CN102648504A - 用于干式变压器的热交换器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热交换器系统，其用于至少一个线圈由环绕循环的气态流体来冷却的变压器或电抗器，其中所述热交换器系统的配置被放置在封装内，在该封装内冷却气态流体经过线圈并且被变压器或电抗器的热量加热，加热后的气态流体被引导通过一个用于将热量耗散到冷却介质的热虹吸管型热交换器。
Description
技术领域
本发明涉及针对至少一个线圈由所环绕的气态流体来冷却的变压器或电抗器所使用的热交换器系统。
背景技术
在工作期间散热的变压器或任何其它电磁设备都必须通过冷却剂进行冷却，该冷却剂对耗散所产生的热进行吸收并将热传导到散热器。这样的冷却剂可以是液态流体或气态流体，液态流体例如是在油冷变压器情况下使用的油，而气态流体例如是在干式变压器情况下使用的气体。
干式变压器通常使用以下三种技术之一来构成，它们是：传统干式、树脂封装或固体浇铸。传统干式方法使用的是在铁芯和线圈或者单独的初级线圈和次级线圈所组成的完整装置上用溶剂型清漆进行真空浸渍的一些形式。所有这些类型的变压器具有的一个共同问题就是对在绕组中由功率耗散产生的热进行消除。
从US5656984A中已知一种固体绝缘变压器，其矩形铁芯被可压缩闭孔泡沫覆盖，用来在对围绕铁芯的浇铸电介质材料进行固化期间以及工作期间消除应力。热管被放置在内线圈与铁芯之间以用来在温度升高之前提取热量。为了安全以及消除对单独封装的需要的目的，提供一个具有结合的接地导电层的多层外壳来覆盖浇铸体的各个侧面。外壳在电介质击穿以及发生电弧的情况下能防止爆炸并且还能减小触电的危险。对于冷却变压器而言没有任何其它的措施了。
在EP1787304A1中公开了一种紧凑型干式变压器，其包括配备有第一散热器的磁性材料铁芯，其中第一散热器由外表面上具有冷却片的盖子构成。该变压器还包括配备有第二散热器的线圈组件，其中第二散热器由外表面上具有冷却片的封装构成。该第二散热器还包括具有热管的封套，在该热管中容纳有真空下具有低沸点的热流体（例如水）。该热管是由蒸发器部分和外表面上具有冷却片的冷凝器部分构成的。由于冷却片的存在而使变压器的散热效率得以改善。
正如所能意识到的那样，上述这些用于排热的方法和布置要么是需要为了安装热管等而付出很多努力，要么就是相反有关排热量的效率很低。
因此本发明的一个目的是相比现在的技术更加高效地通过气体对整体封装的干式变压器进行冷却，而对于能实现这一目标的变压器进行构造所付出的努力以及为了实现期望的热减小所付出的努力都将被降低。
发明内容
根据本发明，需要将整个变压器布置在作为气密封装的容器内，其中冷却气流经过线圈并且被变压器的热量加热的气体被引导通过一个热连接到外部水循环的气-水热虹吸管型热交换器。
在变压器内流动的气态流体作为冷却剂将其接收到的热量耗散到中间电介质流体。容纳在闭环中的中间电介质流体将其热量传导至变压器外的冷却水，从而把从中间电介质流体得到的热量带走。该中间电介质流体依靠重力以及在气体蒸发器封装内的蒸发和水冷凝器中的冷凝来进行自然的循环。因此，由于通过电介质流体的状态的改变来传导热从而以热气和冷水之间可行的任意距离来形成气-水热交换器。其基本上就是一个气-水热虹吸管。
根据本发明的优选实施例，在容器内布置蒸发器热交换器，而水冷凝器位于该容器外。
另外能够提供风扇来使得气流通过变压器。根据需要还可以在容器内布置气体导管以将气流引导至线圈下端，从而来对由于重力的原因冷气体比加热气体更重致使加热气体上升这一流体物理学加以利用。
由于蒸发器热交换器和冷凝器热交换器所形成的统一配置而实现了本发明的一个特定实施例，即气-水热虹吸管。该热虹吸管使用的是基于在闭环中使流体循环而无需机械泵的自然对流来进行被动热交换的方法。为此，能够使用所谓的热虹吸管原理而使得在气体侧蒸发而在水侧冷凝的中间流体通过重力自然地循环。其预计的目的是通过避免传统液体泵的使用所产生的成本和复杂性来简化对作为热载体的流体的传输和/或热传导。
根据本发明优选实施例，气-水热交换器是由传热极好的材料制成的，例如铝或者铜，其导热系数α＞150W/mK。因此根据本发明可以使用在容器内的气体侧使用的自动型铝热交换器。
有利的是通过使用理想的水，即优选的是通常被去离子的超纯水以便防止对各个部件的腐蚀等，来大大降低或消除对气-水热交换器的水侧使用特殊合金的需要。
因此作为热虹吸管型热交换器的水侧的合适材料提供了铜镍合金，其中根据本发明另一个实施例优选的是系统所有与水接触的表面都被镀上铜镍合金。例如在一些情况下，如果使用了海水，则一些波纹板冷凝器最好由钛制成。
为了提高或优化从加热气体到热交换器的热通量，提供了使气体经过的散热片来改进通过对流实现的热传导。
本发明的核心思想是削减为实现既定目标所付出的努力，根据这一核心思想提供了更为改进的系统，其中针对气体侧和水侧的优化被分别着手进行。在该使用中间状态改变流体的系统中，例如使用平板型热交换器来通过冷凝将热传导到水。由于水侧和冷凝侧的热容量相似，所以该热交换器例如相比于根据本领域技术现状的传统热交换器而言可以非常紧凑，根据本发明的紧凑型热交换器重量只有大约29kg，却提供了97kW的热负荷，结果是将对合金的需要减小了大约69%。在由于气体热容量较差从而需要较大的热传导面积的蒸发侧上，可以使用诸如铝制自动型热交换器之类的价格低廉的标准技术。当该热交换器仅与清洁的内部气体和清洁的电介质流体接触时，无需特殊且昂贵的合金。
最后，本发明的基本思想是在干式变压器中使用热虹吸管气-水热交换器，从而将热量从该变压器被布置于其中并被清洁气体冷却的封装中传导到自来水。对热虹吸管的使用具有以下优点：
改善的可靠性，这是因为没有水会进入到变压器内。在泄漏的情况下只会排出电介质流体。气体侧和水侧的分离使每一侧都得到更好的优化。结果由于水冷凝器针对水被进行了优化，所以能够将在水侧对特殊合金的使用显著减小大约69%。
类似地，传统自动型铝热交换器的使用实质上减小了对将在变压器内的气体侧使用的特殊热交换器进行开发和构造所要付出的努力。
由于系统设计的灵活性的事实，可将冷凝器布置在任何位置，只要其位于蒸发器的上方即可，因为位于蒸发器的上方是由重力驱动对中间流体进行自然循环所需要的。
这些特征和其它优选实施例都包含在了权利要求中，将通过本说明书所附附图中的图示示例的方式对它们加以说明。
附图说明
在附图的图1中示出了根据本发明的干式变压器的布置的示意侧视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的变压器10的布置的示意侧视图，其中将干式变压器12布置在容器14中。
干式变压器12包括被上磁轭18和下磁轭20包围的三个线圈16，每个线圈16都附接到铁芯（图中不可见），这些铁芯与磁轭18和20接合从而封闭磁路。每个线圈至少由环氧树脂所封闭的两个绕组构成。
为了冷却干式变压器12，在将冷却气体封装入容器14中的情况下使该冷却气体循环。另外由带箭头的虚线示出的气流得到风扇22的支持从而将冷却气体从下方吹向干式变压器12。
风扇22被布置在一面将干式变压器12所处的空间与放置了所谓的热虹吸管24的隔间分隔开的墙上。该热虹吸管24具有蒸发器26和由于流体物理及重力的缘故需位于蒸发器26上方的冷凝器28。蒸发器26与冷凝器28之间的连接在一侧由液体下导管30实现，而在另一侧由直蒸汽管33实现。因此热虹吸管24由蒸发器26、冷凝器28、液体下导管30和直蒸汽管33构成，并且由此形成了一个闭环。
从图1能够看出，冷却气体经过线圈16并接收线圈中所产生的热，随后气体流向干式变压器12的上部区域，在那里气流经过蒸发器26，该蒸发器26优选地可以是传统自动热交换器。
对于气体而言，由于提供了气密性封装14，所以其中的气体没有发生任何变化，气体的循环得到了风扇22的支持。对于水而言是一个开放的流路，该流路并未被详细示出，而是用分别由箭头表示了流出和流入的两个导管端36和38来表示。
对于气体循环而言，在离开干式变压器12之后被加热的气体通过了蒸发器26并将其附着到蒸发器26的热量陆续传导到在闭环32中流动的中间流体。在通过了蒸发器26之后，被来自气体所附着的热量蒸发的中间流体经过直蒸汽管33流向冷凝器28。
接着，该中间流体通过属于闭环32一部分的导管33流到实际上也是一个热交换器的冷凝器28。在冷凝器28中，蒸发了的中间流体通过将其热量耗散到开放流路34的流体中来实现冷凝，其中开放流路34的流体通常是水，例如自来水。
中间流体冷凝之后再次到达液体下导管30并重新开始一个冷却过程。
作为闭环中间流体的一种介质优选地提供卤烃化合物等，其能够由热效应而引起物理状态的变化，例如从液态变为气态以及从气态变为液态。
参考标号列表
10 变压器
12 干式变压器
14 容器、封装
16 线圈
18 上磁轭
20 下磁轭
22 风扇
24 热虹吸管
26 蒸发器
28 冷凝器
30 液体下导管
32 闭环
33 直蒸汽管
34 开放流路
36 流出导管
38 流入导管
Claims (16)
1.一种热交换器系统，其用于其中至少一个线圈由环绕循环的气态流体来冷却的变压器或电抗器，
其中所述热交换器系统的配置被放置在封装内，在该封装内冷却气态流体经过线圈并且被变压器或电抗器的热量加热，加热后的气态流体被引导通过一个用于将热量耗散到冷却介质的热虹吸管型热交换器。
2.根据权利要求1所述的热交换器系统，其中所述热虹吸管型热交换器被布置在一个闭环内，该闭环包括连接到冷凝器的蒸发器型热交换器。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器系统，其中所述热虹吸管型热交换器包括用来作为蒸发器的空气热交换器。
4.根据权利要求3所述的热交换器系统，其中所述热虹吸管型热交换器包括用来作为冷凝器的水热交换器。
5.根据权利要求4所述的热交换器系统，其中所述冷凝器位于所述封装内。
6.根据前述权利要求3至5之一所述的热交换器系统，其中所述蒸发器和所述冷凝器被第一管道和第二管道连接起来并作为一个热虹吸管来工作，其中所述第一管道为液体下导管，而所述第二管道为蒸汽上升管。
7.根据前述权利要求3至6之一所述的热交换器系统，其中所述蒸发器型热交换器是由例如铝或铜的传热极好的材料制成的。
8.根据前述权利要求之一所述的热交换器系统，其中在所述封装内部使用一个自动型铝热交换器。
9.根据前述权利要求之一所述的热交换器系统，其中使用了在抗腐蚀方面理想的液体冷却剂，从而显著减少了在冷凝器型热交换器的液体冷却剂一侧对特殊合金的使用。
10.根据权利要求9所述的热交换器系统，其中热交换器内的中间流体是电介质流体。
11.根据前述权利要求4至10之一所述的热交换器系统，其中热虹吸管型热交换器的冷凝器一侧是由铜镍合金制成的。
12.根据权利要求10或11所述的热交换器系统，其中系统所有与水接触的表面都被镀上铜镍合金或钛。
13.根据前述权利要求之一所述的热交换器系统，其中为热交换器提供了使气体经过的散热片，以便通过对流改进热传导。
14.根据权利要求1所述的热交换器系统，所述热交换器系统用于干式变压器，所述干式变压器具有封闭在环氧树脂中并缠绕铁芯的多个绕组，由层叠片状组件制成的变压器框架形成用于每个变压器线圈的铁芯和磁轭，在指示得到了风扇的支持的情况下由围绕所述干式变压器循环的气体对该干式变压器进行冷却，其中将整个变压器放置在容器内，在所述容器中冷却气流经过线圈并在线圈处被变压器的热量加热，加热后的气流被引导通过一个连接到外部水循环的气-水热虹吸管型热交换器。
15.根据权利要求1所述的热交换器系统，其中蒸发器型热交换器被布置在封装内，而水冷凝器被布置在容器外。
16.根据权利要求1或2所述的系统，其中提供风扇以使气流通过变压器。
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