CN117711774A - 一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，包括：密封气箱，外部设有自冷散热的冷却器；变压器器身，设置于密封气箱内；出线套管，设置于密封气箱顶部；引线，连接器身和套管；绝缘及冷却介质为二氧化碳气体，填充密封气箱及冷却器内部；气体导流板，将冷却后的二氧化碳气体引流至器身内部散热。本发明从防火阻燃、气体绝缘、散热结构等方面进行创新，使得变压器具有安全阻燃、耐候性强、低噪音、无油化等显著特性，可用于运行安全级别高及噪音有特殊要求的场所，也可以作为消防要求等级比较高如矿用隔爆变压器使用；同时变压器具有体积小、重量轻、投资少、耐候性强和免维护等特点。相对于常规产品，不受户内、外安装环境因素影响。

Description

一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器

技术领域

本发明涉及特种变压器技术领域，具体地，涉及一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器。

背景技术

电力变压器是指配电系统中根据电磁感应定律变换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。变压器结构一般为干式变压器及油浸变压器，还有少数厂家生产SF6气体绝缘变压器。以及其他专用场合，如在矿场使用的矿用隔爆变压器。

电力变压器的防火设施一直是电力变压器安装场所的重点设备，关系到变电室甚至楼宇的消防安全。干式电力变压器、油浸电力变压器在设备发生短路故障时都可能会发生燃烧故障，危机变电站及建筑物的安全。矿用隔爆变压器也只是增加了防爆外壳，不能从根本上解决变压器电气故障发生燃烧的风险。

SF₆气体虽然有一定的灭弧能力，但其只能不助燃，不能阻燃。另外SF6气体属于被禁止排放温室气体之一，其气体密度大，故障泄漏容易造成工作人员缺氧、中毒窒息。SF₆气体在电场中产生电晕放电时会分解出剧毒腐蚀性气体对人员及设备运行带来安全隐患。个别厂家研发的全氟异丁腈气体(C₄F₇N气体)绝缘变压器虽然一定程度上解决了SF₆气体的缺点，但仍然属于低毒不环保气体，在放电或受热分解时，会产生具有毒性分解物，难以保证人员安全。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器。

根据本发明的一个方面，提供一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，包括：

密封气箱，所述密封气箱外部设有自冷散热的冷却器；

变压器器身，所述变压器器身设置于所述密封气箱内；

引出套管，所述引出套管设置于所述密封气箱顶部，并置于气体绝缘终端内；

引线，所述引线连接所述变压器器身和所述引出套管；

绝缘及冷却介质，所述绝缘及冷却介质填充所述密封气箱及所述冷却器内部；所述绝缘及冷却介质为二氧化碳气体；

气体导流板，所述气体导流板引导经过所述冷却器冷却的二氧化碳气体通入所述变压器器身内部使其散热。

优选地，所述密封气箱采用钢制外壳。

优选地，所述冷却器位于所述密封气箱外侧，其进气端与所述密封气箱顶部的出气端连通，其出气端与所述密封气箱底部的进气端连通。

优选地，所述变压器器身，包括：

铁心，所述铁心采用多级硅片叠装成长圆截面柱体，用于线圈磁路；

低压线圈，所述低压线圈包围所述铁心，采用金属箔绕制；

高压线圈，所述高压线圈包围所述低压线圈，采用铜电磁线绕制后环氧浇注；

夹件，所述夹件将所述铁心、所述低压线圈和所述高压线圈集成为一体，置入所述密封气箱内。

优选地，所述引出套管，包括：

高压套管，所述高压套管设置于所述密封气箱顶部，为输送气体的绝缘套管，用于连接气体绝缘终端处的开关接口；

低压套管，所述低压套管设置于所述密封气箱顶部；为输送气体的绝缘套管，用于连接用户低压母排；

所述引线，包括：

高压引线，所述高压引线从所述高压线圈的面板引出，并通过电缆连接所述高压套管；

低压引线，所述低压引线采用铜排端部从所述低压线圈引出，连接所述低压套管。

优选地，所述气体绝缘终端，包括：

高压气体绝缘终端，所述高压套管通过所述高压气体绝缘终端连接用户GIS或气体绝缘开关柜，实现与用户的电气联接；

低压气体绝缘终端，所述低压套管通过所述低压气体绝缘终端与用户低压母排联接。

优选地，所述高压线圈和低压线圈均采用轴向多层散热通道，并根据烟囱效应原理，在所述高压线圈和所述低压线圈的内壁开设沿径向的多层固定规格的气道，形成高度方向的空气温差，产生强对流，提高散热效率。

优选地，所述气体导流板设置于所述高压线圈与所述密封气箱内壁之间并高于冷却器出气口，整体呈环形结构，其内圈靠近所述高压线圈底端，其外圈与所述密封气箱内壁连接，连接位置不低于所述密封气箱底部进气端的高度。

优选地，所述绝缘冷却介质为符合标准GB/T 23938高纯二氧化碳。

优选地，所述密封气箱安装以下一个或者多个：

气体密封压力表，用于监控所述密封气箱内的气体压力；

气体温度计，用于监控所述密封气箱内的气体温度；

温度压力曲线牌，用于对照所述气体压力与气体温度关系；

真空阀门，用于进行充气与泄压操作；

气体安全阀，当所述密封气箱内压超限时，用于开启泄压；

突发压力继电器，用于监控所述密封气箱内的气体压力变化，当变化达到阈值时，发出报警、跳闸信号以确保变压器安全运行。

与现有技术相比，本发明实施例至少具有如下的一项有益效果：

本发明实施例中的安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，从安全阻燃、气体绝缘、散热结构三个方面进行创新，使得变压器具有防火阻燃、低噪音、运行安全、无油化、等特性，可用于对防火、噪音和运行安全要求较高的场所；同时变压器具有无带电体裸露、整体体积小、重量轻、投资少和免维护等特点。相对于常规产品，不受户内、外安装及消防环境因素影响。可以作为现有配电变压器的升级产品，也可以作为特殊防火、防爆要求场合的专用变压器使用。

本发明实施例中的安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，采用干燥洁净二氧化碳气体来作为绝缘和冷却介质，具有安全阻燃、自然无毒的特点。二氧化碳气体属于自然气体，具有阻燃灭弧的安全性能，无毒无害，是目前配电变压器内绝缘气体的完美替代品。

本发明实施例中的安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，采用压缩的干燥洁净二氧化碳气体来作为绝缘和冷却介质，相较于一般干式变压器的无气压的自然空气绝缘，可以降低变压器的绝缘距离、加大导电体的电密；这样产品更加紧凑，减小了铁心、铜导体的尺寸，在同等功能下降低材料投入。同时具有良好的阻燃特性，无需另外投入消防灭火设施，可以用于如矿用、建筑物内等一些防火要求等级高的场合。

本发明实施例中的安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，改造线圈结构提高散热效率，安装气体导流板引导冷却气体进入器身消散热量。双方面相辅相成，解决了绕组热量集中的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中的一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器的结构示意图；

图2为发明一优选实施中的一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器的外形示意图；

图3为本发明一优选实施例中的散热结构示意图；

图4为本发明一优选实施例中的气体导流板结构示意图；

图5为本发明一具体实施例中的一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器结构示意图，其中a为正视图，b为俯视图。

图中：1-铁心，2-高压线圈，3-低压线圈，4-夹件，5-高压套管，6-低压套管，7-高压引线，8-低压引线，9-气体导流板，91-硬板，92-软板，10-高纯二氧化碳气体，11-密封气箱，12-冷却器，13-高压气体绝缘终端，14-低压气体绝缘终端，15-气体密封压力表，16-气体温度计，17-温度压力曲线牌，18-气体真空阀门，19-气体安全阀，20-突发压力继电器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参见图1，本发明提供一个实施例，一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，包括：密封气箱11、器身、套管、引线、绝缘及冷却介质和气体导流板9。密封气箱11外部设有自冷散热的冷却器12；器身设置于密封气箱11内；套管设置于密封气箱11顶部的气体绝缘终端内；引线连接器身和套管；绝缘及冷却介质填充密封气箱11内部；气体导流板9引导经过冷却器12冷却的空气通过器身内部进行散热。

一优选实施例中，器身包括铁心1、低压线圈3、高压线圈2以及夹件4。铁心采用多级硅片叠装成圆柱体，低压线圈3包围铁心1，采用金属箔绕制，引线采用铜排端部引出；高压线圈2包围低压线圈3，采用铜电磁线绕制后环氧浇注，引线从面板引出。线圈是变压器的电路。夹件4铁心1、低压线圈3和高压线圈2集成为一体，置入密封气箱11内。

一优选实施例中，套管分为高压套管5和低压套管6，引线分为高压引线7和低压引线8；高压套管5设置于密封气箱11顶部气体绝缘终端内；低压套管6设置于密封气箱11顶部气体绝缘终端内；高压引线7连接高压线圈2和高压套管5；低压引线7连接低压线圈3和低压套管6。

一优选实施例中，密封气箱11采用金属(优选钢制)焊接式外壳，且采用抗压强度高的长圆形结构。

一优选实施例中，可参见图2，冷却器12位于密封气箱11外侧，其进气端与密封气箱11顶部的出气端连通，其出气端与密封气箱11底部的进气端连通。

一优选实施例中，气体绝缘终端分为高压气体绝缘终端13、低压气体绝缘终端14，高压套管接口可以扩展，高端部分，高压套管5通过高压气体绝缘终端13连接用户GIS或气体绝缘开关柜实现与用户的电气联接；低压部分，用封闭母线或母排进入所述低压气体绝缘终端与所述低压套管连接。

上述实施例，整体结构上进行了创新。首先，将变压器置入密封气箱内，解决了干式变压器需要投入房间、户外箱变壳体，容易受到环境影响发生凝露等绝缘能力降低的问题。其次，整体结构为无油化产品，不同于油浸变压器，需要设计防火、油池等设施，户内户外均可运行，无需投入消防及油池设施，无排放风险。

另外从变压器的绝缘气体进行了创新，采用灭火阻燃性能优异的二氧化碳气体用来进行绝缘、散热；二氧化碳气体作为消防常用灭火材料，应用到气体绝缘变压器内，可以杜绝引变压器电气故障引起的变压器燃烧问题，完全可以应用在防火、防爆要求比较高的场合。其次，二氧化碳气体的绝缘性能与空气的绝缘性能比较接近，也属于自然环保气体，无污染、无毒，使用安全可靠。再次，二氧化碳气体分子密度比空气稍大，在气体变压器散热时可以带走变压器更多的热量，对变压器起到更好的散热作用。

然后，其密封气箱整体采用长圆形密封气箱增加箱体强度，减少对金属材料的投入。最后，其套管安装在箱盖气体绝缘终端内，高低压与可以通过气体绝缘GIS及开关柜体直接连接，产品无带电体裸露，安全可靠、结构紧凑可以应用在狭小的空间内。

随着社会和经济的发展，用户对变压器的环保、无油化、户外免维护、占地面积小等要求也越来越高。在本发明的一个优选实施例中，选用安全阻燃、自然无毒的符合标准GB/T 23938的高纯二氧化碳气体10为绝缘及冷却介质。

二氧化碳是一种无色、无味、无毒的气体，有较高的绝缘性，是一种常用的绝缘气体材料。介电常数低，绝缘性能好；化学惰性高，不易被化学反应破坏；稳定性好，不易被湿气、杂质等影响；无污染、无排放，环保性好；成本低，易于获取。

该高纯二氧化碳气体与户外环境气体中二氧化碳成分完全一致。具有良好的阻燃灭弧功能。具有良好的化学稳定性，无毒安全，不腐蚀设备中其他材料；标准状态下的电气强度为28kV/cm(20℃)。另外，湿度增加，击穿电压明显下降，气体中的尘埃也对击穿电压的下降有明显影响。

本实施例中，二氧化碳可以选标准GB/T 23938高纯二氧化碳，二氧化碳气体含量99.995％，其干燥表示水分含量≦8ppm；其洁净指其他杂质构成中一氧化碳(CO)含量≦2ppm，氧气含量≦5ppm。经试验表明，该类二氧化碳气体的绝缘强度是二氧化碳气体绝缘强度的0.9倍，散热能力是二氧化碳气体的1.1-1.2倍。

当绝缘距离不变时，击穿电压随压力提高而很快增加，但当气体压力增加到一定值后，击穿电压增加的速度逐渐减小，另外气体压力增加时，结构材料成本也显著增加。

另外在高气压下，击穿电压与电极的表面状态及材料有很大关系。电极表面不光洁，击穿电压下降，分散性也大。在高气压下，电场均匀程度对击穿电压的影响比在标准大气压下要显著得多，击穿电压将随电场均匀程度下降而剧烈降低。

因此在本发明的其他实施例中，还提供了变压器的其他较佳绝缘设计：

选取合理的气体压力：气体压力是指充入密封气箱内的二氧化碳的压力；根据绝缘、散热及整体结构的经济性、安全性等综合因素，可以选取绝对压力值为0.2MPa。

避免不均匀电场，避免悬浮电位，在不均匀电场处增加均压屏蔽措施。对带电体电极进行增大曲率半径、消除尖角毛刺，增加光洁等措施。对金属件表面尖角部位进行导圆处理。避免尖角毛刺造成的绝缘强度降低。对带电体表面进行清理打磨，对一些固定绝缘表面采用涂装抛光等措施；增加带电气及固定绝缘的表面光洁，避免尘埃、污渍造成的绝缘能力降低。

在气体变压器领域，目前日本采用SF6气体作为绝缘冷却介质在变压器行业发展多年，形成了自己独有的产业链。国内发展气体变压器受制于气泵关键技术限制，即使气体变压器技术本身有所突破，但如气泵等关键零部件仍然需要从日本进口；造成气体变压器成本居高不下，并且气泵也不能与变压器同寿命，造成后续更换维护成本较高，维护风险也较大。因此，在本发明的一个优选实施例中，提供了独有的自冷式气体变压器散热设计，线圈、冷却器及器身散热通道、散热原理和温度场分布等方面对整体散热进行了创新型设计。具体的，可参见图3：

本实施例，整体散热采用“自冷”式结构，避免了投入气泵、风机等组件带来的运行损耗、维护投入及成本投入，做到免维护运行。

线圈采用轴向多层散热通道，并根据“烟囱式”效应原理，采用固定的矩形尺寸结构的气道(一般宽度为40-50mm，厚度为10-15mm)，形成高度方向的空气温差，空气压力差产生较强的对流，提高散热效率。一般的，考虑到成本核算，仅在低压线圈开设气道。当然，并不限制在高压线圈也开设气道。

器身和密封气箱11之间采用气体导流板结构，气体导流板9设置在靠近线圈下部、散热器下管接头上部位置，这样的设计使得经冷却器冷却的空气直接进入绕组气道内部对绕组形成有效散热，提高散热效率，同时根据绕组上下温差加大“烟囱式”效应，加快气体的流动。

一较佳实施例中，可参见图4，气体导流板9采用硬板和软板的结构，硬板为环形结构，其外圈与密封气箱内壁适配，其内圈环绕高压线圈的外轮廓；软板填充硬板和箱壁之间的间隙，使冷却气体不流失。气体导流板将冷却气体导流至变压器发热的绕组和铁心部位；气体导流板使变压器进行有效散热，降低变压器器身、铁心温升，使变压器安全运行。如不设计气体导流板，冷却气体会从器身与密封气箱之间的间隙流失掉，器身和铁心狭小的间隙中没有散热会导致温度过高，变压器会损坏。且，该气体导流板不同于现有油浸产品的绕组导流板：气体导流板是大面积的结构，阻挡了冷却气体流失，使冷却气体被动的按流经器身进行散热；而油浸产品的导流板是导向结构是小尺寸结构，使器身内局部位置的变压器油按导向方向进行流动。

上述实施例中，创新的两个散热设计相互结合，解决了绕组热量集中的问题。经过验证，散热效果优于传统的干式变压器，并且铁心、低压线圈的温升降低更加明显；可以从设计上进行优化，降低铁心及低压绕组(低压线圈)的投入，提升材料利用率及减小产品占地面积。

在本发明的一个具有应用实施例中，结合图5，对上述实施例作进一步说明，具体的，一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，包括变压器器身、高压套管5、低压套管6、高压引线7、低压引线8、气体导流板9、冷却器12以及高压气体绝缘终端13、低压气体绝缘终端14。

器身包括铁心1、高压线圈2、低压线圈3和夹件底座4。铁心1、高压线圈2、低压线圈3通过夹件底座4安装在密封气箱11内，器身通过低压套管6、高压引线7连接引出至高压套管5、低压套管6，可用于实现高低压线圈与外部设备电气的连接，具体的通过连接口a\b\c以及A\B\C实现连接。并在高压套管5、低压套管6罩上封闭的气体绝缘终端13、低压气体绝缘终端14，使得用户GIS或气体绝缘开关柜与气体绝缘终端13、14法兰对接，导体分别与高压套管5、低压套管6连接，整体带电体不裸露，运行安全。器身高压线圈2之间靠近线圈下端部安装气体导流板9；冷却器12安装在密封气箱11管接头，保证冷却器内空间和密封气箱内空间是连通；密封气箱内部填充压缩的高纯二氧化碳气体10。

该安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器的具体运行过程为：

密封气箱内热二氧化碳气体上升通过管道流入到冷却器内；冷却器内二氧化碳气体通过冷却器与外部空气进行热交换散热后二氧化碳气体温度降低，然后冷二氧化碳气体下降再流入到密封气箱内，并通过气体导流板的作用使冷却气体流入到产品发热集中的部位；冷却气体被加热后再上升进入冷却器进行散热，如此反复形成稳定散热工作模式，流动的气体带走产品工作时的热量，保证产品在一个允许的温度下安全运行。需要说明的是，冷却器中的冷却气体即为高纯二氧化碳气体。

另外，气体密封压力表15、气体温度计16、真空阀门17、安全阀18、突发压力继电器19安装在密封气箱11上；温度压力曲线牌20安装在密封气箱11箱壁上用于压力和温度对照。通过气体密度压力表13监控密封气箱11内的气体压力，通过气体温度计14监控密封气箱11内的气体温度，通过突发压力继电器18监控密封气箱11内的气体压力变化；必要时发出报警、跳闸信号以确保变压器的安全运行。通过安全阀19在密封气箱11内压力超限时能及时开启泄压，确保变压器的安全运行。通过温度压力曲线牌20对照压力与温度关系；通过真空球阀17进行充气、泄压操作。

需要说明的是，本发明上述实施例的技术方案并不仅限于适用变压器，同样也适用于电抗器等其他线圈类产品。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (10)

1.一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，其特征在于，包括：

密封气箱，所述密封气箱外部设有自冷散热的冷却器；

变压器器身，所述变压器器身设置于所述密封气箱内；

引出套管，所述引出套管设置于所述密封气箱顶部，并置于气体绝缘终端内；

引线，所述引线连接所述变压器器身和所述引出套管；

绝缘及冷却介质，所述绝缘及冷却介质填充所述密封气箱及所述冷却器内部；所述绝缘及冷却介质为二氧化碳气体；

气体导流板，所述气体导流板引导经过所述冷却器冷却的二氧化碳气体通入所述变压器器身内部使其散热。

2.根据权利要求1所述的一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，其特征在于，所述密封气箱采用钢制外壳。

3.根据权利要求2所述的一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，其特征在于，所述冷却器位于所述密封气箱外侧，其进气端与所述密封气箱顶部的出气端连通，其出气端与所述密封气箱底部的进气端连通。

4.根据权利要求1所述的一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，其特征在于，所述变压器器身，包括：

铁心，所述铁心采用多级硅片叠装成长圆截面柱体，用于线圈磁路；

低压线圈，所述低压线圈包围所述铁心，采用金属箔绕制；

高压线圈，所述高压线圈包围所述低压线圈，采用铜电磁线绕制后环氧浇注；

夹件，所述夹件将所述铁心、所述低压线圈和所述高压线圈集成为一体，置入所述密封气箱内。

5.根据权利要求4所述的一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，其特征在于，所述引出套管，包括：

高压套管，所述高压套管设置于所述密封气箱顶部，为输送气体的绝缘套管，用于连接气体绝缘终端处的开关接口；

低压套管，所述低压套管设置于所述密封气箱顶部；为输送气体的绝缘套管，用于连接用户低压母排；

所述引线，包括：

高压引线，所述高压引线从所述高压线圈的面板引出，并通过电缆连接所述高压套管；

低压引线，所述低压引线采用铜排端部从所述低压线圈引出，连接所述低压套管。

6.根据权利要求5所述的一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，其特征在于，所述气体绝缘终端，包括：

高压气体绝缘终端，所述高压套管通过所述高压气体绝缘终端的开关接口，连接用户GIS或气体绝缘开关柜，实现与用户的电气联接；

低压气体绝缘终端，所述低压套管通过所述低压气体绝缘终端与用户低压母排联接。

7.根据权利要求4所述的一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，其特征在于，所述高压线圈和低压线圈均采用轴向多层散热通道，并根据烟囱效应原理，在所述高压线圈和所述低压线圈的内壁开设沿径向的多层固定规格的气道，形成高度方向的空气温差，产生强对流。

8.根据权利要求4所述的一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，其特征在于，所述气体导流板设置于所述高压线圈与所述密封气箱内壁之间并高于冷却器出气口，整体呈环形结构，其内圈靠近所述高压线圈底端，其外圈与所述密封气箱内壁连接，连接位置不低于所述密封气箱底部进气端的高度。

9.根据权利要求1所述的一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，其特征在于，所述绝缘冷却介质为符合标准GB/T 23938高纯二氧化碳。

10.根据权利要求1所述的一种安全阻燃型自然气体绝缘电力变压器，其特征在于，所述密封气箱安装以下一个或者多个：

气体密封压力表，用于监控所述密封气箱内的气体压力；

气体温度计，用于监控所述密封气箱内的气体温度；

温度压力曲线牌，用于对照所述气体压力与气体温度关系；

真空阀门，用于进行充气与泄压操作；

气体安全阀，当所述密封气箱内压超限时，用于开启泄压；

突发压力继电器，用于监控所述密封气箱内的气体压力变化，当变化达到阈值时，发出报警、跳闸信号以确保变压器安全运行。