CN115810469B - 一种蒸发冷却变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变压器领域，尤其涉及一种蒸发冷却变压器，包括变压器，所述变压器上侧设有蒸发器，所述蒸发器上侧设有冷凝室，所述冷凝室上侧设有泄压阀，所述蒸发器与冷凝室之间设有蒸发管，所述冷凝室与变压器之间设有回流管，所述变压器包括变压器绕组及变压器外壳，所述变压器外壳内壁开设有冷却流道，所述冷却流道内设有冷却绝缘介质，所述泄压阀上侧设有散热管，所述散热管一端设有循环管及旁通散热器，所述旁通散热器包括限压阀、上共轨及下共轨，所述上共轨与下共轨之间设有分流散热管。本发明将冷凝室设置在变压器上侧，借助冷却绝缘介质汽化上升、液化下降的物理特性，实现冷却绝缘介质自动流动，无需额外的动力源驱动。

Description

一种蒸发冷却变压器

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种蒸发冷却变压器。

背景技术

电力变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压的设备，它是根据电磁感应的原理实现电能传递的。变压器运行时会产生热量，散热问题是制约变压器性能的关键因素。

现有技术采用变压器油冷却系统。变压器油冷系统存在如下问题：首先，变压器油粘度过高，流动性差、换热效率较低；

其次，油冷方式通常需要强迫油循环冷却，利用比热换热原理对变压器内的发热部件进行散热，需要额外的动力源驱动，而变压器油比热低，约为水的40％，带热能力较弱，使得变压器的重量和结构体积大；

最后，变压器油降解难度大，不利于在城市和地下变电站中使用，如果泄露，容易造成污染。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种蒸发冷却变压器。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种蒸发冷却变压器，包括变压器，所述变压器上侧设有蒸发器，所述蒸发器上侧设有冷凝室，所述冷凝室上侧设有泄压阀，所述蒸发器与冷凝室之间设有蒸发管，所述冷凝室与变压器之间设有回流管，所述蒸发管与回流管上均设有单向阀及球阀；

所述变压器包括变压器绕组及变压器外壳，所述变压器外壳内壁开设有冷却流道，所述冷却流道内设有冷却绝缘介质，所述冷却绝缘介质用于吸收变压器绕组的热量，并通过汽化将热量送入冷凝室进行散热；

所述泄压阀上侧设有散热管，所述散热管一端设有循环管及旁通散热器，所述旁通散热器包括限压阀、上共轨及下共轨，所述上共轨与下共轨之间设有分流散热管。

优选的，所述冷却绝缘介质的沸点在49.2～59℃，所述变压器外壳内位于冷却绝缘介质上侧设有汽化腔。

优选的，所述汽化腔与蒸发器相通，所述蒸发器通过蒸发管与冷凝室相通，所述冷凝室通过回流管与变压器外壳相通。

优选的，所述冷凝室包括冷却管及散热风扇，所述冷却管两端分别与蒸发器及回流管相通，所述泄压阀设置于冷却管顶端，所述泄压阀与冷却管相通。

优选的，所述循环管上设有单向阀，所述循环管下端与回流管相通，所述循环管与旁通散热器并联设置。

优选的，所述分流散热管设有多组，且阵列设置于上共轨与下共轨之间，多组所述分流散热管上均设有限压阀。

优选的，所述上共轨与散热管相通，所述下共轨与回流管相通，所述上共轨与下共轨之间通过分流散热管相通。

优选的，所述上共轨与下共轨一端均设有外接接口，所述外接接口上设有直通阀。

优选的，所述蒸发冷却变压器工作步骤：

步骤1：变压器绕组工作，产生热量，冷却绝缘介质与变压器绕组接触，将热量吸收后，液态的冷却绝缘介质汽化，变成气态；

步骤2：气态的冷却绝缘介质上升，通过蒸发管进入冷凝室中进行冷却，冷却后的冷却绝缘介质重新变为液态，通过回流管重新流入变压器外壳内；

步骤3：冷凝室的冷却效率无法满足冷却需求，变压器外壳内的温度升高，导致冷却绝缘介质不断汽化，变压器外壳和冷凝室内的压力上升，直至顶开泄压阀；

步骤4：气态的冷却绝缘介质在散热管中积蓄，缓解冷凝室内部压力，同时增加散热效率，散热管内的冷却绝缘介质冷却液化后，通过循环管流入回流管，最终进入变压器外壳；

步骤5：冷凝室与散热管内部压力继续升高，限压阀打开，冷却绝缘介质通过上共轨流入分流散热管中，缓解上共轨压力；

步骤6：上共轨压力依旧上升，其他限压阀打开，将冷却绝缘介质分入其他分流散热管中，增加散热面积并临时存储冷却绝缘介质，冷却完成后的冷却绝缘介质流入回流管，继续对变压器绕组进行冷却降温。

优选的，

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明采用沸点在49.2～59℃的冷却绝缘介质，通过冷却绝缘介质的汽化吸热，实现对变压器的冷却散热，确保变压器工作稳定；

2、本发明将冷凝室设置在变压器上侧，借助冷却绝缘介质汽化上升、液化下降的物理特性，实现冷却绝缘介质自动流动，高温的气态冷却绝缘介质自动进入冷凝室，冷却后，低温的液态冷却绝缘介质自动流入变压器，无需额外的动力源驱动；

3、本发明在泄压阀上设置散热管及循环管，用于回收冷凝室泄压排出的冷却绝缘介质，减少冷却绝缘介质消耗，避免冷却绝缘介质直接排入环境中，造成污染。

附图说明

图1为本发明提出的一种蒸发冷却变压器的整体总装三维结构示意图；

图2为本发明提出的一种蒸发冷却变压器的主视剖视结构示意图；

图3为本发明提出的一种蒸发冷却变压器的工作原理图。

图中：1、变压器；11、变压器绕组；12、冷却流道；13、变压器外壳；2、蒸发器；21、蒸发管；3、散热管；31、泄压阀；32、循环管；4、冷凝室；41、回流管；5、旁通散热器；51、限压阀；52、上共轨；53、分流散热管；54、下共轨；6、汽化腔；7、冷却绝缘介质。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-3，一种蒸发冷却变压器，包括变压器1，变压器1包括变压器绕组11及变压器外壳13，变压器外壳13内壁开设有冷却流道12，冷却流道12内设有冷却绝缘介质7，冷却绝缘介质7采用电子氟化液，易过滤，绿色环保无污染，不与变压器器身有相溶性的材料，电子氟化液是一种无色、透明、低粘度、不可燃、安全性高的全氟液体，它具有相当稳定的物理和化学性质，并且不会被点燃，主要作为工业的和传导液。由于电子氟化液的化学惰性，所以可以用于单相或者二相的冷却液，用于超级计算机系统和军用的敏感电子元器件。因为其非常高的绝缘性，其可以用于高压变压器和高功率电子元器件的冷却；

冷却绝缘介质7的沸点在49.2～59℃，例如DA系列氟化液中，DA-313氟化液的沸点为49.2℃，DA-309氟化液的沸点为54℃，DA-308氟化液的沸点为56.2℃，DA-320氟化液的沸点为59℃，变压器外壳13内位于冷却绝缘介质7上侧设有汽化腔6，一旦变压器绕组11温度提升至冷却绝缘介质7沸点，冷却绝缘介质7开始沸腾，加剧汽化，气态的冷却绝缘介质7上升并悬浮在汽化腔6内，汽化吸热，对变压器绕组11进行冷却，确保变压器绕组11正常工作；

变压器1上侧设有蒸发器2，蒸发器2上侧设有冷凝室4，冷凝室4上侧设有泄压阀31，蒸发器2与冷凝室4之间设有蒸发管21，冷凝室4与变压器1之间设有回流管41，蒸发管21与回流管41上均设有单向阀及球阀，单向阀用于限定冷却绝缘介质7流动方向，球阀用于控制冷却绝缘介质7流通，在设备维修时，可阻断冷却绝缘介质7流动，便于维修人员对设备进行拆卸维修；

冷凝室4包括冷却管及散热风扇，冷却管两端分别与蒸发器2及回流管41相通，泄压阀31设置于冷却管顶端，泄压阀31与冷却管相通，冷却管内压力升高时，泄压阀31打开，进行泄压，保护管路；

汽化腔6与蒸发器2相通，蒸发器2通过蒸发管21与冷凝室4相通，冷凝室4通过回流管41与变压器外壳13相通，冷却绝缘介质7用于吸收变压器绕组11的热量，通过汽化将热量携带，并送入冷凝室4进行散热，冷凝室4内散热完成的冷却绝缘介质7，再次变成液态，汇聚在冷却管中，通过回流管41流入变压器外壳13内，实现冷却小循环；

泄压阀31上侧固定设有散热管3，散热管3一端设有循环管32及旁通散热器5，循环管32上设有单向阀，循环管32下端与回流管41相通，冷凝室4压力升高后，泄压阀31打开，将冷却绝缘介质7送入散热管3中，增加散热管路，回收冷却绝缘介质7，避免直接排入空气中，同时快速降低冷凝室4压力，避免压力过高，造成管路或设备损坏，散热管3用于辅助冷却；

此外，泄压阀31如果排出冷却绝缘介质7过多，变压器1停止工作，温度降低时，冷却绝缘介质7变回液态，压力降低，冷凝室4内可能会存在负压，将设备及管路压瘪，散热管3和循环管32通过增加管路，提高冷却系统存储上限，可以有效截留冷却绝缘介质7，避免冷却绝缘介质7流失过多，当变压器1温度趋于稳定时，泄压阀31关闭，通过冷凝室4对冷却绝缘介质7进行散热；

循环管32与旁通散热器5并联设置，形成冷却支路，增加系统最大冷却能力和压力承载能力，旁通散热器5包括限压阀51、上共轨52及下共轨54，上共轨52与下共轨54之间设有分流散热管53，分流散热管53设有多组，且阵列设置于上共轨52与下共轨54之间，多组分流散热管53上均设有限压阀51，上共轨52与散热管3相通，下共轨54与回流管41相通，上共轨52与下共轨54之间通过分流散热管53相通，分流散热管53通过限压阀51与上共轨52相通，散热管3压力持续升高时，限压阀51会逐个打开，将多组分流散热管53接入上共轨52，将冷却绝缘介质7进行分流，实现冷却大循环；

上共轨52与下共轨54一端均设有外接接口，外接接口上设有直通阀，根据变压器1工作环境，如果温度较高，而又需要较强的冷却效果，可通过外接接口并联接入多组旁通散热器5，旁通散热器5上配置风冷或水冷设备，确保散热效果，同时增加回流管41直径，提高冷却绝缘介质7流量，通过分流散热管53分流存储冷却绝缘介质7，缓解系统压力，同时提高变压器1冷却效率。

工作原理：

变压器绕组11工作，产生热量，冷却绝缘介质7在冷却流道12内流动，冷却绝缘介质7与变压器绕组11接触，实现热传递，将热量吸收后，受热汽化蒸发，液态的冷却绝缘介质7汽化，变成气态；

气态的冷却绝缘介质7上升，悬浮在液态的冷却绝缘介质7上侧汽化腔6内，蒸发器2与汽化腔6之间通过相通，蒸发器2用于收集气态的冷却绝缘介质7，避免气态的冷却绝缘介质7聚集在汽化腔6内，增大压力，影响冷却绝缘介质7汽化效果，气态的冷却绝缘介质7再通过蒸发管21进入冷凝室4中，冷凝室4一侧散热风扇工作，对冷却管进行冷却，冷却后的冷却绝缘介质7重新变为液态，密度增加，下沉，通过回流管41重新流入变压器外壳13内；

冷凝室4冷却效果有限，存在上限，如果变压器绕组11的升温速度高于冷凝室4的冷却速度，变压器绕组11会持续温度升高，冷凝室4的冷却效率无法满足冷却需求，变压器外壳13内的温度升高，导致冷却绝缘介质7不断汽化，变压器外壳13和冷凝室4内的压力会逐步上升，直至顶开泄压阀31，降低变压器外壳13和冷凝室4内的压力；

如果不进行泄压，变压器外壳13和冷凝室4的压力升高后，会提高冷却绝缘介质7的沸点，阻碍冷却绝缘介质7的蒸发汽化，造成恶性循环，影响变压器绕组11冷却效果，因此需要进行泄压处理，但是现有变压器蒸发冷却技术中，因为冷却绝缘介质7采用电子氟化液，环保无污染，因此会直接排入环境中，造成冷却绝缘介质7损耗，增加使用成本，且影响后续冷却效果，因此需要对泄压排出的冷却绝缘介质7进行回收循环；

泄压阀31打开后，冷却绝缘介质7进入散热管3，气态的冷却绝缘介质7分流在散热管3中，缓解冷凝室4内部压力，同时增加散热效率，散热管3内的冷却绝缘介质7冷却液化后，通过循环管32流入回流管41，最终进入变压器外壳13，再次进行汽化吸热，对变压器绕组11进行冷却降温；

如果散热管3冷却效果依旧无法满足变压器绕组11的散热需求，变压器绕组11还是持续升温，无法稳定冷却绝缘介质7温度，冷凝室4与散热管3内部压力继续升高，直至压力足够将限压阀51打开，冷却绝缘介质7通过上共轨52流入分流散热管53中，缓解上共轨52压力；

限压阀51和分流散热管53设置多组，可依次打开，增加散热支流，如果上共轨52中的压力依旧上升，其他限压阀51会自动打开，将冷却绝缘介质7分入其他分流散热管53中，增加散热面积并临时存储冷却绝缘介质7，缓解系统压力，冷却完成后的冷却绝缘介质7流入回流管41，继续对变压器绕组11进行冷却降温，有效控制住变压器绕组11温度后，如果上共轨52中的压力降低，限压阀51会自动关闭，减少散热支流，稳定系统冷却效率，将变压器绕组11温度维持在正常范围内；

此外，根据需要可以将泄压阀31及限压阀51替换成电磁阀及压力传感器，在变压器外壳13上增加温度传感器，并将散热风扇、温度传感器、电磁阀及压力传感器接入工业计算机，通过工业计算机检测冷凝室4及上共轨52内压力，进而控制电磁阀开闭，主动控制旁通散热器5的冷却效率或散热风扇转速，提高对变压器绕组11的温度控制精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种蒸发冷却变压器，包括变压器（1），其特征在于，所述变压器（1）上侧设有蒸发器（2），所述蒸发器（2）上侧设有冷凝室（4），所述冷凝室（4）上侧设有泄压阀（31），所述蒸发器（2）与冷凝室（4）之间设有蒸发管（21），所述冷凝室（4）与变压器（1）之间设有回流管（41），所述蒸发管（21）与回流管（41）上均设有单向阀及球阀；

所述变压器（1）包括变压器绕组（11）及变压器外壳（13），所述变压器外壳（13）内壁开设有冷却流道（12），所述冷却流道（12）内设有冷却绝缘介质（7），所述冷却绝缘介质（7）用于吸收变压器绕组（11）的热量，并通过汽化将热量送入冷凝室（4）进行散热；

所述泄压阀（31）上侧设有散热管（3），所述散热管（3）一端设有循环管（32）及旁通散热器（5），所述旁通散热器（5）包括限压阀（51）、上共轨（52）及下共轨（54），所述上共轨（52）与下共轨（54）之间设有分流散热管（53）；

所述变压器外壳（13）内位于冷却绝缘介质（7）上侧设有汽化腔（6），所述汽化腔（6）与蒸发器（2）相通，所述蒸发器（2）通过蒸发管（21）与冷凝室（4）相通，所述冷凝室（4）通过回流管（41）与变压器外壳（13）相通，所述冷凝室（4）包括冷却管及散热风扇，所述冷却管两端分别与蒸发器（2）及回流管（41）相通，所述泄压阀（31）设置于冷却管顶端，所述泄压阀（31）与冷却管相通；

所述循环管（32）上设有单向阀，所述循环管（32）下端与回流管（41）相通，所述循环管（32）与旁通散热器（5）并联设置，所述分流散热管（53）设有多组，且阵列设置于上共轨（52）与下共轨（54）之间，多组所述分流散热管（53）上均设有限压阀（51），所述上共轨（52）与散热管（3）相通，所述下共轨（54）与回流管（41）相通，所述上共轨（52）与下共轨（54）之间通过分流散热管（53）相通，所述上共轨（52）与下共轨（54）一端均设有外接接口，所述外接接口上设有直通阀。

2.根据权利要求1所述的一种蒸发冷却变压器，其特征在于，所述冷却绝缘介质（7）的沸点在49.2～59℃。

3.根据权利要求1所述的一种蒸发冷却变压器，其特征在于，所述蒸发冷却变压器工作步骤：

步骤1：变压器绕组（11）工作，产生热量，冷却绝缘介质（7）与变压器绕组（11）接触，将热量吸收后，液态的冷却绝缘介质（7）汽化，变成气态；

步骤2：气态的冷却绝缘介质（7）上升，通过蒸发管（21）进入冷凝室（4）中进行冷却，冷却后的冷却绝缘介质（7）重新变为液态，通过回流管（41）重新流入变压器外壳（13）内；

步骤3：冷凝室（4）的冷却效率无法满足冷却需求，变压器外壳（13）内的温度升高，导致冷却绝缘介质（7）不断汽化，变压器外壳（13）和冷凝室（4）内的压力上升，直至顶开泄压阀（31）；

步骤4：气态的冷却绝缘介质（7）在散热管（3）中积蓄，缓解冷凝室（4）内部压力，同时增加散热效率，散热管（3）内的冷却绝缘介质（7）冷却液化后，通过循环管（32）流入回流管（41），最终进入变压器外壳（13）；

步骤5：冷凝室（4）与散热管（3）内部压力继续升高，限压阀（51）打开，冷却绝缘介质（7）通过上共轨（52）流入分流散热管（53）中，缓解上共轨（52）压力；

步骤6：上共轨（52）压力依旧上升，其他限压阀（51）打开，将冷却绝缘介质（7）分入其他分流散热管（53）中，增加散热面积并临时存储冷却绝缘介质（7），冷却完成后的冷却绝缘介质（7）流入回流管（41），继续对变压器绕组（11）进行冷却降温。

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