专利名称：冷却变压器的系统和方法
技术领域：
本发明总的涉及变压器冷却领域，更具体地说，涉及利用一种流体-空气热交换器(a fluid to air heat exchanger)的变压器的介电流体冷却器。
背景技术：
动力传输工业使用各种容量的变压器。例如，在大的动力工厂中使用大功率的变压器去升高电压，以便接下去传输；而为了居民社区和工业区供电，则使用较小的分配变压器，以降低电压。变压器的额定输出有几千伏，因此在工作过程中，可以产生大量的热。如果不能很好地消除这些热量，则热可以损坏变压器，缩短变压器的预期寿命或甚至使变压器不能工作。大多数功率大的变压器要浸入介电流体中，以使零件绝缘和冷却。一般的介电绝缘流体包括标准的矿物油、高温矿物油和高温合成流体。
在工作过程中，利用变压器中的介电流体或油与变压器周围的空气的自然循环(ONAN)可以充分冷却变压器。利用油和空气的自然循环，流体通过变压器芯和外部热交换器或冷却器，利用自然的热对流进行循环。变压器外面的冷却器可允许空气的自然对流。一般，因为自然对流的效率较低，因此需要大的热交换器。
为了克服ONAN式冷却的限制，可以使用油和强制的空气系统的自然循环(ONAF)。介电流体利用自然的热对流，通过变压器芯和外部冷却器进行循环。变压器外面的热交换器或冷却器可以容纳迫使空气在冷却器上面通过的风扇。这可以改善热交换器的冷却特性，从而减少达到同样冷却量所需要的热交换器数目。这还可使变压器/冷却器组合的总尺寸较小。
为了进一步增加热容量，使用强制油和强制空气(OFAF)冷却。利用泵迫使油通过变压器。变压器中的流体速度增加，使热交换器材料和流体之间的传热更快。当使用ONAF(油和强制空气系统自然循环)时，空气被迫从热交换器上通过，从而提高热交换器的冷却效率。
散热器是冷却变压器中的介电流体所用的最普通的热交换器。散热器有各种形状和结构。一种形式的冷却器是管式散热器，它用碳钢管焊接成一个联管箱。另一种更普通式的冷却器是用碳钢板堆叠起来形成一个散热器部件这样制成的。这些散热器可以用在由几个单独的散热器部分组成的一组散热器中，这些单个的散热器部分用螺钉直接固定在变压器的侧面上。在工作过程中，介电流体进入散热器的顶部，并从其底部流出，从而从变压器流入散热器的钢板中。为了进行冷却，空气垂直地流过散热器板，将流体中的热带走。如上所述，空气的自然对流对于要达到理想的冷却特性是不够的。因此，安装了风扇，来促使空气流过散热器板，改善冷却。然而，一般风扇安装成使空气水平地流过散热器板，因此不能利用周围空气的自然热流动特性。另外，当前的散热器工艺需要大量的空间来冷却介电流体。当要求的冷却量增加时，单个的散热器板作为传热机构效率低。
板式散热器一般由薄的材料制成，并且在每一块板周边周围有一条焊缝。这个焊缝是主要的腐蚀位置，因此设计时必需考虑这点。另外，碳钢和其他用于制造散热器的材料的导热性较差。
因为散热器充满介电流体，因此，当散热器的数目和尺寸增加时，介电流体的量也要增加。本领域中技术熟练的人知道，这不仅会增加变压器的成本，而且增加重量和影响变压器的重心；从而需要有另外的结构来增强变压器的一组散热器。
在ONAF模式下，冷却系统使用小的风扇，这可使散热器上的应力最小。小风扇不能使大量的空气运动，因此，如果设计要求非常大量的冷却空气，则需要许多风扇。在冷却系统中使用许多风扇会产生其他的问题，例如，增加导线、空气分配不好、维修成本增加和电气损失增大。
如上所述，当散热器在自然流体流动条件下工作时，流体的流动是由于热油和冷油之间的相对密度差别造成的。如同在任何流体系统中一样，这个系统遵循流量与阻力的关系曲线，即当系统的阻力或压力降增加时，流体流量减小。当考虑一个散热器时，最外的板(离油箱最远)中的油流量较少，因为油必需流动更远才能达到外板，因此会遇到更大的阻力。这样，油的冷却效果不是最大的，造成介电流体冷却效率低。
虽然，现有技术公开了冷却通过变压器流动的介电流体的各种系统，但仍需要有一种比传统的变压器冷却装置小和轻，能更有效地冷却介电流体的传热装置。本发明可以满足这些和其他的需要，并可克服现有技术的缺点。
发明内容
一般来说，本发明提供了一种用于冷却通过变压器流动的介电绝缘流体的冷却系统。该系统包括一根或多根具有顶孔和底孔的冷却管。每一根管都有多个在径向突出出来的、沿纵向延伸的内部翅片和外部翅片。另外，通过将该外部翅片的一部分连接，可将冷却管沿其纵轴线互相连接，形成一个管束结构。设有一个或多个分配器头部，它们与变压器和冷却管的顶孔之间流体连通。另外，还设有一个或多个收集器头部，它们与变压器和冷却管的底孔之间流体连通。最后，管束结构的外部翅片形成多个垂直的空气通道。
根据本发明的另一个方面，提供了一种冷却通过变压器流动的介电绝缘流体的方法。根据该方法，介电绝缘流体从变压器通过一根或多根垂直管循环，而气流通过由管互相连接形成的垂直空气通道循环，冷却介电绝缘流体。
本发明提供了利用流体-空气热交换器以冷却通过变压器流动的介电流体的冷却变压器的系统和方法。该系统包括多根与变压器流体连通用以冷却介电流体的铝制冷却管。该管形成垂直的空气通道，使系统可利用反向的气流自然对流来冷却流体。
从下面对附图和本发明的优选实施例的详细说明中，将更容易了解本发明的这些和其他目的与优点。其中图1为相对于一个电气变压器放置的优选变压器冷却系统的透视图；图2为相对于示意性地表示的电气变压器放置的图1所示的优选变压器冷却系统的侧视图；图3为图2中的箭头所示方向上沿3-3线的本发明的放大局部端视图；图4为图3中的箭头所示方向上沿4-4线的本发明冷却管的放大横截面图；图5为将电气变压器的一部分剖开，以便进一步表示在本发明的工作过程中，介电流体流动和空气流动的图2所示的优选变压器冷却系统的侧视图。
具体实施例方式
现在更详细地来看附图。首先从图1和图2开始，本发明的冷却系统用附图标记10表示。冷却系统10用于冷却使采用流体-空气热交换器的电气变压器的绕组和其他内部零件绝热和电绝缘的介电绝缘流体。在一个优选实施例中，冷却系统10由多根冷却管12组成，这些冷却管通过一个或多个分配器头部16和收集器头部18与电气变压器14流体连通。分配器头部16使变压器14的垂直方向上部与冷却管12的上部连接。与分配器头部16对称相同的收集器头部18，将变压器14的垂直方向下部与冷却管12的下部连接起来。可以理解，有许多硬件结构可将冷却管12与变压器14连接起来，这些结构都包括在本发明的范围内。
图3为沿图2的3-3线的箭头方向看的冷却系统10的局部端视图。参见图1，2和3可看出，在一个优选实施例中，每一个分配器头部16都有一根与变压器流体连通的导管20。一个或多个翼型伸长部分22从该导管20向外伸出，并与导管20流体连通。每一个翼型伸长部分22的底面都有多个开口或孔(未示出)，它们与冷却管12的上部连接，并与该上部流体连通，以完成与变压器14的连接。收集器头部18与分配器头部16对称相同，它包括一个导管24；而相应的翼型伸长部分26与冷却管12的下部流体连通。
如上所述，该冷却系统包括多根与变压器流体连通的冷却管12。图4表示沿图3的4-4线所取的冷却管12的放大横截面图。冷却管12最好是圆形的，并由挤压的铝制成。铝的优良性质是，它是良好的导热体，重量轻，不会腐蚀。应当了解，任何具有这些特性的材料都包括在本发明的范围内。如下面将要详细的说明那样，每一根冷却管12都有一个垂直流体通道28和多个彼此隔开的外部翅片，使多根冷却管12互相连接，形成蜂窝状结构的垂直空气通道30。最好，每一根冷却管12都有一个管壁32；六个彼此隔开的沿径向延伸的内部翅片34；六个彼此隔开的沿径向延伸的外部冷却翅片36；三个彼此隔开的沿径向延伸的外部爪式翅片38；和三个在外部冷却翅片36之间，彼此交替地隔开的、沿径向延伸的外部球形翅片40。所有的翅片都沿每一根冷却管12的冷却管壁32的表面在纵向延伸。
六个内部翅片34从冷却管壁32的内表面伸出，并且在冷却管壁32的内圆周周围均匀隔开。内部翅片34沿径向向内向着冷却管12的中心伸出一大约为冷却管半径一半的距离。当介电流体通过冷却管12流动时，这些内部翅片34可帮助带走介电流体的热。
十二个外部翅片36，38和40沿冷却管壁32的外表面在纵向延伸，并且沿径向从冷却管壁32向外伸出一大约为冷却管12的直径的距离。另外，所有的内部和外部翅片34、36、38和40沿翅片表面有纵向槽或通道。这可以形成附加的表面积，可以更好地冷却流经冷却管12内部的介电流体。
外部爪式翅片38和外部球形翅片40与管壁32连接，并且围绕管壁32的圆周在外部冷却翅片36之间交替地均匀隔开。三个外部爪式翅片38和三个外部球形翅片40沿冷却管壁32设置，使得当看图4所示的冷却管12的横截面时，这些外部翅片38和40似乎与六个内部翅片34连接，从冷却管12的内部，通过冷却管壁32向外突出出来。另外，翅片这样布置当围绕着冷却管壁32顺时针方向运动时，冷却翅片36后面是爪式翅片38，爪式翅片后面是另一个冷却翅片36，再后面是一个球形翅片40。爪式翅片38和球形翅片40的爪部分42和球部分44分别与它们的终端固定。该爪式翅片38和球形翅片40设计成使得通过爪式部分42和球形部分44匹配以形成一个蜂窝式互锁结构或管束46，而将多根冷却管12连接在一起，形成冷却系统。
由冷却管12互相连接构成的管束46形成垂直的空气通道或通路30。空气通道30沿冷却管翅片36、38和40的整个外表面延伸，利用自然对流和热虹吸作用，使空气从冷却系统10的底部垂直地流向顶部。热虹吸作用或“烟囱效应”是当收集在由冷却管及其相应的外部翅片形成的有限空间中的空气在垂直方向迅速膨胀产生的。在向上垂直方向上空气的迅速膨胀使空气流动的速度较大，造成传热较快。这样，烟囱效应利用流动空气的自然性质，产生对介电流体的更大的冷却作用。应当理解，利用空气的热虹吸作用来冷却介电流体的冷却管12的其他结构都在本发明的范围内。
图5为进一步表示本发明的介电流体和空气流动的图2所示的冷却系统和其相应的变压器的示意图。在工作过程中，变压器14产生的热使包围变压器芯50的介电流体48对流，向上流至变压器盖52的顶部并进入分配器头部16中。分配器头部16内的导管20接收流体48，并且当流体开始冷却时，流体经过翼型伸长部分22，通过各个冷却管12下降。在冷却管12中的介电流体48迅速冷却，并下降至收集器头部18中的翼型伸长部分26中。流体48再流入收集器头部18的导管24中，再流入变压器盖52，在该盖中加热，循环再次开始。可以利用几种流体作为介电流体，包括矿物油和高温合成流体。
在冷却过程中，周围的空气在箭头54所示的方向上被吸入冷却系统10中，首先被在冷却系统10下部的收集器头部18稍微加热。然后，空气向上通过垂直空气通道30被加热、膨胀和加速。最后，在箭头56所示的方向上，空气向上流动通过分配器头部16流至周围大气中，而流出冷却系统10，同时带走介电流体48的热。如上所述，空气垂直流动的自然对流可以更有效地冷却介电流体。应当理解，其他的空气垂直流动通过冷却系统的方法都在本发明的范围内。
当使用传统的变压器热交换器或冷却系统时，为了进一步冷却介电流体，可以使用强制的空气，强制的流体和二者的综合。在自然油和强制空气(ONAF)结构中，在管束46底部连接有风扇58(图2，3和5)。这可使在冷却管12上的空气垂直流量增加，可以更好地冷却介电流体。
另外，利用强制油和自然空气(OFAN)的结构也可以进行冷却。在变压器内部安装有泵(未示出)，可以增加流体在变压器芯50上和通过冷却管12的流动。这也可以有增加介电流体冷却的作用。将强制油和强制空气结合(OFAF)起来可以更提高冷却系统的冷却特性。
采用上述结构和工作方式的冷却系统利用多根垂直的铝制冷却管来除去电气变压器中所用的介电流体的热。在一个优选实施例中，连接的管形成利用自然对流和热虹吸作用的垂直空气通道，来冷却流经冷却管的介电流体。通过利用流经冷却系统的空气的自然热性质的热虹吸作用，可以更好地冷却流体。这样，当在传统散热器上通过安装风扇以强迫空气水平地在散热器上流动而达到更大的冷却效果时，采用本发明的冷却系统，可以减少风扇的数目或完全不要风扇也可达到与传统散热器同样程度的冷却效果。
由于本发明的冷却效率较高，因此冷却变压器所需的冷却管可以较少。冷却管较少使流体至空气热交换器结构比传统变压器散热器结构小和轻许多。在变压器设计中，尺寸的考虑是很重要的，特别是对于在空间有限的地区使用的变压器更是如此，例如在安装变压器分站的地面面积有限的城市地区。冷却系统较小还可减小变压器上的机械应力。另外，因为管子数目较少，冷却变压器所需要的介电流体也少。
本发明的另一个优点是冷却管是用铝制成的。这可以进一步减少散热器冷却系统的重量和防在变压器结构上的过大的应力。铝的导热性比在传统变压器散热器中使用的碳钢要好。
变压器散热器中的焊缝是腐蚀的主要地方。如上构造的冷却系统使用的焊缝大约只有传统变压器散热器中使用的焊缝的15％，因此可减少冷却系统结构质量降低的机会。
从以上所述与该结构所固有的优点一起可以看出，本发明可以满足上述的所述要求和目的。
应当了解，一些特点和它们的分组合是有用的，可以不参考其他的特点和分组合就可以使用。这都包括在权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用于冷却流经变压器的介电绝缘流体的冷却系统，该系统包括多根基本垂直排列的冷却管，其中各管有顶孔和底孔，并且这些管互相连接而形成管束结构；一个或多个分配器头部放置在变压器和冷却管顶部孔之间，并与变压器和冷却管顶孔流体连通；一个或多个收集器头部放置在变压器和冷却管底孔之间，并与变压器和冷却管底孔流体连通；另外，互相连接的管束结构构成多个垂直的空气通道。
2.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，冷却管还包括多个沿径向向外突出的外部翅片，这些翅片沿管的外表面在纵向延伸。
3.如权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，冷却管还包括多个沿径向向内突出的内部翅片，这些翅片沿管的内表面在纵向延伸。
4.如权利要求3所述的冷却系统，其特征在于，翅片具有与冷却管平行的纵向槽。
5.如权利要求3所述的冷却系统，其特征在于，内部翅片和外部翅片都均匀地彼此隔开一段距离。
6.如权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，外部翅片包括多个沿径向从管的外表面向外突出的外部爪式翅片，每一个外部爪式翅片的末端都有一个爪。
7.如权利要求6所述的冷却系统，其特征在于，外部翅片包括多个沿径向从管的外表面向外突出的外部球形翅片，每一个外部球形翅片的末端都有一个球。
8.如权利要求7所述的冷却系统，其特征在于，爪式翅片和球形翅片设计成可以互相连接而形成所述管束结构。
9.如权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，外部翅片包括多个沿径向从管的外表面向外突出的外部冷却翅片。
10.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，冷却管由铝制成。
11.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，一个或多个分配器头部中的每一个包括与变压器流体连通的导管；和与导管流体连通的从导管伸出的一个或多个翼型伸长部分，其中，一个或多个翼型伸长部分中的每一个包括具有多个孔的底面。
12.如权利要求11所述的冷却系统，其特征在于，翼型伸长部分的每一个孔都与相应冷却管的顶孔流体连通。
13.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，一个或多个收集器头部中的每一个包括与变压器流体连通的导管；和从该导管伸出的与导管流体连通的一个或多个翼型伸长部分，其中，一个或多个翼型伸长部分中的每一个包括具有多个孔的顶面。
14.如权利要求13所述的冷却系统，其特征在于，翼型伸长部分的每一个孔都与相应冷却管的底孔流体连通。
15.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，管束中的冷却管连接成蜂窝状结构。
16.一种用于冷却流经变压器的介电绝缘流体的方法，该方法包括使介电绝缘流体从变压器向下通过一根或多根垂直管循环；并使气流向上通过由互相连接的管形成的垂直空气通道循环，以冷却介电绝缘流体。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，气流通过垂直空气通道的循环是由自然热对流产生的。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，气流通过垂直空气通道的循环是由热虹吸作用产生的。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，气流通过垂直空气通道的循环是由强制的空气流动产生的。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，介电绝缘流体的循环是由自然热对流产生的。
21.如权利要求16所述的方法，其特征在于，介电绝缘流体的循环是由强制的介电绝缘流体的流动产生的。
全文摘要
本发明提供了一种用于冷却变压器的系统和方法，其利用流体－空气热交换器来冷却流经变压器的介电流体。该系统包括多根垂直的冷却管，它们与变压器流体连通，用以冷却介电流体。该管形成垂直的空气通道，使系统可利用气流的自然对流和热虹吸作用来冷却流体。
文档编号H01F27/08GK1416580SQ01806201
公开日2003年5月7日 申请日期2001年2月20日 优先权日2000年2月24日
发明者杰弗里·T·希林, 克里斯托弗·C·科克, 劳里·J·布雷斯卡辛 申请人:尤尼芬国际公司