變壓器降溫換熱裝置及其應用

山西省機電設計研究院 李 豫

1 引言

變壓器溫升允許限值內，變壓器鐵心溫度最高可達100℃以上，為了降溫，現(xiàn)有技術采用強迫油冷、或者采用強迫風冷等降溫措施，外殼采用散熱油管進行散熱，不論哪一種散熱方式，均是將熱量排入空氣中，而變壓器發(fā)熱所消耗掉的能量相當可觀，能源浪費嚴重。

各國變壓器技術領域的專家們都在致力于減少變壓器損耗的研究，也研發(fā)出一系列的新成果，比如旨在減少空載損耗的高導磁高電阻的非晶合金材料、立體鐵心等[1]，旨在減少負載損耗的高導電率的無氧化銅、高溫超導材料等，此外還有調容變壓器，避免大馬拉小車現(xiàn)象發(fā)生時的損耗。

有關研究表明[2]，全國一年的電網(wǎng)損耗占到輸電總容量的7.7%，而變壓器損耗占到60%，按近年來我國發(fā)電總量約5萬億千瓦時估算，那么，變壓器一年損耗約3850億千瓦時。這些損耗絕大多數(shù)轉變?yōu)闊崃肯⒌酱髿庵?。毫無疑問，此項損耗隨著科學技術的發(fā)展，會逐步減少。

2 變壓器損耗發(fā)熱概述

繞制變壓器時需要大量的銅線，這些銅導線存在著電阻，電流流過時電阻會消耗一定的功率，這部分損耗往往變成熱量而消耗，這種損耗稱為“銅損”；

當變壓器的初級繞組通電后，線圈所產(chǎn)生的磁通在鐵心流動，因為鐵心本身也是導體，在垂直于磁力線的平面上就會感應電勢，這個電勢在鐵心的斷面上形成閉合回路并產(chǎn)生電流，稱為“渦流”。這個“渦流”增加了變壓器的損耗，導致變壓器的鐵心發(fā)熱，變壓器溫升增加，由“渦流”產(chǎn)生的損耗稱為“鐵損”，所以變壓器的溫升主要由鐵損和銅損產(chǎn)生的，另外，交變的磁場還在鐵心中產(chǎn)生磁滯損耗。

3 傳統(tǒng)變壓器降低損耗措施

3.1 空載損耗降低措施

變壓器空載損耗主要是鐵損，根據(jù)鐵耗分立計算模型，在不考慮集膚效應時，鐵心損耗可以用下式表達：

式中：Pir為鐵耗（W/kg）；Ph為磁滯損耗（W/kg）；Pec為經(jīng)典渦流損耗（W/kg）；Pe為附加損耗（W/kg）。

采用高導磁材料，如非晶合金，由于其原子排列無序，沒有晶體的各向異性，是優(yōu)良的軟磁材料，其磁滯損耗Ph低，并且其電阻率高，經(jīng)典渦流損耗Pec低，而附加損耗Pe指變壓器運行過程中，鐵心和線圈發(fā)熱、鐵心漏磁等等產(chǎn)生的損耗，雖然非晶合金對于附加損耗的降低不太明顯，但磁滯損耗Ph和經(jīng)典渦流損耗Pec兩項損耗比普通硅鋼片低得多，因此，非晶合金的使用大幅度降低了變壓器的空載損耗；此外，改進鐵心結構，降低工藝系統(tǒng)，如將傳統(tǒng)的疊鐵心改為卷鐵心等措施對于降低空載損耗都有一定作用。

3.2 負載損耗降低措施

采用適用繞組和改進繞組結構，提高填充系統(tǒng)，如采用糾結式、插入電容式繞組、層式或分段筒式繞組；改變鐵心與繞組壓緊結構，采用電磁屏蔽；增加絕緣隔板等。

3.3 調容量變壓器

將線圈的繞制和連接方式進行一些必要的改動，加上調容轉換開關，可以根據(jù)負載大小隨時調整容量，避免大馬拉小車現(xiàn)象，從而實現(xiàn)節(jié)能。

4 變壓器降溫換熱技術方案

目前，為了減少損耗所投入的成本與降低損耗所節(jié)約的成本之差逐步在縮小，降低變壓器損耗的努力必然會終結。那么，有沒有一種利用傳統(tǒng)變壓器而達到節(jié)能降耗目標的解決方案呢？答案是肯定的。其實人們在追求低損耗的過程中，忽略了一點，就是，損耗固然需要降低，但另一方面，若是將損耗的電力所產(chǎn)生的熱量充分的利用起來，從全局上考量，也是一種節(jié)能途徑，本文介紹一種新型變壓器，即具有降溫換熱裝置的變壓器。

本文提出的變壓器降溫換熱裝置（ Tr ansf or mer Cool ing Heat Exchange Device）是指將變壓器的冷卻介質導入至變壓器本體之外的換熱裝置中，由換熱裝置將熱源介質加熱從而將變壓器損耗所產(chǎn)生的熱量通過循環(huán)油道傳遞到換熱裝置內的換熱介質上，再將加熱后的換熱介質通入需要加熱的器具如取暖裝置、或熱水裝置。

在變電站內，或小區(qū)內的變電室，一切安裝有較大容量變壓器的場所均可采用本文描述的具有降溫換熱裝置的變壓器。

4.1 變壓器降溫換熱裝置結構

如圖1所示，變壓器降溫換熱裝置，包括外殼4、鐵心5、換熱裝置1及循環(huán)油泵9，所述鐵心5內部設置油道6，油道6內充油；所述外殼4設置循環(huán)油入口8及循環(huán)油出口3，并分別通過管道2與換熱裝置1連通；在管道2上位于循環(huán)油入口8處設置有循環(huán)油泵9；

圖1所示結構，其油循環(huán)只是針對變壓器內溫度最高的部位所采取的強迫鐵心內部油循環(huán)，其更適合于干式變壓器的鐵心內部降溫；實際應用中，對于大型、特大型變壓器，采用箱體內注油進行冷卻，此種結構的變壓器可如圖2所示，在圖2中箱體內注油將繞組上的熱量通過循環(huán)油帶出，鐵心的熱量通過油道6帶出，變壓器整體溫度控制在一定合理范圍內。

由多個換熱裝置與變壓器的冷卻油循環(huán)系統(tǒng)組成換熱系統(tǒng)，在箱體與油枕10之間同樣設置換熱裝置，將箱體內的冷卻油所攜帶的熱量通過換熱裝置轉換到換熱介質上。

由圖1或圖2可看出，本文所述的變壓器，特別是對于大型的變壓器，無需散熱裝置，只需在殼體上提供循環(huán)油出入口即可。這樣，傳統(tǒng)的散熱裝置由降溫換熱裝置替代。

4.2 具體工作過程

循環(huán)油泵9將換熱裝置中的較低溫度的油泵入鐵心5內的油道6中，使油在鐵心5內循環(huán)并將鐵心上的熱量帶走，經(jīng)循環(huán)油出口3導出，進入換熱裝置內，將熱量傳遞到換熱介質中，并輸出。冷卻油則在變壓器鐵心5內循環(huán)。降溫效果好，同時，充分回收了變壓器線圈7和鐵心5損耗所產(chǎn)生的熱量。而傳統(tǒng)的變壓器冷卻油在循環(huán)過程中將其所攜帶的熱量全部通過散熱器散播到大氣中，給局部環(huán)境造成一定影響。

圖1 變壓器降溫換熱裝置原理性結構圖

圖1 中，1-換熱裝置；2-管道；3-循環(huán)油出口；4-外殼；5-鐵心；6-油道；7-變壓器線圈；8-循環(huán)油入口；9-循環(huán)油泵。

5 具體應用

5.1 冬季取暖熱力供應

5.1.1 戶內變電站

戶內變電站，主變及配電裝置均在戶內布置。

圖3 戶內變電站實景圖

如圖3所示，對于戶內變電站，由于其通常設置在居住區(qū)或辦公區(qū)，因此，可以將變壓器降溫換熱裝置的換熱介質管網(wǎng)并入該地區(qū)的集中供熱系統(tǒng)二次管網(wǎng)中。對于該地區(qū)加熱站是一個熱能補充。

5.1.2 半戶內變電站

半戶內變電站，主變在戶外，配電裝置在戶內布置，實景如圖4所示。

圖4 半戶內變電站實景圖

對于半戶內變電站，由于主變在戶外，但通常設置于居住區(qū)或辦公區(qū)，變壓器降溫換熱裝置的傳熱介質管網(wǎng)如同戶內變電站的情況一樣，可并入該地區(qū)集中供熱系統(tǒng)二次管網(wǎng)中。

5.1.3 戶外變電站

戶外變電站，主變及配電裝置均在戶外布置，其實景如圖5所示，對于戶外變電站，一般設置在遠離城市中心的土地資源比較寬松的地帶。由于此類變電站的主變容量較大，其損耗也較大，損耗發(fā)熱量相當可觀，可將換熱裝置就地布置在主變附近，并鋪設熱力管網(wǎng)，與城市供熱一次管網(wǎng)聯(lián)通。

5.2 非取暖期或南方地區(qū)的應用

在非取暖期或南方地區(qū)，變壓器損耗發(fā)熱如何利用？針對各類型變電站，作者認為，可以在換熱裝置熱介質輸出口設置轉換開關，當取暖期結束后，將其切換至茶爐熱水系統(tǒng)，或者制冷系統(tǒng)。

6 結論

綜上所述，變壓器降溫換熱裝置（本裝置已申請國家發(fā)明專利，申請?zhí)?01410561160.3）適合各種類型變電站的主變壓器的降溫換熱，并且能夠通過與城市供熱管網(wǎng)合并在冬季向城市提供熱力，在非取暖期則可提供熱源用于開水或制冷，對于一座城市而言，或者對于一個企業(yè)、一個住宅小區(qū)而言，節(jié)能效果是顯著的，引入一種系統(tǒng)節(jié)能的概念，轉變局部節(jié)能的狹隘節(jié)能思路，將單體變壓器的損耗問題，融合到一座城市中的整體節(jié)能方案中來考量，不失為一條有益于社會的可持續(xù)發(fā)展的路徑。

[1]趙躍進,吳珊.變壓器節(jié)能技術的發(fā)展及趨勢[J].認證技術,2010(7).

[2]姚磊,姚志松.節(jié)能變壓器結構和特點[J].中國電力,2007(9).