CN1794381A - 一种蒸发冷却变压器 - Google Patents

Abstract

一种蒸发冷却变压器，其线圈有两种结构形式：一是第一层高压线圈导线30外侧是第一层绝缘材料40，第一层绝缘材料外侧是第二层高压线圈导线30，第二层高压线圈导线30外侧是第二层绝缘材料40，以此类推。二是具有两个并联支路的层式线圈，上层式线圈第一层高压线圈导线30外侧是第一层绝缘材料40，第一层绝缘材料外侧是第二层高压线圈导线30，第二层高压线圈导线30外侧是第二层绝缘材料40，以此类推，上下层式线圈结构相同。层式线圈的每一层高压线圈的匝数均比前一层高压线圈的匝数少，高度也均比前一层高压线圈的小。当变压器额定电压较高时，可在蒸发冷却系统内部预先充入一定量的非冷凝性气体，使变压器在启动前蒸发冷却系统处于零压或正压。

Description

一种蒸发冷却变压器

技术领域

本发明涉及一种变压器，特别涉及一种蒸发冷却变压器。

背景技术

目前，绝大部分变压器所采用的冷却方式是空冷、油冷等。随着容量的不断增大，上述冷却方式的弊病越来越明显，蒸发冷却技术(也可称为相变降温技术、沸腾换热技术等)是对上述冷却方式的重大改进，能使变压器的运行温度大大降低，经济性和安全性得到显著提高。

申请号为99237863.x的实用新型专利提出的蒸发冷却电力变压器，以及申请号为98200236.x的实用新型专利提出的新型蒸发冷却变压器，均采用氟的化合物为冷却介质以代替变压器油放置在油箱中，变压器的铁心和线圈均置于蒸发冷却介质内，由冷却介质吸收变压器的热量发生汽化，产生相变吸热，经冷凝器冷却再液化，如此反复循环。且该冷却介质具有消防性，克服了油浸式变压器、干式变压器和气体绝缘变压器的不足，冷却效果好，可靠性高。但是，由于目前氟氯烃化合物的使用受到了环保的限制，这类变压器只能改用符合环保要求的新型蒸发冷却介质，同时，由于符合环保要求的新型蒸发冷却介质价格昂贵，使得蒸发冷却变压器的价格也变得非常昂贵。因此，虽然蒸发冷却变压器能够有效克服油浸式变压器、干式变压器和气体绝缘变压器的缺点，但因蒸发冷却介质必须更换为满足环保要求的、昂贵的新型介质，其经济性不再乐观。

日本东芝公司、日立公司、三菱电机和富士电机曾于1988年至1995年在国际刊物(IEEE Transactions on Power Delivery)上发表文章，提出了几种SF6气体绝缘、氟碳化合物冷却的变压器(EGIT)，即用氟碳化合物代替变压器油充当冷却介质，SF6气体为绝缘介质。其优点是不可燃、并且由于在线圈内或线圈周围设置了专用的冷却通道，冷却介质仅在通道内循环，较浸润式蒸发冷却变压器而言，可大大地节省昂贵的蒸发冷却介质。但其缺点在于采用了高气体压力的SF6，冷却介质的循环必须采用泵驱动，此外，还有的结构需要设置压力均衡器，导致油箱结构、器身结构等很多部位过于复杂。上述几种EGIT已经分别进行了样机的试验和挂网运行。

美国通用电气公司曾于1982年在国际刊物(IEEE Transactions on Power Apparatusand Systems)上发表文章，提出了一种SF₆气体绝缘变压器，高低压线圈均为采用铝箔绕制的箔式线圈，且箔式线圈各匝高度、厚度均一致，各线圈截面积均为矩形，每匝之间有聚合物类绝缘材料(例如聚脂薄膜)。线圈内设有多个冷却通道，冷却通道内流通F113介质，采用泵驱动冷却介质在通道内循环。整个变压器设有油箱，油箱内充入高气压SF₆气体，油箱外为空气绝缘。一方面由于该结构采用的冷却介质目前已经限制使用，且需要外加泵驱动冷却介质循环，结构比较复杂，另一方面该结构的箔式线圈的横截面为矩形，这使得变压器的电场分布不够理想，在额定电压较高的情况下上难以直接使用，不得不采取一系列的措施改善电场分布，结构十分复杂。

申请号为200510086703.1的发明专利、申请号为200510086888.6的发明专利以及申请号为200510086889.0的发明专利所提出的套筒式蒸发冷却变压器、导流管式蒸发冷却变压器和导流筒式蒸发冷却变压器是将蒸发冷却介质分别放置在体积较小的套筒、导流管、导流筒或散热屏内，不但大大节省了昂贵的蒸发冷却介质的用量，而且由于套筒、导流管、导流筒或散热屏的蒸发冷却流道均为纵向，可在拥有良好的冷却效果的前提下，采用无泵自循环(或小动力泵的强迫循环)技术。但是，这三类蒸发冷却变压器的绝缘介质是空气，或者是SF₆气体、SF₆替代品气体、SF₆和其他气体的混合、氟碳化合物、环氧树脂浇注以及带壳体的真空或半真空等，采用上述这些绝缘介质和绝缘结构，在变压器的电压等级提高到一定程度后，为保证足够的绝缘强度，蒸发冷却变压器的体积和重量会急剧增加，影响其经济性。

发明内容

为克服现有蒸发冷却变压器在上述方面的不足，在保证良好的冷却效果和不过于增加蒸发冷却变压器成本和体积的前提上，进一步提高蒸发冷却变压器的电压等级、经济性和可靠性，本发明提出了一种采用新结构的蒸发冷却变压器，采用这种结构可以将变压器额定电压等级提高到550kV。

对于高压线圈为层式线圈，低压线圈为其他任意结构形式的蒸发冷却变压器，本发明在层式线圈的绕制过程中，使其由内层至外层匝数越来越少，高度越来越小以增加高压首端到中性点(或其它地电位)之间的绝缘距离，达到改善电场分布的效果。层间绝缘(和匝绝缘)可以是纸类、芳香族聚胺脂类薄膜(或聚脂薄膜)、环氧、酚醛、尼龙、塑料、橡胶类等。

此外，对于低压线圈电压等级也较高的情况，也可将低压线圈也采用这种层式结构。

以上层式线圈增加了高压首端到中性点(或其它地电位)之间的绝缘距离，采用改进型的层式线圈结构可以将变压器的额定电压等级提高到550kV。

本发明对于导流管式蒸发冷却变压器和导流筒式蒸发冷却变压器而言，如果变压器的电场分析结果是冷却通道内冷却介质承受的电场强度大于冷却介质能承受的最大场强，则可以在冷却通道周围使用电屏蔽。由于电屏蔽材料具有导电性或半导电性，在电屏蔽材料围绕的空间即冷却通道的内部，电位被强制成近似相同的电位，这就使得冷却介质承受的电场强度很小(接近于零)，因此可以提高绝缘性能，不容易发生冷却介质的局部放电和击穿现象，同时也不会影响冷却效果。电屏蔽材料可以是金属、非金属、半导电材料等。

对于较高电压等级的蒸发冷却变压器，例如：套筒式蒸发冷却变压器、导流管式蒸发冷却变压器和导流筒式蒸发冷却变压器等，由于冷却通道内的冷却介质的绝缘性能会随着蒸发冷却系统的内部压力的降低而降低，例如，在蒸发冷却系统内部的压力为负压时，其绝缘性能指标要低于零压和正压时的数据。为了避免蒸发冷却变压器在冷却系统负气压启动时绝缘能力的不足，本发明在蒸发冷却系统内部预先充入一定量的非冷凝性气体，即在蒸发冷却变压器的工作压力和工作温度附近该气体不会冷凝为液体，使变压器在启动前蒸发冷却系统处于零压或正压，在变压器启动过程中，蒸发冷却介质吸热相变造成冷却系统内部压力越来越高，该部分非冷凝性气体被压缩，不断上升至冷凝器顶部为其预留的空间内(由于该空间在冷凝管的上部，不会对冷却效果造成很大影响)，当变压器停止运行后，气态的蒸发冷却介质逐渐被冷凝成液态流回到冷却通道内，非冷凝气体重新下降，保证下次启动前蒸发冷却系统内部依然维持在零压或正压，这类非冷凝性气体可以是氮气、SF6气体、SF6替代气体、SF6和其他气体的混合气体以及氟碳化合物气体等。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

图1为本发明采用的一种层式线圈示意图；

图2为本发明所采用的另一种层式线圈示意图；

图3为传统层式线圈示意图；

图4为套筒式蒸发冷却变压器的示意图；

图5为导流管式蒸发冷却变压器的示意图；

图6为导流筒式蒸发冷却变压器的示意图；

图中：10低压线圈、20高压线圈、30高压线圈导线、40绝缘材料、50铁心、60高压线圈首端、70中性点位置、80绝缘垫圈、90上部层式线圈、100下部层式线圈、110非冷凝气体、120冷却介质、130冷凝管、140预留空间、150冷凝器、160气液分界面。

具体实施方式

本发明蒸发冷却变压器所采用的一种层式线圈如图1所示。

图1中，左侧点划线为铁心50中心轴线，低压线圈10为传统线圈(饼式、层式或箔式)，低压线圈10外侧是高压线圈20，高压线圈20为层式线圈，高压线圈20的第一层高压线圈导线30外侧是第一层绝缘材料40，第一层绝缘材料40外侧是第二层高压线圈导线30，第二层高压线圈导线30外侧是第二层绝缘材料40，以此类推。并且每一层高压线圈的匝数均比前一层高压线圈少，高度也比前一层高压线圈高度小。第一层高压线圈导线30的起点为中性点位置70，最后一层高压线圈导线30的终点为高压线圈端部60。

这一结构的线圈的绕制方法是：将高压线圈导线30叠层绕制，即从中性点位置70开始，由内至外绕制，直至高压线圈端部60。每层的匝数越来越少，每层的高度也越来越小，两层线匝之间放置绝缘材料40。图1中该层式线圈在绕制过程中是从上端起始向下端绕制，也可由下端起始向上端绕制。

本发明采用的另一种层式线圈如图2所示。

图2中，左侧竖直点划线为铁心50中心轴线，右侧水平虚线为层式线圈中部平面，低压线圈10为传统线圈(饼式、层式或箔式)，低压线圈10外侧中部中心处套有一个绝缘垫圈80，高压线圈20是具有两个并联支路的层式线圈，即上部层式线圈90和下部层式线圈100，上部层式线圈90位于绝缘垫圈80上方，在绝缘垫圈80上方的上部层式线圈90的第一层导线30外侧是第一层绝缘材料40，第一层绝缘材料40外侧是第二层导线30，第二层导线30外侧是第二层绝缘材料40，以此类推。同样，在绝缘垫圈50下方的下部层式线圈100的第一层导线30外侧是第一层绝缘材料40，第一层绝缘材料外侧是第二层导线30，第二层导线30外侧是第二层绝缘材料40，以此类推。并且两个并联支路的层式线圈的每一层的匝数均比前一层少，高度也均比前一层高度小。上部层式线圈90的下端高度一致，下部层式线圈100的上端高度一致。并且上部层式线圈90的起点与下部层式线圈100的起点相连接成为中性点位置70，上部层式线圈90的终点与下部层式线圈100的终点相连接成为高压线圈端部60。

这种层式线圈与图1所示的线圈在绕制过程的不同之处在于，先将一绝缘垫圈80套在低压线圈10外侧中部层式线圈的中心位置，然后分别在绝缘垫圈80的上、下部将高压线圈导线30绕制具有两个并联支路的层式线圈即上部层式线圈90和下部层式线圈100，每层由内至外匝数越来越少或高度越来越小，两个线圈支路之间并联。这样做的好处是：一方面对于大容量的蒸发冷却变压器而言，可选择较第一种层式线圈更适宜的导线规格，便于散热；另一方面与第一种层式线圈相比，可更好地解决线圈在任意分接位置的安匝平衡问题，以减小线圈的轴向短路力，提高变压器的抗短路能力。图2所示该层式线圈在绕制过程中是从上下两端起始向中间绕制，也可由中间起始向上下两端绕制。绝缘垫圈80的材料可以是纸类、芳香族聚胺脂类(或聚脂)、环氧、酚醛、尼龙、塑料、橡胶类等。

传统层式线圈示意图如图3所示。

图3中，左侧点划线为铁心50中心轴线，低压线圈10为传统线圈(饼式、层式或箔式)，低压线圈10外侧是高压线圈20，高压线圈20为层式线圈，高压线圈20的第一层高压线圈导线30外侧是第一层绝缘材料40，第一层绝缘材料40外侧是第二层高压线圈导线30，第二层高压线圈导线30外侧是第二层绝缘材料40，以此类推。并且每一层高压线圈的匝数和高度均和前一层高压线圈相同或基本相同。第一层高压线圈导线30的上端为中性点位置70，最后一层高压线圈导线30的上端为高压线圈首端60。

从图3中可以看出，传统层式线圈的高压线圈首端60到中性点位置70(或其它地电位)之间的绝缘沿边为一水平直线(或近似直线)，而图1和图2所示高压线圈首端60到中性点位置70(或其它地电位)之间的绝缘沿边为一斜线，由于斜线的长度大于直线，所以采用图1和图2所示的改进层式线圈结构可以增加高压线圈首端60到中性点位置70(或其它地电位，例如铁轭)之间的绝缘距离，提高变压器的绝缘水平。

下面以套筒式蒸发冷却变压器、导流管式蒸发冷却变压器、导流筒式蒸发冷却变压器为例说明对于蒸发冷却变压器而言，本发明在向蒸发冷却系统内部充入非冷凝气体以达到提高绝缘等级的目的具体实施方式。

本发明具体实施方式之三如附图4所示，图4为套筒式蒸发冷却变压器的示意图。

本发明具体实施方式之四如附图5所示，图5为导流管式蒸发冷却变压器的示意图。

本发明具体实施方式之五如附图6所示，图6为导流筒式蒸发冷却变压器的示意图。

图4～6中，气液分界面160为冷却通道内非冷凝气体110和冷却介质120的分界面，本发明在变压器制造完毕后，将非冷凝气体110充入气液分界面160的上部空间内(图中所示气液分界面160的具体位置将依照变压器的技术规格的不同而异)，使得蒸发冷却系统在变压器启动之前处于零压或正压(这里的零压和正压是指蒸发冷却系统内部压力与地面环境中的一个标准大气压之间的差)。非冷凝气体110充满蒸发冷却系统气液分界面160的上部空间，在变压器启动过程中，冷却介质120中的蒸发冷却介质吸热相变造成蒸发冷却系统内部压力越来越高，非冷凝气体110被压缩，不断上升至冷凝器150顶部的预留空间140内，由于预留空间140在冷凝管130的上部，不会对冷却效果造成很大影响，当变压器停止运行后，气态的蒸发冷却介质逐渐被冷凝成液态流回到冷却通道内，非冷凝气体110重新下降，保证下次启动前蒸发冷却系统依然维持在零压或正压。

上述实施方式对于单相变压器和三相变压器均可适用。

上述实施方式对于有载调压变压器和无载调压变压器均可适用。

上述实施方式对于双线圈变压器和三线圈变压器均可适用。

本发明专利将改进的层式线圈结构运用到蒸发冷却变压器中解决了蒸发冷却变压器的绝缘问题，提高了蒸发冷却变压器的额定电压等级(提高到额定电压550kV)，并且还在蒸发冷却系统内部预先充入一定量的非冷凝性气体，使变压器在启动前蒸发冷却系统处于零压或正压，以提高蒸发冷却变压器在启动时的绝缘水平。

Claims (4)

1、一种蒸发冷却变压器，其特征在于其线圈结构有两种形式：

其一为：低压线圈[10]外侧是高压线圈[20]，高压线圈[20]为层式线圈，高压线圈[20]的第一层高压线圈导线[30]外侧是第一层绝缘材料[40]，第一层绝缘材料[40]外侧是第二层高压线圈导线[30]，第二层高压线圈导线[30]外侧是第二层绝缘材料[40]，以此类推；每一层高压线圈的匝数均比前一层高压线圈少，高度比前一层高压线圈高度小；第一层高压线圈导线[30]的起点为中性点位置[70]，最后一层高压线圈导线[30]的终点为高压线圈端部[60]；

其二为：低压线圈[10]外侧中部中心处套有一个绝缘垫圈[80]，高压线圈[20]是具有两个并联支路的层式线圈，即上部层式线圈[90]和下部层式线圈[100]，上部层式线圈[90]位于绝缘垫圈[80]上方，在绝缘垫圈[80]上方的上部层式线圈[90]的第一层导线[30]外侧是第一层绝缘材料[40]，第一层绝缘材料外侧是第二层导线[30]，第二层导线[30]外侧是第二层绝缘材料[40]，以此类推；同样，在绝缘垫圈[80]下方的下部层式线圈[100]的第一层导线[30]外侧是第一层绝缘材料[40]，第一层绝缘材料[40]外侧是第二层导线[30]，第二层导线[30]外侧是第二层绝缘材料[40]，以此类推；两个并联支路的层式线圈的每一层的匝数均比前一层少，高度也均比前一层高度小；上部层式线圈[90]的下端高度一致，下部层式线圈[100]的上端高度一致；上部层式线圈[90]的起点与下部层式线圈[100]的起点相连接成为中性点位置[70]，上部层式线圈[90]的终点与下部层式线圈[100]的终点相连接成为高压线圈端部[60]。

2、按照权利要求1所说的蒸发冷却变压器，其特征在于第一种结构形式线圈的绕制方法是：将高压线圈导线[30]叠层绕制，即从中性点位置[70]开始，由内至外绕制，直至高压线圈[20]的端部[60]，每层的匝数越来越少，每层的高度也越来越小，两层线匝之间放置绝缘材料[40]；第二种结构形式线圈的绕制方法是先将一绝缘垫圈[80]套在低压线圈[10]外侧中部层式线圈的中心位置，然后分别在绝缘垫圈[80]的上、下部将高压线圈导线[30]绕制具有两个并联支路的层式线圈即上部层式线圈[90]和下部层式线圈[100]，每层由内至外匝数越来越少或高度越来越小，两个线圈支路之间并联。

3、按照权利要求1所述的蒸发冷却变压器，其特征在于当变压器额定电压较高时，将非冷凝气体[110]充入蒸发冷却系统内气液分界面[160]的上部空间内，使变压器在启动前蒸发冷却系统内部处于零压或正压，非冷凝性气体可以是氮气、SF6气体、SF6替代气体、SF6和其他气体的混合气体以及氟碳化合物气体。

4、按照权利要求1所述的蒸发冷却变压器，其特征在于对导流管式蒸发冷却变压器和导流筒式蒸发冷却变压器而言，当冷却通道内冷却介质承受的电场强度大于冷却介质能承受的最大场强时，可在冷却通道周围加上电屏蔽材料以提高绝缘性能，电屏蔽材料可以是金属、非金属、半导电材料等。

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