变压器冷却专利技术浅析

杜君

摘 要：变压器运行时，绕组和铁芯中的损耗会产生较大的热量，这些热量必须及时逸散出去，以免造成设备部件过热而导致绝缘损坏。为了保证变压器不受温度过高的威胁以确保电力系统的稳定运行，推广一种更有效、更方便的新型变压器冷却方式是目前研发的重点。本文介绍了变压器冷却方式的发展，并结合实际专利案例分析技术要点，并对变压器冷却技术今后发展提出了设想。

关键词：变压器冷却、蒸发冷却、相变、专利

1.引言

国民经济的各个领域中大量存在着需要降温运行的装置、设备，如水轮发电机组、汽轮机发电机组、互感器等，要提高电力系统中电力设备的有效利用率，关键问题之一就是控制其运行温度，这样也可以保证设备的可靠性和安全性。

2.变压器传统冷却方式的发展概述

世界上最早的变压器是19世纪后期出现的以空气作为冷却和绝缘介质的变压器。为保证安全工作，必须保证足够的绝缘间隙，选择相应的绝缘材料。由于加工技术的限制以及缺乏适当的绝缘材料，这种变压器很难向大型发展。

随着油冷变压器的出现，气体冷却式变压器越来越少。变压器油具有电绝缘性，且液体的换热系数远远大于气体，因此油冷变压器相继问世。例如专利CN87100299A中提到一种用于将冷却液封装在液冷变压器内部的装置包括一个容器，其包括一对彼此隔开的、其间用以构成一个储液室的板；至少与一个板相结合的分隔装置，每当部件对受到势必要促使其合在一起的力的作用时，分隔装置总是阻止该储液室的容积降至预定的限度以下；与该储液室相配合的用于将液体注入该室的给液装置；与该室相配合的用于将液体从该室排出的排液装置。这是一个传统的用于变压器部件冷却的水冷装置，直接用冷却水经过变压器过热部件带走热量。

由于变压器油具有易燃性，外部明火或内部短路都有可能引起火灾，这给严格要求防火的场合的使用带来了不便，以空气作绝缘和制冷介质的干式变压器应运而生，其改进了加工过程和绕组绝缘材料的绝缘性。例如专利CN2452102Y中提到一种干式变压器用的横流式多级调节风冷装置包括横流式风机、温控装置以及埋设在干式变压器线圈上的感温元件，其中横流式风机是多级抽头调速横流式风机，温控装置为多级温控装置，感温元件通过导线将温度信号传至多级温控装置的输入端，温控装置从输出端将多个控制信号输至横流式风机绕组的对应抽头上。这是一个将传统的风冷设置于干式变压器上进一步散热。

3.变压器相变冷却方式的发展概述

传统的变压器冷却方式不管采用的是自然冷却方式还是强制冷却方式，其在原理上都是利用冷却介质的升温吸热使主体降温冷却，受冷却介质本身物性及传热温差等因素的限制，使这些冷却方式带走的热量不多，降温冷却能力有限。而变压器的容量的增长与变压器的冷却技术的改进紧密相关，因此急需要以一种换热效率高、结构更加紧凑且尽可能满足安全、可靠、防火防爆、降噪节能、占地面积减小等要求的变压器，从而出现了采用相变换热原理设计的蒸发冷却式变压器。

变压器蒸发冷却是在变压器的线圈和铁芯上注入液体冷却介质，依靠介质蒸发潜热使线圈和铁芯冷却。在这种情况下蒸发后的蒸汽和冷媒的液体都作为绝缘材料使用，因而要求他们在冷却效果上及气体状态下的绝缘强度都是良好的。目前，蒸发冷却变压器主要有三种形式：喷淋式、隔离式、浸渍式。

喷淋式是指：在变压器箱体内充满非凝性气体（例如SF6）以保证低温时变压器有足够的绝缘强度的条件下，将冷却介质（例如碳氟化合物C8F16O）用泵吸上来，再喷射到绕组和铁心上的一种方式。例如专利CN203799791U中提到一种SF6喷淋油接触换热的主变冷却装置，其通过利用SF6介质以及不溶于变压器油的特点，将循环变压器油以喷淋方式与低温蒸发的SF6液体进行逆向直接接触热交换而将变压器油冷却，与传统主变冷却方式相比，具有冷却效率高、冷却控制范围大，极大改善主变运行状况、大幅降低主变铜损铁损、更加安全可靠以及设备体积小、用油量少、维护少、整体运行经济环保等巨大优势。这是近几年发展起来的用于变压器的喷淋式冷却装置，直接对过热变压器喷淋冷却液，散热很快。

隔离式是指绝缘和冷却分开的方式，绝缘采用SF6气体，冷却液则采用氟碳化合物。例如专利CN103268810A中提到一种隔离式蒸发冷却变压器，绝缘桶内存有冷凝液，且其设有上、下两个出口，绝缘桶置于箱体内部，铁心）和线圈浸于绝缘桶内部的冷凝液中；冷凝器设有上、下两个进出口；第一管道密闭穿过箱体的侧壁，并接通绝缘桶的上出口和冷凝器的上进出口；第二管道密闭穿过箱体的侧壁，并接通绝缘桶的下出口和冷凝器的下进出口。箱体和绝缘桶之间充满六氟化硫气体，冷凝液为氟碳化合液。这种冷却方式将冷却和绝缘完全分开，冷却均匀，冷却效果好，重量和尺寸小很多，減少了噪音。

浸渍式又称浴液沸腾法，它是将绕组和铁心浸入冷却液中进行冷却。例如专利CN103390485A中提到一种液氮强冷变压器，其包括装有液态氮的液态氮箱，液态氮箱上连接有液氮引出管，变压器油箱上连接有气氮出口管，变压器油箱内蒸发管一端与液氮引出管连通，另一端与气氮出口管连通，气氮出口管上依次设有液氮压缩机、冷凝器和节流阀，气氮出口管末端伸入液态氮箱内部，液氮引出管上设有与温度感应器电连接的保温电磁阀。变压器油循环管的一端与变压器油箱的上部腔体连通，另一端与下部腔体连通，变压器油循环管上设有循环油泵。这是利用液态氮箱冲入液态氮，通过液态氮与变压器油进行热交换，热交换效率高，达到冷却的目的，而气态氮经过液氮压缩机以及冷凝器，重新转化为液态氮，并通过节流阀冲入液态氮箱，循环利用。

4.变压器冷却方式的发展前景

通过对多种相变冷却的变压器分析，其中，有严重缺点的蒸发冷却变压器已被淘汰，如浸渍式中部分种类。喷淋式蒸发冷却变压器由于充入SF6绝缘气体，冷却能力下降，且采用的是空冷，散热能力有限。隔离式蒸发冷却变压器结构复杂，运行维护困难，绝缘桶和绝缘管道要求机械强度高，否则有被SF6气体压坏的危险。但总体上，在变压器等电气设备上采用蒸发冷却方式是可行的，这不仅具有理论意义，而且具有巨大的实用价值和经济效益，但要将其推向市场投入使用还有很长的路要走。