油浸式变压器散热技术研究回顾与展望

1传统变压器散热方式

目前国内外变压器的冷却方式主要有四种,即自然油循环自冷散热、自然油循环风冷散热、强迫油循环风冷散热和强迫油循环水冷散热。自然油循环风冷散热方式是利用变压器绕组及铁心发热后,本体内的油形成对流,油流经散热器后,由冷却风扇吹出的风将热量带走,从而达到散热的目的,这种冷却方式主要用于中小型变压器。强迫油循环风冷散热方式通过油泵的作用,使变压器内的油被迫快速循环,在油流经散热器时,由冷却风扇吹出的风将热量带走,这种冷却方式主要用于大中型变压器。强迫油循环风冷却器与自然油循环风冷却器的主要区别是采用潜油泵强迫油进行循环,这样油流速度加快,冷却效率得以提高。传统散热器的基本类型主要由以下几种。

1.1 片式散热器

由于油浸式变压器具有散热好、损耗低、容量大等特点,目前电网上运行的电力变压器大部分仍为油浸式变压器,而且80%以上是采用自然油循环的冷却方式。当油浸式变压器容量大于50kVA时,就可考虑用管式或片式散热器作为变压器的热交换装置。片式散热器的变压器横向体积过于庞大,运输及维修都很不方便。片式散热效率很低,虽然在低容量变压器散热中得到广泛应用,但难以解决大容量变压器的散热问题。

1.2 风冷却器

当油浸式电力变压器容量超过50MVA时,就可考虑采用风冷却器。风冷却器通过油泵将变压器顶层高温油送入冷却器冷却管内,将其产生的热量传给冷却管内壁和翅片,再由管壁和翅片向空气放出热量。

采用大功率风冷却器不仅给变压器的制造安装、使用、维修带来方便,而且也可减少渗漏油。风冷却器冷却效果和使用寿命将取决于采用的冷却元件,国内一般采用管子作冷却元件。在天气寒冷地区和少水地区,大、特型油浸式变压器用风冷却器最适合。对于常年气温较高热带地区,要考虑风冷却器的额定冷却容量有所下降的问题。

1.3 水冷却器

当油浸电力变压器容量超过50MVA时,除采用风冷却器进行热交换以外,还可采用水冷却器作为大型变压器的热交换装置。空气的比热仅为水的1/4,所以水冷却器比风冷却器冷却效果好;空气侧的传热系数比水冷却器传热系数低,所以冷却容量基本相同的两种冷却器,水冷却器要比风冷却器的体积小、重量轻、噪声低。目前国内水冷却器单台最大容量已达到315kW以上,国外已达到500kW以上。国内水冷却器采用单管结构,所以发生过多起因水冷却器中冷却铜管破裂使冷却水进入到变压器的油中的情况,由于无法及时发现水已进入到变压器油中去,往往使进水的变压器油绝缘性能大幅度下降,从而造成运行中的变压器发生严重事故。

水冷却器具有冷却效率高、噪声低等优点,双重管水冷却器提高了水冷却器的可靠性,非常适用于有水源地区。国内生产的双重管水冷却器技术性能和结构已与国际水平相当。用于寒冷地区要考虑冷却水的冰冻问题。

1.4 散热冷却器

一般采用风冷却器或水冷却器作为大型、特大型油浸式变压器的热交换装置,这两种冷却器冷却效率高。但由于油泵和风机不间断运行,因此存在噪声大、辅机损耗率高、维护工作量大等缺点。为解决上述矛盾,欧洲出现了一种被称为“散热冷却器”的新型冷却方式。散热冷却器是指其散热面以片式散热器为主,同时配合风机和油泵进行冷却,当变压器负荷率为50%左右时,片式散热器处于油浸自冷状态自冷式运行;当变压器负荷率达75%左右时,启动风机,片式散热器处于油浸风冷状态风冷式运行;当变压器满负荷时,启动油泵投入运行,投入油泵强油风冷式运行。

2新型散热技术在变压器散热中的应用

近年来出现新型散热技术以及应用研究,如果能够使这些技术与变压器散热问题有效结合起来,将极大地推动油浸式变压器散热问题的研究进程。

2.1 热管技术

美国的losAlamos国家实验室于1963年发明了一种高效传热元件——热管,利用热传导原理和制冷介质的快速热传递性质,通过热管将热物体内的热量迅速传到体外,其导热能力超过了任何已知的金属导热能力。热管由管壳、管芯和工作液体组成的密闭系统,管壳内抽成真空。工作液体可为甲醇、水、汞等物质;吸液芯材料可用金属丝网等多孔金属或玻璃纤维做成;管壳材料可选取铜、铝、不锈钢等材料。热管工作时,分为蒸发段、绝热段和冷凝段三个部分。蒸发段置于温度较高的区域,液体工质通过管壁吸收外界热源热量后,沸腾蒸发为蒸汽,由此造成的压差把蒸气从蒸发段驱送到冷凝段。在冷凝段,蒸汽把热量传给温度较低的冷源,蒸汽又在吸液芯内凝结成液体,液体靠吸液芯的毛细抽吸力返回到蒸发端。工质如此周而复始,连续循环,就把热量不断从热源传到冷源。绝热段的作用是将冷、热端分开。

热管特点具有响应速度快、热传输量大、不需要主动元件本身不需要耗能、可变换热流等特点。将热管应用在箱式变压器中不但可以解决箱式变电站的散热问题,也可保证其所要求的密闭性,但在变压器中应用热管技术的报道还较少。

2.2 微槽群技术

微尺度传热技术是目前国际传热学学术研究领域中的前沿和热点,基于微尺度传热技术所发展的一些新型冷却方式。由于利用了微尺度下的一些超常的强化传热机理,能获得很好的散热效果。作为一种新兴的微通道相变换热技术,毛细微槽群蒸发热沉依靠毛细力驱动液体流动,易于在微槽内三相接触线区域促进扩展弯月面薄液膜的形成,创造高强度的蒸发换热条件,因而能够被用来实现极高换热系数和热流密度的换热过程。

2010年6月第15届广州国际照明展览会在中国进出口商品交易会,中科院工程热物理研究所与深圳市泓亚光电子有限公司共同研发的微槽群复合相变冷却技术的LED工矿灯正式推出,这标志着该所微槽群复合相变冷却技术正式进入产品市场。微槽群复合相变冷却技术系中国科学院工程热物理研究所承担国家高技术研究发展计划(863计划)项目的研究成果,是一种用于高热流密度和大功率电力设备、微电子及光电子器件的具有国际领先水平的新一代冷却技术。

2.3 变压器散热装置效率实时监控技术

变压器散热装置效率实时监控、评估系统,能实时记录多个变压器散热装置在各种条件下的工作状态(温度、流量、功率等数据),并对记录的数据进行分析,找出散热装置达到最佳的工作点,同时可对不同的散热装置进行散热效率的比较。系统能为不同散热装置的性能差别提供直观、准确的数据支持,为散热装置的设计、安装、参数调整提供依据。系统可对散热装置进行长时间在线监测并记录保存数据,通过数据比较可方便地找出给定装置的最佳工作点,不同装置的数据记录的比较可看出它们的散热效率的差异,调整某一装置的结构参数(工作液的量、流管的尺寸、散热面积、安装的相对位置及通风条件),对比其调整前后的数据记录可获得散热效率与这些参数的关系,为散热装置的设计、参数结构调整和安装提供依据,实现最佳的散热效率。

3未来研究展望

随着城市化进程的推进,变电站及其变压器容量不断增容扩建。为了改善环境,隔离变压器噪声,综合利用变压器散热技术,达到自然循环、对流散热、隔噪静音、节能环保、占地少、运行安全的目的,是变压器散热技术的发展趋势。

3.1 综合利用多种技术改进变压器散热

变压器散热技术的改进变压与器损耗的大小有密切关系,功率大的变压器损耗大,需要散热能力更为强大的散热技术与之配合,随着电力系统精细化管理的深入,采用损耗更小的非晶合金变压器可以有效降低变压器损耗,无形中相当于改进了变压器散热能力。另外,通过采用微槽群等新技术改进变压器散热能力也是未来的发展方向。对于传统散热片的技术改造,如增加翅片,改善流道等也是很多学者,专家正在研究的课题。

3.2 散热效率与制造成本和运行成本的平衡

新技术在变压器及变压器散热片上的应用在降低运行成本的同时无疑会增大变压器的制造成本,因此如何找到两者的平衡点,保证运行成本降低带来的收益大于成本增加带来的损害,对于变压器生产厂商,变压器散热计划研究人员和变压器用户来讲,是一个非常重要的需要进行具体可行性分析的问题。

3.3 不同工况条件下对散热方式的选择

不同的冷却介质,不同的冷却方式,变压器的冷却效果不同。变压器运行工况变化较大,且不说热带,亚热带等地域变化造成的环境温度变化。即使是在环境温度变化不大的温带,负荷的变化就会使得变压器损耗发生变化,进而对散热情况提出了不同要求。因此,根据工况变化的频繁程度,合理选择不同的散热方式,对于降低运行成本是非常有效的。随着变电站自动化程度的提高,这也是非常容易实现的。

参考文献

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