專利名稱：用于水下工作的帶冷卻循環(huán)回路的電氣構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電和/或電子構(gòu)件，尤其一種變壓器，包括具有熱交換 單元的冷卻循環(huán)回路。此外，本發(fā)明還包括這種構(gòu)件在海上平臺內(nèi)的安裝 以及此類平臺的設(shè)計。
背景技術(shù)：
由于適用的內(nèi)陸地區(qū)的縮減以及海上高的風(fēng)速，使利用海上風(fēng)能可以 成為對于在陸地建立風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的一種經(jīng)濟(jì)的令人感興趣的替代方案。 在海上風(fēng)力場的網(wǎng)絡(luò)連接中關(guān)鍵的成本重點是要在海上建造變電站。所使用的電氣構(gòu)件，例如變壓器、整流器和開關(guān)，按現(xiàn)有技術(shù)或裝配 在一個處于水上方的平臺平面上并進(jìn)行運(yùn)行，或安裝在用包封部分的內(nèi)部，例如風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的塔架內(nèi)部。例如DE10313036A1介紹了一種建造風(fēng)力 發(fā)電設(shè)備的方法。在該發(fā)明中的功率模塊主要是變壓器，它具有豎立在風(fēng) 力發(fā)電設(shè)備的基礎(chǔ)上并被風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的塔架緊鄰地完全包圍的支架。然而該發(fā)明的缺點是，由于變壓器運(yùn)行產(chǎn)生的熱能無控制地在風(fēng)力發(fā) 電設(shè)備的塔架內(nèi)上升，以及沒有相宜地從變壓器中導(dǎo)出。采用該發(fā)明不能 保證變壓器有效和均勻地散熱。此外，以此方式只能安裝其尺寸明顯小于塔架直徑的電氣構(gòu)件。長期 以來由現(xiàn)有技術(shù)已知，將電氣構(gòu)件安置在海面上方的遠(yuǎn)處?；诤Ｉ掀脚_這種高的結(jié)構(gòu)方式，為了在海上區(qū)域設(shè)計所需要的平臺， 將所謂的百年波作為結(jié)構(gòu)計算的基礎(chǔ)，百年波相當(dāng)于有關(guān)區(qū)域內(nèi)近一百年 最大可能的潮浪?；诮Y(jié)構(gòu)上的這些邊界條件，海上的電氣構(gòu)件如變壓器 以及變電站的其他部件，為防止被百年波破壞而設(shè)置在明顯高于水面的平 臺平面上，這牽扯到用于平臺建立及運(yùn)行的昂貴費用。由于在結(jié)構(gòu)上如此 設(shè)計的平臺在海面上方大的高度，平臺的結(jié)構(gòu)及所使用的材料必須滿足很 高的穩(wěn)定性要求。例如由DE10310708A1已知風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的基礎(chǔ)以及需 要高的結(jié)構(gòu)費用。
此外，要導(dǎo)出的熱能通過附加的散熱器和風(fēng)扇排出是現(xiàn)有技術(shù)，其中， 散熱器和風(fēng)扇并列裝在變壓器的容器壁上。為了充分散熱，有必要在變壓 器的容器壁上大面積地布置多個散熱器。在散熱器旁安裝風(fēng)扇用于變壓器 容器壁的垂直或水平通風(fēng)，由此增大了變壓器所需的空間體積。使用風(fēng)扇 同樣需要配置用于提供電源和控制風(fēng)扇的輔助設(shè)備和開關(guān)裝置。為此必須 在變壓器近旁提供附加的位置。風(fēng)扇的能耗同樣造成費用支出。風(fēng)扇的控 制器必須安裝在帶有開關(guān)設(shè)備的專用開關(guān)拒內(nèi)。在使用風(fēng)扇時，為了安全 和控制必須在變壓器上安裝變壓器保護(hù)開關(guān)和監(jiān)控設(shè)備，它們一方面造成 高的設(shè)備配置成本及運(yùn)行成本。此外，需要風(fēng)扇開關(guān)拒與風(fēng)扇之間的電連 接，這種連接必須根據(jù)海上區(qū)域的環(huán)境條件絕對安全。風(fēng)扇控制柜和風(fēng)扇 本身還需要定期檢查和維護(hù)，尤其對于海上設(shè)備而言，這與高昂的成本相 關(guān)聯(lián)。此外，由于海上區(qū)域的天氣和季節(jié)條件，不可能由工作人員在當(dāng)?shù)?隨時實施檢查和維護(hù)作業(yè)。按另一種方案，由現(xiàn)有技術(shù)，例如由DE10127276A1已知一種水下變 壓器，它設(shè)計用于在海面下運(yùn)行。對于水下變壓器的運(yùn)行，通常在海面上 方不需要平臺。但迄今的水下變壓器的缺點是，這些水下變壓器沒有相宜 地散熱，并因而尺寸設(shè)計為大于實際所需。此外，這些水下變壓器需要復(fù)雜的裝置，用于保證在溫度引起冷卻介 質(zhì)和/或絕緣介質(zhì)體積變動時的壓力平衡。在EP1082736B1中介紹了另一種水下變壓器，它有一個完全包圍第一 容器并配備有壓力密封的電纜插座的第二容器。確切地說規(guī)定用于極深海 中的小型配電網(wǎng)變壓器的這種設(shè)計，也沒有解決所列舉的問題以及并不保 證有效冷卻。發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種較少維護(hù)的電氣和/或電 子構(gòu)件，它在深海運(yùn)行時可以有效散熱并與此同時保證電氣和/或電子構(gòu)件 小的尺寸。此外，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是設(shè)計一種與現(xiàn)有技術(shù)相比 經(jīng)濟(jì)得多的海上變電站。下面在本發(fā)明的范圍內(nèi)電氣構(gòu)件理解為電氣和/或電子構(gòu)件或相應(yīng)構(gòu)件 的組合。
名稱變壓器用作電氣構(gòu)件的代表。按照本發(fā)明上述技術(shù)問題通過權(quán)利要求1的特征得以解決。在這里規(guī) 定，熱交換單元的至少一個冷卻元件可被第一種液體、尤其海水繞流，其 中，冷卻元件之間的距離和冷卻元件的尺寸選擇為，使第一種液體圍繞冷 卻元件產(chǎn)生一種紊流的繞流。根據(jù)所選擇的第一種液體的粘度來選擇冷卻 元件的尺寸和各自的距離。通過如此布局，可以保證有效地排出在電氣構(gòu) 件運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量，因為通過紊流的流動可導(dǎo)致使大的液體量與熱交 換單元接觸，以及吸收從熱交換單元發(fā)出的熱量并迅速排出。當(dāng)電氣構(gòu)件 在海上區(qū)域使用時，熱交換單元設(shè)在海面下方的平臺平面上，以及由此實 現(xiàn)與現(xiàn)成的作為第一種液體的海水進(jìn)行熱交換。海水的平均溫度例如在北 海和東海最高為20°C,并因此非常適合作為用于冷卻在電氣構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的 熱能的冷卻源，這種熱能通過熱交換單元輸送給周圍的海水。為保證第 一種液體在熱交換單元上大的流量，按電氣構(gòu)件的 一種優(yōu)選設(shè)計，在熱交換單元周圍設(shè)導(dǎo)流裝置。因此海水作為第一種液體被引導(dǎo)和 轉(zhuǎn)向到熱交換單元。導(dǎo)流裝置設(shè)計為，它或產(chǎn)生朝冷卻件方向的層流，接 著通過冷卻元件的尺寸設(shè)計將層流轉(zhuǎn)換成海水的紊流。另一方面，尤其當(dāng) 導(dǎo)流裝置就近配置在熱交換單元附近時，它的形狀可以設(shè)計為，使之直接 產(chǎn)生紊流并接著通過對熱交換單元的冷卻元件尺寸設(shè)計得到更進(jìn)一步強(qiáng) 化。在這里，導(dǎo)流裝置的形狀、尺寸及數(shù)量根據(jù)在熱交換單元附近的環(huán)境 條件和海水的流速選擇。作為導(dǎo)流裝置的形狀尤其優(yōu)選大空間的面配置結(jié) 構(gòu)，這樣的面配置結(jié)構(gòu)將海水流從不同的方向朝熱交換單元方向轉(zhuǎn)向和導(dǎo)引。例如在DE102004030522.6中公開了 一種作為范例的導(dǎo)流裝置形狀。有利地，電氣構(gòu)件可緊密封閉地完全被作為第一種液體的海水繞流， 其中，電氣構(gòu)件的外壁具有用于增大表面的凹槽和間隔面和/或具有用于導(dǎo) 引第 一 種液體的導(dǎo)流裝置。通過借助附加的間隔面和凹槽增大了電氣構(gòu)件有效地散熱。通過增大熱交換面積，這不僅涉及熱交換單元而且也涉及變 壓器的整個外壁，借助繞流變壓器的海水造成最大可能的熱交換，并因而 保證對作為電氣構(gòu)件的變壓器最佳冷卻。按一項優(yōu)選的擴(kuò)展設(shè)計，第二種液體、尤其一種冷卻油，在冷卻循環(huán) 回路內(nèi)部循環(huán)，與此同時冷卻循環(huán)回路與在第 一種液體表面上方的液體脹 縮桶連接。在這里，冷卻循環(huán)回路通過連接通道與液體脹縮桶連接。采用 電氣構(gòu)件的這種設(shè)計，在構(gòu)件內(nèi)部造成有利于電安全的過壓。有利地，將 此脹縮桶用于承受構(gòu)件和/或冷卻循環(huán)回路的冷卻液和/或絕緣液因受熱引 起的體積變動。與此同時可以通過液體脹縮桶補(bǔ)償冷卻循環(huán)回路內(nèi)部的壓 力波動。水下的電連接是一個特殊的問題。按照本發(fā)明的另 一種實施方式這一問題這樣解決將充油的導(dǎo)線通道延伸到平臺上。這一設(shè)計可以實現(xiàn)一種 可靠的和沒有困難的電纜連接或更換，因為電纜在水面上方連接。接頭有 利地借助電纜插座實現(xiàn)。在此實施例中(圖2和3)，通向脹縮桶的冷卻劑 管道與用于電連接的導(dǎo)線通道組合。在這里，電纜接線匣設(shè)在液體脹縮桶 下方。此外，可以利用海上平臺的支柱作電纜通道(圖3和5)。按一種特殊 的實施方式，這些支柱也可以充填絕緣液并因而可以用作安全的油絕緣的 導(dǎo)線通道。在這里當(dāng)使用油脹縮桶時，用于處于水面上方的脹縮桶的油脹 縮管道與用于電連接的導(dǎo)線通道的組合也可以在支柱內(nèi)實施。優(yōu)選地，在連接通道內(nèi)布置通向電氣構(gòu)件的電連接導(dǎo)線，其中，連接 導(dǎo)線有這樣的特性，即，它們例如通過連接導(dǎo)線的外涂層或其材料的選擇 不會因第二種液體而遭受化學(xué)和/物理損傷。由此連接通道可以完全集成在 冷卻循環(huán)回路內(nèi)并充填第二種液體，例如冷卻油。在這種情況下，電連接導(dǎo)線集成在冷卻循環(huán)回路內(nèi)并延伸到處于海面上方的平臺平面上。在此平 臺平面上，通過適用的觸頭或電纜插座，實現(xiàn)處于海面下方的電氣構(gòu)件與 外部電源線的電連接。按另一種方案，在連接通道內(nèi)延伸兩個彼此隔開的 連接井，它們一方面保留電連接導(dǎo)線，以及另一方面在液體脹縮桶與冷卻 循環(huán)回路之間建立單獨的連接。在電氣構(gòu)件的這種構(gòu)型中，電連接導(dǎo)線不 必專門防止受冷卻油化學(xué)和/或物理損傷。按一種優(yōu)選的實施方式，電氣構(gòu)件的部件，尤其熱交換單元、導(dǎo)電的 外部接頭和液體脹縮桶，設(shè)在平臺的不同平面上。平臺的這些平面部分在 海面下方。如此布局可以使電氣構(gòu)件有效地利用平臺上的空間，以及尤其 在為海上應(yīng)用而設(shè)置時可以顯著減小平臺的尺寸。承受風(fēng)力負(fù)荷和百年波 負(fù)荷的面積通過縮小平臺尺寸而大大減小，或甚至可以完全取消。由此同 樣使平臺的支柱遭受小得多的負(fù)荷。由于減小了平臺的靜結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，所 以不需要支柱在海底廣闊地錨固，其結(jié)果是避免基礎(chǔ)的費用和環(huán)境負(fù)坦。優(yōu)選地，電連接導(dǎo)線和/或冷卻通道設(shè)在平臺的支架內(nèi)部。在平臺的支 架內(nèi)部鋪設(shè)導(dǎo)線和通道，可以避免提供在處于海面下方的熱交換單元與設(shè)脹縮桶之間單獨的連接通道。此外，連接導(dǎo)線和冷卻通道可防外部影響， 例如被海水腐蝕、強(qiáng)海水流或風(fēng)力負(fù)荷。


在從屬權(quán)利要求中說明按本發(fā)明的其他設(shè)計。下面借助附圖詳細(xì)說明 本發(fā)明。其中圖1示意性表示在海面上方的平臺上按照本發(fā)明的電氣構(gòu)件； 圖2示意性表示在海面下方帶有液體脹縮桶的按照本發(fā)明的電氣構(gòu)件； 圖3示意性表示設(shè)在海面下方的海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備塔架上的按照本發(fā) 明的電氣構(gòu)件；圖4示意性表示在海面下方帶有按照本發(fā)明的導(dǎo)流裝置的本發(fā)明電氣 構(gòu)件；以及圖5示意性表示按照本發(fā)明的平臺。
具體實施方式
圖1表示一個按照本發(fā)明的作為電氣構(gòu)件1的變壓器，它裝在海面上 方的平臺15上，其中，在本發(fā)明的范圍內(nèi)規(guī)定海水是第一種液體4。冷卻 循環(huán)回路6a、 6b與熱交換單元2連接，它設(shè)在第一種液體4的表面，亦即 海面上方或下方。熱交換單元2的冷卻元件3被海水4繞流并有效地排出 處于冷卻循環(huán)回路6a、 6b的冷卻劑內(nèi)的熱量。冷卻元件3之間的距離和冷 卻元件3的尺寸，相對于第一種液體4的入流方向選擇為，能造成第一種 液體4紊流地繞流。圖2表示按照本發(fā)明的變壓器1,它安排在海水4的表面下方的平臺 15最下部平面10a上，其中，熱交換單元2同樣處于海水4的表面下方。 處于冷卻循環(huán)回路6a、 6b中的冷卻劑、在這里是冷卻油的壓力平衡，通過 設(shè)在海水4表面上方的液體脹縮桶7得以保證。在液體脹縮桶7與變壓器1
之間的連接通道8內(nèi)的液柱，同樣在構(gòu)件及其冷卻循環(huán)回路6a、 6b的內(nèi)部 產(chǎn)生相對于外部海水4環(huán)境壓力而言足夠的內(nèi)壓。所述的液體脹縮桶有利 地配備有空氣干燥器13,以防止水分侵入冷卻液和/或絕緣液內(nèi)?；诘谝?種液體4在電氣構(gòu)件1上的液體壓力并因而基于在冷卻循環(huán)回^各6a、 6b上 的液體壓力，液體脹縮桶7 —方面用作溢流罐，以及另一方面用于建立冷 卻循環(huán)回路6a、 6b內(nèi)部必要的內(nèi)壓。此外，經(jīng)由變壓器1與液體脹縮桶7 之間的連接通道8，可以將電連接導(dǎo)線9導(dǎo)向變壓器1。在變壓器l的外壁 上加工有凹槽和間隔面12,它們通過增大熱交換面積而增加向周圍海水4 的散熱。圖2還表示出了按照本發(fā)明的海上平臺15,其中平面10a設(shè)置用于在 水面4下方安裝電氣部件。采用平臺15的按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，可以顯著減 小平臺15的尺寸。在現(xiàn)有技術(shù)中迄今只看到一些它們的平面設(shè)在原離水面 的上方并由此保證防止地區(qū)性不同的百年波的平臺。采用按照本發(fā)明的平 臺15，可以在水面4下方安置電氣部件、例如按照本發(fā)明的電氣構(gòu)件1, 并由此防止海面的影響。圖示的實施例表示一種用于變電站的海上平臺，其特征在于，將那些 尺寸設(shè)計取決于質(zhì)量、最大風(fēng)力負(fù)荷和所謂百年波的大面積和重的部件， 尤其變壓器1和整流器，布置在水面下方的一個深度處，這一深度處于針 對當(dāng)?shù)卮_定的百年波20的至少一個波幅21的海平面下方。按照本發(fā)明規(guī) 定將用于安置變電站部件1的平臺層設(shè)計為，它整個或部分是可滲透流動 介質(zhì)的。按此實施例，整個水下層10a側(cè)向敞開，所以它對海水的流動只造 成在尺寸設(shè)計時應(yīng)考慮的小的阻力，但與此同時允許海水良好地進(jìn)入要冷 卻的部件。圖3仍表示一個按照本發(fā)明的變壓器1，它的熱交換單元2設(shè)在海水4 的表面下方的平臺15上，以及具有一個設(shè)在海水4上方的液體脹縮桶7。 在圖3中平臺15安裝在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的下部塔架區(qū)14上，以及不需要附 加的到達(dá)海面的支柱。上部平臺段10b的穩(wěn)定性僅通過與風(fēng)力發(fā)電設(shè)備塔 架14的連接來保證。通過減少穿過海面的平臺支柱數(shù)量，進(jìn)一步減小所謂 百年波的作用面。因為在這里既沒有電氣構(gòu)件1也沒有附加的支柱到達(dá)百 年波和強(qiáng)風(fēng)的作用區(qū)，所以可以顯著節(jié)省用于海上變電站的底座、基礎(chǔ)和 總體結(jié)構(gòu)的費用。
圖4中的導(dǎo)流裝置5或可以直接安置在處于海面下方的變壓器1上，或安置在熱交換單元2的近旁。在這種情況下對導(dǎo)流裝置5的固定直接在 變壓器1上或在平臺15上進(jìn)行。同樣，導(dǎo)流裝置5也可以設(shè)在平臺15的 外部，并因而保證對按照本發(fā)明的變壓器1或?qū)峤粨Q單元2有非常充分 的流場。導(dǎo)流裝置5的形狀、尺寸和數(shù)量可根據(jù)環(huán)境和流速改變，在這里， 除光滑表面外也可以使用例如在DE102004030522.6中介紹的導(dǎo)流裝置5。圖5表示一種實施例，其中電氣構(gòu)件安裝在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的塔架11上， 使之處于水平面4的下方和塔架11的外部，以及它的重量由風(fēng)力發(fā)電設(shè)備 塔架的基礎(chǔ)支承。采用按照本發(fā)明的構(gòu)件布局，可以明顯降低平臺的成本。 在這里，電氣構(gòu)件在本實施例中以這樣的方式設(shè)在水平面4的下方，即， 在構(gòu)件上方離海平面4保持一個距離22，該距離大于當(dāng)?shù)卮_定的百年波20 的波幅21。與此同時，在此實施例中也達(dá)到對電氣構(gòu)件已說明的有效冷卻。 供電或饋電線由海底電纜(在圖5中用虛線表示)保證。在這里饋電線集 成在平臺內(nèi)、尤其支柱11內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種帶有繞組導(dǎo)線的電氣構(gòu)件(1)，包括具有熱交換單元(2)的冷卻循環(huán)回路(6a、6b)，其特征為所述熱交換單元(2)的至少一個冷卻元件(3)可被第一種液體(4)繞流，其中，冷卻元件(3)的尺寸和/或兩個冷卻元件(3)之間的距離選擇為，使第一種液體(4)圍繞冷卻元件(3)產(chǎn)生紊流的繞流。
2. 按照權(quán)利要求1所述的電氣構(gòu)件(1 ),其特征為，導(dǎo)流裝置(5 )將 第一種液體(4)導(dǎo)向熱交換單元(2)和/或電氣構(gòu)件(1)。
3. 按照權(quán)利要求1或2之一所述的電氣構(gòu)件(1),其特征為，所述電 氣構(gòu)件(1)可緊密封閉地和完全被第一種液體(4)繞流，其中，電氣構(gòu) 件(1 )的外壁具有用于增大表面的凹槽和間隔面(12)和/或具有用于導(dǎo)引 第一種液體(4)的導(dǎo)流裝置(5)。
4. 按照權(quán)利要求1至3中任一項所述的電氣構(gòu)件(1 )，其特征為，第 二種液體在冷卻循環(huán)回i 各(6a、 6b)內(nèi)部循環(huán)以及冷卻循環(huán)回if各(6a、 6b) 通過連接通道(8)與在第一種液體(4)表面上方的液體脹縮桶(7)連接。
5. 按照權(quán)利要求1至4中任一項所述的用絕緣液和/或冷卻液充填的電 氣構(gòu)件(1 ),其特征為，該構(gòu)件(1 )通過連接管道(8 )與用于絕緣液和/ 或冷卻液的第二個容器(7)連接，該第二個容器定位在水面(4)上方以 及通過處在此容器內(nèi)的液體靜壓導(dǎo)致電氣構(gòu)件(1 )及其冷卻設(shè)備(2)內(nèi) 的過壓。
6. 按照權(quán)利要求4或5所述的電氣構(gòu)件(1 ),其特征為，在連接通道 (8)內(nèi)布置通往電氣構(gòu)件(1)的電連接導(dǎo)線(9)，其中，連接導(dǎo)線(9)有這樣的特性，即，其不會因第二種液體而遭受化學(xué)和/物理損傷。
7. 按照權(quán)利要求1至6中任一項所述的電氣構(gòu)件(1 ),其特征為，在 具有至少兩個平面(10a、 10b)的平臺(15)上設(shè)熱交換單元(2)、電氣 構(gòu)件(1)、導(dǎo)電的外部接頭(16)和/或液體脹縮桶(7)。
8. 按照權(quán)利要求4至7中至少一項所述的電氣構(gòu)件(1 )，其特征為， 電連接導(dǎo)線(9 )和/或冷卻通道(6a、 6b )和/或連接通道(8 )設(shè)在平臺(15 ) 的支架(11 )的內(nèi)部。
9. 按照上述諸權(quán)利要求中至少一項所述用于變電站的電氣構(gòu)件(1 )和 附屬的海上平臺，其特征為，電氣構(gòu)件以這樣的方式設(shè)在水面(4)的下方，即，在此構(gòu)件保持一個離海面(4)的距離(22),這一距離大于在此地點 確定的百年波(20)的波幅(21)。
10. 按照權(quán)利要求9所述的海上平臺，其特征為，將用于安置變電站構(gòu) 件(1 )的平臺層(10a)設(shè)計為，它整個或部分是可滲透流動介質(zhì)(4)的。
11. 一種具有至少一個按照上述諸權(quán)利要求中任一項所述電氣構(gòu)件(1 ) 的變電站，其特征為該電氣構(gòu)件以這樣的方式安裝在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的塔 架(11)上，即，使它處于水面(4)的下方和塔架(11)的外部，以及它 的重量由風(fēng)力發(fā)電設(shè)備塔架的基礎(chǔ)支承。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有繞組導(dǎo)線的電氣構(gòu)件、尤其變壓器，其包括帶有熱交換單元的冷卻循環(huán)回路。按照本發(fā)明熱交換單元的冷卻元件可被第一種液體、尤其海水繞流，并因而對于在電氣構(gòu)件運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量可以實現(xiàn)熱交換。按照本發(fā)明的電氣構(gòu)件尤其針對海上應(yīng)用，其中，電氣構(gòu)件設(shè)在平臺的不同平面上并因而只需要小的空間位置。
文檔編號F03D1/00GK101128892SQ200580048635
公開日2008年2月20日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月27日
發(fā)明者喬爾格·芬戴森 申請人:西門子公司