CN100573753C - 一种蒸发冷却变压器 - Google Patents

Abstract

一种蒸发冷却变压器，采用内冷式蒸发冷却方式。它的变压器绕组由实心导线和空心导线、或实心导线和空心管线组成，在空心导线或空心管线中灌入满足环保要求的蒸发冷却介质。由于能量损耗，变压器绕组发热，热量传递给空心导线中的冷却介质，使其温度升高，当温度达到内部压力所对应的饱和温度时，绕组内空心导体或空心管线中的蒸发冷却介质汽化，产生相变吸热，经冷凝器冷却再液化，如此循环。本发明具有不可燃、体积小、重量轻、温升低、安全可靠、成本低、环保等优点。

Description

一种蒸发冷却变压器

技术领域

本发明涉及一种变压器，特别涉及蒸发冷却变压器。

背景技术

依照冷却方式不同，变压器通常可分为油浸式变压器、干式变压器、六氟化硫气体绝缘变压器等几个类别。油浸式变压器的冷却介质为变压器油(或耐高温油)，其优点是电气强度高，但当其温度超过燃点后遇到明火时，仍存在燃烧的危险，因此，油浸式变压器不宜使用在防火要求高的特殊场合。干式变压器只能说是难燃变压器，并不是不燃变压器，其工作温度最高为185度，当温度超过临界值时，遇明火会发生火灾，并且，干式变压器价格昂贵，成本比普通油浸式变压器高出2.5～4倍，绕组电流密度低，有效材料利用相当不充分。气体绝缘变压器采用六氟化硫气体作为绝缘介质和冷却介质，由于六氟化硫气体的密度、绝缘性能和传热性能都远逊色于变压器油，为了提高其绝缘性能和传热性能，通常变压器油箱内部压力会达到0.2～0.4MPa(额定电压110kV以下的低气压气体绝缘变压器)，或1.2～3.0MPa(额定电压132kV～500kV高气压气体绝缘变压器)，因此，气体泄漏后变压器绝缘和冷却问题变得非常突出，不得不尽快将变压器退出运行，因此，六氟化硫气体绝缘变压器体积大、重量大、成本比普通油浸式变压器高出4～8倍，制造工艺复杂，制造环境的防尘要求相当高，防渗漏的要求也极为严格。

申请号为99237863.x的实用新型专利提出的蒸发冷却电力变压器和申请号为98200236.x的实用新型专利提出的新型蒸发冷却的变压器采用氟的化合物为冷却介质，将冷却介质代替变压器油放置在油箱中，由冷却介质吸收变压器的热量发生汽化，产生相变吸热，经冷凝器冷却再液化，如此反复循环，且该冷却介质具有消防性，克服了油浸式变压器、干式变压器和气体绝缘变压器的不足，冷却效果好，可靠性高。但是，由于目前氟化合物的使用受到了限制，这类变压器只能改用符合环保要求的蒸发冷却介质，如Fla，但由于符合环保要求的蒸发冷却介质价格昂贵，使得蒸发冷却变压器的价格也变得非常昂贵。因此，虽然蒸发冷却变压器能够有效克服油浸式变压器、干式变压器和气体绝缘变压器的缺点，但因蒸发冷却介质必须更换为满足环保要求的、昂贵的新型介质，其经济性不再乐观。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，针对电压等级110kV及以下的变压器提出一种内冷式蒸发冷却变压器。本发明采用内冷式蒸发冷却方式，不需要油箱，使变压器结构更加简单；冷却介质用量少，达到了与全浸式蒸发冷却变压器同样的冷却效果。

本发明主要由变压器和蒸发冷却循环系统组成。

本发明的变压器由内冷式变压器绕组、变压器铁芯以及高压出线端子、低压出线端子、上夹件、下夹件、高压出线端子固定板、低压出线端子固定板构成。

其中本发明内冷式变压器绕组由并联导线、组合导线或换位导线按照传统方法绕制而成。并联导线指由两根或多根带绝缘的扁导线组成的导线，组合导线指由两根或多根略有绝缘的扁导线组成，外面包有按电压等级规定的共同匝绝缘的导线。换位导线是将并联导线排为两排，按双螺旋式绕组换位方法依次均匀地进行换位的导线。本发明的并联、组合和换位导线由实心导线和空心导线组成，或由实心导线和空心管线组成。实心导线材料可为铜或铝。空心管线可为空心不锈钢管线或空心的其他材料制成的管线。在空心导线或空心管线中灌入满足环保要求的蒸发冷却介质，蒸发冷却介质的数量根据绕组电流密度、二次冷却水流量等情况确定。

本发明的蒸发冷却循环系统由变压器绕组内的空心导线或空心管线、冷凝器、压力循环泵以及内集液管、外集液管、回液管、汇流管组成。变压器绕组内的空心导线或空心管线上下端分别通过上电液分离接头和下电液分离接头或密封接头连接上绝缘引管和下绝缘引管，其中上绝缘引管通过密封接头与汇流管相连，汇流管再和冷凝器的冷却空间相连，冷凝器的冷却空间与回液管相连，回液管的下端连接外集液管，外集液管通过密封接头连接压力循环泵的入口；下绝缘引管通过密封接头与内集液管相连，内集液管通过密封接头与压力循环泵的出口相连。冷凝器罐体外上部安装上压力传感器，压力开关和减压电磁阀，冷凝器的内部装有上层密封金属管束和下层密封金属管束，管束中流通二次冷却水。

变压器绕组发热时，由于热传导和对流的作用，绕组内空心导线或空心管线中的蒸发冷却介质汽化，产生相变吸热，在压力循环泵的作用下汽化后的气液混合蒸发冷却介质经汇流管流入冷凝器中，被流过冷凝器的二次冷却水冷却后，流入回液管，再经回液管通过外集液管流入压力循环泵，再在压力循环泵的作用下通过内集液管流入绕组内空心导线或空心管线中，如此循环。

由于本发明采用内冷式的蒸发冷却方式，仅需要在空心导线或空心管线中灌入蒸发冷却介质，蒸发冷却介质的用量比现有技术的全浸式蒸发冷却变压器少得多。从而克服了全浸式蒸发冷却变压器在经济上的不足，具有明显的价格优势，且由于采用内冷蒸发冷却方式，变压器不需要油箱，使变压器结构更加简单。

本发明针对电压等级35kV～110kV及0kV～35kV的变压器设计了两种技术方案。

对于35kV～110kV电压等级的内冷式蒸发冷却变压器，本发明的变压器绕组由实心导线和空心铜或铝导线组成，由于空心导线既输送电能，又输送蒸发冷却介质，故在空心导线上下端必须进行电液分离，即各绕组上下端分别通过上电液分离接头和下电液分离接头连接上绝缘引管和下绝缘引管；上绝缘引管通过汇流管和冷凝器的冷却空间相连；下绝缘引管通过内集液管与压力循环泵的出口相连，压力循环泵的入口与外集液管相连。回液管的下端与外集液管相连，回液管的上端与冷凝器的冷却空间相连。空心导线与实心导线外部绝缘的材料、厚度依照试验电压和绕组结构而定。对于0kV～35kV电压等级的内冷式蒸发冷却变压器，本发明的变压器绕组由实心导线和空心管线组成，由于空心管线只输送蒸发冷却介质，不输送电能，故在空心管线上下端不必进行电液分离，即各绕组上下端直接通过上端密封接头和下端密封接头连接上绝缘引管和下绝缘引管；上绝缘引管通过汇流管和冷凝器的冷却空间相连；下绝缘引管通过内集液管与压力循环泵的出口相连，压力循环泵的入口与外集液管相连。回液管的下端与外集液管相连，回液管的上端与冷凝器的冷却空间相连。空心管线与实心导线外部包扎的绝缘厚度可以相同、也可以不同。

本发明的变压器绕组中N根导线组成并联导线或组合导线。N根导线含有N-M根实心导线和M根空心导线或空心管线，1≤M≤N。在并联导线或组合导线中，实心导线由实心裸导线和实心导线绝缘组成。空心导线由空心裸导线和空心导线绝缘组成，空心管线由空心裸管线和管线绝缘组成。在低压变压器中，空心管线可不加绝缘。组合导线外包有外绝缘。

本发明的变压器绕组中N根导线组成的换位导线中含有M根空心导线或空心管线以及X根中间空心导线或中间空心管线。换位导线由N-M-X根实心导线、M根空心导线或空心管线以及X根中间空心导线或中间空心管线组成，所述的1≤M≤N，0≤X。

用N根铜(铝)线组成的并联导线，或组合导线，或换位导线绕制而成的变压器绕组，可将其中M根导线用空心导线，或空心管线替代，M值决定于绕组电流密度。空心导线的形状可依据线材的形状而定，如扁铜(铝)空心导线加工成矩形空心导线，圆铜(铝)线加工成圆形空心导线。空心管线的形状由与其绕制在一起的实心导线的形状决定，即与实心扁线共同绕制的空心管线采用矩形空心扁管线，与实心圆线共同绕制的空心管线采用圆形空心圆管线，管线外径与其共同绕制的导线外径一致，空心导线和空心管线的壁厚取决于线材机械强度、蒸发冷却介质流量、二次冷却水流量共同确定，所述的1≤M≤N。

本发明使用的蒸发冷却介质是高绝缘低沸点物化性能稳定满足环保要求的介质。

本发明蒸发冷却循环系统的冷凝器由金属罐体和装在罐内的上下两层密封金属管束构成。上层金属管束主要用来冷却蒸发冷却介质的气体，而下层金属管束主要用来冷却蒸发冷却介质的液体。金属罐体与密封管束之间有足够的冷却空间。金属罐体上安装有压力传感器，压力开关，减压电磁阀，二次冷却水泄漏检测和报警仪的检测电极。二次冷却水泄漏检测和报警仪的检测电极是插入到冷凝器金属罐体内部冷却空间的底部，并用密封接头引出罐外，与外部电路连接。

本发明中的回液管通过连接管与磁性浮子液位计相连。液位计下端装有一只压力传感器。

本发明采用的冷却介质在达到沸点沸腾后的气液两相换热的换热效果优于油浸式变压器的单相对流换热和干式变压器的空气换热，冷却效果好，且温度分布均匀，不存在局部过热点，即使当变压器负荷超过额定值2～3倍时，线圈温升仍在正常范围内，有效防止了变压器绝缘材料的老化，保证了绝缘材料的耐电强度。由于采用内冷式蒸发冷却方式，故不需要油箱，使变压器结构更加简单，且冷却介质用量少，具有与全浸式蒸发冷却变压器同样的冷却效果。同时，由于冷却介质的消防性，本发明还具有安全不可燃的积极效果。

附图说明

图1为本发明的变压器结构示意图。图中：10变压器绕组，20变压器铁芯，30上夹件，40下夹件，50高压出线端子，60低压出线端子，70出线端子固定板，80冷凝器，90三角形支架，100压力循环泵。

图2为本发明的变压器绕组具体实施方式之一示意图。图中：10变压器绕组，80冷凝器，100压力循环泵，110实心导线，120空心导线，130上电液分离接头，140上绝缘引管，150第一密封接头，160汇流管，170回液管，180联接管，190磁性浮子液位计，200压力传感器，210外集液管，220第三密封接头，230第四密封接头，250第二密封接头，240内集液管，260下绝缘引管，270下电液分离接头，280压力传感器，290压力开关，300减压电磁阀，310电极，320上层密封金属管束，330下层密封金属管束。

图3本发明的变压器绕组具体实施方式之二示意图。图中：340上密封接头，340’下密封接头。

图4为本发明变压器绕组并联导线具体实施方式示意图。图中：350实心导线，360空心导线，370实心裸导线，380实心导线绝缘，390空心裸导线，400空心导线绝缘。

图5为本发明变压器绕组组合导线具体实施方式的示意图。图中：410实心导线，420空心导线，430实心裸导线，440实心导线绝，450空心裸导线，460空心导线绝缘，470外绝缘。

图6为本发明变压器绕组换位导线具体实施方式的示意图。图中：480实心导线、490空心导线，500中间空心导线，510实心裸导线，520实心导线绝缘，530空心裸导线，540空心导线绝缘，550纸绝缘，560外绝缘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

如图1所示，变压器绕组10由实心导线和空心导线组成的并联导线、组合导线或换位导线，按照传统方法绕制而成，或由实心导线和空心管线组成的并联导线、组合导线或换位导线，按照传统方法绕制而成。变压器铁芯20的上端部和下端部分别被上夹件30和下夹件40固定，高压出线端子50和低压出线端子60被出线端子固定板70固定，冷凝器80被固定在三角形支架90上，在空心导线或空心管线中灌入的蒸发冷却介质在压力循环泵100的作用下，在蒸发冷却循环系统中循环流动。

如图2所示为以1根实心导线和1根空心导线并联而成的并联导线绕制的变压器绕组的实施例。变压器绕组10由1根实心导线110和1根空心导线120并联组成的并联导线绕制而成，变压器绕组上出线端通过上电液分离接头130和上绝缘引管140相连。上绝缘引管140通过第一密封接头150与汇流管160相连。汇流管160再和冷凝器80的冷却空间相连。冷凝器80的冷却空间与回液管170相连。回液管170通过联接管180与磁性浮子液位计190相连。液位计190下端装有一只压力传感器200。回液管170的下端连接外集液管210，外集液管210通过第三密封接头220连接压力循环泵100的入口，压力循环泵100的出口通过第四密封接头230与内集液管240相连。内集液管240通过第二密封接头250连接下绝缘引管260。下绝缘引管260与下电液分离接头270相连，下电液分离接头270与变压器绕组10下出线端相连。冷凝器罐体外上部安装上压力传感器280，压力开关290和减压电磁阀300。还装有二次冷却水泄漏检测和报警仪的电极310，即插入冷凝器冷却空间底部的一对电极T1，T2。冷凝器的内部装有上层密封金属管束320和下层密封金属管束330。管束的进出口经密封引出罐外，其中流通二次冷却水。绕组中的空心导体，回液管及与其连通的部件中注入适量的蒸发冷却介质。

如图3所示为以1根实心导线和1根空心管线并联而成的并联导线绕制的变压器绕组的实施例。变压器绕组由1根实心导线和1根空心管线并联组成的并联导线绕制而成，变压器绕组上出线端与上绝缘引管通过上密封接头340相连，上绝缘引管通过密封接头与汇流管相连。汇流管再和冷凝器的冷却空间相连。冷凝器的冷却空间与回液管相连。回液管通过联接管与磁性浮子液位计相连。液位计下端装有一只压力传感器。回液管的下端连接外集液管，外集液管通过密封接头连接压力循环泵的入口，压力循环泵的出口通过密封接头与内集液管相连。内集液管通过密封接头连接下绝缘引管。下绝缘引管与通过下密封接头340’与变压器绕组下出线端相连。冷凝器罐体外上部安装上压力传感器，压力开关和减压电磁阀。还装有二次冷却水泄漏检测和报警仪的电极，即插入冷凝器冷却空间底部的一对电极T1，T2。冷凝器的内部装有上层密封金属管束和下层密封金属管束。管束和进出口经密封引出罐外，其中流通二次冷却水。绕组中的空心导体，回液管及与其连通的部件中注入适量的蒸发冷却介质。

图4为变压器绕组中4根并联导线中含有1根空心导线或空心管线的示意图。

4根并联导线由3根实心导线350和1根空心导线360或空心管线组成。实心导线350由实心裸导线370和实心导线绝缘380组成。空心导线360由空心裸导线390和空心导线绝缘400组成，空心管线由空心裸管线和管线绝缘组成(如在低压变压器中，空心管线可不加绝缘)。该结构可扩展到N根并联导线中含有M根空心导线360或空心管线的情况，所述的1≤M≤N。

图5为变压器绕组中2根导线组成的组合导线中含有1根空心导线或空心管线的示意图。

组合导线由1根实心导线410和1根空心导线420或空心管线组合而成。实心导线410由实心裸导线430和实心导线绝缘440组成。空心导线420由空心裸导线450和空心导线绝缘460组成，空心管线由空心裸管线和管线绝缘组成(如在低压变压器中，空心管线可不加绝缘)。组合导线外包有外绝缘470。

该结构可扩展到N根导线组成的组合导线中含有M根空心导线或空心管线的情况，所述的1≤M≤N。

图6为变压器绕组中17根导线组成的换位导线中含有3根空心导线或空心管线和2根中间空心导线或中间空心管线的示意图。

换位导线由12根实心导线480、3根空心导线490或空心管线，以及2根处于换位导线中两排并列导线之间的空心导线或空心管线即中间空心导线500或中间空心管线组成。实心导线480由实心裸导线510和实心导线绝缘520组成。空心导线490由空心裸导线530和空心导线绝缘540组成，空心管线由空心裸管线和管线绝缘组成(如在低压变压器中，空心管线可不加绝缘)，两排并列的导线之间为纸绝缘550，如在两排并列的导线之间都充满中间空心导线500或中间空心管线的情况下可无需纸绝缘550，纸绝缘中部有2根中间空心导线500或中间空心管线，换位导线外包有外绝缘560。

该结构可扩展到N根导线组成的换位导线中含有M根空心导线或空心管线以及X根中间空心导线或中间空心管线的情况，所述的1≤M≤N，0≤X。

本发明变压器绕组10在工作情况下产生能量损耗，绕组发热，热量传递给空心导线中的冷却介质，冷却介质温度升高，当温度达到冷却介质空间压力所对应的饱和温度时，冷却介质开始汽化形成气相和液相的混合物。由于冷却介质在变压器绕组内空心导线中的流动路程较长，单相流动阻力和沿程流阻都较大，所以由压力循环泵100来提供系统循环的动力同时克服介质的在回路中的流动阻力。气相和液相混合的两相流体流向冷凝器80的冷却空间与冷凝器80内部密封的两层管束中流动的二次冷却水进行热交换。冷却介质气体被冷凝成液体，冷却介质的液体和气体共同被下层密封管束330中的二次冷却水冷却，从而降低温度重新流回到回液管中。压力循环泵100的输出压力是固定值，循环过程随着负荷的变化自行调整蒸发点的位置。负荷高，则蒸发点靠前即气液两相段较长；负荷低，气液两相段较短，甚至不出现气液两相段而变成全液相冷却。冷凝器80上安装的压力传感器反映冷凝器80冷却空间压力，用它可以控制减压电磁阀300以调节冷却介质的蒸发温度。压力开关检测冷凝器80冷却空间的极限压力，它直接控制减压电磁阀300降低冷凝器冷却空间的压力，确保系统安全运行。回液管170上连接的磁性浮子液位计190能直观显示系统中的冷却介质的灌液高度。液位计190下端安装的压力传感器200与冷凝器80上安装的压力传感器280共同把液位的电信号远程传送给中央控制室。安装在冷凝器80上的二次冷却水泄漏检测和报警仪的检测电极将漏水的电信号远程传送给中央控制室，由中央控制室发出指令对系统进行漏水处理。

Claims (6)

1、一种蒸发冷却变压器，包括变压器和蒸发冷却循环系统，其特征在于变压器绕组[10]由实心导线和空心导线、或实心导线和空心管线组成的并联导线、组合导线或换位导线绕制而成，在空心导线或空心管线中灌入蒸发冷却介质；蒸发冷却循环系统包括变压器绕组[10]内的空心导线或空心管线、冷凝器[80]、压力循环泵[100]、内集液管[240]、外集液管[210]、回液管[170]、汇流管[160]；变压器绕组[10]内的空心导线或空心管线上下端分别通过上电液分离接头[130]和下电液分离接头[270]或上密封接头[340]和下密封接头[340’]连接上绝缘引管[140]和下绝缘引管[260]，其中上绝缘引管[140]通过第一密封接头[150]与汇流管[160]相连，汇流管[160]再和冷凝器[80]的冷却空间相连，冷凝器的冷却空间与回液管[170]相连，回液管[170]的下端连接外集液管[210]，外集液管[210]通过第三密封接头[220]连接压力循环泵[100]的入口；下绝缘引管[260]通过第二密封接头[250]与内集液管[240]相连，内集液管[240]通过第四密封接头[230]与压力循环泵[100]的出口相连；冷凝器[80]罐体外上部安装上压力传感器[280]，压力开关[290]和减压电磁阀[300]，冷凝器[80]的内部装有上层密封金属管束[320]和下层密封金属管束[330]，管束中流通二次冷却水。

2、根据权利要求1所述的蒸发冷却变压器，其特征是所述的变压器绕组[10]中的N根并联导线含有M根空心导线或空心管线，N根并联导线由N-M根实心导线和M根空心导线或空心管线组成，1≤M≤N；实心导线由实心裸导线和实心导线绝缘组成；空心导线由空心裸导线和空心导线绝缘组成，空心管线由空心裸管线和管线绝缘组成。

3、根据权利要求1所述的蒸发冷却变压器，其特征是所述的变压器绕组[10]中的N根导线组成的组合导线中含有M根空心导线或空心管线；组合导线由N-M根实心导线和M根空心导线或空心管线组合而成，1≤M≤N；实心导线由实心裸导线和实心导线绝缘组成；空心导线由空心裸导线和空心导线绝缘组成，空心管线由空心裸管线和管线绝缘组成；组合导线外包有外绝缘。

4、根据权利要求1所述的蒸发冷却变压器，其特征是变压器绕组[10]中的N根导线组成的换位导线含有M根空心导线或空心管线以及X根中间空心导线或中间空心管线；换位导线由N-M-X根实心导线、M根空心导线或空心管线以及X根中间空心导线或中间空心管线组成；实心导线由实心裸导线和实心导线绝缘组成；空心导线由空心裸导线和空心导线绝缘组成，空心管线由空心裸管线和管线绝缘组成；两排并列的空心导线或实心导线之间为纸绝缘，纸绝缘中部有X根中间空心导线或中间空心管线；换位导线外包有外绝缘；1≤M≤N，0≤X。

5、根据权利要求3或4所述的蒸发冷却变压器，其特征是在低压变压器中，所述的空心管线不加绝缘。

6、根据权利要求4所述的蒸发冷却变压器，其特征是在两排并列的空心导线或实心导线之间都充满中间空心导线或中间空心管线的情况下无需纸绝缘。

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