专利名称：一种喷淋式蒸发冷却变压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变压器，特别涉及喷淋式蒸发冷却变压器。
背景技术：
目前，绝大部分变压器所采用的冷却方式是空冷、水冷、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和申请号为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作为冷却介质，将冷却介质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中，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，由于氟氯烃类化合物的使用受到了限制，这类变压器只能改用符合环保要求的蒸发冷却介质，同时由于符合环保要求的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地克服油浸式变压器、干式变压器的缺点，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。
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，很大程度上节省了昂贵的蒸发冷却介质的用量。
日本三菱电机曾于1982年前后提出了一种SF6气体绝缘喷淋式蒸发冷却变压器，即在油箱底部充入氟碳化合物C8F16O液体，并用泵(液体驱动泵)将其驱动到铁心和线圈上部的集液槽上，最终喷淋到线圈上，在氟碳化合物滴落到线圈的过程中，一部分液态氟碳化合物由于吸收线圈的热量变成气态，热蒸汽被安装在油箱箱壁上的泵(气体驱动泵)驱动到油箱外面的散热器或冷却器中，被冷凝成液态后由管道流回油箱底部，油箱内充满了用作绝缘介质的SF6气体也由该气体驱动泵驱动到散热器内再进入油箱上部，进行如此周而复始的气体循环。另一部分未变成气态的液态氟碳化合物直接滴落在油箱底部再由泵(液体驱动泵)将其驱动到铁心和线圈上部的集液槽上进行下一轮的液体循环。该蒸发冷却变压器只需少量氟碳化合物作为蒸发冷却介质，较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而言，也不失为一个经济合理的结构。但是其气体冷却循环系统和液体喷淋循环系统均需要泵驱动，而其所采用的绝缘气体仅为SF6，该气体的GWP值为23900，属于非环保的介质，所采用的氟碳化合物也仅为C8F16O和C8F18两种，并且对于工作在环境温度很低、负荷很小的高电压变压器，存在着液体介质喷淋过程中吸收线圈热量不够以至产生气态介质量太少影响绝缘的问题。
发明内容
为克服现有的蒸发冷却变压器在上述方面的不足，本发明提出了一种喷淋式蒸发冷却变压器。
本发明一方面由于将蒸发冷却介质喷淋到线圈上，大大降低了蒸发冷却介质用量，提高了经济性；另一方面，与日本三菱电机的喷淋式蒸发冷却变压器相比，本发明还有如下优点1、借助蒸发冷却介质吸热汽化后密度变小自动出现的浮升动力，使氟碳化合物气体或其与其它气体构成的混合气体(热蒸汽)自动进入到变压器的冷凝器或冷却循环系统中，热蒸汽被冷却重新凝结成液体，流回到变压器的器身表面，形成自循环，或者说推动热蒸汽循环的过程不需要泵，整体结构简单；在此无泵自循环过程中，变压器的发热量决定了所需冷却介质的循环流量，冷凝器与油箱连接处的结构尺寸与循环流量共同决定了气体流速，根据变压器的发热量、冷却介质的循环流量、气体流速以及二次交换介质的具体参数(对水冷冷凝器而言，是指二次水的流速、进出水温度，对风冷冷凝器而言，是指风速和进出口风温)则可设计出所需的冷凝器，该设计合理的冷凝器能够充分保证足够强度的无泵自循环的实现。
2、所选用的作为绝缘介质的气体不局限于SF6，还包括氟碳化合物气体、SF6和氟碳化合物气体的混合物、SF6和N2、CO2等的混合物、SF6和其他气体的混合物、氟碳化合物气体和N2或其他气体的混合物，其中氟碳化合物包括CF4、CF3Br、C2F6、C3F6、C3F8、c-C4F8、C4F10、C5F10、C5F12、C6F12、C6F14、C7F8、C7F14、C7F16、C8F16等。减少或彻底不使用非环保的气体SF6，使本发明具有良好的环保性；上述气体绝缘介质的绝缘性能不尽相同，每一种气体绝缘介质和不同比例的气体绝缘介质混合物在不同的压力下有不同的击穿电压，应选用在气体(或混合气体)工作压力下满足变压器的电压等级对应的绝缘水平要求的气体绝缘介质或混合气体绝缘介质。
3、所选用的液态冷却介质除C8F160和C8F18外，还包括以下几个系列1)Vertrel系列，包括XF(HFC 43-10mee)、HFC-23、HFC-125、HFC-134a、HFC-143a、HFC-152a、XM(HFC 43-10/甲醇)、XE(HFC 43-10/乙醇)、XP(HFC 43-10/IPA)、MCA(HFC 43-10/t-DCE)、MCA+(HFC 43-10/t-DCE/环戊烷)、SMT(HFC 43-10/t-DCE/甲醇)、XMS(HFC 43-10/t-DCE/环戊烷/甲醇)、XMS+(HFC 43-10/t-DCE/环戊烷/甲醇)、X-DA(HFC 43-10/表面活性剂/抗静电剂)、X-B3(HFC 43-10/乙二醇丁醚)、Xsi(HFC43-10/OS-10)、XH、X-P10等。2)ASAHIKLIN系列，包括AE-3000，AE-3100E，AK225等。3)全氟叔胺系列，包括全氟三乙胺(简称FY-131)、全氟三丙胺、全氟三丁胺(简称FY-111)、全氟三戊胺(简称FY-121)、全氟环醚(简称FY-04)，以及美国3M公司的以下牌号的注册产品FC-40、FC-43、FC-70、FC-71、FC-72、FC-722、FC-75、FC-77、FC-84、FC-87、FC-104、FC-3283、FC-5312、H-27、H-125、H-100、H-400、H-190、HFE-7100、PF-5060、PF-5080、FX-3250等，这加大了液态冷却介质的选用范围。上述液态冷却介质的绝缘性能、沸点、价格以及与变压器材料的相容性等均不尽相同，应根据变压器具体要求进行选用。推荐优先选用沸点高于其一年中的最高环境温度、与变压器油箱内材料相容性好、价格较低廉的液态冷却介质，对于高压变压器，还应选用绝缘性能较高的液态冷却介质。
4、为保证高压变压器在环境温度很低，负荷很小的情况下的绝缘性能，本发明对于高压电力变压器采取了以下三种办法1)设置了电阻器，使得在环境温度很低，负荷很小的情况下，通过加热电阻器保证足够的冷却介质蒸发为气体，以保证变压器的绝缘水平；2)变压器外部装设增压装置，当在线监测系统检测到的变压器内部绝缘气体的气压小于临界值时，自动开启增压装置，提高变压器内部的气压；3)适当增高变压器内部初始预设的绝缘气体的气压。
以上三种方法，要根据实际情况酌情选用，或者几种方法综合采用。
在常温常压下，以气体(或液体)状态存在的氟碳化合物介质可作为本发明专利中所提到的气态(或液态)绝缘介质。该类介质大多具有电负性、无毒(或低毒)、环保指标(ODP值或GWP值)明显优于SF6，绝缘性能优于或相当于SF6、化学性能稳定、传热特性良好等特点。
本发明由铁心、线圈、油箱、气体无泵自循环冷却系统和液体喷淋循环系统组成。
本发明的气体无泵自循环冷却系统由进气管、冷凝器和回液管组成。进气管上部与冷凝器相连，冷凝器底部与回液管相连。气态介质可通过进气管进入冷凝器中并被冷凝后进入回液管中。
本发明的液体喷淋循环系统由喷淋导管、导液板、泵组成。导液板上开设有导液孔。导液板上部与喷淋管上部相连，喷淋管下部与泵上部相连，液态介质可在泵的作用下通过喷淋导管喷淋在导液板上。
本发明变压器各个部件之间的位置关系如下在变压器油箱箱底的上面是变压器的器身含铁心、线圈和引线等。变压器油箱箱底上设置有蒸发冷却介质汇流槽，以便收集蒸发冷却液体并通过泵和管道将其输送到油箱上部实现喷淋。在变压器器身的上面是气体无泵自循环冷却系统，气体可以直接与安装在油箱顶盖之下的冷凝器的冷却管接触实现冷凝，也可以通过导气管进入油箱外部的可拆卸的冷凝器内实现冷凝。冷凝成液态的蒸发冷却介质通过回液管流回到液体喷淋循环系统的喷淋导管或导液板上，也可以流到箱底。气体绝缘介质代替变压器油充满在油箱内液态冷却介质的上部，液体蒸发冷却介质则只喷淋到了铁心和线圈的表面，汽化吸热后变成气态，上升到油箱顶部。
本发明喷淋式蒸发冷却变压器的工作原理及过程当变压器工作时，位于油箱底部的液态冷却介质被泵驱动进入喷淋导管中，并喷淋到导液板上。喷淋到导液板上的液态冷却介质从导液板上开设的导液孔内滴落到线圈内，在滴落过程中，液态冷却介质吸收线圈产生的热量，一部分被蒸发成气态，由于气体的密度小，于是这部分气体与油箱内充满的绝缘气体一起上升通过进气管或直接进入到冷凝器中。由于油箱内充满的绝缘气体是非冷凝气体(即在变压器工作温度下始终保持气态的气体)，且其密度低于气态冷却介质，所以被压缩在冷凝器的上部空间，而气态冷却介质进入冷凝器后被冷凝成液态并通过回液管回到油箱底部，或通过回液管滴落到导液板上，或通过过回液管流入到喷淋导管中，或直接从冷凝器内滴落到油箱内，油箱底部的液体被泵驱动进入喷淋导管中，进行下一次循环。另一部分液态冷却介质吸收线圈产生的热量没有被蒸发为气态，直接滴落到油箱底部，被泵驱动进入喷淋导管中进行下一次液体喷淋循环。
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~图5是本发明喷淋式蒸发冷却变压器的具体实施方式
之一、二、三、四、五的结构示意图；
图1a、图2a、图3a、图4a、图5a为主视图，图1b、图2b、图3b、图4b、图5b为A-A剖视图。
图中10铁心、20线圈、30油箱、40绝缘气体、50冷却介质、60进气管、70冷凝器、80回液管、90泵、100喷淋导管、110导液板、120支架、130导液孔、140电阻器、150加热电源、160增压装置。
具体实施例方式
本发明蒸发冷却变压器由铁心10、线圈20、油箱30、绝缘气体40、冷却介质50、进气管60、冷凝器70、回液管80、泵90、喷淋导管100、导液板110、支架120、导液孔130、电阻器140、备用加热电源150、增压装置160组成。
本发明喷淋式蒸发冷却变压器具体实施方式
之一如图1a、b所示，该变压器为单相变压器，油箱30底部充入液态冷却介质50，油箱30内液态冷却介质50上部充满绝缘气体40，铁心10上部与支架120下部相连，支架120上部与导液板110下部相连，导液板110上开设有导液孔130，导液板110上部与喷淋管100上部相连，喷淋管100下部与泵90上部相连，泵90下部与油箱30底部相连。油箱30上部还与进气管60下部相连，进气管60上部与冷凝器70相连，冷凝器70底部与回液管80上部相连，回液管80下部与油箱30底部相连。对于高压变压器，油箱30底部还放置了电阻器140，电阻器140与备用加热电源150相连。对于低压或中压变压器，可以不设置电阻器140和备用加热电源150。喷淋导管100和导液板110的数量可以如图1a、b所示为1根和1块，也可以为数根和数块；导液板110的形状可以如图1a、b所示，也可以任意；导液板110上开设的导液孔130的形状、个数、排列方式可以如图中所示，也可以为任意。此外，支架120可以如图1a、b所示连接在铁心夹件与导液板110之间(支撑式)，也可以连接在导液板110与油箱30顶盖之间(悬挂式)；导液板110与喷淋导管100可以如图1a、b所示相连，也可以不相连。
本发明喷淋式蒸发冷却变压器具体实施方式
之二如图2a、b所示，该变压器为单相变压器，油箱30底部充入液态冷却介质50，油箱30内液态冷却介质50上部充满绝缘气体40，铁心10上部与支架120下部相连，支架120上部与导液板110下部相连，导液板110上开设有导液孔130，导液板110上部与喷淋管100上部相连，喷淋管100下部与泵90上部相连，泵90下部与油箱30底部相连。油箱30上部还与进气管60下部相连，进气管60上部与冷凝器70相连，冷凝器70底部与回液管80上部相连，回液管80下部与导液板110上部相连。对于高压变压器，油箱30底部还放置了电阻器140，电阻器140与备用加热电源150相连。对于低压或中压变压器，可以不设置电阻器140和备用加热电源150。喷淋导管100和导液板110的数量可以如图2a、b所示为1根和1块，也可以为数根和数块；导液板110的形状可以如图2a、b所示，也可以任意；导液板110上开设的导液孔130的形状、个数、排列方式可以如图2a、b中所示，也可以为任意。此外，支架120可以如图2a、b所示连接在铁心夹件与导液板110之间(支撑式)，也可以连接在导液板110与油箱30顶盖之间(悬挂式)；导液板110与喷淋导管100可以如图2a、b所示相连，也可以不相连。这种实施方式与第一种实施方式的不同之处在于回液管80下部与导液板110上部相连，而非与油箱30底部相连。
本发明喷淋式蒸发冷却变压器具体实施方式
之三如图3a、b所示，该变压器为单相变压器，油箱30底部充入液态冷却介质50，油箱30内液态冷却介质50上部充满绝缘气体40，铁心10上部与支架120下部相连，支架120上部与导液板110下部相连，导液板110上开设有导液孔130，导液板110上部与喷淋管100上部相连，喷淋管100下部与泵90上部相连，泵90下部与油箱30底部相连。油箱30上部还与进气管60下部相连，进气管60上部与冷凝器70相连，冷凝器70底部与回液管80上部相连，回液管80下部与喷淋导管100相连。对于高压变压器，油箱30底部还放置了电阻器140，电阻器140与备用加热电源150相连。对于低压或中压变压器，可以不设置电阻器140和备用加热电源150。喷淋导管100和导液板110的数量可以如图3a、b所示为1根和1块，也可以为数根和数块；导液板110的形状可以如图3a、b所示，也可以任意；导液板110上开设的导液孔130的形状、个数、排列方式可以如图3a、b中所示，也可以为任意。此外，支架120可以如图3a、b所示连接在铁心夹件与导液板110之间(支撑式)，也可以连接在导液板110与油箱30顶盖之间(悬挂式)；导液板110与喷淋导管100可以如图3a、b所示相连，也可以不相连。这种实施方式与前两种实施方式的不同之处在于回液管80下部与喷淋导管100相连，而非与导液板110上部相连，也非与油箱30底部相连。
本发明喷淋式蒸发冷却变压器具体实施方式
之四如图4a、b所示，该变压器为单相变压器，油箱30底部充入液态冷却介质50，油箱30内液态冷却介质50上部充满绝缘气体40，铁心10上部与支架120下部相连，支架120上部与导液板110下部相连，导液板110上开设有导液孔130，导液板110上部与喷淋管100上部相连，喷淋管100下部与泵90上部相连，泵90下部与油箱30底部相连。油箱30上部直接与冷凝器70底部相连通。对于高压变压器，油箱30底部还放置了电阻器140，电阻器140与备用加热电源150相连。对于低压或中压变压器，可以不设置电阻器140和备用加热电源150。喷淋导管100和导液板110的数量可以如图所示为1根和1块，也可以为数根和数块；导液板110的形状可以如图4a、b所示，也可以任意；导液板110上开设的导液孔130的形状、个数、排列方式可以如图4a、b中所示，也可以为任意。此外，支架120可以如图所示连接在铁心夹件与导液板110之间(支撑式)，也可以连接在导液板110与油箱30顶盖之间(悬挂式)；导液板110与喷淋导管100可以如图4a、b所示相连，也可以不相连。这种实施方式与前三种不同之处在于取消了进气管60和回液管80，冷凝器70与油箱30之间直接连通。
本发明喷淋式蒸发冷却变压器具体实施方式
之五如图5所示，该具体实施方式
与前四种实施实施方式的不同之处在于，对于高压变压器，油箱30底部并没有放置电阻器140，而是在油箱外部设置了增压装置160，当在线监测系统检测到的变压器内部绝缘气体的气压小于临界值时，自动开启增压装置，提高变压器内部的气压。
该实施方式中的增压装置可以是带阀门的压力罐，阀门开启后液体从高气压的压力罐中喷出立刻成为气体进入低气压的油箱30内以提高变压器内部的气压。也可以是传统的带泵的气体存储容器，利用泵的驱动将气体存储容器中的气体充入油箱30内以提高变压器内部的气压，当油箱30内的气压过高时，也可利用泵的驱动将油箱30内的气体回收到气体存储容器中。该实施方式中的增压装置除如图5适用于实施方式一外，还同样适用于实施方式二、三和四。
以上具体实施方式
也适合于三相变压器。
以上具体实施方式
所涉及的线圈20是高压、中压、低压、调压、平衡线圈等多个线圈的示意。
以上具体实施方式
即适合于壳式变压器也适合于心式变压器。
以上具体实施方式
即适合于有载调压变压器也适合于无载调压变压器。
以上具体实施方式
即适合于变压器也适合于电抗器。
本发明所采用的冷凝器可以是水冷凝器或风冷凝器两类，如果二次冷却媒质为水，则采用水冷凝器；如果二次冷却媒质为空气，则采用空气冷凝器。
本发明喷淋式蒸发冷却变压器的工作原理是当变压器工作时，位于油箱30底部的液态冷却介质50被泵90驱动进入喷淋导管100中，并喷淋到导液板110上，喷淋到导液板110上的液态冷却介质50从导液板上开设的导液孔130内滴落到线圈20内，在滴落过程中，液态冷却介质50吸收线圈20产生的热量，一部分被蒸发成气态，由于气体的密度小，于是这部分气体与油箱30内充满的绝缘气体40一起上升通过进气管60(前三种实施方式)或直接(第四种实施方式)进入到冷凝器70中，由于油箱30内充满的绝缘气体40是非冷凝气体(即在变压器工作温度下始终保持气态的气体)，且其密度低于气态冷却介质50，所以被压缩在冷凝器70的上部空间，而气态冷却介质50进入冷凝器70后被冷凝成液态并通过回液管80回到油箱30底部(第一种实施方式)或通过回液管80滴落到导液板110上(第二种实施方式)或通过过回液管80流入到喷淋导管100中(第三种实施方式)或直接从冷凝器70内滴落到油箱30内(第四种实施方式)(此为气体冷却循环系统)，油箱30底部的液体被泵90驱动进入喷淋导管100中，进行下一次循环(此为液体喷淋循环系统)；另一部分液态冷却介质50吸收线圈20产生的热量没有被蒸发为气态，直接滴落到油箱底部，被泵90驱动进入喷淋导管100中进行下一次液体喷淋循环。
此外，对于高压变压器而言，在环境温度很低，负荷很小的情况下，由于线圈20发热量很小，被喷淋到线圈上的液态冷却介质50中只有少量被蒸发成气态，因此线圈周围的绝缘水平降低，为了保证这种工况下的绝缘水平，本发明采用了三种方法1、油箱30底部增设了电阻器140，当环境温度很低，负荷很小时，启动备用加热电源150，加热电阻器140，使油箱30底部的冷却介质50蒸发以便产生更多的气态冷却介质，提高线圈20的绝缘水平；2、变压器外部装设增压装置，当在线监测系统检测到的变压器内部绝缘气体的气压小于临界值时，自动开启增压装置，提高变压器内部的气压；3、适当增高变压器内部初始预设的绝缘气体的气压，使得在只有少量液态冷却介质50被蒸发成气态的情况下，依靠预先充入的绝缘气体也能够保证变压器足够的绝缘强度。以上三种方法，需要根据实际情况酌情选用，或者几种方法综合采用。
权利要求
1.一种喷淋式蒸发冷却变压器，包括铁心[10]、线圈[20]、油箱[30]、气体无泵自循环冷却系统和液体喷淋循环系统；液体喷淋循环系统由喷淋导管[100]、导液板[110]、泵[90]组成，其特征在于气体无泵自循环冷却系统由进气管[60]、冷凝器[70]和回液管[80]组成；在油箱[30]箱底的上面是变压器的器身含铁心、线圈和引线等，变压器油箱箱底上设置有蒸发冷却介质汇流槽，变压器器身的上面为气体无泵自循环冷却系统；油箱[30]底部充入液态冷却介质[50]，油箱[30]内液态冷却介质50上部充满绝缘气体[40]，铁心[10]上部与支架[120]下部相连，支架[120]与导液板[110]相连，导液板[110]上开设导液孔[130]，导液板[110]上部为喷淋导管[100]，喷淋管[100]下部与泵[90]上部相连，泵[90]下部与油箱[30]底部相连；油箱[30]上部还与进气管[60]下部相连，进气管[60]上部与冷凝器[70]相连，冷凝器[70]底部与回液管[80]上部相连，回液管[80]下部与油箱[30]底部或导液板[110]或喷淋导管[100]相连。油箱[30]还可直接与冷凝器[70]相连通。
2.按照权利要求1所述的喷淋式蒸发冷却变压器，其特征在于，对于高压变压器，油箱[30]底部还可放置电阻器[140]，电阻器[140]与备用加热电源[150]相连，或在油箱[30]外部设置增压装置[160]，或适当增高变压器内部初始预设的绝缘气体的气压；对于低压或中压变压器，可以不设置电阻器[140]和备用加热电源[150]。
3.按照权利要求1所述的喷淋式蒸发冷却变压器，其特征在于增压装置可以是带阀门的压力罐或气体存储容器。
4.按照权利要求1所述的喷淋式蒸发冷却变压器，其特征在于绝缘气体[40]为SF6、氟碳化合物气体、SF6和氟碳化合物气体的混合物、SF6和N2、CO2的混合物、SF6和其他气体的混合物、氟碳化合物气体和N2、CO2或其他气体的混合物。
5.按照权利要求1所述的喷淋式蒸发冷却变压器，其特征在于冷却介质[50]所选用的液体除C8F16O和C8F18外，还包括Vertrel系列、ASAHIKLIN系列、全氟叔胺系列，以及美国3M公司的以下牌号的注册产品FC-40、FC-43、FC-70、FC-71、FC-72、FC-75、FC-722、FC-77、FC-84、FC-87、FC-104、FC-3283、FC-5312、H-27、H-125、H-100、H-400、H-190、HFE-7100、PF-5060、PF-5080、FX-3250。
全文摘要
本发明涉及一种喷淋式蒸发冷却变压器，由铁心[10]、线圈[20]、油箱[30]、气体无泵自循环冷却系统和液体喷淋循环系统组成。气体无泵自循环冷却系统由进气管[60]、冷凝器[70]和回液管[80]组成。进气管[60]上部与冷凝器[70]相连，冷凝器[70]底部与回液管[80]相连。液体喷淋循环系统由喷淋导管[100]、导液板[110]、泵[90]组成。油箱[30]底部充入液态冷却介质[50]，油箱[30]内液态冷却介质[50]上部充满绝缘气体[40]。对于高压变压器，油箱[30]底部还可放置电阻器[140]，电阻器[140]与备用加热电源[150]相连，或在油箱[30]外部设置增压装置[160]，或适当增高变压器内部初始预设的绝缘气体的气压。
文档编号H01F27/10GK1822258SQ20061001150
公开日2006年8月23日 申请日期2006年3月17日 优先权日2006年3月17日
发明者张国强, 郭卉, 顾国彪 申请人:中国科学院电工研究所