其特征为，将用于安置变电站构 件(1 )的平台层(10a)设计为，它整个或部分是可渗透流动介质(4)的。
11. 一种具有至少一个按照上述诸权利要求中任一项所述电气构件(1 ) 的变电站，其特征为该电气构件以这样的方式安装在风力发电设备的塔 架(11)上，即，使它处于水面(4)的下方和塔架(11)的外部，以及它 的重量由风力发电设备塔架的基础支承。
全文摘要
本发明涉及一种具有绕组导线的电气构件、尤其变压器，其包括带有热交换单元的冷却循环回路。按照本发明热交换单元的冷却元件可被第一种液体、尤其海水绕流，并因而对于在电气构件运行期间产生的热量可以实现热交换。按照本发明的电气构件尤其针对海上应用，其中，电气构件设在平台的不同平面上并因而只需要小的空间位置。
文档编号F03D1/00GK101128892SQ200580048635
公开日2008年2月20日 申请日期2005年12月22日 优先权日2004年12月27日
发明者乔尔格·芬戴森 申请人:西门子公司