用于冷却具有非线性芯的变压器的设备和方法

用于冷却具有非线性芯的变压器的设备和方法
【专利摘要】三相非线性变压器由第一风扇(30)和第二风扇(40)冷却。第一风扇(30)利用第一安装结构(15)被附接至变压器的第一芯夹具(12)。第二风扇(40)利用第二安装结构(17)被附接至变压器的第二芯夹具(24)。第一风扇被定位成使得空气被朝着芯的中心通道引导。第二风扇被定位成使得空气被吸引通过芯的中心通道。第一风扇使空气通过变压器芯中的中心通道和存在于相邻线圈组件之间的通路循环。第二风扇吸引空气通过中心通道和通路并且进一步将空气排入周围环境。第一风扇和第二风扇受控制面板控制，通过控制面板第一风扇和第二风扇自动或手动运行。
【专利说明】用于冷却具有非线性芯的变压器的设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于具有非线性芯的干式变压器的强迫通风对流冷却方法。
【背景技术】
[0002]在操作期间，干式变压器产生相当大的热。干式变压器常常在思路中被设计成具有热耗散，然而，当功率分配需求增大时，对有效冷却的需要更显著。变压器芯和线圈绕组对不受控热的连续暴露导致绝缘材料随着时间的过去而退化以及变压器的老化。已知与变压器的诸如芯和线圈组件的有源部分接触的不受控热降低变压器的服务寿命。
[0003]冷却具有线性或E形芯的干式变压器的已知方法包括设置一个或多个风扇，所述风扇部分地位于每个线圈组之下并且平行于线性变压器的下磁轭。在许多情况下，两个或多个风扇被设置用于每个线圈组，其中风扇在具有线性芯的变压器中沿着芯框架位于每个线圈组的前面和后面。当两个风扇被设置用于每个线圈组时，对于三相变压器需要至少六个风扇。另选地，具有长轴线的冷却风扇已被用来耗散具有线性芯的变压器中的热并且已减少某些应用中所需的风扇的数量。
[0004]上述冷却方法也已被应用于非线性或Λ芯干式变压器，但是主要用于冷却线圈组的外表面而不是均匀或有效地冷却整个芯和线圈组。对于非线性变压器安装现有技术冷却配置中所使用的多个风扇是劳动密集且昂贵的。因此，需要用于具有非线性芯的变压器的改进的冷却方法。

【发明内容】

[0005]三相非线性变压器包括铁磁芯，该铁磁芯具有以非线性配置布置的至少三个芯柱；分别安装到该至少三个芯柱的线圈组件；以及被对准以提供中心通道中的气流的第一风扇。线圈组件中的每个线圈组件均包括分别绕至少三个芯柱中的每个芯柱缠绕的低电压绕组，以及绕该低电压绕组设置的高电压绕组。
[0006]冷却非线性变压器的方法包括将第一风扇定位成将空气引导到位于非线性变压器的芯中的中心通道内，以及将该第一风扇安装至该非线性变压器使得空气被引导到芯中心通道。
【专利附图】

【附图说明】
[0007]在附图中，结构实施例被图示，与下面提供的详细描述一起描述了用于冷却具有非线性芯的变压器的方法的示例性实施例。本领域普通技术人员将理解的是，部件可以被设计为多个部件或者多个部件可以被设计为单个部件。
[0008]此外，在附图和以下的描述中，在所有附图和所写的描述中相似的部件分别用相同的附图标记来表示。图未按比例绘制并且某些部分的比例为了便于说明而已被夸大。
[0009]图1示出了具有通过第一安装结构和第二安装结构被附接至第一芯夹具的第一风扇和被附接至第二芯夹具的第二风扇的非线性变压器的正视图。[0010]图2是具有中心通道和通路的非线性变压器的俯视平面图，其中该通路允许气流越过变压器的线圈组件。
[0011]图3是具有第一风扇和第二风扇以及箭头的图1的非线性变压器的分解图，其中箭头示出沿着变压器的线圈组件的气流。
[0012]图4描绘了用于控制被利用的第一风扇、第二风扇和任何附加风扇的温度监控器。
【具体实施方式】
[0013]图1示出了三相非线性干式变压器10 (在下文中“变压器10”)。该示例性变压器10包括以三角形或“ Λ ”配置布置的三个芯框架22。如图1所绘的，三个芯框架22中的一个芯框架面向前，而其他两个心框架22从视野中被隐藏并且面向后。
[0014]变压器10具有固定变压器芯18的示例性第一芯夹具12和第二芯夹具24。变压器冷却组件20由第一风扇30和第二风扇40形成，该第一风扇和第二风扇分别通过第一安装结构15和第二安装结构17被附接至第一芯夹具12和第二芯夹具24。变压器冷却组件20提供强迫通风对流冷却路径以降低芯18和线圈组件83的操作温度。
[0015]第一芯夹具12和第二芯夹具24均包括由钢或铝形成的三个通路构件并且以三角形配置被连接。第一芯夹具12和第二芯夹具24由连接杆42或柱板轴向连接在一起。应该理解的是，第一芯夹具12和第二芯夹具24可以取决于应用由不同形状、材料的构件形成，或以另一配置被连接。
[0016]第一安装结构15被实施为正方形或三角形平台，该平台包括C形沟槽构件，这些C形沟槽构件具有从第一芯夹具12的顶点向下延伸的柱21。柱21中的一个柱以虚拟件被不出以表不柱21被定位在第一风扇30后方并且从被向后定位的第一安装结构15的顶点延伸。
[0017]第一安装结构15提供第一风扇30所需的空隙。变压器10必须从地板或其他安装表面被举起以允许用于第一风扇30的空隙。柱21在三角形第一安装结构15的情况下连接第一芯夹具12的顶点并且从这些顶点延伸。第一风扇30被安装到至少两个支持件35，该至少两个支持件分别连接至柱21。第一风扇30的输出在芯18的下磁轭部分26的底部的平面被引导到距磁轭部分26的外周12英寸处。
[0018]第二安装结构17被定位在第二芯夹具24上方。第二安装结构17包括两个C形沟槽构件，第二风扇40被安装在这两个C形沟槽构件上。第二风扇40的输出从大约芯18的上磁轭部分28的顶部的水平到距磁轭部分28的外周大约12英寸。另选地，第二安装结构17可以具有突出部(未示出)，这些突出部以与第一安装结构15相同的方式从由至少两个支持件35形成的三角形或正方形平台向下延伸。突出部被用来将第二安装结构17的平台附接至第二芯夹具24。
[0019]第一风扇30被定位成引导空气沿着线圈组件83通过变压器芯18中的中心通道70并且通过相邻线圈组件83之间的通路60，如图2所绘。通道70通常为多角形形状并且通过线圈组件83的内部分55的汇合而形成。线圈组件83的内部分55分别由于第一风扇30和第二风扇40与芯18的中心通道70的对准而经历冷却。通路60在线圈组件83之间轴向延伸并且允许线圈组件83之间的空气循环。图2描绘了线圈组件83，如每个线圈组件均具有用于容纳至少一个抽头的圆顶80，然而，线圈组件可以被实施为不具有圆顶80。
[0020]另外，第一风扇30引导空气通过线圈组件83中典型地在铸造次级线圈绕组中形成的冷却管道(未示出)。第二风扇40吸引空气向上通过变压器10的中心通道70、通路60和管道。空气通过第二风扇40中的通风开口 66被吸入第二风扇40中并且被排出到周围环境。应该理解的是，第一风扇30也具有用于向外引导空气的通风开口 66。
[0021]第一风扇30和第二风扇40被实施为离心式风扇，轴向风扇或另一其他类型的风扇或者适于应用的风扇的组合。适于冷却变压器10的风扇的示例为印第安纳州、韦恩堡的Morrill Motors公司的型号为SP-B9MV1、额定值53A01550RPM的风扇。
[0022]现在参照图3，变压器10的分解图借助箭头被示出以指示横跨变压器10的芯18和线圈组件83的强迫通风的循环路径。为了说明目的，至少三个芯框架22包括非线性变压器10的铁磁芯18。至少三个芯框架22中的每个芯框架均由一条或多条金属缠绕，所述金属诸如为颗粒定向的硅钢和/或无定形金属。至少三个芯框架22中的每个芯框架均具有大致圆角的矩形形状并且包括相对的磁轭部26和相对的柱部28。柱部28基本长于磁轭部26。柱部28由肩部23接合到磁轭部26。
[0023]通过使至少三个芯框架22中的每个芯框架的柱部28对准以抵接其他芯框架22的相邻柱部28来组装非线性变压器10，使得当从上方观察变压器时三角形形状是显然的，如图2中最佳所绘。两个邻接柱部28中每一组形成芯柱38。组装的芯18利用多个带被保持在一起，该多个带牢固地绕邻接柱部28设置以便以三角形或Λ配置固定芯框架22。带由诸如塑料或粘性玻璃带的绝缘材料构成。
[0024]线圈组件83被分别安装至芯柱38。每个线圈组件83均包括高电压绕组34和低电压绕组57。低电压绕组57典型地在高电压绕组34内并且从高电压绕组34径向向内被设置。高电压绕组34和低电压绕组57由诸如铜或铝的导电金属形成。高电压绕组34和低电压绕组57由一片导体、具有大致矩形或圆形形状的导体线、或一条导体形成。
[0025]当第一风扇30和第二风扇40被利用时，来自第一风扇30的强迫通风的循环路径被向上引导通过中心通道70，并且第二风扇40吸引空气进一步通过通道70，从而导致空气通过通道70的顶部和/或通路60离开。在该相同的实施例中，第二风扇40的叶片沿与第一风扇30的叶片的相反方向旋转，从而施加吸力以吸入强迫通风。如图3所示，由第一风扇30产生的空气在芯18的其中芯柱部28接触的角部75下方，绕磁轭部26，绕线圈组件83，通过通路60和中心通道70被循环。第二风扇40因此吸引空气通过中心通道70并且将空气排入环境。
[0026]另选地，仅第一风扇30、第二风扇40中的一者可以被利用。在其中仅利用第一风扇30的实施例中，第一风扇被安装在变压器10下方。第一风扇30的输出引导空气向上通过中心通道70、通路60，沿着线圈组件并且通过管道(如果有的话)。
[0027]在其中单个第二风扇40被安装在变压器10上方的实施例中，第二风扇40具有在变压器上方向上引导空气的输出，因为输入空气从中心通道70、通路60被吸入，沿着线圈组件83并且通过冷却组件管道(如果有的话)。
[0028]在另一实施例中，第一风扇30和第二风扇40中的一者或两者与附加风扇结合地被利用，这些附加风扇被平行于芯磁轭部26安装和/或被安装在第一芯夹具12和第二芯夹具24的顶点处。将附加风扇安装到第一芯夹具和第二芯夹具的顶点用来冷却芯框架22接触的角部75以及线圈组件83的侧面。另选地，附加风扇可以被安装成使得两个风扇围绕第一芯夹具12和第二芯夹具24的顶点中的每个顶点。
[0029]应该理解的是，单个风扇的输出可以被安装或引导到芯18的顶部或底部。在一个实施例中，第一风扇30被附接使得该风扇的输出在芯的底部处被向上引导并且因此通过中心通道70。
[0030]在具有单个风扇的另一实施例中，第二风扇40被安装成使得输出被向下引导通过芯18的顶部并且因此通过中心通道70。在该相同的实施例中，外部循环机构被用来从芯18驱散热，该热在变压器10操作期间产生。
[0031]变压器冷却组件20中所使用的第一风扇30和第二风扇40以及附加风扇被电连接至变压器10的一相、二相或三相并且由该一相、二相或三相供电。第一风扇30、第二风扇40和任何附加风扇被电连接至低电压引线45，该低电压引线从变压器10的次级绕组57延伸。
[0032]现在参看图4，第一风扇30和第二风扇40以及任何附加风扇由具有三个功能区域
44、48、52的控制面板32控制。控制面板32与线圈组件83热连通并连接。控制面板32可以被实施为人机界面(HMI)或另一用户界面。
[0033]控制面板32的第一功能区域44允许用户设定预定温度阈值。在线圈组件83 (或相)中的一个线圈组件(或相)达到温度阈值时，第一风扇30和第二风扇40以及任何附加风扇被致动。区1、区2和区3的设置可以用来分别针对每相设定阈值温度。另外，区1、区2和区3的设置可以用来控制附加风扇，这些附加风扇被安装在第一芯夹具12和第二芯夹具24的每一顶点处。最大设置被用来输入针对线圈组件83或沿着线圈组件83的位置的最大温度阈值。
[0034]控制面板32的第二功能区域48包括指示灯。风扇指示灯的照明意味着一个或多个风扇是活动的。警报灯的照明意味着在检测到预定温度阈值或以上的温度时已发出听得见的警报条件。切断灯的照明意味着断开变压器处的电力。可以根据命令或者在由诸如断路器或适于应用的其他设备的断电设备检测到故障条件时在变压器10处断开电力。故障条件可以包括超过预定温度阈值的温度上升或另一事件。
[0035]控制面板32的第三功能区域52包括用于手动或自动致动风扇的设置。风扇可以在达到控制面板32的第一功能区域44中设定的预定温度阈值时被自动致动。另选地，风扇可以自动运行并且将不断运行直到断电。第三功能区域52还允许使用者使警报静音或者测试警报设置。
[0036]控制面板32通过与热电偶连接来监控线圈组件83的温度。热电偶被分别安装在线圈组件83中的每个线圈组件的低电压或次级绕组的空气管道中。热电偶被固定在被嵌
入空气管道中的管上方。管由聚四氟乙烯形成，诸如以商标TEFLON?出售的，或者适于
应用的另一种材料。
[0037]应该理解的是，第一风扇30、第二风扇40和任何附加风扇可以基于取决于应用的其他阈值温度、参数、传感器或传感器位置被致动。
[0038]利用第一风扇30和第二风扇40的变压器冷却组件20已由发明人用实验方法示出将在变压器的相位处经历的温度下降20开氏度。由第一风扇30和第二风扇40形成的强迫通风的路径接触芯18和线圈组件83的大表面面积，从而通过防止或阻止热点和涡电流发展来允许有效冷却变压器10。如实验测试中所证明的，变压器冷却组件20的效率允许变压器10在较高额定值下操作，诸如增加非线性变压器的连续自冷却额定值大约25%。
[0039]应该理解的是，代替将第一风扇30和第二风扇40安装到第一安装结构15和第二安装结构17，第一风扇30和第二风扇40可以被安装到包围变压器10的外壳。外壳具有一个或多个侧壁，底壁和顶壁。在利用外壳的变压器10装置中，第二风扇40被安装到外壳的顶壁的内侧。在该相同的实施例中，利用从外壳的顶板延伸的钩将变压器10悬置在外壳的底壁上方。钩与有眼螺栓或适于应用的其他安装结构接合，该有眼螺栓或其他安装结构被附接至变压器10的第二芯夹具24。变压器10在外壳的地板上方的悬置允许用于将第一风扇30附接至外壳的底壁或用于进一步被附接至外壳的底壁的第一安装结构15的足够的空隙。
[0040]另选地，变压器10可以利用底座被安装到外壳或房间的底壁。安装第一风扇30所需的空隙利用具有预定高度的底座来获得。底座具有矩形或蝴蝶形状。底座被附接至第一芯夹具12并且进一步被附接至外壳或房间的底壁。
[0041]在一个实施例中，由第一风扇30产生的强迫通风由第二风扇40吸入被安装到外壳的顶部的充气室内。充气室是附接至变压器的外壳的顶部的水平延伸管道。在具有外壳和充气室的实施例中，第一风扇30和第二风扇40将热激励的空气引入充气室，在充气室空气从整个强迫通风对流冷却系统的再循环空气的模式被去除。
[0042]第一风扇30和第二风扇40与一个或多个附加轴向风扇或离心式风扇结合或单独地被使用。第一风扇30和第二风扇40被用来冷却有源部件，诸如变压器的芯18和线圈组件83，该变压器具有线圈组件83，这些线圈组件被开放式缠绕、浇铸、真空压力浸溃、真空压力封装，或者利用另一方法来形成。
[0043]应该理解的是，变压器冷却组件20可以与具有六面体形状或除了三角形的另一多角形形状的变压器芯18 —起使用。
[0044]第一风扇30和第二风扇40可以被改进以用于安装在现有的非线性变压器上。可以需要变压器10芯夹具以被适配为安装第一风扇30和第二风扇40，并且变压器10应该从任何静止表面被升起以允许安装第一风扇30的空隙。
[0045]虽然本申请示出了各种实施例，并且虽然这些实施例已被相当详细地描述，但是 申请人:的目的不在于限制或以任何方式限定所附权利要求书的范围到这样的细节。本领域技术人员容易看出附加优点和修改。因此，本发明在其较宽方面不限于特定细节、代表性实施例、以及所示和所述的说明性示例。因此，可以从这样的细节形成改进而没有脱离 申请人:的一般发明概念的精神或范围。
【权利要求】
1.一种三相非线性变压器，所述变压器包括: 铁磁芯，所述铁磁芯具有以非线性配置布置的至少三个芯柱； 线圈组件，所述线圈组件分别安装至所述至少三个芯柱，所述线圈组件中的每个线圈组件均包括: 低电压绕组，所述低电压绕组分别绕所述至少三个芯柱中的每个芯柱缠绕；和 高电压绕组，所述高电压绕组绕所述低电压绕组设置；以及 第一风扇，所述第一风扇被对准以提供所述变压器芯的中心通道中的气流，所述第一风扇引导气流通过所述中心通道。
2.根据权利要求1所述的非线性变压器，其中所述至少三个芯柱被布置成三角形配置。
3.根据权利要求2所述的非线性变压器，其中所述第一风扇使用第一安装结构被安装至所述非线性变压器的下芯夹具。
4.根据权利要求3所述的非线性变压器，其中所述第一安装结构包括大致三角形的平台，所述平台具有至少两个支持件，所述平台在从所述第一芯夹具的顶点向下延伸的柱的中点处被连接，所述第一风扇被安装在所述至少两个支持件的交叉点处。
5.根据权利要 求2所述的非线性变压器，其中第二风扇被对准以使空气循环通过所述中心通道，将空气从所述中心通道吸入所述第二风扇中。
6.根据权利要求5所述的非线性变压器，其中所述第二风扇的输出使用第二安装结构附接至第二芯夹具。
7.根据权利要求6所述的非线性变压器，其中所述第二安装结构包括连接至所述第二芯夹具的C形沟槽构件，所述第二安装结构构件定位在所述中心通道的相对两侧上方，所述第二风扇输出被安装至所述第二安装结构构件。
8.根据权利要求6所述的非线性变压器，其中所述第二安装结构包括大致三角形的平台，所述平台由至少两个支持件形成，所述平台通过位于所述平台的顶点处的突出部被连接至所述第二芯夹具，所述第二风扇被安装至所述支持件的交叉点处。
9.根据权利要求5所述的非线性变压器，其中所述第一风扇和所述第二风扇的操作受控制面板控制，所述控制面板与所述线圈组件热连接，所述人机界面具有预定温度阈值。
10.根据权利要求5所述的非线性变压器，其中当与所述控制面板通信的传感器热感测到超过所述预定温度阈值的温度时，所述第一风扇和所述第二风扇被致动。
11.根据权利要求5所述的非线性变压器，其中所述第一风扇和所述第二风扇被手动致动。
12.—种冷却非线性变压器的方法，所述方法包括: a.将第一风扇定位成将空气引导到位于所述非线性变压器的芯中的中心通道中；以及 b.将所述第一风扇安装到所述非线性变压器使得所述空气被引导到所述芯中心通道。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括: c.将第二风扇定位成通过所述芯中心通道吸引空气； d.将所述第二风扇安装到所述非线性变压器使得所述空气被吸引通过所述芯中心通道。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一风扇被安装到外壳的底壁。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二风扇被安装到所述外壳的顶壁。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一风扇被安装到所述非线性变压器的下芯夹具。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二风扇被安装到所述非线性变压器的上芯夹具。
18.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括: e.在与所述第一风扇和所述第二风扇热连通的控制面板中针对所述线圈组件设定温度阈值； f.在达到所述阈值温度时致动所述第一风扇和所述第二风扇。
19.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括: e.使用与所述第一风扇和所述第二风扇热连接的控制面板手动致动所述第一风扇和所述第二风扇。
20.根据权利要求1所述的非线性变压器，其中所述至少三个芯柱被布置成六面体配置。
【文档编号】H01F30/12GK103999173SQ201280062650
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年12月18日 优先权日:2011年12月19日
【发明者】S·S·奥腾, T·A·哈特曼, J·A·克恩, J·特里尔, C·M·内尔 申请人:Abb技术有限公司