CN102760556A

CN102760556A - 双斜肩式变压器片式散热器单元盒

Info

Publication number: CN102760556A
Application number: CN2012102643641A
Authority: CN
Inventors: 敖明; 梁义明; 王朔; 田春光
Original assignee: Electric Power Research Institute Of Jilin Electric Power Co; State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Jilin Electric Power Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute Of Jilin Electric Power Co; State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Jilin Electric Power Co Ltd
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2012-10-31

Abstract

本发明涉及一种双斜肩式变压器片式散热器单元盒，属于变压器散热器领域。在主体的上下分别有集油管进出口，主体内部有油道，该油道中部为高点、且向两边的倾斜角度θ为13^o~20^o。本发明优点是结构新颖，在对普通变压器片式散热器改造过程中，对片扇中上部水平油流道按一定角度削肩，则上部油流道逐渐加宽，可令片扇内压力分布趋向一致，导致片扇内部流场分布趋于均匀，从而使变压器油在单片扇进行较充分的换热。分别对改造前后变压器冷却油流动和传热特性进行理论分析和仿真试验分析，得到了最优设计角度θ。

Description

双斜肩式变压器片式散热器单元盒

技术领域

本发明属于变压器散热器领域。

背景技术

国内使用的变压器片式散热器主要依据“JB5347-1999变压器用片式散热器”标准要求生产，单片外形如图1所示，片扇高度、片扇宽度要符合标准要求。以下简称普通型变压器片式散热器单元盒。

随着科技进步和国民经济飞速发展，人们在生活生产当中对能源的需求逐渐增加，尤其是对电能的需求日益剧增，因此电力系统逐步向大容量、大电网、特高压方向发展。变压器是电力系统中重要的电气设备之一，其可将高电压和大电流转变成另一种（或几种）同频率的不同电压和电流。当变压器运行时，由于电阻和磁阻的存在，铁心、线圈和钢结构均要产生损耗，此损耗变为热能，造成变压器发热和温度上升。随着变压器容量的提高，变压器过热的问题亦越来越突出。变压器温度过高不仅致使输电损耗加大，而且造成变压器绝缘材料的绝缘电阻下降，加速绝缘材料老化，引发局部放电，导致输出容量大大地低于额定容量，降低变压器的效率，缩短变压器的使用寿命。由于变压器的安全运行直接影响到整个电力系统的安全可靠性，因此随着输电距离和输送容量的加大，以及变压器数量的增多，电力系统要求变压器不仅性能好、技术指标和经济指标先进，而且还要保证变压器运行安全、可靠。由此可见，变压器的冷却问题对保证电力系统的安全运行非常重要。现今变压器的冷却主要使用片式散热器，其要受到变压器周围空间限制，因此如何提高其散热能力，加快变压器的冷却速度和效率，延长变压器的使用寿命是工程中急需解决的问题。

近些年，国内外研究人员主要围绕变压器内部及变压器的冷却系统开展热特性分析。

在国内，60年代末至90年代初，水冷却器较为广泛地应用于国内的变压器行业。当时的水冷却器采用了涨管技术结合铜管与管座，但是由于机械制造技术水平不高，给变压器安全运行带来了一定影响。在电力部门的运行过程中发生了冷却器冻坏、差压继电器弹性膜漏水、冷却器水管渗漏等各种棘手的问题。经过机械制造部门和电力运行部门的共同努力，这些问题逐一得到解决，运行也逐步稳定。但是困扰工业界的水冷却器中水漏入油的问题极难彻底解决。

90年代初，用风冷却方式代替水冷却方式的改造在不少变压器上得以实施。这一改造收到了安全可靠、维护工作量小的效果。改造的实施要考虑到相应的变压器容量，油泵的扬程和流量以及是否有较好的通风环境。我国早期生产的风冷却器单台容量为 80kW、100kW、120kW , 单台冷却容量较小。其中120kW的散热器采用四台风扇提供空气动力，机械容易损坏，维护量较大。特别是采用多回路结构时，油泵的扬程高、流速快。油流静电在高速流动中很容易产生，对大型高压变压器安全稳定运行非常不利。而且这种冷却器油的接合面多，油压高，容易产生渗漏油。

目前，电力系统内除部分水电厂和通风满足不了要求的变压器仍采用水冷却外,大量变压器已多采用风冷却方式。这是由于在引进了国外一些先进的制造技术以后，我国变压器制造业在散热器的研制方面取得了很大进步，散热器制造已有了很大的变化，有些新式散热器的性能达到了比较先进的水平。例如沈阳变压器厂生产的钢铝材料复合水管风冷散热器, 单台容量可达315kW；湖南资兴东电机厂生产的具有防砂性能的YSSB 系列水冷却器单台最大容量可达500kW，与西门子等国外生产商的同等级散热器性能相当。

在国外，90 年代以来，世界上工业发达国家如德国、日本等已能生产出电压等级1100kV以上，容量达到三相1000MVA的超高压、特大型变压器。其生产的风冷散热器和水冷却的单台容量也相当大，如日本多田株式会社生产的水冷机组可提供高达620kW的热容量。目前有代表性的空冷散热器有瑞士海因尼希格奥尔格有限公司生产的片式散热器, 其中心距为800～3500mm，片宽为520mm，片中冷却油道为4～32 条；日本多田电机株式会社能生产的片式散热器，其中心距为1390～4570mm，片宽为460mm，每组片式散热器有13～29个散热片。

在90年代以前，国际上一般采用风冷却器或水冷却器作为大型、特大型油浸式变压器的热交换装置。这两种冷却器冷却效率高，但由于油泵和风机不间断运行，因此存在噪声大、辅机损耗率高、维护工作量大等缺点。用片式散热器来代替风冷却器和水冷却器，虽然没有噪声，但其冷却效率低，所以存在安装占地面积大、冷却组数多、用油量大等问题。为解决上述矛盾,首先在欧洲出现了一种被称为“散热冷却器”的新型冷却方式。所谓“散热冷却器”是指其散热面以片式散热器为主，同时配合风机和油泵进行冷却，即当变压器负荷率为50%左右时，片式散热器处于油浸自冷状态(ONAN) 自冷式运行，散热器散热能力大约在500W/㎡左右；当变压器负荷率达75%左右时，启动风机，片式散热器处于油浸风冷状态(ONAF)风冷式运行，当空气流速在1～1.25m/s时，散热面散热能力为800W/㎡；当变压器满负荷时，再投入油泵强油风冷(OFAF)式运行，启动油泵投入运行，使变压器中冷油由变压器下部进入绕组间，热油由上部进入片式散热器。当油流量在25～40m3/h、空气流速与风冷式相同时, 散热器散热能力为1000W/㎡。与强油风冷却方式相比，散热冷却器在满负荷时，其与强油风冷方式具有相似的冷却效率。同时，由于散热冷却器采用轴流式油泵，所以当油泵未开启时，变压器和片式散热器之间的变压器油也能通过管道和油泵形成良好的自然对流循环。在低负荷条件下，散热冷却器不需开启油泵和风机，尤其在夜间当负荷大幅度降低时。这时，装在大城市市内的高压变电站中变压器噪声只是变压器本身的噪声。这样，不但降低了噪声，而且还延长了风机和油泵的工作寿命，同时又降低了辅机损耗率。在变压器低负荷时，散热冷却器与片式散热器方式相比，噪声水平都较低；但在满负荷时，冷却效率高。因此自20世纪 90年代以来，这种散热冷却器冷却方式得到广泛使用，深受用户欢迎。

2008年，河北工业大学刘海旭和王秀梅等人利用热管来改进自然油循环冷却片式散热器的冷却结构，以提高其冷却效率。试验中对带热管的片式散热器与不带热管的片式散热器在散热能力上进行对比。通过试验，研究了热管对片式散热器散热特性的影响。从技术角度考虑，热管的强化换流效果更有利于降低变压器的油温，提高片式散热器与变压器自身的使用寿命。热管使用年限大概在15年左右，但是热管换热器的密封问题如果得不到解决则其工质很容易挥发掉，会导致热管失效。2003年，李灿、杨文涛(湖南冶金职业技术学院)和黄素逸(华中科技大学能源与动力工程学院)分析了油浸式变压器用片式散热器的传热过程。设计了几种新型片式散热器以强化油侧的传热，并通过实验验证了油侧强化传热措施的效果。结果表明，新型片式散热器在变压器ONAN的实验工况下，总传热系数提高3％～8％。2004年，河北工业大学杨增军，立足于工程实际应用,根据传热学基本原理和经典试验换热准则式，通过对变压器发热冷却原理进行分析和研究，提出了一套计算变压器平均油温升、顶油温升、绕组温升、铁芯温升和最热点温升的计算方法并编制了计算软件，对影响变压器温升的因素进行了分析。该算法适用于自然油循环变压器自然风冷却和吹风冷却的情况以及冷却流体为常规变压器油或高燃点油的情况。2006年，哈尔滨理工大学的冯斌通过对变压器发热、冷却原理进行分析和研究，提出了计算变压器平均油温升、顶油温升、绕组温升、铁心温升和最热点温升的计算方法，分析了海拔高度、太阳辐射及线圈导向结构、无导向结构、散热器中心高度等对变压器温升的影响。该计算方法适用于自然油循环变压器自然风冷和吹风冷却的情况，以及冷却流体为常规变压器油和高燃点油的情况。2011年，华北电力大学和保定天威集团保变电气股份有限公司，利用有限元方法，分析变压器绕组涡流损耗的分布。并基于变压器发热与冷却理论，确定变压器绕组温升分布工程计算方法。通过产品算例的热点温升测量与计算结果比较，检验计算方法的合理性，为油浸式变压器绕组温升分布的合理计算和预防局部过热问题，提供了简单有效的分析方法。

综上所述，国内外的研究主要集中在对现有的变压器片式散热器的温度场计算和散热效果方面，而对片扇本身的形状、结构优化设计方面关注度不够。本专利正是对国内电力系统内广泛采用的普通型单片片扇的形状和结构进行优化设计，提高其换热效果。

发明内容

本发明提供一种双斜肩式变压器片式散热器单元盒，以解决现有的变压器片式散热器单元盒散热效果不好的问题。

本发明采取的技术方案是：在主体的上下分别有集油管进出口，主体内部有油道，该油道中部为高点、且向两边的倾斜角度θ为13^o~20^o。

本发明一种实施方式是：油道宽度从中间向两侧按等差数列逐渐增加，公差d=3mm~10mm。

本发明优点是结构新颖，在对普通变压器片式散热器改造过程中，对片扇中上部水平油流道按一定角度削肩，则上部油流道逐渐加宽，可令片扇内压力分布趋向一致，导致片扇内部流场分布趋于均匀，从而使变压器油在单片扇进行较充分的换热。分别对改造前后变压器冷却油流动和传热特性进行理论分析和仿真试验分析，得到了最优设计角度θ。

附图说明

图1是现有普通变压器片式散热器单元盒的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明油道横截面的结构示意图，图中以7个油道为例；

图4是PC1200-26/320不同改造角度换热效率变化图；

图5是PC2000-26/480不同改造角度换热效率变化图；

图6是PC2500-26/520不同改造角度换热效率变化图；

图7a是单侧斜肩油道整体轮廓示意图；

图7b是双侧斜肩油道整体轮廓示意图；

图8是 PC1200-26/320单、双斜肩式变压器片扇与普通片扇的换热效率比较图；

图9是PC2000-26/480单、双斜肩式变压器片扇与普通片扇的换热效率比较图；

图10是PC2500-26/520 单、双斜肩式变压器片扇与普通片扇的换热效率比较图；

图11 是 PC1200-26/320不同油道分布方式换热效率变化图；

图12是PC2000-26/480不同油道分布方式换热效率变化图；

图13 是 PC2500-26/520不同油道分布方式换热效率变化图。

具体实施方式

实施例1

在主体1的上下分别有集油管进出口2，主体内部有油道3，该油道中部为高点、且向两边的倾斜角度θ为13^o；油道宽度从中间向两侧按等差数列逐渐增加，公差d=3mm。

实施例2

在主体1的上下分别有集油管进出口2，主体内部有油道3，该油道中部为高点、且向两边的倾斜角度θ为13^o；油道宽度从中间向两侧按等差数列逐渐增加，公差d=6.5mm。

实施例3

在主体1的上下分别有集油管进出口2，主体内部有油道3，该油道中部为高点、且向两边的倾斜角度θ为13^o；油道宽度从中间向两侧按等差数列逐渐增加，公差d=10mm。

实施例4

在主体1的上下分别有集油管进出口2，主体内部有油道3，该油道中部为高点、且向两边的倾斜角度θ为16.5^o；油道宽度从中间向两侧按等差数列逐渐增加，公差d=3mm。

实施例5

在主体1的上下分别有集油管进出口2，主体内部有油道3，该油道中部为高点、且向两边的倾斜角度θ为16.5^o；油道宽度从中间向两侧按等差数列逐渐增加，公差d=6.5mm。

实施例6

在主体1的上下分别有集油管进出口2，主体内部有油道3，该油道中部为高点、且向两边的倾斜角度θ为16.5^o；油道宽度从中间向两侧按等差数列逐渐增加，公差d=10mm。

实施例7

在主体1的上下分别有集油管进出口2，主体内部有油道3，该油道中部为高点、且向两边的倾斜角度θ为20^o；油道宽度从中间向两侧按等差数列逐渐增加，公差d=3mm。

实施例8

在主体1的上下分别有集油管进出口2，主体内部有油道3，该油道中部为高点、且向两边的倾斜角度θ为20^o；油道宽度从中间向两侧按等差数列逐渐增加，公差d=6.5mm。

实施例9

在主体1的上下分别有集油管进出口2，主体内部有油道3，该油道中部为高点、且向两边的倾斜角度θ为20^o；油道宽度从中间向两侧按等差数列逐渐增加，公差d=10mm。

下边通过仿真试验来进一步说明本发明。

1、仿真试验中，从片宽由小到大，选取了PC1200-26/320、PC2000-26/480、PC2500-26/520等常用型变压器片扇。对于不同尺寸的散热器片扇，随着片扇上部油道削肩角度增加，换热效率都出现先增加而后降低的趋势。

例如PC1200-26/320 、PC2000-26/480、PC2500-26/520型片扇θ从0到30^o时单片扇换热效果如图4、图5、图6所示。PC1200-26/320、PC2000-26/480、PC2500-26/520三种尺寸片扇的最佳削肩角度分别为13^o、18^o、20^o，当削肩角度超过25 ^o时，片扇的换热效率有明显的下降趋势。因此，综合考虑不同尺寸的散热器，则上部油道削肩角度θ最佳为13^o~20^oo。

分别针对PC1200-26/320 、PC2000-26/480、PC2500-26/520型片扇单侧斜肩和双侧斜肩形式进行了仿真试验，如图7a和图7b所示，结果见图8、图9、图10，由结果可见双侧斜肩效果优于单斜肩。

2、双斜肩片扇油道尺寸分布从中间向两侧，油道宽度从小到大变化研究。

理论分析表明油道尺寸变化对片扇内油流速度和分布有影响，从而影响单片扇内变压器冷却油换热效果，片扇内油流速度分布较均匀的换热效果比油流速度分布不均匀的换热效果好。当对不同尺寸油道分布的仿真试验研究时，设定计算单片扇结构为改造角度20^o、双侧削肩且油道按照中间窄两边宽分布。从中间向两侧的油道宽度从大到小变化时，简称大小型；油道宽度均匀分布时，简称均匀型；从中间向两侧的油道宽度从小到大变化时，简称小大型，可得出小大型散热效果最好的结论。本专利认为从片扇中间向两侧油道宽度从小到大排列时，片扇的换热效果会变好。例如PC1200-26/320型片扇油道宽度从中间向外侧为40mm、50mm，PC2000-26/480型片扇油道宽度从中间向外侧为40mm、45mm、50mm，PC2500-26/520型片扇油道宽度从中间向外侧为40mm、43mm、46mm、49mm，采取大小型、均匀型、小大型三种方式时，散热效果图11、图12、图13所示。

3、结论

当普通变压器片扇采取优化设计后，即采取双斜肩式并且片扇油道尺寸分布从中间向两侧，油道宽度从小到大变化时，变压器片片扇的换热效率能显著提高。

Claims

1.一种双斜肩式变压器片式散热器单元盒，其特征在于：在主体的上下分别有集油管进出口，主体内部有油道，该油道中部为高点、且向两边的倾斜角度θ为13^o~20^o。

2.根据权利要求1所述的双斜肩式变压器片式散热器单元盒，其特征在于：油道宽度从中间向两侧按等差数列逐渐增加，公差d=3mm~10mm。