CN104465033B - 一种提高水冷变压器或电抗器水循环停止时散热和防护能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高水冷变压器或电抗器水循环停止时散热和防护能力的方法，在水冷散热板的基板正面和背面均开槽，在正面的槽中嵌入铜管作为内部流道，将背面的槽作为散热风道，对水冷变压器或电抗器进行风水混合散热；在水冷变压器或电抗器的外部设置一个连接内部流道的外置流道：二个节流阀、连接在二个节流阀之间的膨胀水箱、安装在膨胀水箱上的泄压阀；通过节流阀调节外置流道与变压器或电抗器内部流道的流阻平衡，通过膨胀水箱和泄压阀调节内部流道内的压力。本发明变压器或电抗器能够在水冷变压器或电抗器在水循环停止且水不排出流道时提高变压器或电抗器散热能力和安全防护能力。

Description

一种提高水冷变压器或电抗器水循环停止时散热和防护能力的方法

技术领域

本发明涉及变压器或电抗器散热技术领域，特别是在自然冷却状态下变压器或电抗器内部冷却流道内的冷却液不排出的情况下如何更高效的提高变压器或电抗器的散热能力的方法与装置。

本发明还涉及变压器或电抗器的安全防护技术领域，特别是在自然冷却状态下变压器或电抗器内部冷却流道内的冷却液处于气水混合状态下如何对变压器或电抗器进行安全防护的方法与装置。

背景技术

在大功率变流技术中都不可或缺的用到大功率的变压器或电抗器来起隔离或滤波作用。我们都知道，变压器或电抗器在变流系统中属于核心电磁元件，同时也是系统中的主要的发热源，并且随着变流技术的发展，功率密度越来越高，变压器和电抗器的发热也越来越严重。所以在大功率变流系统中如何有效的将变压器和电抗器的热量散发出去就成为了急待解决的问题。

在散热技术的发展过程中，水冷越来越广泛的应用到了大功率变流领域，因此也带来了水冷变压器和水冷电抗器的技术与工艺得到了长足的发展与进步。但现阶段应用的水冷变压器和电抗器都是基于水循环必须可靠无间断连续运行的前提条件，没有考虑到水循环停止时如何提高变压器或电抗器此时处于自然冷却状态下的散热能力以及如何延长负载运行时间和冷却液状态改变带来的安全防护问题。

国内现有专利（申请）技术中，申请号为201120192272.8实用新型公开了一种风水混合散热装置，包括本体、贯通本体内的通风道,在本体内设有水冷通道,在水冷通道上设有与水冷通道可拆卸连接的导管,该导管具有中空的管路,且该导管在与水冷通道配合连接时,将与水冷通道相连通的通风道进行封闭。申请号为201310266283.X的发明公开了一种提高变压器散热方法，其特征是在现有油浸式变压器的变压器箱体上打开两个圆形油循环孔，一个在上，一个在下；在变压器箱体外焊接上一个密封的油箱，油箱上通过连接件连接有热管，并通过密封件密封；扩大散热油的贮量并连接热管的方法，强化散热。不需要改变变压器本体结构，不影响变压器的安全经济运行。申请号为200820115950.9的实用新型公开了一种铝制通路式水冷散热板,该水冷散热板在其内部加工有连续折弯的水道,并设有相应的进水口和出水口。本实用新型可置于变压器的底部,与变压器的主散热部件配套使用,当水流通过时由水流直接带走热量,由于是直接接触,省去了中间传热介质,因此散热量大、散热速度快,其水道的走向增加了水流与散热板的接触面积,并使水流按照预定通道流动,不会产生死角,提高了散热量。以上现有技术，均不能在水冷变压器或电抗器在水循环停止且水不排出流道时提高变压器或电抗器散热能力和安全防护能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种提高水冷变压器或电抗器水循环停止时散热和防护能力的方法，其能在水冷变压器或电抗器在水循环停止且水不排出流道时提高变压器或电抗器散热能力和安全防护能力。

本发明的技术方案是：一种提高水冷变压器或电抗器水循环停止时散热和防护能力的方法，将水冷散热板设置在水冷变压器或电抗器的线圈、铁心内或者只设置在线圈内，在水冷散热板的基板正面和背面均开槽，在正面的槽中嵌入铜管作为内部流道，将背面的槽作为散热风道，对水冷变压器或电抗器进行风水混合散热，实现下列目的：当水冷变压器或电抗器在水循环停止且水不排出流道时提高水冷变压器或电抗器散热能力；在水冷变压器或电抗器的外部连接一个与内部流道相连通的外置流道：二个节流阀、连接在二个节流阀之间的膨胀水箱、安装在膨胀水箱上的泄压阀；通过节流阀调节外置流道与变压器或电抗器内部流道的流阻平衡，通过膨胀水箱和泄压阀调节内部流道内的压力，从而实现下列目的：当水冷变压器或电抗器在水循环停止且水不排出流道时提高水冷变压器或电抗器安全防护能力。

采用能提高水冷变压器或电抗器散热和防护能力的装置来提高水冷变压器或电抗器散热和防护能力；所述变压器或电抗器包括线圈、铁心和夹件，所述能提高水冷变压器或电抗器散热和防护能力的装置包括安装在夹件上的汇流排、带有风道的水冷散热板、设置在变压器或电抗器外部的外置流道；所述水冷散热板设置在线圈和铁心内或者只设置在线圈内，所述水冷散热板之间通过管道、快速接头相互连接，管道里灌装有能流动以带走热量的水；所述水冷散热板、外置流道均连接汇流排；所述水冷散热板包括基板和铜管，所述基板的正面上开有用来安装铜管的槽一，所述铜管压装在槽一内；基板的背面开有用于形成风道的槽二，水冷散热板的风道设置在基板的背面；所述外置流道包括膨胀水箱、通过管道连接膨胀水箱的节流阀和安装在膨胀水箱上的泄压阀，所述节流阀有两个，膨胀水箱连接在两个节流阀之间。

将水冷散热板的铜管延长至与汇流排相连接，用快速接头把延长的铜管与汇流排相连接；用管道、快速接头把外置流道和汇流排连接起来。

所述汇流排上设有汇流铜管，将管道的端部插入快速接头中，所述快速接头内设有卡压机构，将快速接头密封连接好汇流铜管或铜管；通过卡压机构压紧锁紧铜管。

所述变压器或电抗器为铁心式变压器，所述线圈包括原边线圈和副边线圈，在原边线圈、副边线圈和铁心内均设置水冷散热板。

所述变压器或电抗器为铁心式电抗器，在线圈和铁心内均设置水冷散热板。

所述水冷散热板包括变压器原边线圈内水冷散热板、变压器铁心内水冷散热板、变压器副边线圈内水冷散热板、铁心式电抗器线圈内水冷散热板、铁心式电抗器铁心内水冷散热板、空心式电抗器线圈内水冷散热板。

水冷散热板流道结构采用基板嵌铜管的方式；铜管的布置方式与路数通过需要带走的热量多少结合仿真技术进行热流分布仿真后计算确定；开风道槽的位置与大小通过绕线时的张力进行受力计算并结合仿真技术进行热流分布仿真后确定。

所述水冷散热板之间通过管道结合快速接头技术连接，直接将管道插入快速接头的接口，通过快速接头内部的卡压机构压紧铜管，达到密封、锁紧的效果。

本发明能够在水冷变压器或电抗器水循环停止且水不排出流道时提高变压器或电抗器散热能力和安全防护能力，提供了一种可工作在自冷方式下的隔离式大功率水冷变压器或电抗器如何提高散热能力和安全防护能力的方法与装置。水冷散热板布置数量的多少根据变压器或电抗器需要带走的热量大小来计算确定。在各水冷散热板中设置冷却流道（内部流道）；各水冷散热板之间通过铜管结合快速接头技术将各块水冷散热板连接起来，铜管内通水，变压器或电抗器正常工作时，通过水的流动来带走线圈、铁心和夹件等发热源传递到水冷散热板上的热量，达到全面冷却变压器或电抗器的目的。由于采用带风道的水冷散热板，其散热能力得到进一步提高。

本发明除了在变压器或电抗器水冷散热板上设置内部冷却流道外还在变压器或电抗器外部全新设置了外置水冷流道，在该外置流道中加装两个节流阀，通过所述节流阀来调节水冷流道的流阻平衡；在两个节流阀之间加装一个膨胀水箱并在膨胀水箱上面安装泄压阀，通过所述膨胀水箱来调节冷却流道内的压力，提高变压器或电抗器的自冷散热能力和提供整个变压器或电抗器的安全防护保障。为了进一步提高变压器或电抗器在水冷停止下的散热能力，本发明所述的水冷散热板采用带风道的结构，形成自然冷却时空气上下对流的通道，从而进一步提高变压器或电抗器在水循环停止时的散热能力。

因为本发明所述水冷散热板带风道结构的需要，水冷散热板流道结构采用基板嵌铜管的方式，剔除焊接工艺，杜绝漏水风险。各水冷散热板流道之间的连接通过快速接头连接，取消传统的焊接方式，简化了工艺，提高了效率，减少了安全防护风险。

本发明在正常工作条件下采用通常水冷散热方式，在水循环停止工作条件下能继续提高变压器或电抗器的散热能力，进一步提高变压器或电抗器对因为水不排出而带来的新的安全隐患的安全防护能力，保障了变压器或电抗器在水循环停止时能继续正常工作，并可调节变压器或电抗器延长持续工作时间的长短。

本发明主要是基于变流系统中水循环停止运行且水不排出流道时系统还需要带载运行的特殊使用环境，适用于各种水冷变压器和电抗器，包括普通各种铁心式水冷单相变压器和电抗器，铁心式三相水冷变压器和电抗器，铁心式多相水冷变压器和电抗器，也包括单相空心水冷电抗器和三相空心水冷电抗器。

附图说明

图1是本发明中的设置在铁心式变压器中的能提高水冷变压器或电抗器散热和防护能力的装置的结构示意图。

图2是本发明中的设置在铁心式电抗器中的能提高水冷变压器或电抗器散热和防护能力的装置的结构示意图。

图3是本发明中的设置在空心式电抗器中的能提高水冷变压器或电抗器散热和防护能力的装置的结构示意图。

图4是本发明中的水冷散热板的剖面结构示意图。

图中：1、变压器原边线圈；2、变压器原边线圈内水冷散热板；3、变压器铁心；4、变压器铁心内水冷散热板；5、变压器副边线圈；6、变压器副边线圈内水冷散热板；7、管道；8、泄压阀；9、节流阀；10、膨胀水箱；11、夹件；12、汇流排；13、铁心式电抗器线圈；14、铁心式电抗器线圈内水冷散热板；15、铁心式电抗器铁心；16、铁心式电抗器铁心内水冷散热板；17、空心式电抗器线圈；18、空心式电抗器线圈内水冷散热板；19、基板；20、铜管。

具体实施方式

如图1至图4所示，一种能提高水冷变压器或电抗器散热和防护能力的装置，变压器或电抗器包含铁心、线圈和夹件三个主要部件，包括安装在夹件上的汇流排、带有风道的水冷散热板、设置在变压器或电抗器外部的外置流道；所述水冷散热板设置在线圈和铁心内或者只设置在线圈内，所述水冷散热板之间通过管道、快速接头相互连接，管道里灌装有能流动以带走热量的水；所述水冷散热板、外置流道均连接汇流排。所述水冷散热板包括基板和铜管，所述基板的正面上开有用来安装铜管的槽一，所述铜管压装在槽一内；基板的背面开有用于形成风道的槽二，水冷散热板的风道设置在基板的背面。水冷散热板布置数量的多少根据变压器或电抗器需要带走的热量大小来计算确定。所述外置流道通过管道、快速接头连接汇流排。所述汇流排上设有汇流铜管，连接处通过快速接头连接。所述管道的端部插入式连接快速接头，所述快速接头内设有卡压机构，快速接头通过卡压机构压紧汇流铜管或铜管并与汇流铜管或铜管密封连接。汇流排上可设置用于连接外置流道的支路。所述外置流道包括膨胀水箱、通过管道连接膨胀水箱的节流阀和安装在膨胀水箱上的泄压阀，所述节流阀有两个，膨胀水箱连接在两个节流阀之间。所述膨胀水箱包括连接在其两端的节流阀和连接在其上面的泄压阀，所述外置流道还包括连接上述器件（膨胀水箱、节流阀和泄压阀）的管道与附属器件。

水循环停止状态的环境条件较为特殊，水冷停后，仅靠自然冷却，温度升高会导致变压器或电抗器烧毁，考虑到这一特殊情况，本发明在普通隔离式水冷变压器在水冷散热板和其内部流道布置结构的基础上全新加入了外置的流道和特殊设计的带风道的水冷散热板，以此来提高散热能力，各水冷散热板之间通过管道结合快速接头技术连接起来，管道里面通水，通过水的流动带走热量。本发明所设计的水冷散热板采用带风道的结构，形成自然冷却时空气上下对流的通道，进一步提高变压器或电抗器在水循环停止时的散热能力。同时在变压器或电抗器外部加入外置流道，外置流道中接入节流阀，膨胀水箱和泄压阀；外置流道通过管道与变压器或电抗器里面的汇流排和水冷散热板连接。节流阀调节外置流道的流阻平衡，膨胀水箱调节冷却流道内的系统压力和提高变压器或电抗器的自冷散热能力，所述膨胀水箱和泄压阀一起也提供整个变压器或电抗器的安全防护保障。膨胀水箱可以根据实际需要相应地做得足够大，能足以提供水汽化增压后的释放空间和通过补水来延长产品带载工作时间的技术问题。

关于水冷散热板的制作：先在基板上开槽一再将铜管压入槽一内，最后在基板的背面开槽二形成风道。正面的槽一和背面的槽二依次相间排列，相邻的槽一和槽二尽可能靠近，这样，当水循环停止时，通过风冷能够更好地同时带走铜管及铜管内的水的热量，从而对内部流道产生一定的安全防护作用。铜管的布置方式与路数通过需要带走的热量结合仿真技术进行热流分布仿真后计算确定；开风道槽的位置与大小通过绕线时的张力进行受力计算并结合仿真技术进行热流分布仿真后确定。所述水冷散热板之间通过管道结合快速接头技术连接，可直接将管道插入快速接头的接口，通过快速接头内部特殊的卡压机构压紧铜管，达到密封，锁紧的效果，摒弃了传统的气焊加热的连接方式，提高了效率，减少了烧损线圈的风险。

外置流道由管道、膨胀水箱、节流阀、泄压阀连接而成，节流阀调节外置流道与变压器或电抗器内部流道的流阻平衡，膨胀水箱调节冷却流道内的系统压力和提高变压器或电抗器的自冷散热能力，膨胀水箱的作用是收容和补偿系统中水的胀缩量，亦用作系统补水，使产品在外部水循环停止后还能提供内部水循环从而进一步提高产品在外部水循环停止后的散热能力。膨胀水箱和泄压阀一起也提供整个变压器或电抗器的安全防护保障。

实施例一：设置在铁心式变压器中的能提高水冷变压器或电抗器散热和防护能力的装置和方法

如图1所示，所述变压器或电抗器为铁心式变压器。铁心式变压器包括变压器原边线圈1、变压器铁心3、变压器副边线圈5。在铁心式变压器中加入水冷散热板（包括变压器原边线圈内水冷散热板2、变压器铁心内水冷散热板4和变压器副边线圈内水冷散热板6）：在变压器原边线圈1中加入原边线圈内水冷散热板2；在变压器铁心3中加入变压器铁心内水冷散热板4；在变压器副边线圈5内部加入变压器副边线圈内水冷散热板6。在铁心式变压器夹件11上布置水冷汇流排12，汇流排上设置有汇流铜管。各水冷散热板之间通过管道7依次相连接后再连接到汇流排。如图4所示，所述水冷散热板包括基板19和铜管20，所述基板的正面上开有用来安装铜管的槽一，所述铜管压装在槽一内；基板的背面开有用于形成风道的槽二。水冷散热板的铜管可延长至直接通过快速接头连接汇流排上的汇流铜管，水冷散热板的铜管也可通过管道、快速接头连接到汇流排上的汇流铜管。快速接头内设有卡压机构，快速接头通过卡压机构压紧锁紧铜管并与铜管密封连接，管道、铜管和汇流铜管形成内部流道，内部流道内通水，水能在内部流道里流动。所述管道的端部插入式连接快速接头。

在铁心式变压器外部设置外置流道，汇流排上设置有用于连接外置流道的支路，所述外置流道通过管道、快速接头连接汇流排的支路上。外置流道包括膨胀水箱10、分别连接在膨胀水箱两边的二个节流阀9和安装在膨胀水箱上的泄压阀8。外置流道通过管道与内部流道相连通。铁心式变压器正常工作时水在内部流道和外置流道内连续流动，此时铁心式变压器靠水冷散热或者靠风冷水冷混合散热。当水循环停止时，带风道的水冷散热板通过其风道散热，内部流道内的水在高温下蒸发产生水汽在内部流道内形成水汽混合物，产生较大压力，内部流道特别是接口处容易因压力过大而发生爆裂损坏，形成安全隐患，需要及时减压。同时，内部流道内的水因蒸发而减少，对铁心式变压器的水冷散热功能产生不利影响。增设外置流道后，膨胀水箱10能提供汽化空间（水蒸汽存放空间），在压力过大时还可通过泄压阀自动泄压。从内部流道流到外置流道的水汽（存放在膨胀水箱内或通过泄压阀向外释放）同时能带走铁心式变压器内的热量（水汽化本身也能带走热量），起到散热作用。膨胀水箱10还可通过管道向变压器内部流道补水并同时顺便带走热量；节流阀9调节外置流道的流阻，泄压阀8在流道内因水蒸发产生的水汽压力过高时泄气减压（可预先设定压力值，在泄压阀上增设自动控制装置或采用自动泄压阀，进行自动泄气减压，进一步提高安全系数），从而提供安全防护保障。

通过在水冷散热板的基板正面和背面均开槽，在正面的槽中嵌入铜管作为内部流道，将背面的槽作为散热风道，对铁心式变压器进行风水混合散热，实现下列目的：当铁心式变压器在水循环停止且水不排出流道时提高铁心式变压器散热能力。在铁心式变压器的外部设置一个连接内部流道的外置流道；通过节流阀调节外置流道与铁心式变压器内部流道的流阻平衡，通过膨胀水箱和泄压阀调节内部流道内的压力，从而实现下列目的：当铁心式变压器在水循环停止且水不排出流道时提高铁心式变压器的安全防护能力。

实施例二：设置在铁心式电抗器中的能提高水冷变压器或电抗器散热和防护能力的装置和方法

如图2所示，与实施例一不同处是：所述变压器或电抗器为铁心式电抗器，即用铁心式电抗器替代铁心式变压器。铁心式电抗器包括铁心式电抗器线圈13。在铁心式电抗器中加入水冷散热板：在铁心式电抗器线圈13中加入铁心式电抗器线圈内水冷散热板14；在铁心式电抗器铁心15中加入铁心式电抗器铁心内水冷散热板16。其他与实施例一相同。

实施例三：设置在空心式电抗器中的能提高水冷变压器或电抗器散热和防护能力的装置和方法

如图3所示，与实施例一不同处是：所述变压器或电抗器为空心式电抗器，空心式电抗器包括空心式电抗器线圈17，不包括铁心。在空心式电抗器中加入水冷散热板：在空心式电抗器线圈17中加入空心式电抗器线圈内水冷散热板18。由于没有铁心，也就不需要铁心内水冷散热板。其他与实施例一相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高水冷变压器或电抗器水循环停止时散热和防护能力的方法，将水冷散热板设置在水冷变压器或电抗器的线圈、铁心内或者只设置在线圈内，其特征是，

在水冷散热板的基板正面和背面均开槽，在正面的槽中嵌入铜管作为内部流道，将背面的槽作为散热风道，对水冷变压器或电抗器进行风水混合散热，实现下列目的：当水冷变压器或电抗器在水循环停止且水不排出流道时提高水冷变压器或电抗器散热能力；

在水冷变压器或电抗器的外部连接一个与内部流道相连通的外置流道：二个节流阀、连接在二个节流阀之间的膨胀水箱、安装在膨胀水箱上的泄压阀；通过节流阀调节外置流道与变压器或电抗器内部流道的流阻平衡，通过膨胀水箱和泄压阀调节内部流道内的压力，从而实现下列目的：当水冷变压器或电抗器在水循环停止且水不排出流道时提高水冷变压器或电抗器的散热和安全防护能力。

2.根据权利要求1所述的提高水冷变压器或电抗器水循环停止时散热和防护能力的方法，其特征是，采用能提高水冷变压器或电抗器散热和防护能力的装置来提高水冷变压器或电抗器散热和防护能力；所述变压器或电抗器包括线圈、铁心和夹件，所述能提高水冷变压器或电抗器散热和防护能力的装置包括安装在夹件上的汇流排、带有风道的水冷散热板、设置在变压器或电抗器外部的外置流道；所述水冷散热板设置在线圈和铁心内或者只设置在线圈内，所述水冷散热板之间通过管道、快速接头相互连接，管道里灌装有能流动以带走热量的水；所述水冷散热板、外置流道均连接汇流排；所述水冷散热板包括基板和铜管，所述基板的正面上开有用来安装铜管的槽一，所述铜管压装在槽一内；基板的背面开有用于形成风道的槽二，水冷散热板的风道设置在基板的背面；所述外置流道包括膨胀水箱、通过管道连接膨胀水箱的节流阀和安装在膨胀水箱上的泄压阀，所述节流阀有两个，膨胀水箱连接在两个节流阀之间。

3.根据权利要求2所述的提高水冷变压器或电抗器水循环停止时散热和防护能力的方法，其特征是，将水冷散热板的铜管延长至与汇流排相连接，用快速接头把延长的铜管与汇流排相连接；用管道、快速接头把外置流道和汇流排连接起来。

4.根据权利要求3所述的提高水冷变压器或电抗器水循环停止时散热和防护能力的方法，其特征是，所述汇流排上设有汇流铜管，将管道的端部插入快速接头中，所述快速接头内设有卡压机构，将快速接头密封连接好汇流铜管；通过卡压机构压紧锁紧汇流铜管。

5.根据权利要求2所述的提高水冷变压器或电抗器水循环停止时散热和防护能力的方法，其特征是，所述变压器为铁心式变压器，所述线圈包括原边线圈和副边线圈，在原边线圈、副边线圈和铁心内均设置水冷散热板。

6.根据权利要求2所述的提高水冷变压器或电抗器水循环停止时散热和防护能力的方法，其特征是，所述电抗器为铁心式电抗器，在线圈和铁心内均设置水冷散热板。

7.根据权利要求2所述的提高水冷变压器或电抗器水循环停止时散热和防护能力的方法，其特征是，水冷散热板流道结构采用基板嵌铜管的方式；铜管的布置方式与路数通过需要带走的热量多少结合仿真技术进行热流分布仿真后计算确定；开风道槽的位置与大小通过绕线时的张力进行受力计算并结合仿真技术进行热流分布仿真后确定。

8.根据权利要求2所述的提高水冷变压器或电抗器水循环停止时散热和防护能力的方法，其特征是，所述水冷散热板之间通过管道结合快速接头连接，直接将管道插入快速接头的接口，通过快速接头内部的卡压机构压紧铜管，达到密封、锁紧的效果。