CN103779049B - 一种以sf6为换热介质的热泵式主变换热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以SF₆为换热介质的热泵式主变换热装置及方法，该装置包括SF₆热泵压缩机、冷却器以及蒸发器，所述冷却器的一端口经双向节流阀连接蒸发器的SF₆介质流路一端口，所述蒸发器的SF₆介质流路另一端口和冷却器的另一端口通过四通阀与SF₆热泵压缩机的两端口相连接，所述蒸发器的变压器油流路两端口分别与主变本体的进油口和的出油口相连接，所述主变本体内的变压器油通过油泵从出油口输送至进油口，所述变压器油通过蒸发器的变压器油流路侧壁与SF₆介质流路中的SF₆换热介质进行间接热交换。本发明具有安全可靠、换热效率高、设备体积小、用油量少、维护少、整体运行经济等巨大优势，是主变换热方式的革命性创新。

Description

一种以SF6为换热介质的热泵式主变换热装置及方法

技术领域

本发明涉及一种以SF₆为换热介质的热泵式主变换热装置及方法。

背景技术

主变在运行过程中，由于电和磁的作用，其线圈和铁芯会发热，如不能及时将此热量带走，将导致主变烧毁甚至爆炸的严重事故，因此必须通过主变内充满的变压器油流来冷却线圈和铁芯，而变压器油流带走的热量又需通过散热装置来进行热交换，冷却后的冷油流再进入主变本体进行冷却。传统主变冷却方式主要为强制风冷、自然风冷及水冷三种，水冷虽然经济，效率也高，但如冷却系统中若发生冷却水向主变渗漏现象，哪怕是微小渗漏，也将导致严重后果；风冷因空气热焓低，使得主变冷却效率低，主变、散热器设备制造体积庞大，用油量多、运行成本高、维护量大等缺点。

北方寒冷冬季运行的主变，在处于低负荷或冷备用、热备用状态时，主变内的变压器油由于温度低而造成油品粘度大、不易流动、绝缘强度下降，当此时主变又快速升负荷时，往往来不及加热油品使其流动，此时会导致主变线圈烧毁的严重故障，因此需另外将主变油进行加热才能保证安全使用，或在变压器油中加入抗凝添加剂来增加油品的流动性，但添加剂的化学组分会对变压器油的电气、绝缘性能和理化性质产生不利影响，长期使用威胁主变的安全运行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，即提供一种以SF₆为换热介质的热泵式主变换热装置及方法，既能安全、可靠、高效、经济地带走运行中主变产生的热能，又能对在北方寒冷地区运行的主变进行加热以增加油品流动性，有力保障电力系统主变的安全、经济运行。

为了实现上述目的，本发明的技术方案一是：一种以SF₆为换热介质的热泵式主变换热装置，包括SF₆热泵压缩机、冷却器以及蒸发器，所述冷却器的一端口通过双向节流阀与蒸发器的SF₆介质流路一端口相连接，所述蒸发器的SF₆介质流路另一端口和冷却器的另一端口通过四通阀与SF₆热泵压缩机的两端口相连接，所述蒸发器的变压器油流路两端口分别与主变本体上部的进油口和下部的出油口相连接，所述主变本体的进油口安装有主变进油阀，所述主变本体的出油口安装有主变出油阀，所述主变本体内的变压器油通过油泵从出油口输送至进油口，所述变压器油通过蒸发器的变压器油流路侧壁与SF₆介质流路中的SF₆换热介质进行间接热交换。

进一步的，所述双向节流阀为电磁节流阀，所述电磁节流阀电性连接于控制模块。

进一步的，所述蒸发器的变压器油流路出口与主变本体的进油口之间的连接管路上安装有油温在线检测装置，所述油温在线检测装置电性连接于控制模块。

为了实现上述目的，本发明的技术方案二是：一种以SF₆为换热介质的热泵式主变换热方法，采用如上所述的以SF₆为换热介质的热泵式主变换热装置，并按以下步骤进行：（1）开启主变出油阀、主变进油阀和油泵，将主变本体内的变压器油从出油口打入蒸发器的变压器油流路中；（2）开启SF₆热泵压缩机和冷却器，蒸发器变压器油流路中的变压器油通过侧壁与蒸发器SF₆介质流路中循环的SF₆换热介质进行间接热交换；（3）换热后的变压器油从进油口回流至主变本体中，以此反复循环。

进一步的，在步骤（2）中，当进行冷却变压器油时，先开启四通阀的冷却相应阀门，再开启SF₆热泵压缩机，SF₆热泵压缩机将从蒸发器SF₆介质流路出来的低压SF₆气体压缩成高压高温SF₆气体，高压高温SF₆气体进入冷却器内冷却成高温SF₆液体，高温SF₆液体经双向节流阀节流减压降温后在蒸发器SF₆介质流路中大量吸收变压器油流路内变压器油的热量而蒸发成低压SF₆气体，低压SF₆气体又经四通阀至SF₆热泵压缩机中压缩，进行下一轮的冷却循环。

进一步的，在步骤（2）中，当进行加热变压器油时，先开启四通阀的加热相应阀门，再开启SF₆热泵压缩机，SF₆热泵压缩机将从冷却器出来的低压低温SF₆气体压缩成高压高温SF₆气体，高压高温SF₆气体进入蒸发器的SF₆介质流路中，对进入蒸发器变压器油流路中的变压器油进行加热，自身放出热量后转变为低压低温SF₆液体，低压低温SF₆液体通过双向节流阀节流减压降温后进入冷却器中，吸收冷却器外壁周围空气的热量后蒸发成低压低温SF₆气体，低压低温SF₆气体又经过四通阀至SF₆热泵压缩机中压缩，进行下一轮的加热循环。

进一步的，所述双向节流阀为电磁节流阀，所述电磁节流阀电性连接于控制模块。

进一步的，所述蒸发器的变压器油流路出口与主变本体的进油口之间的连接管路上安装有油温在线检测装置，所述油温在线检测装置电性连接于控制模块。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：由于使用的SF₆介质，其除了具有优良的绝缘、灭弧、熄燃性能和稳定理化性质外，还是一种有着较高热焓的优良热交换媒体介质，以其作为换热的换热方式与传统主变换热方式相比，具有安全可靠、换热效率高、设备体积小、用油量少、维护少、整体运行经济等巨大优势，是主变冷却方式的革命性创新。

本发明由于运用热泵，能将换热装置中的蒸发器和冷却器互换使用，既能在主变处高温季节负荷大，当油温超过设置值时，对油流进行冷却，又能在北方严寒季节时对低负荷、热备用、冷备用的主变内变压器油进行加热，防止油流因低温而减低流动性、降低电气绝缘性能和理化性质，以保障主变安全运行。

本发明既克服了现有技术当中以水冷方式的主变在运行中如冷却系统发生向主变本体渗漏，哪怕是微小的渗漏，在主变内高电压环境下都将产生严重故障，甚至主变爆炸的严重后果；又克服了现有技术当中以强制风冷或自然风冷的主变，由于空气热焓低，使得主变冷却效率低，设备制造体积大，用油量多、运行成本高、维护工作量大等诸多缺点；还克服了现有主变换热方式不能再北方严寒季节对低负荷主变和热备用、冷备用主变油进行加热，以防止油品在主变内的流动性和保证油品电气性能、绝缘强度和理化性质不下降的缺陷。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例盘管式的变压器油流循环系统示意图。

图2为本发明实施例盘管式变压器油冷却时的SF₆换热循环系统示意图。

图3为变压器油冷却时的四通阀内SF₆换热介质走向图。

图4为本发明实施例盘管式变压器油加热时的SF₆换热循环系统示意图。

图5为变压器油加热时的四通阀内SF₆换热介质走向图。

图6为本发明实施例盘管式的以SF₆为换热介质的主变盘散热装置示意图。

图7为本发明实施例盘管式的控制模块自动控制油流温度原理方框图。

图8为列管式的SF₆换热循环系统示意图。

图9为板式的SF₆换热循环系统示意图。

图10为板式蒸发器的侧视示意图。

图11为夹套式蒸发器的结构示意图。

图中：1-SF₆热泵压缩机，2-冷却器进管，3-冷却器，4-风机，5-冷却器出管，6-双向节流阀，7-蒸发器，8-蒸发器的SF₆介质流路，9-蒸发器SF₆介质流路出管，10-主变出油阀，11-油泵，12-油泵出油阀，13-蒸发器变压器油流路进管，14-蒸发器的变压器油流路，15-蒸发器变压器油流路出管，16-油温在线检测装置，17-主变进油阀，18-线圈和铁芯，19-变压器油，20-四通阀，21-第一阀门，22-第二阀门，23-第三阀门，24-第四阀门，A-主变本体，B-油枕，a-单个SF₆板槽，b-单个油流板槽。

具体实施方式

如图1~7所示，一种以SF₆为换热介质的热泵式主变换热装置，包括SF₆热泵压缩机1、冷却器3以及蒸发器7，所述冷却器3的一端口经双向节流阀6与蒸发器7的SF₆介质流路8一端口相连接，所述蒸发器7的SF₆介质流路8另一端口和冷却器3的另一端口通过四通阀20与SF₆热泵压缩机1的两端口相连接，所述蒸发器7的变压器油流路14两端口分别与主变本体A上部的进油口和下部的出油口相连接，所述主变本体A的进油口安装有主变进油阀17，所述主变本体A的出油口安装有主变出油阀10，所述主变本体A内的变压器油19通过油泵11从出油口输送至进油口，所述变压器油19通过蒸发器7的变压器油流路14侧壁与SF₆介质流路8中的SF₆换热介质进行间接热交换。

在本实施例中，所述SF₆热泵压缩机1、四通阀20、冷却器3、双向节流阀6以及蒸发器7的SF₆介质流路8组成了SF₆换热循环系统，其中冷却器3可以是由冷却风机4进行强制吹风的风冷却器；所述主变本体A、油泵11以及蒸发器7的变压器油流路14组成了变压器油流换热循环系统，其中油泵11的出口安装有油泵出油阀12；所述蒸发器7的变压器油流路14和SF₆介质流路8是两个互相隔离的介质流程部分，变压器油流介质在蒸发器7中走变压器油流路14，SF₆换热介质在蒸发器7中走SF₆介质流路8，两个循环系统相互隔离，变压器油19和SF₆介质通过蒸发器7中变压器油流路14的侧壁（管壁、板壁或壳壁）进行热传导。

在本实施例中，所述蒸发器7为盘管式，即变压器油流路14为盘管式的管程，SF₆介质流路8为盘管式的壳程，当然还可以是列管式、板式、夹套式等其中的任何一种。如图8所示，当蒸发器7为列管式时，则变压器油流路14为列管式的管程，SF₆介质流路8为列管式的壳程。如图9~10所示，当蒸发器7为板式时，则变压器油流路14为油流板槽组，SF₆介质流路8为SF₆板槽组，所述SF₆板槽组的每个SF₆板槽与油流板槽组的每个油流板槽交错重叠。如图11所示，当蒸发器7为夹套式时，可以将主变本体A内腔作为变压器油流路14，在主变本体A外壳上焊接夹套作为SF₆介质流路8。

在本实施例中，为了方便检测蒸发器7内变压器油流路14的出油温度，所述蒸发器7的变压器油流路14出口与主变本体A的进油口之间的连接管路上安装有油温在线检测装置16。为了方便智能自动控制，所述双向节流阀6可以具体是电磁节流阀，所述油温在线检测装置16可以具体是温度监视器，所述SF₆热泵压缩机1可以是变频SF₆热泵压缩机，所述蒸发器7内可以安装有感应内部SF₆气体压力的压力传感器；所述温度监视器、电磁节流阀、变频SF₆热泵压缩机和压力传感器均电性连接于控制模块，所述温度监视器将其所检测到蒸发器7变压器油流路14出油温度信号发送给控制模块，所述控制模块调节电磁节流阀的阀门开度，所述变频SF₆热泵压缩机可根据油温控制情况由控制模块自动调整电机频率，以最合理的方式运行，所述控制模块可以是按工艺要求设计编程制作构成的PLC或单片机等。当蒸发器7变压器油流路14出油温度过高时，所述控制模块控制调小电磁节流阀的阀门开度，所述蒸发器7蒸发压力降低，进而降低蒸发器7内SF₆蒸发温度，以降低蒸发器7变压器油流路14出油温度，反过来则相反。

如图1~7所示，一种以SF₆为换热介质的热泵式主变换热方法，采用如上所述的以SF₆为换热介质的热泵式主变换热装置，并按以下步骤进行：（1）开启主变出油阀10、主变进油阀17和油泵11，将主变本体A内的变压器油19从出油口打入蒸发器7的变压器油流路14中；（2）开启SF₆热泵压缩机1和冷却器3，蒸发器7变压器油流路14中的变压器油19通过侧壁与蒸发器7SF₆介质流路8中循环的SF₆换热介质进行间接热交换；（3）换热后的变压器油19从进油口回流至主变本体A中，以此反复循环。

如图2~3所示，当进行冷却变压器油19时，在步骤（2）中先开启四通阀20的冷却相应阀门（第一阀门21和第二阀门22），再开启SF₆热泵压缩机1，SF₆热泵压缩机1将从蒸发器SF₆介质流路8出来的低压SF₆气体压缩成高压高温SF₆气体，高压高温SF₆气体进入冷却器3内由风机4强制吹风冷却成高温SF₆液体，高温SF₆液体经双向节流阀6节流减压降温后至蒸发器SF₆介质流路8，此时由于体积突然扩大而导致部分高温SF₆液体转变为低压SF₆气体，液体蒸发成气体的过程中会大量吸热而使得高温SF₆液体温度急剧下降，温度下降后的低温SF₆液体与蒸发器7变压器油流路14内流动的热变压器油流通过侧壁进行热传导，吸热后全部蒸发成低压SF₆气体，低压SF₆气体又经四通阀20至SF₆热泵压缩机1中压缩，进行下一轮的冷却循环。所述主变本体A其内部充满的变压器油19主要起到绝缘和冷却的作用，主变线圈和铁芯18在运行中由于电、磁的作用会发热，如不及时将此热量带走，将导致主变烧毁甚至爆炸的严重事故。

如图4~5所示，当进行加热变压器油19时，在步骤（2）中先开启四通阀20的加热相应阀门（第三阀门23和第四阀门24），再开启SF₆热泵压缩机1，SF₆热泵压缩机1将从冷却器3（此时冷却器3做SF₆换热介质的蒸发吸热之用）出来的低压低温SF₆气体压缩成高压高温SF₆气体，高压高温SF₆气体进入蒸发器7的SF₆介质流路8中（此时蒸发器7做加热变压器油19之用），对进入蒸发器7变压器油流路14中的变压器油19进行加热，自身放出热量后转变为低压低温SF₆液体，低压低温SF₆液体通过双向节流阀6节流减压降温后进入冷却器3中，吸收冷却器3外壁周围被风机4强制吹风的空气热量后蒸发成低压低温SF₆气体，低压低温SF₆气体又经过四通阀20至SF₆热泵压缩机1中压缩，进行下一轮的加热循环。

在本实施例中，为了方便检测蒸发器7内变压器油流路14的出油温度，所述蒸发器7的变压器油流路14出口与主变本体A的进油口之间的连接管路上安装有油温在线检测装置16。为了方便智能自动控制，所述双向节流阀6可以具体是电磁节流阀，所述油温在线检测装置16可以具体是温度监视器，所述SF₆热泵压缩机1可以是变频SF₆热泵压缩机，所述蒸发器7内可以安装有感应内部SF₆气体压力的压力传感器；所述温度监视器、电磁节流阀、变频SF₆热泵压缩机和压力传感器均电性连接于控制模块。如图7所示，可根据温度监视器的实时在线数据，由控制模块调节电磁节流阀，自动控制蒸发器7内的SF₆蒸发压力和SF₆蒸发温度，以保证主变本体A的进油温度控制在设置的范围内，所述变频SF₆热泵压缩机可根据油温控制情况由控制模块自动调整电机频率，以最合理的方式运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种以SF₆为换热介质的热泵式主变换热方法，其特征在于：采用以SF₆为换热介质的热泵式主变换热装置，所述以SF₆为换热介质的热泵式主变换热装置包括SF₆热泵压缩机、冷却器以及蒸发器，所述冷却器的一端口通过双向节流阀与蒸发器的SF₆介质流路一端口相连接，所述蒸发器的SF₆介质流路另一端口和冷却器的另一端口通过四通阀与SF₆热泵压缩机的两端口相连接，所述蒸发器的变压器油流路两端口分别与主变本体上部的进油口和下部的出油口相连接，所述主变本体的进油口安装有主变进油阀，所述主变本体的出油口安装有主变出油阀，所述主变本体内的变压器油通过油泵从出油口输送至进油口，所述变压器油通过蒸发器的变压器油流路侧壁与SF₆介质流路中的SF₆换热介质进行间接热交换；并按以下步骤进行：（1）开启主变出油阀、主变进油阀和油泵，将主变本体内的变压器油从出油口打入蒸发器的变压器油流路中；（2）开启SF₆热泵压缩机和冷却器，蒸发器变压器油流路中的变压器油通过侧壁与蒸发器SF₆介质流路中循环的SF₆换热介质进行间接热交换；当进行加热变压器油时，先开启四通阀的加热相应阀门，再开启SF₆热泵压缩机，SF₆热泵压缩机将从冷却器出来的低压低温SF₆气体压缩成高压高温SF₆气体，高压高温SF₆气体进入蒸发器的SF₆介质流路中，对进入蒸发器变压器油流路中的变压器油进行加热，自身放出热量后转变为低压低温SF₆液体，低压低温SF₆液体通过双向节流阀节流减压降温后进入冷却器中，吸收冷却器外壁周围空气的热量后蒸发成低压低温SF₆气体，低压低温SF₆气体又经过四通阀至SF₆热泵压缩机中压缩，进行下一轮的加热循环；（3）换热后的变压器油从进油口回流至主变本体中，以此反复循环。

2.根据权利要求1所述的以SF₆为换热介质的热泵式主变换热方法，其特征在于：在步骤（2）中，当进行冷却变压器油时，先开启四通阀的冷却相应阀门，再开启SF₆热泵压缩机，SF₆热泵压缩机将从蒸发器SF₆介质流路出来的低压SF₆气体压缩成高压高温SF₆气体，高压高温SF₆气体进入冷却器内冷却成高温SF₆液体，高温SF₆液体经双向节流阀节流减压降温后在蒸发器SF₆介质流路中大量吸收变压器油流路内变压器油的热量而蒸发成低压SF₆气体，低压SF₆气体又经四通阀至SF₆热泵压缩机中压缩，进行下一轮的冷却循环。

3.根据权利要求1或2所述的以SF₆为换热介质的热泵式主变换热方法，其特征在于：所述双向节流阀为电磁节流阀，所述电磁节流阀电性连接于控制模块。

4.根据权利要求1或2所述的以SF₆为换热介质的热泵式主变换热方法，其特征在于：所述蒸发器的变压器油流路出口与主变本体的进油口之间的连接管路上安装有油温在线检测装置，所述油温在线检测装置电性连接于控制模块。