CN107369523A - 一种自然对流散热式水下变压器 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下电气设备领域，并具体公开了一种自然对流散热式水下变压器，其包括壳体、变压器本体和对流散热组件，壳体为上端封闭下端开口的空腔结构，其下端与底座相连，该底座与壳体空腔结构的内部形成一充满变压器油的密闭空间，壳体外侧面连接有补偿器；变压器本体包括铁芯组件、输入端和输出端，铁芯组件设于密闭空间内，并安装在底座上，变压器输入端和输出端设置在壳体的侧壁上；对流散热组件包括呈圆周排列环绕在壳体外部的若干对流散热管，每根对流散热管竖直布置，且两端与壳体相连以与密闭空间导通。本发明可有效解决现有散热方式散热效率低的问题，具有热量交换时间长、传热量大、散热效率高的优点，适用于水下油气生产系统。

Description

一种自然对流散热式水下变压器

技术领域

本发明属于水下电气设备领域，更具体地，涉及一种自然对流散热式水下变压器。

背景技术

水下变压器基本结构是将变压器安装在密封的壳体内，变压器和壳体之间充满绝缘油。水下变压器工作在深海海底，承受海水的压力作用，并且变压器损耗以热的形式向外发散，因此水下变压器还承受热作用。在变压器经历不同工作状态的同时，绝缘油还会随温度变化进行热胀冷缩。若水下变压器壳体内绝缘油有海水渗入，将导致变压器失效。因此，除特殊情况外，应保证水下变压器在压力和热作用下正常和可靠的运行。

为了保证水下变压器的密封和可靠性，需要确保水下变压器壳体的内部压力高于其外部压力，压差要求约在0.02～0.05MPa。压力补偿器是保证水下变压器内外存在要求的压差值，确保水下变压器正常运行的主要装置之一。简单的讲，压力补偿器是一个弹性元件，在水下变压器上发挥对温度变化及体积变化引起的压力变化进行补偿的作用。其中，压力补偿是通过控制水下变压器壳体内的充油量大小，压力补偿器产生相对应的形变位移，使壳体内的油压与壳体外部压力和压力补偿器弹性力(两者方向一致)之和平衡，这样可使得水下变压器箱体内部压力略高于外部压力，通过设置合理的压力补偿器的弹性刚度和充油量，可使箱体内外压差控制在0.02～0.05Mpa范围内，当外部压力变化时，油液体积会相应的产生微小的变化，这样将重新使壳体内外压力达到平衡，压差会有微小的波动，因此压力补偿器使壳体内压力随时跟随外部压力的变化而变化，并保证要求的压差。体积补偿是在变压器的使用过程中，箱体内绝缘油会不断发生体积热胀冷缩，尽管绝缘油的体积热膨胀率只有0.00075，但当油体积较大时，这种由于温度变化引起的油体积变化不可忽略，在没有弹性补偿元件的情况下，会进而引起压力的较大变化并使变压器壳体承受较大不平衡压力，在变压器非运行状态和满负荷运行状态之间，绝缘油温差较大，两种状态下的油体积变化较大，当油体积变化时，压力补偿器通过产生形变以应对油体积变化，否则水下变压器的壳体将承受很大的压力，壳体会发生过大形变导致开裂，有的水下变压器主要通过外置的压力补偿器来对变压器主体进行压力补偿。

水下变压器中由于变压器的铁芯及绕组在工作中会产生大量的热量，为了保证变压器的铁芯及绕组不会过热，而影响工作效率，在设计水下变压器时还应考虑散热问题。水下变压器的传统散热方式是在变压器壳体上设有散热片，散热片的工作原理是进行热传导。但是散热片的散热效率低，采用散热片进行散热不仅对材料的导热性要求高，而且其为保证散热片与壳体接触面积尽可能最大化对制造工艺的要求也较高，是现有常规散热方式的弊端。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自然对流散热式水下变压器，其中结合水下变压器自身的特点，相应设计了可实现自然对流散热的水下变压器，通过对其关键组件如壳体、变压器本体和对流散热组件的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决现有散热方式散热效率低的问题，具有热量交换时间长、传热量大、散热效率高的优点，适用于水下油气生产系统。

为实现上述目的，本发明提出了一种自然对流散热式水下变压器，其包括壳体、变压器本体和对流散热组件，其中：

所述壳体为上端封闭下端开口的空腔结构，该壳体的下端开口与底座相连，以此通过该底座与壳体空腔结构的内部形成一密闭空间，该密闭空间内充满变压器油，并且该壳体的外侧面连接有补偿器；

所述变压器本体包括铁芯组件、变压器输入端和变压器输出端，该铁芯组件设于密闭空间内，并安装在所述底座上，其包括铁芯及缠绕在该铁芯上的线圈绕组，所述变压器输入端和变压器输出端设置在所述壳体的侧壁上；

所述对流散热组件包括呈圆周排列环绕在所述壳体外部的若干对流散热管，每根所述对流散热管竖直布置，且其两端与所述壳体相连以与所述密闭空间导通，以此使得若干对流散热管中也充满变压器油，并通过对流散热管的管壁使得对流散热管内的变压器油与海水实现热量交换。

作为进一步优选的，所述补偿器具体为波纹管补偿器，该波纹管补偿器包括上段、中段和下段，所述上段为圆管，其上端开设有与海水连通的孔，并且其上端与所述壳体接触但不连通，其下端与所述中段连通；所述中段包括与上段的下端连通的中空圆管以及设置在该中空圆管内的波纹管，所述波纹管的上端与上段不连通，其下端与所述下段的上端相连，该下段的下端与壳体的内部连通。

作为进一步优选的，该水下变压器还包括监控舱，该监控舱设置在所述壳体的顶部，其包括彼此焊接的两段圆柱体。

作为进一步优选的，所述壳体的内部设有加强筋以支撑顶部的监控舱。

作为进一步优选的，所述底座上开设有螺栓孔，通过螺栓将水下变压器整体固定在基底上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的水下变压器壳体外部侧面设有若干对流散热管和补偿器，对流散热管呈圆周排列环绕壳体一周，变压器壳体内部及安装在壳体侧面的散热管以及补偿器内均充满变压器油，变压器内部的变压器油与对流散热管内的变压器油之间始终存在温度差，温度差导致壳体内部与对流散热管之间存在压力差，从而驱使变压器油不停地在变压器壳体内部及对流散热管间循环，并通过对流散热管管壁与海水进行热量交换而散热，这种自发的散热方式无需专门的循环泵，且采用自然对流散热方式相对于传统散热片热传导而言，具有热量交换时间长，传热量大的优点，有效提升水下变压器整体的散热效率。

2.本发明通过设置内部充有变压器油的对流散热管，将变压器壳体内部的大部分变压器油分散至各个对流散热管中，有效的减小了变压器壳体的整体尺寸，从设计、制造、管理维护的角度来说都更为简单方便。

3.本发明的水下变压器为全封闭式结构，铁芯组件安置在变压器底座上，壳体、对流散热管、波纹管补偿器及监控舱组成一个整体组件，整体组件组装完毕后再通过将整体组件中的壳体焊接在底座上，以实现整体安装，从而达到全封闭的状态，可以长期免维护。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种自然对流散热式水下变压器的立体图；

图2是本发明实施例提供的一种自然对流散热式水下变压器的正面剖视图；

图3是本发明实施例提供的一种自然对流散热式水下变压器的内部俯视图；

图4是本发明铁芯组件的结构示意图；

图5是本发明波纹管补偿器的结构示意图；

图6是本发明监控舱的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-3所示，本发明实施例提供的一种自然对流散热式水下变压器，其包括壳体1、变压器本体和对流散热组件，其中，壳体1为上端封闭下端开口的空腔结构，该壳体的下端开口与底座7相连，以此通过该底座的上表面与壳体空腔结构的内部形成一密闭空间，该密闭空间内充满变压器油(绝缘油)，并且该壳体的外侧面连接有补偿器6，具体的，壳体与底座之间焊接，以达到全封闭状态；变压器本体包括铁芯组件2、变压器输入端和变压器输出端，该铁芯组件设于密闭空间内，并安装在底座上，具体为纵向安装，该铁芯组件包括铁芯及缠绕在该铁芯上的线圈绕组，变压器输入端和变压器输出端设置在壳体的侧壁上，变压器输入端和变压器输出端的一端与线圈绕组相连，另一端分别与设置于壳体上的两个电力连接器5相连，两个电力连接器与外部电力线路相连，以为变压器提供电力；对流散热组件包括若干对流散热管4，如图3所示，若干对流散热管呈圆周排列环绕在壳体的外部，单个对流散热管纵向安装(即在壳体外部按竖直方向布置)，并且对流散热管的两端与壳体相连以与密闭空间导通(即与壳体的内部连通)，以此使得若干对流散热管中也充满变压器油，并通过对流散热管的管壁使得对流散热管内的变压器油与海水实现热量交换，其中，优选使对流散热管呈圆周排列均匀地环绕壳体一周，而对于流散热管4的数量可根据实际需要进行设定，例如1根、2根、5根、8根等。

本发明的上述结构的水下变压器，由于变压器壳体内部的变压器油吸收了铁芯组件工作时产生的热量，而对流散热管内的变压器油经管壁传热从而与海水充分进行热量的交换，使得变压器内部的变压器油与对流散热管内的变压器油之间始终存在温度差，壳体内部油温高、密度小，对流散热管内部油温低、密度大，在变压器壳体底部及对流散热管底部两者相连通的地方，对流散热管侧压力高于变压器壳体内部压力，从而驱使变压器油不停地在变压器壳体内部及对流散热管间循环，并与海水进行热量交换而散热。这种自发的散热方式无需专门的循环泵，且采用自然对流散热方式散热效率高，从设计、制造、管理维护的角度来讲都更为简单方便。

进一步的，如图5所示，补偿器优选为波纹管补偿器，该波纹管补偿器包括上段61、中段62和下段63，上段为圆管，该上段的上端开设有与海水连通的孔，并且该上段的上端与壳体的外侧面接触但不连通，该上段的下端与中段连通，以将海水压力引至中段中；中段包括与上段的下端连通的中空圆管以及设置在该中空圆管内的波纹管(即中空圆管套装在波纹管的外部)，并且波纹管与中空圆管之间留有一定的空间，方便波纹管进行体积变化，波纹管的上端与上段不连通(即与上段隔绝)，波纹管的下端与下段的上端譬如通过法兰相连，由于上段与中段的中空圆管连通、与中段的波纹管的上端隔绝，因此通过上段上的孔将海水引至波纹管与中空圆管之间的空隙中，实现压力调节；所述下段的下端与变压器壳体的内部连通(即与海水隔绝)，该下段同样为圆管，该补偿器的目的在于在下段和波纹管内部充有变压器油以便进行压力补偿，从而补偿变压器壳体内外的压力差。

为了便于水下变压器的监控，本发明的水下变压器还可以设置有监控舱，如图1和6所示，该监控舱设置在壳体的顶部，其包括彼此焊接的两段圆柱体，用于布置线缆及电子监控设备，将该监控舱设计成两段圆柱形，有利于线缆的布置及电子监控设备的安装，并且方便两部分之间的焊接，该电子监控设备与变压器内的温度传感器相连，实现变压器的温度监测。优选的，监控舱通过接头与变压器壳体的顶部相连，为了便于监控舱的顺利安装，在变压器壳体的顶部预留有与接头连接的接口。为了便于外界监控变压器，监控舱上设有连接件，该连接件的一端与监控舱内的电子监控设备相连，另一端与外界连接，方便外界监控变压器。为了便于监控舱的有效支撑，在壳体的内部设有加强筋例如四个加强筋以支撑顶部的监控舱。此外，底座上还开设有螺栓孔，通过螺栓将水下变压器整体固定在基底上。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自然对流散热式水下变压器，其特征在于，包括壳体、变压器本体和对流散热组件，其中：

所述壳体为上端封闭下端开口的空腔结构，该壳体的下端开口与底座相连，以此通过该底座与壳体空腔结构的内部形成一密闭空间，该密闭空间内充满变压器油，并且该壳体的外侧面连接有补偿器；

所述变压器本体包括铁芯组件、变压器输入端和变压器输出端，该铁芯组件设于密闭空间内，并安装在所述底座上，其包括铁芯及缠绕在该铁芯上的线圈绕组，所述变压器输入端和变压器输出端设置在所述壳体的侧壁上；

所述对流散热组件包括呈圆周排列环绕在所述壳体外部的若干对流散热管，每根所述对流散热管竖直布置，且其两端与所述壳体相连以与所述密闭空间导通，以此使得若干对流散热管中也充满变压器油，并通过对流散热管的管壁使得对流散热管内的变压器油与海水实现热量交换。

2.如权利要求1所述的自然对流散热式水下变压器，其特征在于，所述补偿器具体为波纹管补偿器，该波纹管补偿器包括上段、中段和下段，所述上段为圆管，其上端开设有与海水连通的孔，并且其上端与所述壳体接触但不连通，其下端与所述中段连通；所述中段包括与上段的下端连通的中空圆管以及设置在该中空圆管内的波纹管，所述波纹管的上端与上段不连通，其下端与所述下段的上端相连，该下段的下端与壳体的内部连通。

3.如权利要求1或2所述的自然对流散热式水下变压器，其特征在于，该水下变压器还包括监控舱，该监控舱设置在所述壳体的顶部，其包括彼此焊接的两段圆柱体。

4.如权利要求3所述的自然对流散热式水下变压器，其特征在于，所述壳体的内部设有加强筋以支撑顶部的监控舱。

5.如权利要求1-4所述的自然对流散热式水下变压器，其特征在于，所述底座上开设有螺栓孔，通过螺栓将水下变压器整体固定在基底上。