CN114097048A - 非液浸式变压器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种非液浸式变压器。变压器包括磁芯和围绕磁芯形成多个绕组匝的线圈绕组以及冷却系统。冷却系统包括热交换器、主进给管和主返回管以及用于冷却流体的流动的冷却管。冷却管至少部分地沿着线圈绕组在邻接线圈绕组的端部的第一点和邻接线圈绕组的另一端部的第二点之间延长。冷却管还包括多个卷绕件，以在绕组的一个端部与主进给管和主返回管中的一个之间延长冷却流体的路径。
Description
技术领域
本公开涉及变压器，更具体地，涉及包括流体冷却系统的非液浸式变压器。
背景技术
为了使变压器冷却下来，一些系统使用气体(例如空气)来对其绕组或线圈进行制冷。这种空气冷却可以是强制的或自然的。在强制空气冷却的情况下，吹风装备(例如风扇)可以被定位成将空气流吹到绕组。然而，这种空气流的冷却能力可能不足以耗散热量。
还已知使用水冷却器来对非液浸式变压器进行制冷，水冷却器包括使强制空气穿过具有循环的冷流体(例如水)的管以便于对空气流进行制冷，并且然后将这种冷空气流引导至变压器的线圈以提高其冷却能力。这种解决方案呈现出几个缺陷，诸如必须使用外壳，从而增加了变压器的占地面积和成本。
代替性方案包括使用中空导体或金属管(例如由铜或铝制成)作为变压器的绕组的导电匝，并且也用于冷却流体的循环。这些金属管的使用涉及几个缺陷：这种中空导体管需要额外的空间以便于容纳导管，也就是说，以便于允许足够的冷却流体流动，并且因此，不仅线圈绕组而且整个变压器的大小，也就是占地面积显著增加。此外，这种特殊的缠绕管难以制造且昂贵。另外，这些中空导体的相对较大的尺寸由于涡流在导体中导致了附加损耗的显著增加。
另一代替性方案是在变压器线圈绕组周围或内部使用冷却管，这些冷却管具有在其中循环的电介质流体(诸如油、天然酯或合成酯流体)。也可以使用K3流体，即具有高于300℃的闪点的电介质流体，但它们是易燃流体。另外，一些电介质流体在泄漏或火灾爆发的情况下可能对环境有害。
在另一方面中，由于变压器内存在电场以及放电或其他电现象的风险，使用非电介质流体涉及其他缺陷或技术困难。
总之，期望的是为非液浸式变压器提供一种环境友好的具有高冷却能力的冷却解决方案，并且该冷却解决方案在操作中是安全的，降低变压器故障和/或失灵的风险，同时具有成本效益。
发明内容
提供了一种非液浸式变压器。变压器包括磁芯、围绕磁芯形成多个绕组匝的线圈绕组以及冷却系统。冷却系统包括热交换器、主进给管和主返回管以及用于冷却流体的流动的冷却管。冷却管至少部分地沿着线圈绕组在邻接线圈绕组的端部的第一点和邻接线圈绕组的另一端部的第二点之间延长。冷却管还包括多个卷绕件，以在绕组的一个端部与主进给管和主返回管中的一个之间延长冷却流体的路径。
多个卷绕件的使用提供了更长的连接管，该连接管延长了冷却流体的路径，也就是说，在到达绕组的开始部之前和/或离开绕组的终端之后，例如在主进给和/或返回管和绕组开始部和/或结束部之间延长由冷却流体行进的长度。较长的路径增加了冷却流体的电阻，这使得冷却系统能够与带有低电导率的冷却流体(诸如水)一起工作，因为即使使用导电流体，多个卷绕件也增加了这种冷却流体的电阻率，从而减少了其中的电流流量。冷却流体中的电流的流动可能负面地影响变压器的功能。电流的流动可以加热冷却流体，并且因此流体的冷却能力被降低。此外，电流可以产生附加的问题，诸如电解、离子和/或生成气体。
因此，冷却系统可以使用水作为冷却流体。水便宜、环保且不易燃，这导致具有成本效益、环境安全和稳固的变压器。
在示例中，多个卷绕件可以包括螺旋件或蛇形件中的至少一个，从而最小化变压器的占地面积，即总体积或大小。也就是说，通过使用螺旋件或蛇形件形状的卷绕件，避免了大体积变压器的制造。
在示例中，绕组线圈可以包括由绝缘材料制成的覆盖件，该覆盖件可以包括用于冷却管的入口点和出口点，其中壳体的入口点和出口点是冷却管穿过壳体的点。
在示例中，冷却流体可以具有小于5·10-4S/m的电导率，这进一步增加了电阻率以防止冷却流体内的电流流动。
在示例中，冷却流体可以是水(例如蒸馏和/或去离子水)，冷却流体还包括添加剂以减轻腐蚀并增加使用的温度范围但保持低电导率。附加地，在冷却系统中使用水提供了具有成本效益的、环境友好的在操作中安全的变压器。
例如，通过使用水作为冷却流体而不是易燃的冷却流体(诸如K3流体)提供了环境友好的冷却系统，该冷却系统具有成本效益并且包含增加的冷却能力。此外，因为水不易燃，所以避免了火灾爆发的风险。而且，使用添加剂(诸如抗冻剂和/或抗腐蚀性物质)可以进一步增强变压器的维护，因为防止了过早故障。
在示例中，变压器可以包括布置在绕组匝中的一个绕组匝处以将冷却管的内侧与线圈绕组的匝电连接的第一导电连接器。在示例中，变压器可以包括第二导电连接器，使得第一导电连接器可以布置在一个绕组匝处，并且第二导电连接器可以布置在另一绕组匝处。
包括多个卷绕件的冷却管和至少第一导电连接器的组合增强了性能并改善了变压器的效率。在包括第一和第二导电连接器的情况下，多个卷绕件的使用也改善了变压器的功能。在示例中，变压器可以是高压变压器，即生成从0.4kV到高达72kV的电压和从50kVA到100MVA的额定功率。
附图说明
参考附图，下面将通过非限制性示例来描述本设备的特定实施例，在附图中：
图1示意性地示出了根据示例的变压器和冷却系统的简化横截面；以及
图2示意性地示出了根据另一示例的变压器和冷却系统的简化横截面。
具体实施方式
图1描绘了干式变压器1，该干式变压器包括磁芯100和冷却系统200，该磁芯100包括围绕Y轴的至少一个线圈绕组300。
该线圈绕组300可以围绕磁芯100形成多个匝(以条纹线示出)：第一匝301，即绕组的开始；多个中间匝302以及最后匝303，即绕组的终端。因此，线圈绕组300可以包括两个端部，即绕组的分别包含线圈绕组的第一匝和最后匝的部分。
线圈绕组300可以由导电性材料(例如铜或铝)制成，除了其中可能需要接近的绕组的一部分的端部(例如连接线缆以输出所生成的电压的端部)，该导电性材料可以覆盖或涂覆有绝缘电介质材料(诸如聚酯或环氧树脂)。
尽管在图1中描绘了单相磁芯，但是在示例中，变压器1可以是包括三个柱的三相磁芯，每个柱至少包括根据任一公开的示例的线圈绕组。在这种示例中，变压器的绕组可以以三角形、锯齿形或星形连接的形式连接。
线圈绕组300可以具有由绝缘材料(诸如环氧树脂)制成的覆盖件400，以保护变压器的有效部分，即绕组匝。覆盖件400还可以包括多个输入/输出连接，例如用于冷却管、用于电压衬套以输出所生成的电压的等。在示例中(参见图1)，覆盖件400可以包括入口点401和出口点402。
图1还示出了冷却系统200，该冷却系统可以包括热交换器210，用于将冷水输入到变压器的绕组的进给主管230和用于从变压器的绕组输出经加热的水的返回主管240连接到该热交换器。在示例中，进给主管230和返回主管240可以由金属材料制成和/或可以接地。
该冷却系统200还可以包括冷却管220，该冷却管220由电介质材料制成，并且该冷却管220可以在其两个端部处分别在耦接点221、222处耦接到主进给管230和主返回管240。冷却管220可以至少部分地沿着线圈绕组300在第一点和第二点之间延长，并且其中冷却管220可以围绕轴线Y形成环路，从而减少占地面积，即由冷却管占据的体积。“沿线圈绕组延长”意味着冷却管220(或其环路)可以替代性地布置在相邻或后续的绕组匝之间、围绕线圈绕组、在线圈绕组的内侧的中心空缺空间中或其任意组合中，例如部分围绕线圈且部分布置在相邻绕组匝之间。通过使冷却管220沿着线圈绕组延长，冷却系统的冷却能力被改善，因为在绕组处生成的热量由于热传送解决方案的增加的效率而可以更有效地消散。
冷却管可以包括邻接线圈绕组的端部(即邻接第一匝)的第一点250和邻接另一端部(即邻接线圈绕组的最后一匝)的第二点260。“绕组的端部”是指包含线圈绕组的第一匝或最后一匝的绕组的一部分。
因此可以形成用于冷却流体流的冷却回路，也就是说，经冷却的冷却流体可以从热交换器流到主进给管和冷却管(该冷却管沿着线圈绕组延长)并且最后流到主返回管，该主返回管将流体引导回到热交换器。
冷却管220可以由绝缘材料(例如塑料)制成，并且为了适应每种情况的限制(例如必要的连接、特定的距离或长度等)，冷却管220可以包括接合在一起(例如，螺纹连接、粘接或通过任何其他合适的方法)的不同部分或管，以便形成整个冷却管220。
冷却系统200还可以包括泵270，以迫使冷却流体通过整个冷却回路，即，从热交换器的输出流过整个冷却回路并流回热交换器的输入。在示例中，冷却流体的流动可以是顺时针方向(参见图1中的箭头)，即冷却管的第二点260将被视为冷却流体的入口点。在另一示例中，冷却流体流可以是逆时针的，即第一点250将是冷却流体入口点。
冷却管220可以还包括多个卷绕件281、282、283、284，以在绕组的一个端部与主进给管230和主返回管240中的一者之间延长冷却流体的路径。
此外，延长冷却流体路径的多个卷绕件可以布置在覆盖件400内部，即，在绕组的端部与覆盖件的入口/出口点401、402之间；或者布置在覆盖件外部，即在变压器覆盖件400的入口/出口点与主管中的一者之间。也就是说，卷绕件可以布置在覆盖件400内部或外部。
在示例中，多个卷绕件可以布置在主进给管230和入口点401之间；在入口点401和第二点260(即绕组的终端)之间；在第一点250和出口点402之间或者在出口点402和主返回管240之间。
在另一示例中，在冷却流体路径的不同位置中可以有若干多个卷绕件，例如分别在绕组的每个端部与主进给管和主返回管之间延长冷却流体路径的多个卷绕件。
例如，图1示出了冷却管220，该冷却管包括布置在覆盖件400外部的多个卷绕件281、282。第一多个卷绕件281可以布置在主进给管230与入口点401之间；并且附加的多个卷绕件282可以在主返回管240与出口点402之间布置。
图2示出了冷却管220，该冷却管包括布置在覆盖件400内部的多个卷绕件283、284。第一多个卷绕件结构283可以布置在入口点401与第二点260之间，并且附加的多个卷绕件结构824可以布置在第一点250与出口点402之间。
在示例中(未示出)，变压器可以包括在覆盖件内部的至少第一多个卷绕件和在覆盖件外部的至少另外的多个卷绕件，例如，在覆盖件内部的两组多个卷绕件和在覆盖件外部的两组多个卷绕件。
由于冷却流体的路径并且因为冷却管的长度将被延长，需要更大的体积来容纳冷却管的额外长度。在示例中，为了形成多个卷绕件，冷却管220可以围绕轴Y、Y1、Y2盘绕。在示例中，多个卷绕件可以形成螺旋件件。在示例中，多个卷绕件可以形成蛇形件件。
通过使用具有螺旋件或蛇形件形状的多个卷绕件，所需的附加的空间(即由于冷却管的延长)可以因此被最小化。变压器的占地面积(即总体积)因此不会不必要地扩大。
在示例中，为了防止生成例如大于1kV/mm的高电场，多个卷绕件的端部可以不彼此靠近布置。
在示例中，要被引入到冷却管220中的冷却流体可以是水。在示例中，冷却流体可以是可以附加地包括例如凝固剂和/或添加剂以防止冷却管的腐蚀和/或使用的温度范围的增加的蒸馏和/或去离子水。在示例中，冷却流体可以是具有低于5·10-4S/m的电导率的任何流体(例如水)，这基本上减轻了流体中电流流动的生成，因此避免了几个问题，诸如冷却流体的加热、电解、离子和/或气体的生成。
在示例中(未示出)，变压器1可以还包括布置在冷却管处的第一导电连接器，以将冷却管的内侧与线圈绕组的匝电连接。
导电连接器允许平衡在冷却管内部循环的冷却流体的电压和绕组匝的电压。冷却流体将与冷却管的内侧接触，并且因此冷却流体将电连接到线圈绕组。也就是说，冷却流体的电压将与连接到的绕组匝的电压相同，并且与周围匝的电压相似。
这基本上防止了两个(接近的)点(即冷却管和线圈绕组的匝)之间的高电压梯度，从而防止了可能导致在变压器的内部局部放电或直接闪络的大电场的生成。局部放电可以严重影响变压器的功能，并且还可以损坏绝缘部，从而导致绝缘部的过早介电老化，这将导致故障。如果绝缘部不能承受较大电场，可能发生直接闪络。
在示例中，变压器可以包括第二导电连接器，使得第一导电连接器可以布置在绕组匝处，并且第二导电连接器可以布置在另一绕组匝处。根据变压器芯的电连接第二导电连接器的使用可以是特别合适的，例如当变压器没有接地终端时，诸如具有其中中性点接地的星形连接的变压器。
至少第一导电连接器与包括多个卷绕件的冷却管的组合增强了性能并改善了变压器的效率。在包括第一导电连接器和第二导电连接器的情况下，多个卷绕件的使用也改善了变压器的功能。
尽管本文仅公开了多个特定的实施例和示例，但是本领域的技术人员将理解，所公开的创新的其他替代性实施例和/或使用以及其明显的修改和等同物是可能的。另外，本公开覆盖了所描述的特定实施例的所有可能组合。本公开的范围不应受特定实施例的限制，而应仅通过对所附权利要求的公平阅读来确定。
Claims (11)
1.一种非液浸式变压器，包括：
磁芯和线圈绕组，所述线圈绕组围绕所述磁芯形成多个绕组匝；
冷却系统，所述冷却系统包括：
热交换器，
主进给管和主返回管，以及
用于冷却流体流的冷却管，所述冷却管至少部分地沿着所述线圈绕组在邻接所述线圈绕组的端部的第一点与邻接所述线圈绕组的另一端部的第二点之间延长，并且其中
所述冷却管包括多个卷绕件，以在所述绕组的一个端部与所述主进给管和所述主返回管中的一者之间延长所述冷却流体的路径。
2.根据权利要求1所述的变压器，其中所述多个卷绕件包括至少一个螺旋件或蛇形件。
3.根据权利要求1或2所述的变压器，包括分别在所述绕组的每个端部与所述主进给管和所述主返回管之间延长所述冷却流体的路径的至少两组多个卷绕件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的变压器，其中所述线圈绕组包括由绝缘材料制成的覆盖件，所述覆盖件包括用于所述冷却管的入口点和出口点。
5.根据权利要求4所述的变压器，其中所述卷绕件在所述绕组的端部与所述线圈覆盖件的入口点和/或出口点之间延长所述路径。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的变压器，其中所述冷却管由绝缘材料制成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的变压器，其中所述冷却流体具有小于5·10-4S/m的电导率。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的变压器，其中所述冷却流体是水。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的变压器，还包括布置在所述绕组匝中的一个绕组匝处的第一导电连接器，以将所述冷却管的内侧与所述线圈绕组的该匝电连接。
10.根据权利要求8所述的变压器，还包括第二导电连接器，使得所述第一导电连接器布置在一个绕组匝处，并且所述第二导电连接器布置在另一绕组匝处。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的变压器，其中所述变压器是高压变压器。
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