CN117831906A - 一种带热棒的封闭式变压器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变压器技术领域，公开了一种带热棒的封闭式变压器及其设计方法，其中，此封闭式变压器包括变压器单元和换热单元，其中，变压器单元，其包括铁芯和设置于所述铁芯侧壁上的线圈；换热单元，其包括设置于所述铁芯和线圈之间的内部热棒、包覆于所述铁芯柱体及线圈外部的导热填充物，以及一端设置于所述导热填充物内的外部热棒；本发明中通过在现有的变压器结构中增加内导热板和内导热棒，用于将变压器内部产生的热量集中于导热填充物内，再由热棒连通导热填充物与外界，使得热棒能够持续稳定换热，从而最大程度降低变压器运行时的温升，减少电能损耗。

Description

一种带热棒的封闭式变压器及其设计方法

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种带热棒的封闭式变压器及其设计方法。

背景技术

大量的研究数据表明，变压器的运行温度在很大程度上影响着负载损耗，降低变压器的运行温度可以有效地减少负载损耗。当变压器的运行温度下降30K时，负载损耗将降低10%左右。除此以外，降低变压器运行温度不仅可以延长其使用寿命，还可以使得变压器的过载能力得到提高。研究表明，在较高的绕组温度下，变压器的使用寿命会缩短。若负载系数增大2%,变压器的热点温度上升2K,相对老化值将增加25%左右。由此可见，冷却系统的研究对提高变压器的经济性和安全性具有重要意义。

根据国家标准《GB/T27880热棒》，热棒作为一种无源高效传热装置，当其蒸发段温度低于冷凝段温度时，开启工作。其基本工作原理为：（1）在热棒的冷凝段，管内工作液从外界热源获得热量而汽化；（2）由于管内冷凝段与蒸发段之间的密度差，蒸汽向蒸发段移动；（3）在蒸发段，管内蒸汽放出的冷凝潜热由外界的冷介质带走，蒸汽凝结为液体；（4）冷凝液在重力作用下重新返回冷凝段。以上4个环节连续不断地进行，而热量则由热端不断传向冷端。变压器二次侧线圈处的温度远高于上部的空气温度，为热棒工作散热提供了条件，一年四季均能用于变压器的降温。

本发明基于热棒的工作原理，针对现有变压器的结构特点，研究出一种新型的带热棒的封闭式变压器。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有变压器散热存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种带热棒的封闭式变压器，其目的在于将热棒技术应用到变压器中，降低变压器运行时的温升，从而减少电能损耗。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种带热棒的封闭式变压器，此封闭式变压器包括变压器单元和换热单元，其中，变压器单元，其包括铁芯和设置于所述铁芯侧壁上的线圈；所述铁芯包括有不多于3组芯柱，各所述芯柱的首端和尾端分别相连；所述线圈包括二次侧线圈层和一次侧线圈，所述二次侧线圈层和一次侧线圈分别绕制于各所述芯柱的外侧壁上，且所述一次侧线圈位于二次侧线圈层的外侧；所述二次侧线圈层包括内圈的二次侧第一线圈和外圈的二次侧第二线圈；换热单元，其包括设置于所述铁芯和线圈之间的内部热棒、包覆于所述铁芯柱体及线圈外部的导热填充物，以及一端设置于所述导热填充物内的外部热棒；所述内部热棒包括内导热板和内导热棒，所述内导热板设置于所述芯柱与二次侧第一线圈之间，所述内导热棒具有若干组，均匀分布于所述二次侧第一线圈和二次侧第二线圈之间，相邻所述内导热棒之间具有气道。

作为本发明所述带热棒的封闭式变压器的一种优选方案，其中：所述内导热板的宽度不大于所述芯柱的宽度，其高度小于所述芯柱的高度，且朝向所述芯柱的一侧具有绝缘层，且所述绝缘层的厚度在0.5-5mm范围内；所述内导热棒的底部与二次侧线圈层的底部平齐，其顶部高出所述二次侧线圈层不少于50mm。

作为本发明所述带热棒的封闭式变压器的一种优选方案，其中：所述导热填充物采用为绝缘导热材料，其导热系数大于1.2W/（m·K），且其填充高度不低于所述线圈的高度。

作为本发明所述带热棒的封闭式变压器的一种优选方案，其中：所述外部热棒区分为冷凝段和蒸发段，其所述蒸发段的外侧壁上均匀设置有翼缘板，其所述冷凝段的外侧壁上均匀设置有翅片；所述蒸发段插接于所述导热填充物内，并与所述一次侧线圈的端部距离不小于5mm。

作为本发明所述带热棒的封闭式变压器的一种优选方案，其中：所述变压器单元还包括外壳，所述铁芯、线圈、内部热棒和导热填充物均位于所述外壳的内部；所述外部热棒的冷凝段贯穿所述外壳的外侧壁延伸于其外部，并与外界空气接触。

本发明的另一个目的是提供一种带热棒的封闭式变压器的设计方法，其目的在于根据变压器的应用环境及发热情况，设计可匹配相应变压器的热棒，从而最大程度降低变压器运行时的温升，减少电能损耗。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种如上述带热棒的封闭式变压器的设计方法，此设计方法包括如下步骤：

S1：根据变压器要求及安装环境，设计出变压器的结构尺寸和空间尺寸；

S2：计算出换热单元需换热的总功率；

S3：计算出单根的外部热棒所具备的吸热功率，最少所需的外部热棒的数量及相邻间距。

作为本发明所述带热棒的封闭式变压器的设计方法的一种优选方案，其中：所述计算出换热单元需换热的总功率，包括：

根据变压器的温升条件，计算其散热功率大小：

；

其中，p_g为变压器发热功率，p_r为外部热棒203的吸热总功率，s为变压器壳体表面积，q为单位面积功率，ΔT为变压器的温升时间，a和b为经验系数；

当满足变压器的温升条件时，外部热棒203的吸热总功率p_r可由单位面积功率和温升时间的计算公式推导得出：

。

作为本发明所述带热棒的封闭式变压器的设计方法的一种优选方案，其中：所述单根外部热棒所具备的吸热功率，最少所需的外部热棒的数量及相邻间距，包括如下步骤：

对单根外部热棒的吸热功率：

；

其中：p_d为单根外部热棒的吸热功率，t_g为变压器箱体温度，t_s为环境温度，k为导热填充物的传热系数，l为外部热棒蒸发段的长度，D为外部热棒蒸发段的等效直径，d为外部热棒基管的直径，h为翼缘板的长度，且所述蒸发段的翼缘板的数量为4；

对所需外部热棒的数量：

当单根外部热棒的吸热功率确定后，其数量n表示为：

；

外部热棒的相邻间距表示为：

；

其中，n为外部热棒的数量，δ为外部热棒的相邻间距，lw为变压器箱体的外壳宽度，le为变压器箱体的外壳长度。

本发明的有益效果：

本发明中通过在现有的变压器结构中增加内导热板和内导热棒，用于将变压器内部产生的热量集中于导热填充物内，再由热棒连通导热填充物与外界，使得热棒能够持续稳定换热，从而最大程度降低变压器运行时的温升，减少电能损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明带热棒的封闭式变压器的热棒从顶部伸出的整体外部结构示意图。

图2为本发明带热棒的封闭式变压器的热棒从四周伸出的整体外部结构示意图。

图3为本发明带热棒的封闭式变压器的内部结构示意图。

图4为本发明带热棒的封闭式变压器的内部剖视立体结构示意图。

图5为本发明带热棒的封闭式变压器的变压器单元与内部热棒连接结构示意图。

图6为图5中局部F放大结构示意图。

图7为本发明带热棒的封闭式变压器的单个芯柱剖视平面结构示意图。

图8为本发明带热棒的封闭式变压器的外部热棒结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1~图8，为本发明第一个实施例，提供了一种带热棒的封闭式变压器，此封闭式变压器包括变压器单元100和换热单元200，其中，变压器单元100可为现有的变压器结构；而换热单元200为带有热棒的换热结构，其增设在变压器结构中，用于变压器运行时的换热降温，从而降低变压器的电能损耗。

具体的，变压器单元100，其包括铁芯101和设置于铁芯101侧壁上的线圈102；进一步的，此铁芯101为变压器的必备结构，由多个铁芯片叠加组成，其包括有不多于3组的芯柱101a，各芯柱101a的首端和尾端分别相连，形成“日”字型结构；需要说明的是，3组芯柱101a的铁芯101用于三相电的变压操作，当用于两相电的变压操作时，铁芯101则具有2组芯柱101a。线圈102具有2组，包括有二次侧线圈层102a和一次侧线圈102b，此二次侧线圈层102a和一次侧线圈102b分别绕制于各芯柱101a的外侧壁上，且一次侧线圈102b位于二次侧线圈层102a的外侧；由于变压器的铁芯101及绕组处产生的热量最多，因而一次侧线圈102b与二次侧线圈层102a之间具有间隙，且二次侧线圈层102a采用为双层式结构，即包括内圈的二次侧第一线圈102a-1和外圈的二次侧第二线圈102a-2。

进一步的，此变压器单元100还包括外壳103，此外壳103为金属制封闭式壳体结构，防护等级优选为IP65及以上，且壳体厚度大于0.2mm；其中，铁芯101、线圈102、内部热棒201和导热填充物202均装设于外壳103的内部。

而在换热单元200中，其包括设置于铁芯101和线圈102之间的内部热棒201、包覆于铁芯101柱体及线圈102外部的导热填充物202，以及一端设置于导热填充物202内的外部热棒203；其中，内部热棒201用于铁芯101及线圈102的热量传导与汇集，并集中于导热填充物202中；外部热棒203则连通导热填充物202及外部空气进行换热，通过换走导热填充物202中的热量进行冷却铁芯101及线圈102。

详细的，内部热棒201包括内导热板201a和内导热棒201b，其中，内导热板201a设置于芯柱101a与二次侧第一线圈102a-1之间，具体为内导热板201a贴附于芯柱101a的侧壁上，二次侧第一线圈102a-1绕制在内导热板201a的外侧；需要说明的是，内导热板201a的宽度不大于芯柱101a的宽度，其高度小于芯柱101a的高度，且朝向芯柱101a的一侧具有绝缘层，且绝缘层的厚度在0.5-5mm范围内。

而内导热棒201b具有若干组，均匀间隔分布于二次侧第一线圈102a-1和二次侧第二线圈102a-2之间，相邻内导热棒201b之间则形成有气道Q，用于二次侧线圈层102a之间热量的散发；更进一步的，内导热棒201b的底部与二次侧线圈层102a的底部平齐，其顶部高出二次侧线圈层102a不少于50mm，且内导热棒201b与芯柱101a侧壁之间的间隙不少于5mm。

导热填充物202采用为绝缘导热材料，如氧化镁、氧气铝、氧化硅颗粒等，且要求其导热系数大于1.2W/（m·K）；导热填充物202自外壳103的内腔底部填充，其最终的填充高度不低于线圈102的高度。

更进一步的，外部热棒203的柱体区分为冷凝段N和蒸发段Z，其蒸发段Z的外侧壁上均匀设置有翼缘板203a，其冷凝段N的外侧壁上均匀设置有翅片203b；其中，蒸发段Z插接于导热填充物202内，并与一次侧线圈102b的侧壁距离不小于5mm，用于从导热填充物202中进行吸热，而外部热棒203的冷凝段N贯穿外壳103的外侧壁并延伸于其外部，与壳体外部的空气接触进行换热。需要说明的是，外部热棒203的冷凝段N可从外壳103的顶部穿出，如附图1，或从外壳103的四周侧壁穿出，如附图2。

实施例2

参照图1~图8，为本发明第二个实施例，提供了一种设计如上述实施例1中带有热棒的封闭式变压器的方法，此设计方法包括如下步骤：

S1：根据变压器安装环境的温度，设计出变压器的结构尺寸和空间尺寸；即收集变压器使用所在地的夏季高温气象资料，确定出外部热棒203蒸发段Z所处外界环境的温度及风速大小的范围；设计出能与环境温度及风速匹配的变压器结构尺寸及变压器内部的空间尺寸。

S2：计算出换热单元200需换热的总功率；根据变压器稳定运行所需的热量条件，推导出换热单元200需换热的总功率，计算过程包括：

根据变压器的温升条件，计算其理论的散热功率大小：

（1）；

（2）；

其中，p_g为变压器发热功率，p_r为外部热棒203的吸热总功率，s为变压器壳体表面积，q为单位面积功率，ΔT为变压器的温升时间，a和b为经验系数；其中，公式（1）用于计算变压器单位面积上的散热功率，采用变压器发热功率减去热棒组的吸热功率，再除以外壳的总表面积；公式（2）为变压器行业的半经验公式，可参考《特种变压器理论与设计（崔立君）》中的矿用变压器温升计算章节，公式中的系数通过试验获得。

当满足变压器的温升条件时，外部热棒203的吸热总功率p_r可由上述公式（1）和（2）推导得出：

（3）。

S3：计算出单根外部热棒203所具备的吸热功率，最少所需的外部热棒203的数量及相邻间距。具体的，针对所用外部热棒203的自身参数，计算单根外部热棒203所具有的吸热功率，采用小直径的外部热棒203，其冷凝段N侧壁上具有4片高为h的翅片203b。则单根热棒吸热功率的计算公式为：

（4）；

（5）；

其中：p_d为单根外部热棒203的吸热功率，t_g为变压器箱体温度，t_s为环境温度，k为导热填充物202的传热系数，l为外部热棒203蒸发段Z的长度，D为外部热棒203蒸发段Z的等效直径，d为外部热棒203基管的直径，h为翼缘板203a的长度，且蒸发段Z上翼缘板203a的数量为4。

其中，公式（4）是计算单根热棒蒸发段Z的吸热功率，计算公式来源于2016年出版的《热棒工程》书籍中。公式（5）用于求取外部热棒203蒸发段Z的等效直径，通过等效法来计算；即：蒸发段Z的翼缘板203a行业优选为4个，由于厚度较薄，忽略其长度与厚度面的面积，4个翼缘板203a的表面积即为“8hl”，热棒的基管的表面积为“πdl”。

而对于所需外部热棒203的数量：

当单根外部热棒203的吸热功率确定后，其数量n表示为：

（6）；

其中，p_r为外部热棒203的吸热总功率，p_d为单根的外部热棒203的吸热功率。

外部热棒203的相邻间距表示为：

（7）；

其中，n为外部热棒203的数量，δ为外部热棒203的相邻间距，lw为变压器箱体的外壳103宽度，le为变压器箱体的外壳103长度。该公式是通过外壳的周长来计算间距，保证热棒的散热效果，尽量将热棒的间距最大化。

实施实例

基于实施例2中的设计方法，对10kVA三相干式变压器进行外部热棒的设计，其计算步骤如下：

S1：获取变压器使用所在地的夏季高温气象资料数据，得知该干式变压器夏季所处环境平均温度为30℃，确定出此干式变压器尺寸长为1185mm，宽为870mm，高度为1156mm。

S2：计算出换热单元200需换热的总功率；

此干式变压器温升控制值为40℃；该变压器壳体表面积s约为5.8m²；其发热功率p_g取值为2400W；经验系数a取值为0.42；经验系数b取值为0.8；根据计算公式（3），可计算出其设置的外部热棒203的吸热总功率p_r：

p_r=675W。

S3：计算出单根的外部热棒203所具备的吸热功率，最少所需的外部热棒203的数量及相邻间距；

变压器箱体温度t_g取值为80℃；环境温度t_s取值30℃；箱体内填充氧化镁颗粒，导热系数取值为1.2W/（m·K），翅片203b高度h取值为5mm，外部热棒203管径取值为20mm，冷凝段N长度为500mm，等效直径约为32.7mm，根据计算公式（4），可得出单根外部热棒203的吸热功率p_d：

p_d=45.8W

所需外部热棒203的数量及其相邻间距：

根据计算公式（6）和（7），得出外部热棒203的数量n为15根，相邻间距δ为514mm。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种带热棒的封闭式变压器，其特征在于：包括，

变压器单元（100），其包括铁芯（101）和设置于所述铁芯（101）侧壁上的线圈（102）；

所述铁芯（101）包括有不多于3组的芯柱（101a），各所述芯柱（101a）的首端和尾端分别相连；

所述线圈（102）包括二次侧线圈层（102a）和一次侧线圈（102b），所述二次侧线圈层（102a）和一次侧线圈（102b）分别绕制于各所述芯柱（101a）的外侧壁上，且所述一次侧线圈（102b）位于二次侧线圈层（102a）的外侧；

所述二次侧线圈层（102a）包括内圈的二次侧第一线圈（102a-1）和外圈的二次侧第二线圈（102a-2）；

换热单元（200），其包括设置于所述铁芯（101）和线圈（102）之间的内部热棒（201）、包覆于所述铁芯（101）柱体及线圈（102）外部的导热填充物（202），以及一端设置于所述导热填充物（202）内的外部热棒（203）；

所述内部热棒（201）包括内导热板（201a）和内导热棒（201b），所述内导热板（201a）设置于所述芯柱（101a）与二次侧第一线圈（102a-1）之间，所述内导热棒（201b）具有若干组，均匀分布于所述二次侧第一线圈（102a-1）和二次侧第二线圈（102a-2）之间，相邻所述内导热棒（201b）之间具有气道（Q）。

2.根据权利要求1所述的带热棒的封闭式变压器，其特征在于：所述内导热板（201a）的宽度不大于所述芯柱（101a）的宽度，其高度小于所述芯柱（101a）的高度，且朝向所述芯柱（101a）的一侧具有绝缘层，且所述绝缘层的厚度在0.5-5mm范围内；

所述内导热棒（201b）的底部与二次侧线圈层（102a）的底部平齐，其顶部高出所述二次侧线圈层（102a）不少于50mm。

3.根据权利要求1或2所述的带热棒的封闭式变压器，其特征在于：所述导热填充物（202）采用绝缘导热材料，其导热系数大于1.2W/（m·K），且其填充高度不低于所述线圈（102）的高度。

4.根据权利要求3所述的带热棒的封闭式变压器，其特征在于：所述外部热棒（203）区分为冷凝段（N）和蒸发段（Z），其所述蒸发段（Z）的外侧壁上均匀设置有翼缘板（203a），其所述冷凝段（N）的外侧壁上均匀设置有翅片（203b）；所述蒸发段（Z）插接于所述导热填充物（202）内，并与所述一次侧线圈（102b）的端部距离不小于5mm。

5.根据权利要求4所述的带热棒的封闭式变压器，其特征在于：所述变压器单元（100）还包括外壳（103），所述铁芯（101）、线圈（102）、内部热棒（201）和导热填充物（202）均位于所述外壳（103）的内部；

所述外部热棒（203）的冷凝段（N）贯穿所述外壳（103）的外侧壁延伸于其外部，并与外界空气接触。

6.一种如权利要求1~5任一所述的带热棒的封闭式变压器的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

根据变压器要求及安装环境，设计出变压器的结构尺寸和空间尺寸；

计算出换热单元（200）需换热的总功率；

计算出单根的外部热棒（203）所具备的吸热功率，最少所需的外部热棒（203）的数量及相邻间距。

7.根据权利要求6所述的带热棒的封闭式变压器的设计方法，其特征在于：所述计算出换热单元（200）需换热的总功率，包括：

根据变压器的温升条件，计算其散热功率的大小：

；

其中，p_g为变压器发热功率，p_r为外部热棒（203）的吸热总功率，s为变压器壳体表面积，q为单位面积功率，ΔT为变压器的温升时间，a和b为经验系数；

当满足变压器的温升条件时，外部热棒（203）的吸热总功率p_r由单位面积功率和温升时间的计算公式推导得出：

。

8.根据权利要求7所述的带热棒的封闭式变压器的设计方法，其特征在于：所述单根外部热棒（203）所具备的吸热功率，最少所需的外部热棒（203）的数量及相邻间距，包括如下步骤：

对单根外部热棒（203）的吸热功率：

；

其中：p_d为单根外部热棒（203）的吸热功率，t_g为变压器箱体温度，t_s为环境温度，k为导热填充物（202）的传热系数，l为外部热棒（203）蒸发段（Z）的长度，D为外部热棒（203）蒸发段（Z）的等效直径，d为外部热棒（203）基管的直径，h为翼缘板（203a）的长度，且所述蒸发段（Z）的翼缘板（203a）的数量为4；

对所需外部热棒（203）的数量：

当单根外部热棒（203）的吸热功率确定后，其数量n表示为：

；

外部热棒（203）的相邻间距表示为：

；

其中，n为外部热棒（203）的数量，δ为外部热棒（203）的相邻间距，lw为变压器的外壳（103）宽度，le为变压器的外壳（103）长度。