CN111710501B - 改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置及方法，通过采用中空箱体、导油结构、小孔等结构，使换流变压器内部流场分布更均匀，提高变压器油的对流换热效率，增强变压器油之间的传热传质，从而改善换流变压器内部温度分布的不均匀性。通过采用定向喷嘴结构对局部过热位置进行局部强化换热，改善换流变压器的局部过热现象。
Description
技术领域
本发明涉及电力变压器技术领域，具体是一种改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置及方法。
背景技术
换流变压器是高压直流输电系统中最重要的设备之一，这是由于其处在交流电与直流电转换的核心位置，以及其在设备制造技术方面的复杂性和设备制造费用的昂贵所决定的。换流变压器在运行过程中有特征谐波电流和非特征谐波电流流过，谐波分量会使换流变压器绕组、铁心和金属结构件中的杂散损耗显著增大，导致换流变压器内部出现局部过热现象。而过高的温度会加速绝缘材料的老化，降低换流变压器的性能及缩短其寿命。因此，如何避免换流变压器内部出现局部过热现象对于换流变压器的安全运行具有十分重要的意义。
换流变压器绝缘系统一般由变压器油和绝缘纸组成。在采用强迫冷却结构时，由于变压器油在动力装置的驱动下，流动速度较快，当变压器油流经绕组各部分的固体绝缘件(匝绝缘、绝缘纸板等)时，由于摩擦、油温和水分变化等原因，引起固体与液体界面上的电荷分离，使电荷重新排列、集聚，引起局部电场升高或电场畸变以致绝缘局部放电量增大，可能危及整个绝缘的可靠性，这种情况称为油流带电现象。油流带电现象在500kV级及以上的超高压换流变压器中是一个值得重点关注的问题。因此，在设计换流变压器时要充分考虑油流带电问题。
降低油流速度是避免油流带电问题的主要措施之一，为避免油流带电，换流变压器内部的最大油流速度不应大于0.5m/s。因此，仅通过提高入口油流速度来避免换流变压器内部出现局部过热现象的方法是不合理的。
绕组、铁心、金属结构件是换流变压器内部局部过热的主要位置。目前，针对绕组局部过热的问题，通常采用在绕组内部加入导油结构的方法，通过增大变压器油与绕组的换热面积，从而强化换热来降低绕组局部过热位置的温度。针对铁心局部过热的问题，通常采用在铁心内部添加油隙的方法，同绕组一样，均是采用增加换热面积的思想。而针对金属结构件局部过热的问题，通常采用磁屏蔽的方法。磁屏蔽能够有效减少进入金属结构件中的漏磁通，从而减少杂散损耗。
郦婉琴(申请号201921381321.5)和孙秋霞等(申请号201911388154.1)分别提出了一种用于变压器的磁屏蔽装置，采用磁屏蔽的方法来减少进入金属结构件中的漏磁通，减少杂散损耗，从而改善金属结构件局部过热的问题。
然而，目前所采用的方法均没有从本质上解决局部过热的问题。局部过热问题迟迟无法得到有效解决本质上是由于油流带电问题的限制而导致的换流变压器内部油流速度较低。而且，换流变压器内部结构件众多，间隙较小，流阻较大，导致局部过热位置附近的流速远小于0.5m/s，散热效率较差。因此，亟需一种新型高效的装置及方法改善局部过热现象和温度不均匀性。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置，以改善换流变压器局部过热现象。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置，其特征在于：包括换流变压器的中空箱体1，所述中空箱体1的各个油流入口3处安装有导油结构2，所述中空箱体1的内壁面沿平行于地面方向多个位置处开有小孔6，部分小孔6用于安装延伸到换流变压器局部过热位置附近的定向喷嘴结构7；所述导油结构2包括轴向出口4和径向出口5，轴向出口4位于中空箱体1内的一端连通法兰10，法兰10上有位于中央的内主通道11以及以内主通道为中心呈环形均匀分布的若干个外辅通道12，外辅通道12上连通设置有多个延伸到换流变压器局部过热位置附近的定向喷嘴结构7；进入各个油流入口3的变压器油被分为三部分，第一部分变压器油通过径向出口5流入中空箱体1的空腔，第二部分通过中央的内主通道11直接流入换流变压器，第三部分通过外辅通道12和定向喷嘴结构7到达换流变压器局部过热位置附近。
所述定向喷嘴结构7包括喷管9和连通在喷管9端部的喷嘴8，喷嘴8通过喷管9与小孔6或外辅通道12连通，并通过喷管9延伸到换流变压器局部过热位置附近。
通过优化中空箱体1的结构尺寸参数，不仅使中空箱体1的内壁和外壁满足强度和刚度要求，又能减轻中空箱体1的重量，从而节省中空箱体1的制造成本，同时还能使变压器油通过中空箱体1时的流动阻力损失最小。
变压器油通过所述小孔6均匀地从中空箱体1各个方向流入换流变压器，使换流变压器内部流场更均匀，在不改变入口流速的前提下增大油流的平均速度，提高变压器油的对流换热效率，降低换流变压器局部过热位置的温度，改善换流变压器局部过热现象。
通过优化小孔6的位置、形状、尺寸参数和间距，使小孔6既便于安装定向喷嘴结构7，减小定向喷嘴结构7到达各个局部过热位置的距离，又能控制流出小孔6的变压器油流速在预设范围内，避免引起油流带电问题，还能进一步地提高换流变压器内部流场的均匀性。
通过优化喷管9的形状和结构尺寸参数，使喷管9既能穿过换流变压器内部狭小间隙，又能控制流出喷管9的变压器油的流速在预设范围内，避免引起油流带电问题；所述喷管9具有一定的稳定性，在变压器油的冲击下不能振动，更不能移动。
优化喷嘴8的形状和结构尺寸参数，在喷嘴8出口处设置流量调节装置13；所述流量调节装置13由固定挡板14、活动挡板15和销钉16组成，固定挡板14固定在喷嘴8出口位置，与出口平齐，通过转动销钉16，可转动活动挡板15，控制喷嘴8出口面积的大小，从而调节变压器油的流速。
所述导油结构2、定向喷嘴结构7、流量调节装置13均采用不与变压器油发生化学反应的耐腐蚀性、耐高温性绝缘材料。
所述的改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置的工作方法，步骤如下：
(1)变压器油从油流入口3流入后，一部分流经导油结构2从法兰10中央的内主通道11直接流入换流变压器，另一部分流经导油结构2从法兰10的外辅通道12流入定向喷嘴结构7，还有一部分从导油结构的径向出口5流入中空箱体1中；
(2)流入中空箱体1中的变压器油在中空箱体1内部循环流动，通过小孔6均匀地从中空箱体1各个方向流入换流变压器，使换流变压器内部流场分布更均匀，在不改变入口流速的情况下使油流平均速度更大，从而提高变压器油的对流换热效率，改善换流变压器内部温度分布的不均匀性；变压器油从小孔6流出后和上浮的热油进行热质交换，增强变压器油之间的传热传质；
(3)变压器油通过安装在小孔6和安装在导油结构2处的定向喷嘴结构7延伸到换流变压器局部过热位置附近，在不影响整体油流速度的前提下，提高局部过热位置附近的油流速度，从而提高变压器油的对流换热效率，降低换流变压器局部过热位置的温度，改善局部过热现象；
(4)通过流量调节装置13，根据局部过热位置的温度，对从喷嘴8流出变压器油的流速进行调节。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1)本发明采用中空箱体1，变压器油通过中空箱体1可以在不经过换流变压器内部众多结构件和狭小间隙的情况下到达换流变压器的各个方向，较大程度上减少了变压器油的流动阻力损失。
2)本发明在中空箱体1的内壁面沿平行于地面方向多个位置处开有小孔6，变压器油能通过小孔6均匀地从换流变压器各个方向流入换流变压器内部，使换流变压器内部流场分布更均匀，在不改变入口流速的情况下使油流平均速度更大，从而提高变压器油的对流换热效率，改善换流变压器内部温度分布的不均匀性。变压器油从小孔6流出后和上浮的热油进行热质交换，增强变压器油之间的传热传质。
3)本发明采用定向喷嘴结构7，在不影响整体油流速度，从而避免油流带电问题的前提下，提高了局部过热位置附近的流速，从而使局部过热位置附近的变压器油的对流换热效率大大提高，进而降低了局部过热位置的温度，改善换流变压器局部过热现象。
4)本发明采用流量调节装置13，根据局部过热位置的温度，对从喷嘴8流出变压器油的流速进行调节。
附图说明
图1为本发明改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置示意图。
图2为图1中A处的局部放大图。
图3为图1中B处的局部放大图。
图4为本发明导油结构与定向喷嘴结构的装配示意图。
图5为本发明定向喷嘴结构和流量调节装置示意图。
图中，1中空箱体，2导油结构，3油流入口，4轴向出口，5径向出口，6小孔，7定向喷嘴结构，8喷嘴，9喷管，10法兰，11内主通道，12外辅通道，13流量调节装置，14固定挡板，15活动挡板，16销钉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细的说明：
如图1、图2、图3和图4所示，一种改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置，其特征在于：包括换流变压器的中空箱体1，所述中空箱体1的各个油流入口3处安装有导油结构2，所述中空箱体1垂直于地面方向的内壁面沿平行于地面方向多个位置处开有小孔6，部分小孔6用于安装延伸到换流变压器局部过热位置附近的定向喷嘴结构7；所述导油结构2包括轴向出口4和径向出口5，轴向出口4位于中空箱体1内的一端连通法兰10，法兰10上有位于中央的内主通道11以及以内主通道为中心呈环形均匀分布的若干个外辅通道12，外辅通道12上连通设置有多个延伸到换流变压器局部过热位置附近的定向喷嘴结构7；进入各个油流入口3的变压器油被分为三部分，第一部分变压器油通过径向出口5流入中空箱体1的空腔，第二部分通过中央的内主通道11直接流入换流变压器，第三部分通过外辅通道12和定向喷嘴结构7到达换流变压器局部过热位置附近。
变压器油通过所述小孔6均匀地从中空箱体1各个方向流入换流变压器，使换流变压器内部流场更均匀，在不改变入口流速的前提下增大油流的平均速度，提高变压器油的对流换热效率，降低换流变压器局部过热位置的温度，改善换流变压器局部过热现象。
如图5所示，作为本发明的优选实施方式，所述定向喷嘴结构7包括喷管9和连通在喷管9端部的喷嘴8，喷嘴8通过喷管9与小孔6或外辅通道1
2连通，并通过喷管9延伸到换流变压器局部过热位置附近。更优选地，优化喷嘴8的形状和结构尺寸参数，在喷嘴8出口处设置流量调节装置13；所述流量调节装置13由固定挡板14、活动挡板15和销钉16组成，固定挡板14固定在喷嘴8出口位置，与出口平齐，通过转动销钉16，可转动活动挡板15，控制喷嘴8出口面积的大小，从而调节变压器油的流速。
作为本发明的优选实施方式，通过优化中空箱体1的结构尺寸参数，不仅使中空箱体1的内壁和外壁满足强度和刚度要求，又能减轻中空箱体1的重量，从而节省中空箱体1的制造成本，同时还能使变压器油通过中空箱体1时的流动阻力损失最小。
作为本发明的优选实施方式，通过优化小孔6的位置、形状、尺寸参数和间距，使小孔6既便于安装定向喷嘴结构7，减小定向喷嘴结构7到达各个局部过热位置的距离，又能控制流出小孔6的变压器油流速在预设范围内，避免引起油流带电问题，还能进一步地提高换流变压器内部流场的均匀性。
作为本发明的优选实施方式，通过优化喷管9的形状和结构尺寸参数，使喷管9既能穿过换流变压器内部狭小间隙，又能控制流出喷管9的变压器油的流速在预设范围内，避免引起油流带电问题；所述喷管9具有一定的稳定性，在变压器油的冲击下不能振动，更不能移动。
作为本发明的优选实施方式，所述导油结构2、定向喷嘴结构7、流量调节装置13均采用不与变压器油发生化学反应的耐腐蚀性、耐高温性绝缘材料。
如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明所述的改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置的工作方法，步骤如下：
(1)变压器油从油流入口3流入后，一部分流经导油结构2从法兰10中央的内主通道11直接流入换流变压器，另一部分流经导油结构2从法兰10的外辅通道12流入定向喷嘴结构7，还有一部分从导油结构的径向出口5流入中空箱体1中；
(2)流入中空箱体1中的变压器油在中空箱体1内部循环流动，通过小孔6均匀地从中空箱体1各个方向流入换流变压器，使换流变压器内部流场分布更均匀，在不改变入口流速的情况下使油流平均速度更大，从而提高变压器油的对流换热效率，改善换流变压器内部温度分布的不均匀性；变压器油从小孔6流出后和上浮的热油进行热质交换，增强变压器油之间的传热传质；
(3)变压器油通过安装在小孔6和安装在导油结构2处的定向喷嘴结构7延伸到换流变压器局部过热位置附近，在不影响整体油流速度的前提下，提高局部过热位置附近的油流速度，从而提高变压器油的对流换热效率，降低换流变压器局部过热位置的温度，改善局部过热现象；
(4)通过流量调节装置13，根据局部过热位置的温度，对从喷嘴8流出变压器油的流速进行调节。
Claims (9)
1.一种改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置，其特征在于：包括换流变压器的中空箱体(1)，所述中空箱体(1)的各个油流入口(3)处安装有导油结构(2)，所述中空箱体(1)的内壁面沿平行于地面方向多个位置处开有小孔(6)，部分小孔(6)用于安装延伸到换流变压器局部过热位置附近的定向喷嘴结构(7)；所述导油结构(2)包括轴向出口(4)和径向出口(5)，轴向出口(4)位于中空箱体(1)内的一端连通法兰(10)，法兰(10)上有位于中央的内主通道(11)以及以内主通道为中心呈环形均匀分布的若干个外辅通道(12)，外辅通道(12)上连通设置有多个延伸到换流变压器局部过热位置附近的定向喷嘴结构(7)；进入各个油流入口(3)的变压器油被分为三部分，第一部分通过径向出口(5)流入中空箱体(1)的空腔，第二部分通过中央的内主通道(11)直接流入换流变压器，第三部分通过外辅通道(12)和定向喷嘴结构(7)到达换流变压器局部过热位置附近；
变压器油通过所述中空箱体(1)在不经过换流变压器内部众多结构件和狭小间隙的情况下到达换流变压器的各个方向，减少变压器油的流动阻力损失。
2.根据权利要求1所述的一种改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置，其特征在于：所述定向喷嘴结构(7)包括喷管(9)和连通在喷管(9)端部的喷嘴(8)，喷嘴(8)通过喷管(9)与小孔(6)或外辅通道(12)连通，并通过喷管(9)延伸到换流变压器局部过热位置附近。
3.根据权利要求1所述的一种改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置，其特征在于：通过优化中空箱体(1)的结构尺寸参数，不仅使中空箱体(1)的内壁和外壁满足强度和刚度要求，又能减轻中空箱体(1)的重量，从而节省中空箱体(1)的制造成本，同时还能使变压器油通过中空箱体(1)时的流动阻力损失最小。
4.根据权利要求1所述的一种改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置，其特征在于：变压器油通过所述小孔(6)均匀地从中空箱体(1)各个方向流入换流变压器，使换流变压器内部流场更均匀，在不改变入口流速的前提下增大油流的平均速度，提高变压器油的对流换热效率，降低换流变压器局部过热位置的温度，改善换流变压器局部过热现象。
5.根据权利要求1所述的一种改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置，其特征在于：通过优化小孔(6)的位置、形状、尺寸参数和间距，使小孔(6)既便于安装定向喷嘴结构(7)，减小定向喷嘴结构(7)到达各个局部过热位置的距离，又能控制流出小孔(6)的变压器油流速在预设范围内，避免引起油流带电问题，还能进一步地提高换流变压器内部流场的均匀性。
6.根据权利要求2所述的一种改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置，其特征在于：通过优化喷管(9)的形状和结构尺寸参数，使喷管(9)既能穿过换流变压器内部狭小间隙，又能控制流出喷管(9)的变压器油的流速在预设范围内，避免引起油流带电问题；所述喷管(9)具有一定的稳定性，在变压器油的冲击下不能振动，更不能移动。
7.根据权利要求2所述的一种改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置，其特征在于：优化喷嘴(8)的形状和结构尺寸参数，在喷嘴(8)出口处设置流量调节装置(13)；所述流量调节装置(13)由固定挡板(14)、活动挡板(15)和销钉(16)组成，固定挡板(14)固定在喷嘴(8)出口位置，与出口平齐，通过转动销钉(16)，可转动活动挡板(15)，控制喷嘴(8)出口面积的大小，从而调节变压器油的流速。
8.根据权利要求7所述的一种改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置，其特征在于：所述导油结构(2)、定向喷嘴结构(7)、流量调节装置(13)均采用不与变压器油发生化学反应的耐腐蚀性、耐高温性绝缘材料。
9.权利要求1至8任一项所述的改善换流变压器局部过热现象和温度不均匀性的装置的工作方法，其特征在于：步骤如下：
(1)变压器油从油流入口(3)流入后，一部分流经导油结构(2)从法兰(10)中央的内主通道(11)直接流入换流变压器，另一部分流经导油结构(2)从法兰(10)的外辅通道(12)流入定向喷嘴结构(7)，还有一部分从导油结构的径向出口(5)流入中空箱体(1)中；
(2)流入中空箱体(1)中的变压器油在中空箱体(1)内部循环流动，通过小孔(6)均匀地从中空箱体(1)各个方向流入换流变压器，使换流变压器内部流场分布更均匀，在不改变入口流速的情况下使油流平均速度更大，从而提高变压器油的对流换热效率，改善换流变压器内部温度分布的不均匀性；变压器油从小孔(6)流出后和上浮的热油进行热质交换，增强变压器油之间的传热传质；
(3)变压器油通过安装在小孔(6)和安装在导油结构(2)处的定向喷嘴结构(7)延伸到换流变压器局部过热位置附近，在不影响整体油流速度的前提下，提高局部过热位置附近的油流速度，从而提高变压器油的对流换热效率，降低换流变压器局部过热位置的温度，改善局部过热现象；
(4)通过流量调节装置(13)，根据局部过热位置的温度，对从喷嘴(8)流出变压器油的流速进行调节。
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