TW504715B - System and method for cooling transformers - Google Patents

Description

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五、發明說明（1) 【相關申請案的對照】 本申請案主張享有於2 000年2月24曰所提出之美國第 6 〇 / 1 8 4，5 2 0號臨時申請案的權益。 【發明範疇】 本發明係有關變壓器冷卻的範圍，尤其是有關一種使 用液體對空氣式熱交換器的變壓器電介質液體冷卻器。 【發明背景】 口

按電力輸送業會在各式各樣不同的環境中使用到變壓 例如在大型發電廠使用大型變壓器來提高電壓以供後 續的輸電，和使用小型的配電變壓器來降低饋送給住宅與 工業社區的電壓。操作期間，變壓器可能具有幾千伏特^ 額定輸出，也可能產生相當多的熱。如果這種熱未予以妥 適的消散，就有可能使變壓器受損而減低其預計使用年文 限丄甚或使其變得無法運作。大型變壓器多半是浸泡在電 介質液體中，以便讓各組件絕緣並使其冷卻。典型的介電 絕緣液體包括標準的礦物油，高溫礦物油與高溫合成液 體0 操作期間，變壓器中之電介質液體或油以及變壓器周 之空氣的自然循環（〇i i immersed transf〇rmer ^ th clrculatlon of oil and air)，可將變壓器充 二j卻。利用油及空氣的循環時，液體係以 過變壓器鐵心和外部的熱交換器或冷‘ =^卜側的冷部器係被設計成能讓空氣自然對流。通常， 因為自㈣流的效率較差，所以f要使用A型的熱交換

第4頁 504715 五、發明說明（2) 器。 為克服油冷卻（Oil immersed transformer with natural circulation of oil and air)、油自然循環及 強制空氣系統（〇 i 1 immersed transformer with natural circulation 〇f oil and forced circulation of air) 的限制。電介質液體利用自然熱對流的方式循環流過變壓 器鐵心和外部冷卻器。變壓器外側的熱交換器或冷卻器係 被設計成可裝設風扇以便把空氣強制吹過冷卻器。此舉改 良熱父換器的冷卻特性，因而減少達成相同冷卻量所需的 交換器數目。此舉也使得變壓器/冷卻器組合的整體尺寸 變小〇 為進一步增加熱能力，另有人使用強制油及強制空氣 (Oil immersed transformer with forced circulation of oil and air)的冷卻。油係使用泵浦而使其強制流過 變壓器。增加液體在變壓器中的流速，以便可在熱交換器 材料與液體之間發揮更大的傳熱效果。如同〇u immer^ transformer with natural circulation of oil and forced circulation of air，空氣是被強制吹過熱交換 器，因而增加熱交換器的冷卻效能。 散熱器是最常用來冷卻變壓器中電介質液體的熱交換 00 政熱器有各式各樣的形狀及組態。有一種冷卻器是屬 =將若^，管熔接成一個管集箱的管式散熱器。另一種較 常見冷卻器是以若干碳鋼板被堆疊而形成散熱器單元的方 式所製成。這些散熱器在使用時係以幾段個別的散熱器區

第5頁 504715 五、發明說明（3) __ 段排成一列，並可直接用螺栓固定 期間，電介質液體係從散熱器頂部流〜遂器的旁邊。操作 以這方式而從變壓器流入各鋼板。:〇和從底部流出，並 縱向流過散熱器各板片，隨而抽走液體成冷卻效果，空氣 空氣的自然對流可能不足以達到音〜的熱。如前所述， 此，要安裝風扇來促使空氣流過散：：：冷卻特性。因 冷卻效果。然而，風扇通常是 駐、=各板片，以改良 因而未能善用周圍空氣的自然熱流横向吹過各板片j 熱器技術需要大量的空間來冷卻電介質^外，現打的散 求的冷卻量增加時，個別散熱器板作：值埶】$ ’當要 便減低。 $為傳熱機構的效能 用邊般是用細薄材料所製a，在各板片的 周邊均有杨接縫。這道縫是主要的腐## 2计上：顧慮到這個問冑。此外’碳鋼或用來製造該 熱器的其它材料均屬於較差的導熱體。 、因為散熱器填有電介質液體，當散熱器的數目及尺 增加時，電介質液體的量也跟著增加。舉凡熟悉本項技藝 之人士均知，這不但增加變壓器的成本，也增加重量和^ 響變壓器的重心，以致須強化變壓器貯槽的結構。 〜 在Oil immersed transformer with natural circulation of oil an(j forcecj circulation of air 模 式時，冷卻系統係採用小型風扇以便使散熱器承受的應力 減至最低。然而，.小型風扇卻吹不動大量的空氣，因此， 如果設計需要相當大量的空氣冷卻時，便要許多風扇。若

1ΠΗ 第6頁 五、發明說明（4) 使用許多風扇，冷卻 配線’不良的空氣配 當散熱器在自然 是因熱油及冷油之間 體系統，該系統也循 阻 力 或 壓 而 5 因 的 阻 力 較 油 流 量 較 致 Ml *\\\ 法 有 雖 然 質 液 體 的 種 追 求 體 的 而 求 用 技 藝 的 [ 發 明 概 大 體 絕 緣 液 體 向 成 有 _ 別 設 有 若 外 部 •鳍 片 鳍 片 的 部 與 冷名P 管 通 的 分 流 系統就會 送，增加 液體流動 的相對密 著流量對 液體的流 得更遠始 外侧的板 油的冷卻 介質液體 揭露種種 傳統變壓 小和更輕 足了這些 如額外的 多。 述，液體 同任一液 當系統的 的散熱器 所以遇到 所見到的 程度，以 器之電介 始終存有 電介質液 克服了習 產生其它問題，例 維護，和電損失增 下運作時，如前所 度差異而流動。如 阻力的曲線運作， 量即.減低。就單一 能到達外側板片， 片（離貯槽最遠者） 過程並未達到最大 〇 用以冷卻液體變壓 器冷卻裝置相比， 之傳熱裝置來冷卻 和其它需求，同時 明係提供一種可對流過變壓器之介電 冷卻系統。該系統包括一支或以上定 一底部孔口的冷卻管。各該冷卻管分 身縱向延伸之徑向伸出的内部鰭片和 等冷卻管係沿著本身的縱轴聯結外部 相連接而形成一管束組態。在變壓器 之間設有一個或以上與其保持液體相 變壓器與冷卻管的底部孔口之間也設

五、發明說明（5) 有一個或以上與其俥Μ^ 若千ώ & A , & 、呆持液體相通的集流管座。最後，還有 η =束 外部鰭片所形成的直立風道。 綠@ 、产_文 κ 万面疋鈥供一種可對流過變壓器之介電 的方法。依據該方法，使介電絕緣液體 !:=器循環流過-支以上的直立斯，另有-股氣 =錢往上流過該等冷卻f互相連接而形成的若干直立 風道，以便冷卻介電絕緣液體。 忾汽t毛月提七、’重利用液體對空氣式熱交換器而將流過 電介質液體予以冷卻，冑而冷卻變壓器的系統及 =法：该糸統包括多支與變壓器保持液體相通的鋁質冷卻 :座：仏冷部電:1枭，體。胃等冷卻管係被配置設置成可 冷卻電介質液體。“式自然對流的氣流來 【圖式簡要說明】 茲列舉實施例並配合圖式，將太旅 的及優點詳述於後，其中冑本發明的這些和其它目 圖1為一變壓器所用較佳冷卻系統之透視 圖2為圖1之變壓器冷卻系統的側視圖； 圖3為朝著圖2中所示箭頭方向而沿 發明放大片斷端視圖； 口者線3 3截取的本 圖4為朝著圖3中所示箭頭方向而沿著線4 的 發明冷卻管放大剖視圖·，和 戰取的本 圖5為圖2之變壓器冷卻系統侧視圖， 經分解以供進一步顯示出本發明運# ^ $支1盗刀 不叙明連作期間的電介質液體流

第8頁 观715 五、發明說明（6) 向和空氣流向。 【發明詳細說明】 現請詳細參閱圖式，先從圖1及圖2開始，本發明的冷 部系統大致以參考標號1 0表示。冷卻系統1 0係被設計成用 $冷卻一種介電絕緣液體，以便讓一使用液體對空氣式熱 $換器的變壓器’能夠將它的繞組（w i n d i n g s )和其它内部 t件絕熱或電絕緣。在一較佳實施例中，冷卻系統丨〇係由 1β支了乂由一個或以上分流管座（distributor header) 與集流管座（collect〇r header) 18而與變壓器14保持 =體相通的冷卻管1 2。分流管座1 6使變壓器1 4的上方直立 ^連接到冷卻管〗2的上部。與分流管座丨6保持對稱和相同 =集，管座18則使變壓器14的下方直立部連接到冷卻管12 辦H。據瞭解，有眾多硬體組態均可供冷卻管1 2連接到 交堅器1 4，且其均屬本發明之範圍。 火"圖3是朝著圖2中所示的箭頭方向，沿著線3 —3截取的 二:糸統片斷端視圖。請參閱圖丨、2和3， U20分；管座16各具有一支與變壓器“保持液體相通的 i:』刑歧管2◦往外延伸出一個以上與其保持液體相 ♦、、f i延伸部22。各該翼型延伸部22的底面設有若干盥 :部官12上部連接並與其保持液體相通的孔口 了 完成對變壓器14的連接。集流管座18係盥分产^不座’ 保持對稱和相同，並包括與冷卻管 ^ a &座 -支歧，。若干對應的翼型保持液體相通的 如前所述，冷卻系統包括多支與變壓器保持液體相通

504715 五、發明說明（7) 的冷卻官1 2。圖4所示者係沿著圖3中 冷卻管12放大剖面圖。冷管截取的 峨製成。紹材具有導執良好= = ，並以擠型 質。據瞭解：任何具有這類二= = = ” 圍：ί冷部官12設有—個直立液體管道28和若ΐ彼2二p 式讓多支冷卻管12彼此互連後即= 屬於蜂巢式、、且態的直立風道3〇。各 讓，墙此隔開且徑向延伸的内部鰭 鍵片38，二-二二7二片彼此隔開且徑向延伸的外部爪形 =有么二，片均係沿著各冷卻管12之管壁32表面縱向延 # # 片内部鰭片3 4係從冷卻管壁3 2的内表面延伸，並繞 J β 土的/内周緣平均隔開。該等内部鰭片34係朝著冷卻 =1 2的中心徑向往内延伸一段約相當於該冷卻管半徑之一 半的距離田w電液體流過冷卻管1 2時，這些内部鰭片3 4 有助於抽掉該液體的熱。 十二片外部鰭片36、38和4〇係沿著冷卻管壁32的外表 面縱向延伸，和從冷卻管壁32徑向往外延伸一段約相當於 滅冷卻& 1 2直徑的距離。此外，所有這些内部和外部鰭片 34 36及40均沿著本身表面設有縱向凹槽或管道。此舉產 生額外的表面面積，使流過冷卻管丨2的介電液體能獲得更 大的冷卻效果。 第10頁 五、發明說明（8) 並繞片38與外部球㈣片4〇係被連接到管壁^ 均P ^亥S壁32的周緣而在外部冷卻鰭片36之間交替地平 著冷i其Ϊ 4 部爪形鰭片3 8和三片外部球形鰭片4 〇係沿 卻與夕>! 土32叹置成若以如圖4所示的剖面來觀看該等冷 片二:：=時：這些外部鳍片38和40看起來好像是與六 二十Ϊ向=該等鰭片係被安排成若繞著冷卻管壁32 爪形@ 彳! 1 « ，，冷部鰭片36後頭是片爪形鰭片38，該 4,二2=:;::片'片二頭則是片球形㈣ 個爪形剖面42與一個球：剖：44了：==二 ^ =4;;;設計成在爪形剖面“與球 生或2 = ^ 使冷卻管1 2彼此】查姓, ,^ . 生若干直立風道30。兮等斤產生的管束46 ’可供產 和40之外表面的全長=風冷卻管㈣Η8 作用而讓空氣從冷卻夺统 利用自然對流與熱虹吸 ^在冷卻管與其相；當 快;:::向方r主上膨脹時’即====『 煙囪效應」。空氣朝荽做 …、虹汉1卞用及 高的氣流流速，以致姆加偯2 、速膨脹時，會產生較 用流動空氣的自然性==。因此，煙函效應係使 瞭解，凡利用空氣的產生較大的冷卻。據 t用來#卻介電液體的冷卻管 504715 五、發明說明（9) 其它組態，均屬本發明範圍。 圖5是圖2所示冷卻系統及相伴變壓器的示意圖，其中 另顯示出本發明的介電液體與氣流。操作期間，變壓器j 4 產生的熱會使圍繞住變壓器鐵心5 0的介電液體因對流而上 升到變壓器封殼52的頂部和流入分流管座1 6。分流管座1 6 内的歧管2 0會容置液體4 8，而當液體開始冷卻時，便經由 翼型延伸部2 2而下降流過個別的冷卻管1 2。在冷卻管1 2 内，介電液體4 8會快速冷卻，再下降到集流管座1 8中的翼 型延伸部24。接著，該等液體48流入集流管座18的歧管 2 4 ’再流入變壓器封殼5 2，於該處又變熱而重新開始這冷 部循環週期。據瞭解’有若干種液體可供當作介電液體， 包括礦物油和高溫合成液體。 於冷卻過程當中，係朝著箭頭54所示的方向而將周圍 空氣抽入冷卻系統1 0 ’位於冷卻系統1 〇下部的集流管座2 4 會在該處先使其稍微變暖。接著，空氣往上通過直立風道 3 0，並於該處變熱、膨脹和加速上升。最後，空氣朝著箭 頭5 6的方向往上流過分流管座1 6而到周圍大氣中，從而離 開冷卻系統10 ’並將介電液體48的熱帶走。如前所述，縱 向氣流的自然對流可讓介電液體達到更有效的冷卻。據瞭 解’可讓縱向氣流往上流過冷卻系統的其它方法均屬本發 明之範圍。 如同傳統的變壓器熱交換器或冷卻系統，強制空氣， 強制液體和這二者的結合均可用來達成介電液體的進一步 冷卻。在一種自然油，強制空氣（0il immersed

504715 五、發明說明（ίο) transformer with natural circulation of oil an(j forced circulation of air)的組態中，係將風扇58(圖 2、3和5 )連接到管束46的底部。此舉增加了流過冷卻管j 2 的縱向氣流，轉而對介電液體提供更大的冷卻效果。 採用一種強制油，自然空氣（〇 i 1 i m m e r s e d transformer with forced circulation of oil an(j natural circulation of air )的組態，便可達到進一步 的冷卻效果。該方法是在變壓器内部安裝泵浦（未顯示）， 以增加液體流過鐵心5 0和通過冷卻管1 2的流量。此舉也具 有增加介電液體之冷卻的作用。若結合強制油，強制空^ (Oil immersed transformer with forced circulation of oi 1 and air)，則可對冷卻系統提供更大的冷卻特 性0 構 質冷卻 中，係 然對流 吸是利 生更大 強制空 若改用 不必使 卻效果 造及操 管來移 將該等 和熱虹 用流過 的冷卻 氣橫向 本發明 用風扇 作如前所 除變壓器 管件連接 吸作用來 冷卻管之 效果。是 吹過散熱 的冷卻系 ，就能達 述的冷卻 中所用液 而形成若 冷卻流過 空氣的自 以，在習 器以達到 統，便可 到與習用 系統，係 體的熱。在一較佳 干直立風 冷卻管的 使用多支 然熱性質 用散熱器 更大冷卻 減少風扇 散熱器設 道，據以 介電液體 ，因而對 是靠安裝 效果的情 數量，甚 計相同程 直立鋁 組態 利用自 。熱虹 液體產 風扇而 況下， 或完全 度的冷 因為本發明具有較高的冷卻 效能，冷卻變壓器所需的

504715 五、發明說明（11) _ 冷卻管就較少。冷卻管較少時，流動斟办> #工軋式執吞4友 就變得比習用鐵懕裴撤献哭热社* .· 、、、&換 寸因 器的 ' 〜坷空氣式執 結構：變”習用變壓器散熱器設計小許多也輕 素在變壓器的設計上很重要，尤其變壓器b奇夕。尺 限的地區，例如可供設置變電所夕±L 11疋要用在空 〜用地面稽古 會區。冷卻系統變小時，也可減低變 * 、有限的都 力。另外，因為冷卻管數較少，冷卻變壓 機械應 體也跟著減少。 °、 需的介電液 本發明的另一項優點在於冷卻管係 舉進一步減輕散熱器冷卻系統的重量， 所製成。此 承受不當的機械應力。與習用變壓器 堡器結構 碳鋼相比較，鋁材也是較佳的導熱體。‘，、、益汉汁所採用的 =器散熱器的各炫接縫是主要 =冷卻系、统，其炼接縫約只有習用變壓;:敎組態如 可能性。 也連帶降低冷卻系統結構惡化的 從前述内容可知，太蘇π本、 與目標，以及此種結構應;的;它=成前述的所有目的 以上所舉實施例僅用 本發明之範圍。舉凡不違明而&，非用以限制 變化，倶屬本發明申請專精神所從事的種種修改或 ’圖式元件標號說明】 冷卻系統 變壓器 集流管座 10 14 18

冷卻管 12 分流管座 16 歧管 20 第14頁 504715

五、發明說明（12) 翼型延伸部 22 歧管 24 翼型延伸部 26 液體管道 28 直立風道 30 管壁 32 内部鰭片 34 外部冷卻鰭片 36 外部爪形鰭片 38 外部球形鰭片 40 爪形剖面 42 球形剖面 44 管束 46 液體 48 變壓器鐵心 50 變壓器封殼 52 箭頭 54 箭頭 56 風扇 58 第15頁

Claims (1)

1. ^ 一種可對流過變壓器之電介質絕緣液體予以冷卻的冷卻 系統，該系統包括·· 、 若干實質以直立方式定向的冷卻管，其中該等冷卻管 各有頂部孔口和一底部孔口，同時該等冷卻被互相連接 而形成一管束組態； 個或以上位在變壓器與冷卻管的頂部孔口之間並與 其保=液體相通的分流管 一個或以上位在變壓哭盥冷卻管的底部孔口之間並與 其保：液體相通的集流管；；和 右干由互相連接管束組態所形成的直立風道。 典、2 ·如申請專利範圍第1項所述之冷卻系統，其中冷卻 吕進一步包括若干沿著其外表面縱向延伸的徑向往外伸出 的外部鰭片。 、 ^ 3·如申請專利範圍第2項所述之冷卻系統，其中冷卻 官另進一步包括若干沿著其内表面縱向延伸的徑向往内伸 出的内部鰭片。 4·如申請專利範圍第3項所述之冷卻系統，其中該等 鰭片具有若干走向與冷卻管保持平行的縱向凹槽。 5·如申請專利範圍第3項所述之冷卻系統，其中内部 鱗片與外部鰭片係平均隔開。 ^ 6 ·如申請專利範圍第2項所述之冷卻系統’其中外部 鰭片包括若干從冷卻管外表面徑向往外伸出的外部爪形鳍 片’各該外部爪形鰭片的末端設有一爪、形/物。 7 ·如申請專利範圍第6項所述之冷卻系統’其中外部

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   六、申請專利範圍 鰭片包括若干從冷卻管外表面徑向往外伸出的外部球形鰭 片，各該外部球形鰭片的末端設有一球形物。 曰 8·如申請專利範圍第7項所述之冷卻系統，其中爪形 鰭片及球形鰭片係被設計成能彼此互相卡合而形成管束^且 態。 、、’ 9·如申請專利範圍第2項所述之冷卻系統，其中外部 鰭片包括若干從冷卻管外表面徑向往外伸出的外部冷卻.鮮 其中冷卻 其中一個 ~胃1 0 ·如申請專利範圍第1項所述之冷卻系統 管是由鋁材所製成。 1 1 ·如申請專利範圍第1項所述之冷卻系統 3以上的分流管座各包括·· 一支與變壓器保持液體相通的歧管；和 型征:個或以上從該歧管延伸出並與其保持液體相通的翼 伸部，各該翼型延伸部包括一個設有若干孔口的底、 型延&如申明專利範圍第11項所述之冷卻系統’其中翼 伸部的各孔口係與對應冷卻管的頂部孔口保持液體相 或^ 7·如申請專利範圍第1項所述之冷卻系統，其中一個 式从上的集流管座各包括： 支與變壓器保持液體相通的歧管；和 延伸抑個以上從該歧管延伸出並與其保持液體相通的翼型 σ ，各該翼型延伸部包括一個設有若干孔口的頂面。

   504715 六、申請專利範圍 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項所述之冷卻系統，其中翼 型延伸部的各孔口係與對應冷卻管的底部孔口保持液體相 通。 1 5 ·如^申請專利範圍第1項所述之冷卻系統，其中成束 的各冷卻官係以蜂巢排列法予以連接。 1 6 · —種可對流過變壓器之介電絕緣液體予以冷卻的 方法，該方法包括： 使w電絕緣液體從變壓器循環往下流過一支或以上的 直立冷卻管；和

   +使一股氣流循環往上流過該等冷卻管互相連接而形成 的若干直立風道，以便冷卻介電絕緣液體。 严1 7·如申請專利範圍第1 6項所述之方法，其中使一股 氣流循環流過直立風道的情形係經由自然熱對流而發生。 产1 8 ·如申請專利範圍第1 6項所述之方法，其中使 < 股 氣流循環流過直立風道的情形係經由熱虹吸而發生。 广、Y9·如申請專利範圍第1 6項所述之方法，其中使一股 氣流循環流過直立風道的情形係經由強制氣流而發生。 2〇·如申請專利範圍第丨6項所述之方法，其中使介電 絕、、彖液體循環流動的情形係經由自然熱對流而發生。

   21 ·如申請專利範圍第丨6項所述之方法，其中使介電 絕緣液體循環流動的情形係經由強制介電絕緣液體的流動 而發生。

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