变压器是用于电能转换的设备, 在电力系统中运用广泛。从电厂发电、电网配电到最终输送给用户使用, 在此过程中都离不开变压器, 但每一次的变压过程都会伴随着巨大的电能损失。在我国, 每年的电能损耗量十分巨大, 找到合理的方法来减少电能损耗刻不容缓。

加大输电容量是减少电能损失的有效方法, 也是目前电力行业变压器发展的趋势。预计2018年底, 全国发电装机容量将达到1.9×10⁹ kW, 全社会用电量呈现平稳增长态势^[1]。

变压器冷却技术的发展是加快变压器容量增长的关键环节^[2]。大量的研究数据表明, 变压器的运行温度在很大程度上影响着负载损耗, 降低变压器的运行温度可以有效地减少负载损耗。当变压器的运行温度下降20 K时, 负载损耗将降低10%左右。除此以外, 降低变压器运行温度不仅可以延长其使用寿命, 还可以使得变压器的过载能力得到提高。研究表明, 在较高的绕组温度下, 变压器的使用寿命会缩短。若负载系数增大2%, 变压器的热点温度上升2 K, 相对老化值将增加25%左右^[3]。由此可见, 冷却系统的研究对提高变压器的经济性和安全性具有重要意义。

变压器的冷却方式分类有很多, 常见的分类方式是以制冷剂的物性状态来划分的, 主要有液体冷却、干式冷却、蒸发冷却等。同时, 还可以根据是否配备动力装置来分类, 分为自然循环冷却和强迫循环冷却。其工作原理都是利用制冷剂具有比热容较大或汽化潜热的特性来吸收变压器的热量。

世界首台干式变压器出现于1885年, 当时的变压器主要是以空气作为制冷剂。这种冷却方式最大的缺点是对绝缘空隙和绝缘材料的要求较高^[4]。1886年, 匈牙利研制出闭合磁路变压器, 也是将空气作为绝缘材料和制冷剂。由于当时的加工工艺比较落后, 这种冷却方式限制了变压器的大型化发展。1935年, 西屋公司加强了绕组的绝缘性, 使得工作电压提升至15 kV。此类变压器对空气的湿度要求较高, 因此只能用于室内, 且功率较小, 运行维护困难。随后, 西屋公司于1941年推出了全封闭式干式变压器^[5]。这种变压器的适用范围大大增加, 但它的局限性也不可忽视。小体积变压器的绝缘间隙较小, 容易被电流击穿, 因此, 在提升变压器功率的同时, 需要考虑变压器体积是否过大的问题。但是这种变压器的价格过高, 在市场上很快被取代。1966年, 联邦德国首次研制出绝缘材料为环氧树脂的变压器, 大大减小了空冷式变压器的体积, 对于变压器的发展具有重要意义^[6]。

1982年, MOORE C L首次提出了以SF₆气体作为变压器的绝缘材料和制冷剂。1990年, 这种变压器进入了中国香港市场。SF₆气体的安全性高, 价格低廉。相比于空气, 它的绝缘性能更好, 热容仅为0.64 kJ/(kg·K)。SF₆气体冷却变压器的容量较低, 在城市居民生活区内使用较多。由于SF₆气体的换热能力不强, 故在大型变压器的冷却系统中很少应用^[7-9]。为了增强SF₆变压器的散热能力, 有些公司会在冷却器内接通冷却水来强化换热, 但这种冷却效果很有限。SF₆气体的热容低是其致命的缺点。为了增强换热效果, 一般会增大箱体内的风扇功率。这不仅会增加箱体造价成本, 还会带来更大的噪声。

在我国, 干式变压器的适用范围广泛, 具有结构简单等优点。20世纪中期, 我国对干式变压器有了较为深入的研究, 并且自主研发、获得了多种自主知识产权, 最具有代表性的是环氧树脂绝缘和浸渍绝缘干式变压器两类。在当今世界变压器市场上, 我国自主制造的干式变压器可以达到国际一流水平。

水冷却是一种局部冷却方式, 其原理是在变压器上配置水冷器, 并将水冷器安装在线圈外部, 通过水循环来实现冷却。因此, 其只能冷却变压器的表面温度, 内部无法降温, 且冷却装置与热源的热交换面积较小, 散热效果有限。另外, 其冷却液对绝缘性能要求较高, 成本较为昂贵。

油冷式变压器出现于20世纪初期, 其结构示意图如图 1所示。由于液体相比于气体具有更高的换热系数, 而在各种液体制冷剂中, 油的电绝缘性较高, 所以大多数电力公司选择油冷式变压器。在油冷式变压器运行过程中, 冷却油吸收铁心和绕组线圈中产生的热量, 流动到散热器内, 通过对流和辐射的换热方式将热量散到外界环境, 从而起到冷却变压器的作用^[10]。油冷变压器可以根据是否配有液泵、风机等动力装置来分类, 可分为油浸自冷式、油浸风冷式、强迫油循环风冷式、强迫油循环水冷式等。

图 1 油浸式变压器结构示意

油冷变压器的散热性能较强, 温度分布均匀, 相比于空气而言, 具有较高的电绝缘强度和热容, 安全性和经济性更高。现今的干式变压器最高电压等级为35 kV, 最大容量为25 MW, 而油浸变压器的最高电压等级为1 000 kV, 最大容量可达1 000 MW^[11]。但是, 以油作为制冷剂存在一定的局限性, 油本身是易燃品, 滤油换油需要较高的费用。如果变压器不间断运行, 油容易分解成气体化合物散布在变压器内部的小角落里, 增加流动阻力。

在20世纪后半期, 我国对水冷式变压器的需求较大。变压器的发展主要受限于机械制造的技术水平。到了20世纪90年代初期, 由于风冷式具有安全可靠、维护量小的特点, 逐渐出现了风冷代替水冷的改造, 但这对油泵的扬程和流量以及通风环境提出了更高的要求。直到20世纪90年代后期, 出现了将空气与绝缘油隔绝的密封结构。这一结构不仅使得绝缘油的损耗减少, 还增强了变压器的安全性。按照密封结构所需要的介质分类, 可分为氮气密封、空气密封和全充油密封。在不同的温度状况下, 空气在密封空间中的压力变化较大。如果长时间使用, 空气由于温差的变化会对密封结构产生挤压作用, 引起结构的形变。正是由于空气有着受热易膨胀的特性, 使得液体密封性变压器逐渐代替了干式变压器。

20世纪50年代, 世界上出现了蒸发冷却的概念。70年代末, 研究人员研发出了第一台蒸发冷却变压器。蒸发冷却是在变压器的线圈和铁心上以喷淋、浸渍等方式注入液态的制冷剂, 通过制冷剂的蒸发吸热来冷却线圈和铁心^[12-13]。目前, 蒸发冷却变压器的制冷工质可分为3类:一是全蒸发制冷剂, 其沸点较低, 常压下蒸发过程可以在很短的时间内完成, 变压器内部容易形成较大的温度梯度; 二是固体填料式制冷剂, 是在蒸发剂中添加固体填料, 来实现控制相变速度的目的; 三是混流式制冷剂, 是在蒸发剂中加入液体介质, 使得混合液体的绝缘性和换热能力增强。混合液体同时作为绝缘材料和制冷剂在变压器内流动, 可以使内部温度分布更加均匀。

根据工作原理的不同, 蒸发冷却变压器可以大致划分为喷淋式、隔离式、浸渍式3类。蒸发冷却对制冷剂的要求较高, 制冷剂的沸点需要与变压器的运行工况相匹配, 有较高的汽化潜热和良好的传热性; 同时还要求化学性能稳定、无毒无腐蚀、不易燃、绝缘性好。

喷淋式蒸发冷却变压器是通过液泵将变压器底部的制冷剂(如C₈F₁₆O)抽吸到铁心和线圈的上方, 再将制冷剂喷淋在其表面^[14]。制冷剂吸收铁心和线圈的热量后, 汽化成气体, 使得变压器的温度降低。制冷剂蒸气流经冷凝器时, 温度降低, 液化成液体流回变压器底部, 再次循环。上述过程如图 2所示。为了确保变压器具有较好的绝缘性, 箱体内充满了非凝性压缩气体(如SF₆)。

图 2 喷淋式蒸发冷却变压器

为了达到均匀冷却的效果, 喷淋式蒸发冷却变压器会选择低沸点、低黏性、低表面张力的材料作为制冷剂, 氟化物是个很好的选择。在变压器运行中, 氟化物极易润湿冷却表面, 能够轻易渗入结构的缝隙中, 较为均匀地吸收铁心和线圈的热量。在变压器运行的初始阶段, 内部的温度较低, SF₆的压强低, 使得其电气强度较小, 存在安全隐患。对于上述问题, 有两个解决方案。方案1是在变压器运行前先使用预热器对其加热, 使电气强度达到安全值后再启动变压器。方案2是在变压器内充入更多的SF₆气体, 使其压强升高, 电气强度增大。前者结构复杂, 运行费用高; 后者冷却效果较差。

隔离式蒸发冷却变压器是将绝缘材料和制冷剂隔离, 各自形成独立的循环回路, 如图 3所示。常见的绝缘材料选用SF₆, 制冷剂选用氟化物^[15]。图 3中, 变压器的箱体内充满了SF₆气体, 以保证变压器的绝缘性。在制冷剂的环路中, 通过在铁心和线圈的四周布置冷却管道, 使得制冷剂靠近热源却不与热源直接接触。管中的制冷剂吸收热量, 汽化成蒸气, 使得变压器的温度降低。冷凝剂蒸气流动到冷凝器中放热, 液化成液体, 重新流回冷却管中, 再次循环。隔离式蒸发冷却变压器结构简单紧凑, 与同尺寸重量的油浸式变压器相比, 具有更大的容量。但由于冷却管靠近铁心和线圈, 将改变变压器的电磁回路, 对其性能产生影响; 同时, 隔离式蒸发冷却变压器运行维护困难, 在内部局部压力过高时管道易损坏, 从而对其机械强度提出了更高的要求。

图 3 隔离式蒸发冷却变压器

浸渍式蒸发冷却变压器的工作原理是将绕组和铁心浸没在制冷剂中进行冷却^[16]。其结构如图 4所示。制冷剂吸收铁心和绕组的热量, 汽化成蒸气, 使得变压器的温度降低。制冷剂蒸气上升至冷凝器内, 将热量散给冷却水, 液化成制冷剂溶液, 流回变压器底部, 再次循环。浸渍式蒸发冷却变压器一般选用四氯乙烯和冷却油的混合溶液作为制冷剂, 或用被氯化的氟碳化合物作为冷却剂。前者制冷剂的缺点是易燃, 容易腐蚀绝缘材料; 后者制冷剂的缺点是同体积的变压器冷却效果较差。

图 4 浸渍式蒸发冷却变压器

近年来, 很多国家都在积极研究如何将蒸发冷却技术更加安全高效地运用于大型电气设备, 并对此提出了很多构想, 但市场上还没有批量生产的产品。我国在电气设备的蒸发冷却研究领域处于世界先进水平, 已经成功制造多台10 MW以上的蒸发冷却水轮机发电机组, 对50 MW蒸发冷却汽轮机发电机进行了系统试验^[17]。其中, 2台在云南大寨电站已成功运行近9年, 李家峡400 MW蒸发冷却水轮机发电机组也已列入国家“95”重点工业攻关项目, 并为长江三峡2期工程进行准备。

在变压器发展的初始阶段多采用干式冷却, 具有较高的安全性。随着变压器功率的增加, 干式变压器的体积过大、造价昂贵, 同时冷却能力有限, 很快被时代所淘汰。由于液体相比于气体具有更高的比热容, 液体冷却方式取代干式冷却是个必然的趋势。随着人们对传热学研究的不断深入, 发现具有相同质量的同种物质, 通过相变的汽化潜热远比单相通过温差带走的热量要大, 从此蒸发冷却技术在变压器的冷却中得以广泛运用^[18]。从另一个方面来说, 与变压器铁心和绕组直接接触的制冷剂需要具有热稳定性好、电绝缘性高、不易燃易爆、无毒无害、无腐蚀性、流动性好、汽化潜热大、表面张力小等特性^[19], 很少有材料能同时满足以上所有条件。

研究发现, 变压器的功率与其线性特征尺寸的四次方成正比, 损耗与线性特征尺寸的三次方成正比, 因此大型变压器的运行效率远远高于小型变压器^[20]。大型变压器将会不断地取代小型变压器, 国内外常用的做法是安装液泵和风机来加快流体的流速, 从而起到强化换热的作用。这种冷却方式的效率虽然较高, 但存在的问题也不可忽视。液泵和风机等动力设备不断运行, 会产生巨大的噪声, 对周围居民的日常生活造成恶劣的影响^[21]。一旦动力设备发生故障, 很容易引发安全事故, 造成不可弥补的经济损失。

在今后变压器的发展中, 蒸发冷却作为一种高效的冷却方式拥有无可比拟的优越性。采用蒸发冷却的方式, 换热效率高、温度分布均匀、无局部过热点, 并且冷却设备的体积小、重量轻, 使得变压器结构更加紧凑, 然而它对相变材料的要求较高成为进一步发展的主要障碍。由于使用液泵、风机等流体动力设备会带来噪声污染和安全问题, 有研究指出采用自然对流的方式。自然对流的流动动力取决于液体温差的大小, 而相变材料的汽化潜热大, 可以使变压器内具有较大的温差。同时, 相变材料汽化后浮升力变大, 可以加速自然对流。因此, 使用蒸发冷却技术可以使传统的强迫对流方式转变为自然对流, 提高了变压器运行的安全性, 减少了噪声污染。基于蒸发冷却技术的变压器冷却方法对变压器增容改造是一种新的趋势, 但此方面的研究还处于初始阶段, 相信不久的将来电气设备冷却方式的研究会有重大进展。

针对现有的冷却方式不能满足变压器增容改造的矛盾, 本文介绍并比较了变压器冷却技术的发展情况, 得出了变压器蒸发冷却方式具有巨大优越性的结论。根据蒸发冷却技术的特点, 进一步指出了相变材料自然对流将替换传统的强迫对流方式的趋势。