變壓器冷卻專利技術淺析

杜君

摘 要：變壓器運行時，繞組和鐵芯中的損耗會產生較大的熱量，這些熱量必須及時逸散出去，以免造成設備部件過熱而導致絕緣損壞。為了保證變壓器不受溫度過高的威脅以確保電力系統的穩定運行，推廣一種更有效、更方便的新型變壓器冷卻方式是目前研發的重點。本文介紹了變壓器冷卻方式的發展，并結合實際專利案例分析技術要點，并對變壓器冷卻技術今后發展提出了設想。

關鍵詞：變壓器冷卻、蒸發冷卻、相變、專利

1.引言

國民經濟的各個領域中大量存在著需要降溫運行的裝置、設備，如水輪發電機組、汽輪機發電機組、互感器等，要提高電力系統中電力設備的有效利用率，關鍵問題之一就是控制其運行溫度，這樣也可以保證設備的可靠性和安全性。

2.變壓器傳統冷卻方式的發展概述

世界上最早的變壓器是19世紀后期出現的以空氣作為冷卻和絕緣介質的變壓器。為保證安全工作，必須保證足夠的絕緣間隙，選擇相應的絕緣材料。由于加工技術的限制以及缺乏適當的絕緣材料，這種變壓器很難向大型發展。

隨著油冷變壓器的出現，氣體冷卻式變壓器越來越少。變壓器油具有電絕緣性，且液體的換熱系數遠遠大于氣體，因此油冷變壓器相繼問世。例如專利CN87100299A中提到一種用于將冷卻液封裝在液冷變壓器內部的裝置包括一個容器，其包括一對彼此隔開的、其間用以構成一個儲液室的板；至少與一個板相結合的分隔裝置，每當部件對受到勢必要促使其合在一起的力的作用時，分隔裝置總是阻止該儲液室的容積降至預定的限度以下；與該儲液室相配合的用于將液體注入該室的給液裝置；與該室相配合的用于將液體從該室排出的排液裝置。這是一個傳統的用于變壓器部件冷卻的水冷裝置，直接用冷卻水經過變壓器過熱部件帶走熱量。

由于變壓器油具有易燃性，外部明火或內部短路都有可能引起火災，這給嚴格要求防火的場合的使用帶來了不便，以空氣作絕緣和制冷介質的干式變壓器應運而生，其改進了加工過程和繞組絕緣材料的絕緣性。例如專利CN2452102Y中提到一種干式變壓器用的橫流式多級調節風冷裝置包括橫流式風機、溫控裝置以及埋設在干式變壓器線圈上的感溫元件，其中橫流式風機是多級抽頭調速橫流式風機，溫控裝置為多級溫控裝置，感溫元件通過導線將溫度信號傳至多級溫控裝置的輸入端，溫控裝置從輸出端將多個控制信號輸至橫流式風機繞組的對應抽頭上。這是一個將傳統的風冷設置于干式變壓器上進一步散熱。

3.變壓器相變冷卻方式的發展概述

傳統的變壓器冷卻方式不管采用的是自然冷卻方式還是強制冷卻方式，其在原理上都是利用冷卻介質的升溫吸熱使主體降溫冷卻，受冷卻介質本身物性及傳熱溫差等因素的限制，使這些冷卻方式帶走的熱量不多，降溫冷卻能力有限。而變壓器的容量的增長與變壓器的冷卻技術的改進緊密相關，因此急需要以一種換熱效率高、結構更加緊湊且盡可能滿足安全、可靠、防火防爆、降噪節能、占地面積減小等要求的變壓器，從而出現了采用相變換熱原理設計的蒸發冷卻式變壓器。

變壓器蒸發冷卻是在變壓器的線圈和鐵芯上注入液體冷卻介質，依靠介質蒸發潛熱使線圈和鐵芯冷卻。在這種情況下蒸發后的蒸汽和冷媒的液體都作為絕緣材料使用，因而要求他們在冷卻效果上及氣體狀態下的絕緣強度都是良好的。目前，蒸發冷卻變壓器主要有三種形式：噴淋式、隔離式、浸漬式。

噴淋式是指：在變壓器箱體內充滿非凝性氣體（例如SF6）以保證低溫時變壓器有足夠的絕緣強度的條件下，將冷卻介質（例如碳氟化合物C8F16O）用泵吸上來，再噴射到繞組和鐵心上的一種方式。例如專利CN203799791U中提到一種SF6噴淋油接觸換熱的主變冷卻裝置，其通過利用SF6介質以及不溶于變壓器油的特點，將循環變壓器油以噴淋方式與低溫蒸發的SF6液體進行逆向直接接觸熱交換而將變壓器油冷卻，與傳統主變冷卻方式相比，具有冷卻效率高、冷卻控制范圍大，極大改善主變運行狀況、大幅降低主變銅損鐵損、更加安全可靠以及設備體積小、用油量少、維護少、整體運行經濟環保等巨大優勢。這是近幾年發展起來的用于變壓器的噴淋式冷卻裝置，直接對過熱變壓器噴淋冷卻液，散熱很快。

隔離式是指絕緣和冷卻分開的方式，絕緣采用SF6氣體，冷卻液則采用氟碳化合物。例如專利CN103268810A中提到一種隔離式蒸發冷卻變壓器，絕緣桶內存有冷凝液，且其設有上、下兩個出口，絕緣桶置于箱體內部，鐵心）和線圈浸于絕緣桶內部的冷凝液中；冷凝器設有上、下兩個進出口；第一管道密閉穿過箱體的側壁，并接通絕緣桶的上出口和冷凝器的上進出口；第二管道密閉穿過箱體的側壁，并接通絕緣桶的下出口和冷凝器的下進出口。箱體和絕緣桶之間充滿六氟化硫氣體，冷凝液為氟碳化合液。這種冷卻方式將冷卻和絕緣完全分開，冷卻均勻，冷卻效果好，重量和尺寸小很多，減少了噪音。

浸漬式又稱浴液沸騰法，它是將繞組和鐵心浸入冷卻液中進行冷卻。例如專利CN103390485A中提到一種液氮強冷變壓器，其包括裝有液態氮的液態氮箱，液態氮箱上連接有液氮引出管，變壓器油箱上連接有氣氮出口管，變壓器油箱內蒸發管一端與液氮引出管連通，另一端與氣氮出口管連通，氣氮出口管上依次設有液氮壓縮機、冷凝器和節流閥，氣氮出口管末端伸入液態氮箱內部，液氮引出管上設有與溫度感應器電連接的保溫電磁閥。變壓器油循環管的一端與變壓器油箱的上部腔體連通，另一端與下部腔體連通，變壓器油循環管上設有循環油泵。這是利用液態氮箱沖入液態氮，通過液態氮與變壓器油進行熱交換，熱交換效率高，達到冷卻的目的，而氣態氮經過液氮壓縮機以及冷凝器，重新轉化為液態氮，并通過節流閥沖入液態氮箱，循環利用。

4.變壓器冷卻方式的發展前景

通過對多種相變冷卻的變壓器分析，其中，有嚴重缺點的蒸發冷卻變壓器已被淘汰，如浸漬式中部分種類。噴淋式蒸發冷卻變壓器由于充入SF6絕緣氣體，冷卻能力下降，且采用的是空冷，散熱能力有限。隔離式蒸發冷卻變壓器結構復雜，運行維護困難，絕緣桶和絕緣管道要求機械強度高，否則有被SF6氣體壓壞的危險。但總體上，在變壓器等電氣設備上采用蒸發冷卻方式是可行的，這不僅具有理論意義，而且具有巨大的實用價值和經濟效益，但要將其推向市場投入使用還有很長的路要走。