Transformator für Meeresströmungskraftwerk

Transformator, insbesondere zur Verwendung unter Wasser in einer hydro-elektrischen Anlage, z.B. einem Meeresströmungskraftwerk .

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Transformator in einem Transformatorkessel, und mit einer den Transformatorkessel umgebenden Außenhülle, wobei der Raum zwischen Transformatorkessel und Außenhülle mit einem flüssigen Kühlmedium gefüllt ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zum Kühlen eines elektrischen Transformators.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 99/63555 ist ein Unterwassertransformator bekannt. Bei diesem Unterwassertransformator ist ein elektrischer Transformator in einem ölgefüllten Transformatorkessel angeordnet und dessen elektrische Anschlüsse sind über am Transformatorkessel vorgesehene Kontaktanschlüsse aus dem Transformatorkessel herausgeführt. Der Transformatorkessel ist innerhalb eines Außenkessels angeordnet, der vollständig mit Transformatoröl als Kühlflüssigkeit gefüllt ist. Die Kontaktanschlüsse sind mit Anschlussvorrichtungen kontaktiert und über druckfeste Kabeldurchführungen durch den Außenkessel nach außen geführt, Zum Anpassen des Drucks im Außenkessel des Unterwassertrans ^¬ formators an den Wasserdruck des den Außenkessel umgebenden Wassers sind Druckausgleichsmittel vorgesehen. Bei der be ^¬ kannten Anordnung ist der Außenkessel relativ dünnwandig aus ^¬ gebildet, da er wegen der Druckausgleichsmittel nur eine ge ^¬ ringe Druckbelastbarkeit aufweisen muss. Bei einem Leck im

Außenkessel sammelt sich dadurch eingedrungenes Wasser auf ^¬ grund seines im Vergleich zum Transformatoröl höheren spezifischen Gewichts am Boden des Außenkessels.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 272 443 ist weiterhin ein herkömmlicher Transformator in einem Transformatorkessel bekannt. Die elektrischen Anschlüsse des Transformators sind über am Transformatorkessel angeordnete Kontaktanschlüsse nach außen in die Luftatmosphäre geführt. Im Transformator- kessel ist öl als Kühl- und Isolationsflüssigkeit vorgesehen; allerdings ist der Transformatorkessel nicht vollständig mit öl gefüllt. Oberhalb des sich dadurch ergebenden ölspiegels ist ein Gasraum gebildet, der mit gasförmigen Stickstoff ge ^¬ füllt ist. Um bei dem bekannten Transformator das Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere bei Transport und Lagerung, in den Transformatorkessel zu vermeiden, wird das Innere des Transformatorkessels unter leichtem überdruck gegenüber der äußeren Luftatmosphäre gehalten. Gleichzeitig werden durch Temperaturänderungen des öls bedingte Volumenänderungen in- nerhalb des Transformatorkessels entsprechend aufgenommen. Dazu ist eine druckgesteuerte Automatik mit Vorratsflaschen für Stickstoff vorgesehen, mit der durch eine Temperaturände ^¬ rung des öls verdrängter Stickstoff in am Transformator angebauten Vorratsflaschen komprimiert wird, wenn der Innendruck im Transformator den gewünschten leichten überdruck gegenüber dem äußeren Atmosphärendruck übersteigt.

Aus der deutschen Patentanmeldung DE 101 27 276 ist weiterhin ein Unterwassertransformator bekannt, der mit einem Außenkessel umschlossen ist. Bei diesem bekannten

Unterwassertransformator ist der Außenkessel unter Bildung eines Gasraums teilweise derart mit einem Gas gefüllt, dass die elektrischen Kontaktanschlüsse vollständig im Gasraum

liegen. Weiterhin sind Druckausgleichsmittel vorgesehen, die mit dem Gasraum verbunden sind. Bei diesem Unterwassertransformator wird die im Betrieb entstehende Wärme durch die Kühlflüssigkeit des Transformatorkessels über den Transformatorkessel an die Kühlflüssigkeit des

Außenkessels und vom Außenkessel an das umgebende Wasser abgegeben .

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transformator bereitzustellen, der im Betrieb möglichst wenig Wärme abgibt.

Die Aufgabe wird bei einem Transformator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Mittel zur Kühlung des flüssigen Kühlmediums vorgesehen sind.

Dadurch ist gewährleistet, dass der Transformator keine oder nur wenig Wärme an seine Umgebung abgibt. Beim Einsatzort des Transformators ist somit keine Klimaanlage nötig, um die vom Transformator abgegebene Wärme zu kühlen. Beim aus der deutschen Patentanmeldung DE 101 27 276 bekannten Stand der Technik dagegen, wird gerade die Wärme des Transformators an die Umgebung abgegeben.

Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Außenhülle als Mantel ausgestaltet ist, bestehend aus wasserdichtem und gasundurchlässigem Material. Dadurch ist eine Isolierung nach Außen und nach Innen sichergestellt. Ein Mantel als Außenhülle mit wasserdichtem und gasundurchlässigem Material vermindert außerdem den Wartungsaufwand und verhindert eine Verschmutzung der

Umgebung, da z.B. Transformatorenöl nicht in die Umwelt gelangen kann. Weiterhin sorgt die Außenhülle dafür, dass keine oder nur minimale Abwärme an die Umgebung gelangt . Da

das Kühlsystem für das Kühlmedium zwischen

Transformatorkessel und Außenhülle unter Druck arbeitet, ist eine wasserdichte und gasundurchlässige Außenhülle wichtig für die Arbeitsweise des Kühlsystems.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Außenhülle als metallener Außenkessel ausgestaltet ist. Dadurch ist zum einen eine Versiegelung des Transformators nach außen, als auch ein Schutz des Transformators vor äußeren Einflüssen (z.B. Stößen) sichergestellt. Ein metallener Außenkessel (z.B. aus Stahl oder stabilem Aluminium mit einer Dicke von 6mm) als Außenhülle garantiert die Arbeitsweise des Transformators auch bei hohem Außendruck. Aus Gewichtsgründen ist die Außenhülle vorteilhafterweise einwandig ausgebildet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Außenhülle mit dem Transformatorkessel durch Verbindungselemente verbunden ist. Die Verbindungselemente können mit der Außenhülle und dem Transformatorkessel z.B. verschweißt sein und erhöhen die Druckstandhaftigkeit des Transformators, insbesondere dadurch, dass der Flächendruck auf den Transformator minimiert wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Verbindungselemente dergestalt angeordnet und/oder ausgebildet sind, um eine gleichmäßige Verteilung des flüssigen Kühlmediums im Raum zwischen Transformatorkessel und Außenhülle zu erreichen und um eine Druckfestigkeit von wenigstens 3 bar Außendruck zu gewährleisten. Da erwärmtes Kühlwasser nach oben steigt, wird durch die Anordnung und Form der Verbindungselemente bewirkt, dass das Kühlwasser in der Außenhülle langsam nach oben zum

Transformatordeckel steigt, und wobei es auch noch gleichmäßig zwischen Außenhülle und Transformatorkessel verteilt wird. Dadurch wird eine optimale Kühlung sichergestellt .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass wenigstens ein Teil der Verbindungselemente, insbesondere in der Nähe des Transformatorbodens, kammförmig ausgebildet sind, für eine gleichmäßige Verteilung des flüssigen Kühlmediums im Raum zwischen Transformatorkessel und Außenhülle. Als Kühlmedium im Raum zwischen Transformatorkessel und Außenhülle kann Wasser verwendet werden, vorzugsweise versehen mit einem Korrosionsschutz- und/oder Frostschutzmittel. Da erwärmtes Kühlwasser nach oben steigt, wird durch die kammförmige Form der

Verbindungselemente bewirkt, dass das Kühlwasser in der Außenhülle gleichmäßig zwischen Außenhülle und Transformatorkessel verteilt wird. Dadurch wird eine optimale Kühlung sichergestellt. Die kammförmigen Verbindungselemente bewirken außerdem eine gewisse Steifigkeit der Außenhülle und erhöhen somit auch die Druckfestigkeit der Außenhülle und des Transformatorkessels .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Verbindungselemente, insbesondere in der Nähe des Transformatordeckels, dergestalt angeordnet und/oder ausgebildet sind, um eine Druckfestigkeit von mindestens 3 bar sicherzustellen. Die Verbindungselemente, die in der Nähe des Transformatordeckels, also im Wesentlichen im oberen Drittel des Transformators angeordnet sind, dienen weniger der gleichmäßigen Verteilung des Kühlwassers, sondern haben hauptsächlich den Zweck eine hohe Druckfestigkeit herzustellen. Als Verbindungselemente im oberen Bereich des

Transformatorkessels und der Außenhülle können daher einfache Metallstäbe (z.B. runde oder viereckige Stäbe) verwendet werden, die z.B. in parallelen Reihen angebracht sind. Durch die Anordnung der Verbindungsstreben in parallelen Reihen wird der Flächendruck auf die Außenhülle reduziert.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Mittel zur Kühlung des Kühlmediums mit einem Kühlungssystem einer weiteren Komponente gekoppelt sind. Dadurch wird die Kühlwirkung für den Transformator verstärkt, weiterhin wird mit der Kopplung der Kühlsysteme eine Redundanz geschaffen, die die Ausfallsicherheit für die Kühlung erhöht. Als weitere Komponente wird vorzugsweise eine Komponente verwendet, die sowieso schon vorhanden ist. Weitere Komponenten können z.B. ein oder mehrere

Frequenzumrichter, ein oder mehrere Generatoren, oder ein oder mehrere weitere Transformatoren sein.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass als Mittel zur Kühlung des Kühlmediums ein

Kühlungssystem einer weiteren Komponente verwendet wird. Transformatoren arbeiten oft in Wechselwirkung mit weiteren elektrischen Komponenten, z.B. Frequenzumrichter. Wenn als Kühlungssystem für das Kühlmedium der Außenhülle ein Kühlungssystem einer schon vorhandenen Komponente verwendet wird, ergibt sich eine Raumersparnis, was besonders bei räumlich engen Umgebungen von Vorteil ist, z.B. im Turm eines Unterwasserkraftwerks. Weiterhin ergibt sich eine effiziente Nutzung eines bereits vorhandenen Kühlsystems.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die weitere Komponente eine elektrische Maschine, insbesondere ein Frequenzumrichter, ein Generator oder ein

zweiter Transformator ist. Elektrische Maschinen werden oft in Wechselwirkung mit anderen elektrischen Maschinen eingesetzt. Bei einem Meeresströmungskraftwerk werden Frequenzumrichter eingesetzt, um die unterschiedlichen Meeresströmungen, die auf die Turbinen und Generatoren einwirken, auszugleichen. In Türmen von

Meeresströmungskraftwerken herrscht Platzmangel, da die Türme im Durchmesser verhältnismäßig klein gebaut sind und somit eine relative Enge herrscht. Wenn nun als Kühlungssystem für das Kühlmedium der Außenhülle ein Kühlungssystem einer bereits vorhandenen Komponente verwendet wird (z.B. Frequenzumrichter) , kann der vorhandene Raum im Turm optimal verwendet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Mittel zur Kühlung des flüssigen Kühlmediums mit dem Kühlungssystem der weiteren Komponente in Serie angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine platzsparende und kompakte Bauweise, die insbesondere den Einsatz in räumlich engen Umgebungen zulässt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Mittel zur Kühlung des flüssigen Kühlmediums mit dem Kühlungssystem der weiteren Komponente parallel- geschaltet angeordnet sind. Durch die parallel-geschaltete Anordnung wird die Wassermenge geteilt und kühleres Wasser wird dem Transformator zugeführt. Die Wärmeabgabe des Transformators an die Umgebung wird durch diese zusätzliche Kühlwirkung somit noch mal reduziert.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Kühlmedium des Transformators im Transformatorkessel keinen Kontakt zum Transformatordeckel

aufweist, wobei als Kühlflüssigkeit Mineralöl, Esterflüssigkeit oder Silikonöl verwendbar ist. Damit wird gewährleistet, dass der Transformator keine oder nur wenig Abwärme an die Umgebung abgibt . Dadurch kann auf eine Klimaanlage in der Umgebung des Transformators verzichtet werden. Dies ist insbesondere in der räumlichen Enge eines Turmes für ein Meeresströmungs- oder Gezeitenkraftwerks vorteilhaft. Weiterhin muss keine Energie für eine Klimaanlage zugeführt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Transformatorkessel einen Sensor, insbesondere einen Füllstandsanzeiger aufweist. Dadurch können sehr schnell Lecks im Transformatorkessel erkannt werden und die Dichtheit des Transformatorkühlsystems kann durch den Füllstandsanzeiger oder andere Sensorik überprüft werden .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Transformatorkessel, insbesondere am

Transformatordeckel, eine öffnung zur Umgebung aufweist, wobei in den Transformatorkessel eindringende Luft durch einen Luftentfeuchter geleitet wird. Der ölspiegel (z.B. Mineralöl, Esterflüssigkeit oder Silikonöl) im Transformatorkessel ist abhängig von der Temperatur des verwendeten öls. Bei steigender Temperatur steigt auch der ölspiegel im Transformatorkessel. Bei Abkühlung wird Luft eingesaugt, wenn der ölspiegel fällt. Ein freier ölspiegel ist erforderlich, da keine Druckausgleichmittel (z.B. ein Dehnbehälter) verwendet wird und die Ausdehnung der Wellwände des Transformators nicht ausreichend ist, insbesondere bei 3 bar Gegendruck. Der Luftentfeuchter sorgt dafür, dass eingesaugte Luft getrocknet wird, ansonsten würde bei einem

Einsatz an feuchten Orten (z.B. am oder im Meer) das innere Isoliersystem des Transformators Schaden erleiden. Der Luftentfeuchter kann z.B. Silica Gel für seinen Betrieb verwenden .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Grundfläche des Transformators mit Transformatorkessel und Außenhülle 1200 mm x 900 mm nicht übersteigt, wobei die Nennleistung des Trafos 1250 kVA beträgt. Dadurch ist es möglich den Transformator in begrenzten oder räumlich engen Umgebungen aufzustellen. Weiterhin kann der Transformator durch enge Stellen hindurch transportiert werden. Dadurch, dass der Transformatorkessel und die Außenhülle mindestens einem Druck von 3 bar standhalten ist sichergestellt, dass der Transformator in widrigen Umgebungen, insbesondere in Umgebungen die Druck und Spannungen ausüben, verwendet werden kann. Solche widrigen Umgebungen finden sich z.B. in Meeresströmungs- oder Gezeitenkraftwerken .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Transformator in einer Anlage unter Wasser operativ einsetzbar ist, insbesondere in einer hydroelektrischen Anlage. Aufgrund des Einsatzortes und der herrschenden Umgebungsverhältnisse müssen elektrische Geräte und Maschinen, die in hydro-elektrischen Anlagen (z.B. Meeresströmungs- oder Gezeitenkraftwerken) eingesetzt werden sollen, besondere Anforderungen erfüllen. So darf ein Transformator nicht zu sperrig und von den Ausmaßen nicht zu groß dimensioniert sein, da meistens eine durch die Bauweise bedingte räumliche Enge herrscht (der Widerstand des Gebäudes im Wasser soll gering bleiben) . Auch soll die Wärmeabgabe der elektrischen Maschinen minimal gehalten werden, damit keine

zusätzlichen Klimaanlagen in der Anlage benötigt werden. Durch den Wassermantel (Außenhülle) des erfindungsgemäßen Transformators wird bewirkt, dass keine zusätzliche Klimaanlage benötigt wird. Auch wird der benötigte räumliche Aufwand für die Kühlung des Wassermantels minimal gehalten, wenn dafür das Kühlsystem einer anderen sowieso vorhandenen Komponente (z.B. Frequenzumrichter) verwendet wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zum Kühlen eines elektrischen Transformators, insbesondere in einer hydro-elektrischen Anlage, bestehend aus: einem Transformator, angeordnet in einem Transformatorkessel; einer Außenhülle, die den Transformatorkessel im Wesentlichen umgibt, wobei die Außenhülle ein Kühlmedium beinhaltet; und Mittel zur Kühlung des Kühlmediums der Außenhülle. Die

Anordnung ermöglicht Einsatzorte des Transformators bei denen keine Klimaanlage nötig ist, um die vom Transformator abgegebene Wärme zu kühlen. Ein möglicher Einsatzort ist z.B. im Turm eines Meeresströmungskraftwerkes unter Wasser.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden erläutert.

Dabei zeigen:

FIG 1 in einer Schemadarstellung den erfinderischen elektrischen Transformator mit Außenhülle und Kühlsystem für das Kühlmedium in der Außenhülle.

FIG 2 in einer Schemadarstellung eine weitere

Ausgestaltung des erfinderischen elektrischen Transformators, wobei die Außenhülle die Unterseite des Transformatorkessels nicht umschließt,

FIG 3 in einer Schemadarstellung ein weiteres Beispiel für den erfinderischen elektrischen Transformator, bei dem die Außenhülle den unteren Bereich des Transformatorkessels nicht vollständig umschließt,

FIG 4 in einer vereinfachten Darstellung eine

Reihenschaltung der Kühlsysteme des erfinderischen Transformators und einer weiteren Komponente,

FIG 5 in einer vereinfachten Darstellung eine Parallelschaltung der Kühlsysteme des erfinderischen Transformators und einer weiteren Komponente,

FIG 6 den Turm eines Meeresströmungskraftwerks,

FIG 7 kammartige Elemente zur Verteilung des Kühlwassers, und

FIG 8 in einer schematischen Darstellung ein Beispiel für eine Anordnung der kammartigen Elemente zwischen Transformatorenkessel und Außenmantel.

Fig.l zeigt in einer Schemadarstellung einen elektrischen Transformator 1 in einem Transformatorkessel 2. Der

Transformatorkessel 2 ist in einer Außenhülle 3 angeordnet und von dieser umschlossen. Zwischen dem Transformatorkessel 2 und der Außenhülle 3 ist außerdem ein flüssiges Kühlmedium 4 vorgesehen. Im Transformatorkessel 2 ist ebenfalls ein Kühlmedium 5 vorgesehen. Der Transformatorkessel 2 ist mit der Außenhülle 3 durch Verbindungselemente 14 verbunden. Durch die Verbindungselemente 14 wird der Flächendruck am Transformatorkessel 2 und an der Außenhülle 3 verringert. Die Verbindungselemente 14 im oberen Bereich des Transformators dienen der Druckfestigkeit, die Verbindungselemente 14 im

unteren Bereich des Transformators dienen neben der Druckfestigkeit insbesondere der gleichmäßigen Verteilung des flüssigen Kühlmediums (4) zwischen Transformatorkessel 2 und Außenhülle 3. Als Kühlmedium 4 kann Wasser eingesetzt werden. Insbesondere eignet sich als Kühlmedium 4 Wasser, das mit einem Zusatz (Korrosionsschutz, Frostschutz, Kühlmittel) versehen ist, z.B. Glykol .

über öffnungen 6 ist das flüssige Kühlmedium 4 mit einem Kühlsystem 11,12,13 verbunden. Im oberen Bereich des Transformators in der Nähe des Transformatordeckels 15 wird die erwärmte Kühlflüssigkeit 4 aus der öffnung 6 in die Leitung 11 abgeleitet und einem Wärmetauscher 13 zugeführt. Der Wärmetauscher 13 sorgt für eine Abkühlung des Kühlmediums 4. Das abgekühlte Kühlmedium 4 wird durch die öffnung 6', die sich vorzugsweise in Bodennähe des Transformators befindet, in den Raum zwischen Transformatorkessel 2 und Außenhülle 3 wieder zugeführt. Vorzugsweise ist die Leitung 11 mit einer Pumpe 12 (Hydropumpe) versehen, um eine optimale Kühlung zu gewährleisten. Beim Einsatz in einem Meeresströmungskraftwerk kann das Meereswasser im Wärmetauscher 13 zur Kühlung des Kühlmediums 4 verwendet werden. Der Wärmetauscher 13 ist dabei wegen der Druckverhältnisse vorzugsweise in der Nähe des Meeresspiegels anzubringen. Beim Einsatz in einem Meeresströmungskraftwerk kann der Wärmetauscher 13 z.B. aus Titan sein, wegen der hohen Korrosionsfestigkeit.

Das Kühlungssystem für das Kühlwasser zwischen der Außenhülle 3 und dem Transformatorkessel 2 kann im stand-alone Betrieb arbeiten, d.h. unabhängig, ohne Anschluss an weitere Komponenten. Das Kühlungssystem für das Kühlwasser zwischen der Außenhülle 3 und dem Transformatorkessel 2 kann aber auch mit dem Kühlungssystem einer weiteren Komponente oder weiterer Komponenten gekoppelt sein. Das operative Zusammenwirken mit dem Kühlungssystem einer weiteren

Komponente, z.B. einer elektrischen Maschine (Frequenzumrichter, weiterer Transformator, Generator etc.) verstärkt den Kühlungseffekt. Wenn die weitere Komponente sowieso vorhanden ist ergibt sich außerdem eine Raumersparnis. Dies ist insbesondere in engen Umgebungen (z.B. im Turm eines Meeresströmungskraftwerks) nützlich. Als Verbindungsleitung 11 kann ein Rohr oder ein Schlauch verwendet werden. Die Verbindungsleitung 11 kann an den Anschlussöffnungen 6,6' z.B. durch einen Schraub-, Steck- oder Kupplungsmechanismus mit der Außenhülle befestigt und verbunden sein.

Die Außenhülle 3 ist als Mantel (sog. Water-Jacket) mit einem wasserdichten und gasundurchlässigen Material ausgebildet. Bei Einsatz des Transformators unter Wasser, z.B. im Turm eines Gezeiten- oder Meeresströmungskraftwerkes, muss die

Außenhülle eine entsprechende Druckfestigkeit gewährleisten. Das Material für die Außenhülle wird somit beim Einsatz unter Wasser im Wesentlichen starr sein. In Umgebungen, die eine hohe Druckfestigkeit verlangen ist die Außenhülle vorzugsweise als metallener Kessel gebildet. Als Metalle ist z.B. Stahl geeignet, aber auch festes Aluminium (6 mm Dicke) ist denkbar.

Für den Betrieb des Transformator 1 im Transformatorkessel 2 ist ein sog. offenes Kühlsystem verwendbar, d.h. der Raum zwischen dem Transformator 1 und dem Transformatorkessel 2 ist durch eine öffnung 9 mit der Umgebung verbunden. Für den Betrieb als offenes System sind keine Druckausgleichsmittel wie Dehngefäße erforderlich. Als Kühlflüssigkeit 5 im Transformatorenkessel 2 ist z.B. Mineralöl, Esterflüssigkeit oder Silikonöl verwendbar. Der Flüssigkeitsstand der

Kühlflüssigkeit 5 im Transformatorkessel 2 ist abhängig von der Temperatur der Kühlflüssigkeit. Wenn die Temperatur steigt, dann steigt der Flüssigkeitsspiegel 8. Bei Abkühlung

sinkt der Flüssigkeitsspiegel 8 und es wird Luft eingesaugt. Ein freier Flüssigkeitsspiegel 8 ist nötig, da bei metallenen Wellwänden so gut wie keine Ausdehnung möglich ist und die Arbeitsweise des Transformators auch bei hohem Gegendruck (z.B. Einsatz im Turm eines Meeresströmungs- oder Gezeitenkraftwerks) sichergestellt sein soll. Der erfindungsgemäße Transformator arbeitet auch noch bei 3 bar Gegendruck ordnungsgemäß. Der Luftentfeuchter 10 stellt sicher, dass die bei Abkühlung eingesaugte Luft vor Zutritt in den Transformatorkessel 2 getrocknet wird. Wegen der Korrosionsgefahr ist es sinnvoll nur trockene Luft in den Transformatorkessel gelangen zu lassen. Insbesondere beim Einsatz im oder am Meer ist die Umgebungsluft sehr feucht. Der Luftentfeuchter 10 ist vorzugsweise am oder in der Nähe des Transformatordeckels 15 angebracht .

Durch die Bauweise und Konstruktion des Transformators 1 und des Transformatorkessels 2 ist sichergestellt, dass die Kühlflüssigkeit 5 im Transformatorkessel 2 keinen Kontakt zum Transformatordeckel 15 aufweist. Dadurch wird durch den

Transformatordeckel 15 keine Wärme an die Umgebung abgeführt. Durch ein Sensorsystem 7 (z.B. Füllstandsmesser) wird der Füllstand 8 der Kühlflüssigkeit permanent oder in Zeitabständen erfasst. Bei der Befüllung des Transformatorkessels 2 mit dem Kühlmedium 5 für den

Transformatorkessel wird z.B. über den Sensor 7 erkannt, wenn zuviel Kühlflüssigkeit 5 zugeführt wird bzw. zugeführt wurde und die Kühlflüssigkeit 5 mit dem Transformatordeckel 15 in Kontakt treten könnte. Beim Betrieb des Transformators erkennt der Sensor 7 wenn der Flüssigkeitsstand 8 des

Transformatoröls 5 sich dem Transformatordeckel 15 nähert.

Da der Transformator keine oder nur wenig Wärme an die Umgebung abgibt, benötigt die Umgebung keine Klimaanlage zur Kühlung. Dies spart Energie und Platz.

Der Transformator 1 ist mit elektrischen Kontaktanschlüssen 16 ausgestattet. Diese liegen im oberen Bereich des

Transformatorkessels 2, insbesondere am Transformatordeckel 15. Der übersichtlichkeit halber sind in der FIG 1 nur drei elektrische Kontaktanschlüsse 16 dargestellt. Die tatsächlich notwendige Anzahl von elektrischen Kontaktanschlüssen 16 ergibt sich aus der Anzahl der Phasen, für die der

Transformator 1 ausgebildet ist; üblicherweise sind pro Phase zwei oder mehr Anschlüsse erforderlich. Mit elektrischen Anschlüssen 18 ist der Transformator 1 mit den elektrischen Kontaktanschlüssen 16 verbunden. über die elektrischen Kontaktanschlüsse 16 ist der Transformator mit elektrischen Verbindungsleitungen 17 zu seinem Betrieb angeschlossen. Die elektrischen Anschlüsse und elektrischen Verbindungen für den Transformator können unterschiedlich ausgebildet sein (z.B. sind lösbare Steck- oder Schraubverbindungen denkbar) . Die Vorteile des Transformators liegen darin, dass er keine oder nur wenig Wärme abgibt und seine kompakte Bauweise. Die Grundfläche des Transformators mit Transformatorkessel und Außenhülle übersteigt 1200 mm x 900 mm nicht, wobei die Nennleistung des Trafos 1250 kVA beträgt. Dadurch kann er in räumlich enge Umgebungen eingesetzt werden, wobei diese

Umgebungen keine weitere Klimaanlage zur Kühlung benötigen. Mögliche Einsatzorte sind Wohngebiete, Einkaufszentren, aber auch Meeresströmungs- und Gezeitenkraftwerke. Der Transformator 1 kann im stand-alone Betrieb betrieben werden, d.h. das Kühlsystem (12,13) für das Kühlmedium 4 zwischen Transformatorkessel 2 und Außenhülle 3 arbeitet autark und unabhängig von anderen Kühlsystemen. Das Kühlsystem (12,13) kann aber auch mit weiteren externen

Kühlsystemen operativ gekoppelt sein. Dadurch wird die Kühlleistung erhöht und außerdem sorgt die durch die Kopplung mit weiteren Kühlsystemen für eine Redundanz bei den Kühlkomponenten, was zu einer höheren Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit führt. Es ist auch möglich als Kühlsystem (12,13) für das Kühlmedium 4 zwischen Transformatorkessel 2 und Außenhülle 3 das Kühlsystem einer weiteren Komponente, z.B. einer weiteren elektrischen Maschine (Generator, Frequenzumrichter, Transformator etc.) zu nehmen. Durch diesen Verzicht auf ein eigenes Kühlsystem (12,13) ergibt sich eine Platzersparnis, wodurch insbesondere der Einsatz in engen Umgebungen ermöglicht wird.

Anstelle des Wärmetauschers 13 können auch andere Kühlmechanismen (z.B. Kühler, Kühlkörper) zur Kühlung des Kühlmittels 4 verwendet werden.

Die Außenhülle 3 kann den Transformator 1 und den Kessel 2 vollständig oder teilweise umgeben. Je nach Ausgestaltung tritt dabei das Kühlmedium 4 an allen Außenseiten des Transformatorkessels 2 mit diesem in Kontakt, oder nur an bestimmten Außenwänden des Transformatorkessels 2. Wenn das Kühlmedium 4 z.B. nur an den seitlichen Außenwänden des Transformatorkessels 2 mit diesem in Kontakt tritt, ermöglicht dies eine einfachere Bauweise und Herstellung. Je größer die Fläche ist, mit der das Kühlmedium 4 mit den Außenseiten des Transformatorkessels 2 in Kontakt tritt, desto besser ist die Kühlung des Kessels 2 und des Transformators 1, wobei besonders gute Kühleffekte erzielt werden, wenn das Kühlmedium 4 im unteren Bereich des Transformatorkessels 2 mit diesem in Kontakt tritt. Vorzugsweise wird das Kühlmedium 4 im unteren Bereich der Außenhülle 3 zugeführt und (nach Verbrauch der Kühlung) im oberen Bereich abgeführt. Zu- bzw. Abfuhr des Kühlmediums erfolgt an den Anschlussöffnungen 6 bzw. 6' .

Da der erfinderische Transformator 1 mit Kessel 2 und Außenhülle 3 insbesondere ausgelegt ist, mindestens 3 bar Umgebungsdruck standzuhalten, sind die Wellenwände des Kessels 2 robust und daher wenig flexibel ausgelegt. An den seitlichen Außenwänden des Kessels 2 sind die

Verbindungselemente 14 an den Spitzen (Enden) der Wellenwände angebracht und mit der Außenhülle 3 verbunden. Die Verbindungselemente 14 können angeschweißt, angeschraubt oder durch eine Steckverbindung angebracht sein. Die Verbindungselemente 14 können Rundstäbe oder kantige Stäbe sein. Es ist aber auch eine Form als T-Träger denkbar. Rundstäbe lassen sich leicht herstellen, Verbindungselemente 14 in Form eines T-Trägers sorgen für eine höhere Stabilität und Druckfestigkeit. Die Verbindungselemente 14 im unteren Bereich des Zwischenraums zwischen Kessel 2 und Außenhülle 3 haben zusätzlich zur Stabilisierung und Druckfestigkeit die Aufgabe, das Kühlmedium 4 gleichmäßig in diesem Zwischenraum zu verteilen, damit eine optimale Kühlung der Verlustwärme sichergestellt ist. Die Verbindungselemente 14 im unteren Bereich des Zwischenraums zwischen Kessel 2 und Außenhülle 3 sind deshalb konstruktiv dermaßen ausgestaltet, um eine optimale Verteilung des Kühlmediums 4 im Zwischenraum sicherzustellen. Z.B. ermöglichen kammartig ausgestaltete Verbindungselemente 14 eine sehr gute Verteilung des Kühlmediums 4 im Zwischenraum.

Durch die Wellenwände des Kessels 2 wird die Verlustwärme des Transformators 1 an das Kühlmedium 4, das sich zwischen Kessel 2 und Außenhülle 3 befindet, abgeführt. Die Außenhülle 3 ist vorzugsweise nicht als Wellenwand ausgebildet, da sie nicht die Funktion hat, die Verlustwärme weiter an die

Umgebung abzugeben. Durch das Kühlmedium 4 abgekühlt, wird keine bzw. nur wenig Verlustwärme des Transformators 1 an die Umgebung abgegeben.

FIG 2 zeigt in einer Schemadarstellung eine weitere Ausgestaltung des erfinderischen elektrischen Transformators, wobei die Außenhülle die Unterseite des Transformatorkessels nicht umschließt. Bei dieser Ausgestaltung wird der Boden, d.h. die Unterseite des Transformators 1 und des Kessels 2 nicht vom Kühlmedium 4 umgeben. Der Transformatorkessel 2 sitzt dabei entweder direkt auf der Außenhülle 3, oder der Transformatorkessel 2 und die Außenhülle 3 haben eine gemeinsame Unterseite, die z.B. durch eine Stahlplatte gebildet wird. Diese Ausgestaltung erlaubt eine einfache und materialsparende Bauweise und Herstellung des Transformators.

FIG 3 zeigt in einer vereinfachten Schemadarstellung ein weiteres Beispiel für den erfinderischen elektrischen

Transformator, bei dem die Außenhülle den unteren Bereich des Transformatorkessels nicht vollständig umschließt. Beim Beispiel aus FIG 3 umschließt die Außenhülle 3 den Transformatorkessel 2 nur in einem Bereich der seitlichen Außenwände des Transformatorkessels 2. Der

Transformatordeckel 15, der Boden des Transformatorkessels 2 und ein unterer Bereich an den seitlichen Außenwänden des Transformatorkessels 2 wird von der Außenhülle 3 nicht umfasst. Wenn der untere Bereich des Transformatorkessels 2, der von der Außenhülle 3 nicht umfasst wird, zu groß ist, hat dies negative Auswirkungen auf die Kühlwirkung. Je nach Größe und Leistungsfähigkeit des Transformator 1 kann der Abstand a vom Boden des Transformatorkessels 2 bis zum unteren Beginn der Außenhülle 3 im Bereich von 1 - 20 cm liegen. Diese Ausgestaltung des Transformators ermöglicht zum einen eine einfache Bauweise und Herstellung, und zum anderen ist diese Ausgestaltung besonders für schwere Transformatoren 1

und schweren Kesseln 2 vorteilhaft, da der Gewichtsdruck auf die Unterseite der Außenhülle 3 entfällt.

FIG 4 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung eine Reihenschaltung der Kühlsysteme des erfinderischen

Transformators 19 und einer weiteren Komponente 21. In FIG 4 stellt der Transformator 19 einen erfindungsgemäßen Transformator mit Transformatorkessel und Außenhülle dar. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird das Kühlsystem 20 einer weiteren Komponente 21 zur Kühlung des Kühlmediums 4 zwischen Transformatorkessel 2 und Außenhülle 3 verwendet. Das Kühlsystem 20 der weiteren Komponente 21 kann dabei anstelle der Mittel zur Kühlung (12,13) des Kühlmediums 4 agieren. In diesem Betriebszustand besitzt der Transformator 19 keine eigenen Mittel zur Kühlung (z.B. Pumpe,

Wärmetauscher) des Kühlmediums 4 zwischen Transformatorkessel 2 und Außenhülle 3. In diesem Betrieb wird zur Kühlung des Kühlmediums 4 nur das Kühlsystem 20 einer weiteren Komponente 21 verwendet. über die Leitung 11 wird vom Kühlsystem 20 der Komponente 21 das Kühlmedium 4 dem Transformator 19 über die Anschlussöffnung 6' zugeleitet und über die Anschlussöffnung 6 nach der Kühlung wieder abgeführt.

Das Kühlsystem 20 der weiteren Komponente 21 kann aber auch zusammen mit den Mitteln zur Kühlung (12,13) des Kühlmediums 4 operativ agieren. Der Kühler 13 (z.B. Wärmetauscher) und die Pumpe des Transformators 19 arbeiten in diesem Betriebszustand operativ zusammen und verstärken die Kühlwirkung für den Transformator 19. In der Umgebung des Transformators 19 kann somit auf eine Klimaanlage verzichtet werden. Eine solche Klimaanlage würde zusätzlichen Platz in Anspruch nehmen, würde eine zusätzliche Energieversorgung benötigen und auch entsprechende Wartungsaufwände verursachen. Wenn die Komponente 21 sowieso vorhanden ist

ergeben sich durch die Nutzung deren Kühlsystems 20 somit beträchtliche Vorteile bezüglich der Kühlleistung und der Raumausnützung. Durch die in Reihe geschalteten Kühlsysteme ergibt sich somit weiterhin eine platzsparende und kompakte Bauweise, die insbesondere den Einsatz in räumlich engen Umgebungen zulässt.

Als Komponente 21 eignen sich typischerweise elektrische Maschinen, z.B. Generatoren, Dynamos, Frequenzumrichter oder weitere Transformatoren. Es können auch die Kühlsysteme 20 mehrerer weiterer Komponenten 21 zu den Kühlmittel (12,13) des Transformators 19 in Reihe geschaltet werden, bzw. die Kühlsysteme 20 mehrerer weiterer Komponenten 21 können die Mittel zur Kühlung (12,13) des Transformators 19 ersetzen. Wenn zusätzlich zu den Kühlmittel (12,13) des Transformators 19 die Kühlsysteme 20 weiterer Komponenten 21 verwendet werden, ist eine Redundanz von Kühlsystemen vorhanden, wodurch die Ausfallsicherheit für die Kühlung des Kühlmediums 4 zwischen Kessel 2 und Außenhülle 3 erhöht wird. Die Kühlsysteme 20 der weiteren Komponenten 21 können mit dem Kühlsystem (12,13) des Transformators 19 alle in Reihe geschaltet sein. Es ist aber auch möglich, dass einige oder alle der Kühlsysteme 20 der weiteren Komponenten 21 zueinander parallel geschaltet sind. In dieser Ausführung können die Kühlsysteme 20 der weiteren Komponenten 21 durch Ventile flexibel hinzu- oder weggeschaltet werden. Durch dieses Abklemmen bzw. Zuschalten von Kühlsystemen 20 kann eine skalierte Kühlung für den Transformator 19 erreicht werden. Die Kühlung für den Transformator 19 ist somit an unterschiedliche Erfordernisse anpassbar.

FIG 5 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung eine Parallelschaltung der Kühlsysteme des erfinderischen Transformators 19 mit dem Kühlsystem 20 einer weiteren

Komponente 21. In FIG 5 stellt der Transformator 19 einen erfindungsgemäßen Transformator mit Transformatorkessel und Außenhülle dar.

Durch die parallel-geschaltete Anordnung wird die Wassermenge geteilt und kühleres Wasser wird dem Transformator 19 zugeführt. Die Wärmeabgabe des Transformators 19 an die Umgebung wird durch diese zusätzliche Kühlwirkung somit noch mal reduziert. Wenn die Komponente 21 sowieso vorhanden ist ergeben sich durch die Nutzung deren Kühlsystems 20 somit beträchtliche Vorteile bezüglich der Kühlleistung und der

Raumausnützung. Als Komponente 21 eignen sich typischerweise elektrische Maschinen, z.B. Generatoren, Dynamos, Frequenzumrichter oder weitere Transformatoren. Es können auch die Kühlsysteme 20 mehrerer Komponenten 21 mit dem Transformator 19 parallel geschaltet werden. Z.B. können mehrere Frequenzumrichter als parallel geschaltete Komponenten agieren. Die Komponenten 21 können z.B. durch Ventile dazu- oder weggeschalten werden. Durch dieses Abklemmen bzw. Zuschalten von Kühlsystemen 20 kann eine skalierte Kühlung für den Transformator 19 erreicht werden. Die Kühlung für den Transformator 19 ist somit an unterschiedliche Erfordernisse anpassbar. Weiterhin ist eine Redundanz von Kühlsystemen vorhanden, wodurch die Ausfallsicherheit für die Kühlung des Transformators 19 erhöht wird.

FIG 6 zeigt den Turm 22 eines Meeresströmungskraftwerks. Ein solcher Turm ist ein möglicher Einsatzort des erfindungsgemäßen Transformators 1,19. Mit hydro-elektrischen Anlagen wie Meeresströmungs- oder Gezeitenkraftwerke wird die Strömung des Wassers zur Energieerzeugung verwendet. üblicherweise bilden mehrere Türme 22 mit einem oder mehreren unter der Wasseroberfläche 24 Rotoren 23 eine solche hydro-

elektrische Anlage. FIG 6 zeigt einen Turm 22 mit 2 Rotoren 23. Die Rotoren 23 arbeiten wie Turbinen in einem Kraftwerk und erzeugen Strom, der über Leitungen ans Festland weitergeleitet wird. Da beim Betrieb einer solchen Anlage unterschiedliche Strömungsverhältnisse vorliegen, werden insbesondere Frequenzumrichter benötigt. Weiterhin sind die räumlichen Verhältnisse im Turm 22 eng und begrenzt. Wenn nun der Transformator 1,19 in einem Turm 22 eines Meeresströmungskraftwerks eingesetzt wird, werden für die Abmessungen (Volumen) des Transformators entsprechende

Anforderungen benötigt und weiterhin darf die Wärmeabgabe des Transformators 1,19 an die Umgebung nur gering sein. Wenn die Wärmeabgabe zu groß ist wird im Turm eine Klimaanlage benötigt, was zusätzliche Kosten und Platzbedarf verursacht. Die direkte Kühlung des Transformators 1 erfolgt durch das Kühlmedium 5 im Transformatorkessel 2 (z.B. Mineralöl, Esterflüssigkeit oder Silikonöl) . Wenn das Kühlmedium 5 im Transformatorkessel 2 keinen Kontakt zum Transformatordeckel aufweist, wird wenig Wärme nach außen abgegeben. Um die Wärmeabgabe weiter zu reduzieren wurde der erfindungsgemäße Transformator mit einer Außenhülle 3 umgeben, die als Kühlmedium 4 Wasser, ggf. Wasser mit Kühlzusatz enthält. Wenn nun für die Kühlung der Außenhülle 3 als substituierendes Kühlsystem oder als ergänzendes Kühlsystem das Kühlsystem einer sowieso im Turm 22 vorhandenen Komponente, z.B. eines Frequenzumrichters verwendet wird, erhält man eine verbesserte Kühlwirkung für den Transformator 1,19, ohne dass zusätzlicher Raum benötigt wird. Die Grundfläche des Gesamt- Transformators (mit Transformatorkessel und Außenhülle) kann somit vorteilhaft dimensioniert werden, und übersteigt 1200 mm x 900 mm nicht.

Der erfindungsgemäße Transformator 1,19 mit Transformatorkessel 2 und die Außenhülle 3 muss aufgrund der

harschen Umgebungsverhältnisse (z.B. Druck unter Wasser) mindestens einem Druck von 3 bar standhalten. Als Mittel zur Kühlung 13 des Kühlmediums 4 zwischen Transformatorkessel 2 und Außenhülle 3 eignet sich beim Einsatz in einem Gezeitenkraftwerk insbesondere ein

Wärmetauscher 13, dem durch die Leitung 11 das durch die Abwärme des Transformator 1 erwärmte Kühlwasser 4 zugeführt wird und der das erwärmte Kühlwasser 4 in Kontakt mit dem relativ kalten Meereswasser bringt und dadurch wieder abkühlt. Der Wärmetauscher 13 im Gezeitenkraftwerk kann sich knapp unterhalb des Meeresspiegels befinden. Knapp unterhalb des Meeresspiegels herrschen moderate Druckverhältnisse. Der Transformator 1, 19 selbst mit Kessel 2 und Außenhülle 3 kann wesentlich tiefer (mehr als 30 Meter unterhalb des Meeresspiegels) eingesetzt werden, da er mindestens 3 bar Druck aushält .

FIG 7 zeigt kammartige Elemente die zwischen Transformatorkessel 2 und umgebender Außenhülle 3 angeordnet werden können, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Kühlmediums (z.B. Kühlwasser) 4 sicherzustellen. Da üblicherweise das Kühlmedium 4 am Transformatorboden zugeführt und am Transformatordeckel 15 abgeführt wird, sind für eine gleichmäßige Kühlwirkung die kammartigen Elemente insbesondere am Transformatorboden anzubringen. Die

Verbindungselemente 14, die zwischen Transformatorkessel 2 und Außenwand 3 angebracht sind, können als kammartige Elemente ausgebildet sein. Dadurch bewirken die Verbindungselemente 14 neben einer Stabilität des Transformators auch die Verteilung des Kühlmediums 4. Die kammartigen Elemente können aber auch zusätzlich zu den Verbindungselementen 14 angebracht sein. Vorteilhafterweise greifen die kammartigen Elemente zwischen die Kühlrippen des

Transformatorkessels ein, damit der Transformatorkessel 2 seine Abwärme effektiv an das Kühlmedium 4 abgeben kann.

FIG 8 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Beispiel für eine Anordnung der kammartigen Elemente zwischen

Transformatorenkessel 2 und Außenmantel 3. Die kammartigen Elemente greifen in die Rippen der Wellwände des Transformatorkessels 2 und sorgen für eine gleichmäßige Verteilung des Kühlwassers. Auch die Verbindungselemente 14 dienen neben ihrer Stabilitätsfunktion zur gleichmäßigen

Verteilung des Kühlmediums 4 zwischen Transformatorkessel 2 und Außenhülle 3. In der Darstellung nach Figur 8 sind die Verbindungselemente 14 ein Bestandteil der kammartigen Elemente .

Die Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht insbesondere die Verwendung des erfindungsgemäßen Transformators in Umgebungen, in denen nur wenig Wärme abgegeben werden darf, wie Einkaufszentren, Wohngegenden, Unterwasserkraftwerken. Die Außenhülle 3 sorgt außerdem für eine Versiegelung. Dadurch ist der Transformator auch für kritische Aufstellungsorte hinsichtlich Umweltverträglichkeit (z.B. Wasserschutz, Umweltschutz) geeignet, da im Störfall (z.B. Leck im Kessel 2) ein ölaustritt (Kühlmedium 5 im Kessel 2) vermieden wird. Die Außenhülle 3 sorgt weiterhin dafür, dass die Geräuschabgabe des Transformators 1,19 niedrig ist.

Elektrischer Transformator 1,19 in einem Transformatorkessel 2 mit elektrischen Kontaktanschlüssen, und mit einer den Transformatorkessel 2 umschließenden, mit einem Kühlmedium 4 gefüllten, Außenhülle 3. Das Kühlmedium 4 der Außenhülle 3 ist durch ein Kühlungssystem kühlbar, welches an das Kühlsystem 20 weiterer Komponenten 21 koppelbar ist. Der

Transformator 1,19 ist insbesondere geeignet für den Betrieb in Meeresströmungs- und Gezeitenkraftwerken.

Bezugszeichen

1 Elektrischer Transformator 2 Transformatorkessel

3 Außenhülle

4 Kühlmedium zwischen Transformatorkessel und Außenhülle

5 Kühlmedium im Transformatorkessel 6, 6' Anschlussöffnung

7 Sensor

8 Flüssigkeitsstand

9 Luftöffnung

10 Luftentfeuchter 11 Leitung

12 Pumpe

13 Wärmetauscher

14 Verbindungselement

15 Transformatordeckel 16 Elektrischer Kontaktanschluss

17 Elektrische Verbindungsleitung

18 Elektrischer Anschluss

19 Transformator mit Transformatorkessel und Außenhülle 20 Kühlsystem

21 Komponente

22 Turm eines Meeresströmungskraftwerks

23 Rotor

24 Meeresspiegel