CN103348421A - 用于干式变压器的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及干式变压器(40)，其包括具有至少两个平行柱(12、14、16、58、60、62)和相应上轭(26、28、30、42、44、46)和下轭(20、22、24)的变压器芯体(10)，以及至少两个空心圆柱形线圈(32、52、54、56、112、114)，各个空心圆柱形线圈布置在柱(12、14、16、58、60、62)周围。预见到在相邻线圈(52、54、56；112、114)之间包括至少一个壁状隔板(74、90、102)的冷却系统，其平行于柱(12、14、16、58、60、62)的定向。

Description

用于干式变压器的冷却系统

技术领域

本发明涉及干式变压器，其包括具有至少两个平行柱、相应上轭和下轭的变压器芯体，以及至少两个空心圆柱形线圈，各个空心圆柱形线圈布置在柱周围。

背景技术

已知，在例如电功率分配系统或本地功率系统(例如在航海应用中)使用干式变压器。干式功率变压器在1 kV和60 kV之间的电压水平内是可用的，额定功率介于例如100 kVA和几MVA之间。干式变压器避免使用油作为绝缘介质和冷却介质。这在一方面具有显著地减少维护工作、降低火灾荷载和有较高环境友好性的优点。另一方面需要较多工作来进行冷却，因为预见到没有液体冷却介质围绕变压器线圈循环。由于在变压器的运行期间有不可避免的电损耗，所以变压器线圈是热能的热源。

变压器线圈的绝缘材料的特征在于最大额定温度，例如150℃。如果超过这个温度，后果可能是绝缘能力的损失。而且变压器线圈的电导体(其由例如铜或铝制成)不应当超过某个极限。导体的电阻将随温度的升高而增大，而且电损耗也随之增大。因此，在变压器线圈内具有尽可能均匀的温度分布，以及避免点状应力是有利的。

因而必须预见到用于冷却电力变压器的线圈的器件，该器件在变压器运行时，在变压器线圈内提供降低的且均匀的温度分布。变压器典型地包括三个线圈，三个线圈平行地布置在变压器芯体的柱上，柱本身沿着直的轭垂直地布置。在这种变压器的运行期间，在其它两个线圈的两侧上相邻的内部线圈典型地比其它线圈具有更高的温度，因为会从那些相邻线圈对其施加热辐射。因为变压器线圈由于结构原因典型地是相同的，所以即无法在三个线圈之间获得均匀的温度分布，也无法在线圈本身内获得均匀的温度分布。

在变压器线圈以多边形(相应地三角形)的方式布置的情况下，此问题加剧。在这种情况下，各个线圈在其它线圈上施加热辐射的作用再一次提高，尤其是在这种变压器的轴向中心区域中。由于线圈以三角形的方式布置成或多或少地旋转对称，所以线圈之间的热分布是相当的，而线圈本身内的温度分布变得不会那么不均匀。在这种变压器的运行期间，轴向中心区域内的线圈的部分将比未被施加来自相邻线圈的热辐射的那些外部部分具有更高的温度。

发明内容

基于本领域的现状，本发明的目标是提供一种用于干式变压器的改进的冷却系统，其避免了前面提到的缺点。

这个问题由前述类别的干式变压器解决。其特征在于在相邻线圈之间包括至少一个壁状隔板的冷却系统，其平行于柱的定向。

壁状隔板的高度优选至少对应于线圈的轴向高度，壁状隔板在一方面阻止相邻线圈之间的热辐射。因此，在隔板上施加热辐射，使得它们的温度将升高。典型地，变压器定向成使得线圈以及隔板沿竖向定向。因而，隔板形成某种导引板，以使额外的自然空气流从下到上通过变压器。这个空气流将降低相邻线圈的区域内的温度。为了提高这个作用，可预见隔板的表面具有吸热颜色，诸如例如黑色。此外，隔板可由提供良好的导热性的材料制成，使得隔板另外用作冷却元件，冷却元件将热从两个相邻线圈之间的区域传递到外部区域。在这种情况下，隔板必须在从线圈施加热辐射的区域上面伸长。因此隔板的热从伸长区域消散到环境内的散热装置。因而，变压器(相应地线圈)的冷却以有利的方式得到改进。

在本发明的变型中，平行柱布置成以多边形的方式围绕与其平行的虚拟中心轴线。虚拟中心轴线位于变压器的轴向中心区域内。这种布置一方面提供与变压器的设计有关的优点，而另一方面，在轴向中心区域中产生一种热点。优选地，在相邻线圈之间的隔板沿虚拟中心轴线的方向伸长，使得提供呈星形布置的隔板。因而，在温度关键的轴向中心区域内获得改进的冷却作用，同时这种冷却系统不需要显著的额外空间。

在本发明的优选实施例中，平行柱布置成三角形，同时总共预见到三个线圈，这对三相网络中的变压器是普通的。这种布置的优点与上面提到的那些是相当的，同时优选地预见到等边三角形。因此，获得绝对对称的布置(角度120°)，而且所有三个线圈之间的温度分布是相当的。

在本发明的优选形式中，隔板在虚拟中心轴线周围的区域中连接，使得产生星形冷却模块。这种星形冷却模块易于预先组装好，使得组装或保持这种变压器的工作以有利的方式减少。此外，单个隔板优选热连接，使得在不同的线圈有不均匀的负荷，相应地有不均匀发热的情况下，在变压器内获得较均匀的温度分布。

根据本发明的另一个变型，星形冷却模块包括围绕虚拟中心轴线的通风筒，预见到通风筒用作内部冷却通道，因而一方面，对任何热交互重要的冷却模块的交互表面以有利的方式增加。此外，自然空气流(来自底部的冷空气被加热且由于减小的密度而上升)通过这种通风筒得到改进。

根据本发明的另一个实施例，提供用于改进从通风筒到散热装置的热传递的器件。这可为例如某种鼓风机，鼓风机提高通过通风筒的空气速度。可选地，这种鼓风机包括取决于例如变压器的内部部件的实际温度和环境温度来控制鼓风机速度的调整功能性。当然，可想到诸如热管(相应地热交换器)的其它器件来在通风筒内实现改进的热传递。

根据本发明，还预见到提供热管的至少一个蒸发器，其与隔板中的至少一个进行导热性连接。优选地，隔板由导热特性好的材料制成，使得以有利的方式改进热传递远离隔板。

接着本发明的另一方面，在隔板的表面上预见优选呈竖向定向的肋和/或翅片，使得从变压器(相应地隔板)的底部到顶部的空气流不受阻挡或不减少。那些肋或翅片以有利的方式增大隔板和空气之间的交互表面，使得获得改进的冷却作用。

根据本发明的优选实施例，隔板具有凸形形状，凸形形状适于相邻线圈的外部形状。因而，线圈的表面和相应凸出隔板的表面之间的径向距离或多或少是相等的，使得从线圈到凸形隔板的热辐射是大致均匀的。因而，凸形隔板内的温度分布也是均匀的，使得热传递又一次得到改进。在非常优选的实施例中，三个凸形隔板产生在内部具有通风筒的星形冷却模块。在这种情况下，一方面获得相当大的通风筒横截面，同时所有三个线圈的热辐射均匀地施加在隔板的表面上。

根据本发明的实施例，隔板(相应地冷却模块)至少部分地由金属制成。诸如例如铝、铜或钢的金属具有良好的导热性。在隔板不仅意于被用作空气流的导引板，而且还用作冷却元件的情况下需要这样。

根据本发明的另一方面，隔板(相应地冷却模块)至少部分地由介电材料制成。介电材料是可被施加的电场极化的电绝缘体。当电介质置于电场中时，电荷不像在导体中那样流过材料，而是仅略微偏离它们的平均均衡位置，从而引起电介质极化。介电材料的使用对于影响以不对称的方式布置的线圈之间的电势的分布是有用的。

根据本发明的另一个实施例，至少一个隔板(相应地冷却模块)与变压器芯体的至少一部分进行导热性连接。由于典型地由堆叠金属片材制成的变压器芯体的温度不那么关键，所以变压器芯体本身可用作冷却元件。因而，相应隔板(相应地冷却模块)应由诸如金属的导热材料制成，而施加在其上的热能部分地在导热性连接上面传递到变压器芯体中。变压器芯体的额外的表面适于与环境(相应地周围空气)进行热交互，使得获得额外的冷却作用。

在本发明的优选实施例中，导热性连接包括包围变压器芯体的相应轭的带缝隙套管。套管本身与冷却系统的隔板连接，隔板优选在线圈的轴向高度上面伸长，使得相应轭布置成通过隔板。因而，在隔板和轭之间获得良好的导热性。当然，在轭周围的闭合导体回路中必须避免引起电压。因而，如果使用了导电材料，套管也必须像包围轭的隔板那样沿着它们的轴向方向有缝隙。由于稳定性原因，可对相应缝隙填充绝缘材料，诸如环氧胶。

根据本发明的另一个实施例，导热性连接包括在变压器芯体的堆叠部分中终止的至少一个导热条带。因而，隔板的热能直接施加到用作额外的冷却元件的变压器芯体中。

在从属权利要求中提及本发明的另外的有利实施例。

附图说明

现在将借助于示例性实施例，以及参照附图来进一步阐明本发明，其中：

图1显示示例性三角形变压器芯体，

图2显示具有冷却系统的示例性三角形干式变压器，

图3显示示例性冷却模块的几个变型，以及

图4显示具有冷却系统的变压器的截面。

具体实施方式

图1在三维视图中显示示例性示意性三角形变压器芯体10。围绕虚拟中心轴线18，三个变压器柱12、14、16平行于虚拟中心轴线18而布置成三角形形状。变压器芯体(相应地此图中显示的柱12、14、16)的竖向定向对应于相应实际变压器的定向。三个水平下轭20、22、24和三个水平上轭26、28、30布置成同样的三角形形状，并且与柱12、14、16连接。因而，三个柱12、14、16的磁回路在轭20、22、24、26、28、30上面也以这个三角形芯体形状的方式闭合。柱和轭示意性地由黑线指示，而实际变压器芯体当然需要某个横截面来传导磁通量。因而，实际变压器芯体包括例如布置成回路结构的更大量的堆叠金属片材。柱或轭的横截面优选介于圆形和长方形之间。

线圈32表示为围绕柱16的虚线圆柱，同时预见到三个柱12、14、16中的各个都有线圈32，使得产生三相变压器。各个空心圆柱形线圈32包括优选布置在其径向内部区域中的低电压绕组。在线圈32的径向外部区域中，预见到高电压绕组。低电压绕组与高电压绕组电连接。可选地预见到沿轴向方向延伸通过线圈32的冷却通道。隔板(在此图中未显示)的高度优选至少像线圈32的高度那样高，以防止相邻线圈32之间有热辐射。

图2从俯视图40显示具有冷却系统的示例性三角形干式变压器。此俯视图中的变压器芯体的可见部分是布置成等边三角形形状的三个轭42、44、46。垂直于轭的相应柱58、60、62由虚线圆表示。围绕那些柱58、60、62布置有相应线圈52、54、56。等边三角形形状是有利的，因为利用它来在线圈52、54、56之间获得均匀热分布。线圈52、54、56内的热分布大体上是不均匀的，因为位于虚拟轴线48周围的变压器的径向内部区域是温度由于线圈52、54、56之间的热辐射而升高的区域。由三个凸形形状的隔板组成的第一冷却模块50布置成在相邻线圈52、54、56之间围绕虚拟轴线48。

冷却模块的这个特殊形状一方面具有这样的优点，即，从线圈52、54、56的径向外表面到第一冷却模块50的隔板的表面的距离或多或少是相等的，使得热辐射从线圈均匀地施加在冷却模块上。冷却模块50的内部空间是通风筒64，通风筒由凸形隔板的内侧形成。这个通风筒64适于作为使空气流从其底部到其顶部的冷却通道。例如用鼓风机来加强相应冷却作用当然是可行的，鼓风机会增加来自环境的流过这个通风筒的空气量。还可想到馈送冷却空气通过这个通风筒64，以提高冷却作用。

图3在概略简图70中显示示例性冷却模块的几个变型。第一变型72是具有平坦隔板70的星形冷却模块，平坦隔板70对称地布置成围绕通风筒76。第二变型80不包括用于改进冷却的通风筒，而是在相应隔板的表面上包括若干冷却肋80。当然结合第二变型78中显示的肋与其它变型72、82、88是可行的。肋80的定向优选应是竖向的，使得从变压器的底部到顶部的空气流不被交叉地布置的肋80抑制。第三变型82显示由布置成围绕虚拟中心轴线84的三个凸形隔板产生的冷却模块。隔板的凸形形状适于相应变压器线圈(在此简图中未显示)的外部形状。第四变型88大体上对应于第一变型72，同时预见到具有较大直径的通风筒92，而且隔板90沿径向缩短了。与第一变型72相比，直径较大的通风筒92具有这样的作用，即，相邻线圈的外表面和通风筒92之间的距离是不同的，使得来自线圈的辐射部分地未被通风筒92反射回线圈，而是更多地进入到外部环境中。

图4在俯视图100中显示具有冷却系统的变压器的截面。轭116在两个柱之间布置在顶部上，在柱上布置有空心圆柱形线圈112和114。具有通风筒120的冷却模块118布置在变压器的轴向中心区域内。冷却模块118的隔板102沿未显示的虚拟中心轴线的方向伸长，使得轭116穿过孔，预见到孔在隔板102内。为了获得隔板的改进的导热性，假设隔板由金属制成。因而，在隔板内必须预见到至少一个缝隙，缝隙会中断轭118周围的任何闭合传导回路。否则，在变压器的运行期间将引起电压，使得不合需要的电流将沿着这个回路流动。

为了改进在变压器的运行期间被线圈112和114加热的隔板102的热传递，预见到套管104和108，套管包围轭118的截面。当然套管104、108也是由诸如金属的导热材料制成的。而且套管104、108也设有缝隙108、110，以在电的方面中断轭118周围的传导回路。

参考标号列表

10示例性三角形变压器芯体

12示例性三角形变压器芯体的第一柱

14示例性三角形变压器芯体的第二柱

16示例性三角形变压器芯体的第三柱

18示例性三角形变压器芯体的虚拟中心轴线

20示例性三角形变压器芯体的第一下轭

22示例性三角形变压器芯体的第二下轭

24示例性三角形变压器芯体的第三下轭

26示例性三角形变压器芯体的第一上轭

28示例性三角形变压器芯体的第二上轭

30示例性三角形变压器芯体的第三上轭

32布置成围绕第三柱的空心圆柱形线圈

40具有冷却系统的示例性三角形干式变压器

42第一上轭

44第二上轭

46第三上轭

48虚拟轴线

50第一冷却模块

52第一线圈

54第二线圈

56第三线圈

58第一柱

60第二柱

62第三柱

64第一通风筒

70示例性冷却模块的几个变型

72第一冷却模块变型

74第一冷却模块变型的壁状隔板

76第二通风筒

78第二冷却模块变型

80翅片/肋

82第三冷却模块变型

84虚拟轴线

88第二通风筒

88第四冷却模块变型

90第四冷却模块变型的壁状隔板

92第三通风筒

100具有冷却系统的变压器的截面

102伸长的壁状隔板

104第一套管

106第一缝隙

108第二套管

110第二缝隙

112第四线圈

114第五线圈

116部分地被套管包围的轭

118冷却模块

120第四通风筒。

Claims (13)

1. 一种干式变压器(40)，包括

变压器芯体(10)，其具有至少两个平行柱(12、14、16、58、60、62)和相应上轭(26、28、30、42、44、46)和下轭(20、22、24)，

至少两个空心圆柱形线圈(32、52、54、56、112、114)，它们各自布置在柱(12、14、16、58、60、62)周围，

其特征在于

在相邻线圈(52、54、56；112、114)之间包括至少一个壁状隔板(74、90、102)的冷却系统，其平行于所述柱(12、14、16、58、60、62)的定向，以及

平行柱(12、14、16、58、60、62)布置成以多边形的方式围绕与其平行的虚拟中心轴线(18、48、84)。

2. 根据权利要求1所述的干式变压器，其特征在于，所述平行柱(12、14、16、58、60、62)布置成三角形。

3. 根据权利要求1或2中的任一项所述的干式变压器，其特征在于，所述隔板(74、90、102)在围绕所述虚拟中心轴线(18、48、84)的区域中连接，使得产生星形冷却模块(50、72、78、82、88)。

4. 根据权利要求3所述的干式变压器，其特征在于，所述星形冷却模块(50、72、78、82、88)包括围绕所述虚拟中心轴线(18、48、84)的通风筒(64、76、86、92、120)，预见到所述通风筒被用作内部冷却通道。

5. 根据权利要求4所述的干式变压器，其特征在于，提供用于改进从所述通风筒(64、76、86、92、120)到散热装置的热传递的器件。

6. 根据前述权利要求中的任一项所述的干式变压器，其特征在于，热管的至少一个蒸发器连接到所述隔板(74、90、102)中的至少一个上。

7. 根据前述权利要求中的任一项所述的干式变压器，其特征在于，预见肋和/或翅片(80)在所述隔板(74、90、102)的表面上。

8. 根据前述权利要求中的任一项所述的干式变压器，其特征在于，所述隔板(74、90、102)具有凸形形状，所述凸形形状适于相邻线圈(32、52、54、56、112、114)的外部形状。

9. 根据前述权利要求中的任一项所述的干式变压器，其特征在于，所述隔板(74、90、102)、相应地冷却模块(50、72、78、82、88)至少部分地由金属制成。

10. 根据前述权利要求中的任一项所述的干式变压器，其特征在于，所述隔板(74、90、102)、相应地冷却模块(50、72、78、82、88)至少部分地由介电材料制成。

11. 根据前述权利要求中的任一项所述的干式变压器，其特征在于，至少一个隔板(74、90、102)、相应地冷却模块(50、72、78、82、88)与所述变压器芯体(10)的至少一部分进行导热性连接。

12. 根据权利要求11所述的干式变压器，其特征在于，所述导热性连接包括带缝隙(106、110)的套管(104、108)，其包围相应轭(20、22、24、26、28、30、42、44、46、116)。

13. 根据权利要求11或12所述的干式变压器，其特征在于，所述导热性连接包括在所述变压器芯体(10)的堆叠部分中终止的至少一个条带。

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