Устройство для охлаждения силового трансформатора Российский патент 2024 года по МПК F28F27/02 H01F27/18 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при охлаждении силовых трансформаторов.

С ростом емкости трансформатора возрастает величина тепловыделения и увеличивается рост температуры деталей и обмоток трансформатора, в связи с чем возникает проблема эффективности трансформации напряжения и увеличения потерь при этом, поэтому, во избежание роста температуры вследствие выделения тепла и роста потерь при трансформации напряжения, трансформатор наполняется трансформаторным маслом, омывающим обмотки и детали и эксплуатируется при заранее определенной температуре благодаря охлаждению трансформаторного масла. Трансформаторное масло, которое является изоляционным маслом, полученным разделением на фракции и очисткой минерального масла, используется для изоляции и охлаждения трансформатора.

Маслонаполненная схема охлаждения - это схема, предусматривающая помещение корпуса трансформатора в герметичную оболочку, полностью наполненную трансформаторным маслом, перенос тепла, генерируемого в железном сердечнике и обмотке трансформатора осуществляется под действием конвекции трансформаторного масла и дальнейшем выделении тепла от него в воздух за счет излучения и конвекции в оболочке и присоединенном радиаторе охлаждения.

Известно устройство охлаждения масляного трансформатора (патент РФ 2292603, БИ №3 от 27.01.2007), содержащее бак, заполненный минеральным маслом, в баке дополнительно установлена диэлектрическая пластина с двумя параллельными рядами электродов, при этом электроды одного ряда подключены к положительному полюсу выпрямителя и расположены подуглом к электродам другого ряда, которые подключены к отрицательному полюсу выпрямителя.

Недостатком данной конструкции является то, что система с положительными и отрицательными электродами создавая гидроэлектрические силы, которые обеспечивают движение масла вдоль деталей трансформатора и поверхности охлаждения, которая в свою очередь обдувается окружающим воздухом и при этом нет возможности регулировать интенсивность охлаждения и поддерживать температуру охлаждающего масла ниже температуры окружающего воздуха.

Известна система охлаждения трансформатора (патент РФ 2349979, БИ №8 от 20.03.2009), содержащего магнитопровод и обмотки с отводами, включающая металлический бак с крышкой и дном, заполняемый маслом, теплообменники, имеющая металлический бак выполненный расширенным в нижней части с образованием по периметру бака над дном горизонтальной площадки с отверстиями, в которых закреплены равномерно по периметру бака теплообменники, выполненные в виде цилиндрических вертикальных тепловых труб с зонами нагрева и охлаждения.

Недостатком данной конструкции является также зависимость степени охлаждения трансформатора и масла в трансформаторе от температуры окружающего воздуха и не позволяющая регулировать интенсивность и степень охлаждения, а также поддерживать температуру охлаждающего масла и деталей трансформатора на уровне ниже температуры окружающего воздуха.

Известно устройство элегазово-водяного охлаждения масляного трансформатора (патент РФ 2717230, БИ №8 от 19.03.2020), содержащее компрессор, подключенный к источнику электрической энергии, последовательно соединенную трубками циркулирующую систему, заполненную элегазом, содержащую фильтры грубой и тонкой очистки, отличающееся тем, что фильтр грубой очистки имеет устройство вращения вала с фильтрующим элементом, расположенного внутри фильтра грубойочистки, подключенное к щиту управления, кроме того устройство содержит змеевик, обвитый по наружной поверхности трубы системы холодного водоснабжения, а потом проходящий прямолинейно во внутренней части трубопровода.

Недостатком данной конструкции является также не возможность охлаждения обмотки трансформатора до температуры ниже охлаждающего воздуха либо охлаждающей воды, которая используется для охлаждения в пиковых значениях мощности трансформатора.

Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является устройство охлаждения теплообменного типа для трансформатора (патент РФ 2543098, БИ №6 от 27.02.2015), содержащее: циркуляционную трубу для изоляционного масла, сконфигурированную в форме замкнутого контура таким образом, что изоляционное масло, залитое в трансформатор, выводится наружу и затем возвращается обратно в трансформатор, насос для изоляционного масла, сконфигурированный для переноса изоляционного масла, и систему охлаждения изоляционного масла, сконфигурированную для охлаждения изоляционного масла, причем система охлаждения изоляционного масла включает в себя: жидкий хладагент, поддерживаемый в жидком состоянии на протяжении всего цикла циркуляции, циркуляционную трубу для хладагента, сконфигурированную для циркуляции жидкого хладагента, насос для хладагента, сконфигурированный для переноса жидкого хладагента, и теплообменную часть, сконфигурированную для обеспечения теплообмена между жидким хладагентом и изоляционным маслом для охлаждения изоляционного масла, причем теплообменная часть включает в себя: многослойную канальную часть, включающую в себя множество слоев, сформированную таким образом, что изоляционное масло течет на множество слоев, впускную часть, расположенную на верхнем участке многослойной канальной части, выпускную часть, расположенную на нижнем участке многослойной канальной части, и оболочечную часть для хладагента, сконфигурированную для охвата многослойной канальной части и сконфигурированную так, что жидкий хладагент течет вокруг многослойной канальной части, жидкий хладагент имеет точку кипения 120°С или более, жидкий хладагент включает в себя этиленгликоль.

Такое устройство охлаждения позволяет создавать устойчивый поток охлаждающего трансформаторного масла вдоль деталей и обмоток трансформатора при его работе. Циркуляция охлаждающего масла осуществляется принудительно, что увеличивает интенсивность охлаждения. В качестве вещества для охлаждения масла используется хладагент включающий в себя этиленгликоль.

Недостатком прототипа является, то что для охлаждения трансформатора не используется фазовый переход из жидкого состояния в парообразное (кипение), который позволяет отвести большее количество теплоты, чем при конвективном теплообмене без фазового перехода с меньшим расходом хладагента. Также нет возможности поддерживать температуру изоляционного масла и трансформатора на постоянном уровне ниже температуры окружающей среды, так как отвод теплоты последовательно осуществляется к хладагенту, содержащему этиленгликоль и находящемуся постоянно в жидком состоянии, а затем от него теплота отводится к окружающей среде, при этом количество отводимой теплоты и скорость ее отведения зависит от температуры окружающей среды.

Технической задачей заявленного изобретения является увеличение интенсивности охлаждения силового трансформатора, снижение расхода хладагента для его охлаждения и поддержание температуры силового трансформатора на постоянном уровне вне зависимости от температуры окружающей среды.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание устройства для охлаждения силового трансформатора обеспечивающее увеличение интенсивности охлаждения силового трансформатора, снижение расхода хладагента для его охлаждения и поддержание температуры силовоготрансформатора на постоянном уровне вне зависимости от температуры окружающей среды, что обеспечит стабильность работы силового трансформатора, снижение потерь при преобразовании напряжения, а также увеличит срок службы силового трансформатора.

Технический результат достигается тем, что устройство для охлаждения силового трансформатора, содержащее бак, заполненный изоляционным маслом с находящимся в нем силовым трансформатором, систему охлаждения изоляционного масла, включающую в себя циркуляционную трубу для изоляционного масла и систему циркуляции хладагента, отличающееся тем что, в качестве хладагента использован фреон, изменяющий свое агрегатное состояние при охлаждении изоляционного масла с жидкого на парообразное, при этом на циркуляционной трубе возврата масла в систему циркуляции фреона установлен отделитель жидкости - расширитель, система циркуляции фреона закреплена к отделителю жидкости - расширителю и состоит из последовательно соединенных трубопровода парообразного фреона низкого давления, винтового компрессора, трубопровода парообразного фреона высокого давления, конденсатора воздушного охлаждения, трубопровода жидкого фреона высокого давления, расширительного вентиля, трубопровода жидкого фреона низкого давления, жидкостного распределителя, размещенного в баке с изоляционным маслом и силовым трансформатором, с возможностью поддерживания температуры кипения фреона на постоянном уроне вне зависимости от температуры окружающей среды.

Таким образом устройство для охлаждения силового трансформатора обеспечит увеличение интенсивности охлаждения силового трансформатора, снижение расхода хладагента для его охлаждения и поддержание температуры силового трансформатора на постоянном уровне вне зависимости от температуры окружающей среды, что обеспечит стабильность работы силового трансформатора, снижение потерь при преобразовании напряжения, а также увеличит срок службы силового трансформатора.

Изобретение поясняется следующими иллюстрациями.

На фиг. 1 изображена схема устройства охлаждения силового трансформатора. На фиг. 2 изображен цикл работы устройства охлаждения силового трансформатора в диаграмме фреона 134а.

Устройство охлаждения силового трансформатора по фиг. 1 состоит из бака 1, с находящимся в нем силовым трансформатором и заполненного изоляционным маслом, отделителя жидкости - расширителя 2, циркуляционной трубы для возврата изоляционного масла 3, винтового компрессора 4, конденсатора воздушного охлаждения 5, расширительного вентиля 6, жидкостного распределителя 7, трубопровода парообразного фреона низкого давления 8, трубопровода жидкого фреона высокого давления 9, трубопровода жидкого фреона низкого давления 10, трубопровода парообразного фреона высокого давления 11.

Устройство охлаждения силового трансформатора по фиг. 1 работает следующим образом: фреон в жидком виде с низкой температурой, например 5°С, из жидкостного распределителя 7 поступает в изоляционное масло, находящееся в баке 1, при этом фреон кипит, интенсивно перемешивает и отбирает теплоту от изоляционного масла, охлаждает его, а масло, в свою очередь, охлаждает трансформатор, затем фреон превратившись в пар, вместе с частицами изоляционного масла поступает в отделитель жидкости -расширитель 2, где частицы изоляционного масла отделяются от паров хладагента, при этом изоляционное масло возвращается обратно в бак 1 по циркуляционной трубе для возврата изоляционного масла 3, а пары фреона поступают в винтовой компрессор 4, по трубопроводу парообразного фреона низкого давления 8, где сжимаются до давления, обеспечивающего повышение температуры парообразного фреона выше температуры окружающего воздуха, затем парообразный фреон по трубопроводу парообразного фреона высокого давления 11, поступает в конденсатор воздушного охлаждения 5, где теплота от фреона отводится к окружающему воздуху, а сам фреон превращается в жидкость. Из конденсатора воздушного охлаждения 5 по трубопроводу жидкого фреона высокого давления 9, жидкийфреон поступает в расширительный вентиль 6, в котором дросселируется, при этом его температура понижается до температуры, требуемой для охлаждения изоляционного масла трансформатора и трансформатора, например 5°С. Затем по трубопроводу жидкого фреона низкого давления 10, фреон снова поступает в жидкостный распределитель 7. Таким образом поддерживая давление фреона в баке 1 на постоянном уровне, при котором температура кипения поддерживается на постоянном уровне вне зависимости от температуры окружающей среды, обеспечивается увеличение интенсивности охлаждения изоляционного масла и трансформатора независимо от внешней температуры окружающей среды (воды, воздуха), повышается стабильность его работы, происходит снижение потерь при преобразовании напряжения, а также увеличивается срок службы трансформатора.

Пример работы устройства для охлаждения силового трансформатора, использующего в качестве хладагента фреон 134а, по фиг. 2. Согласно диаграммы состояния фреона 134а (фиг. 2) для охлаждения изоляционного масла и трансформатора до температуры на уровне 5°С необходимо, чтобы в герметичном баке с силовым трансформатором и изоляционным маслом поддерживалось давление на уровне 0,35 МПа, при этом удельное количество теплоты, которое фреон 134а сможет отводить от изоляционного масла и трансформатора составит:

При тепловыделении силового трансформатора на уровне 500 кВт, для отвода данной теплоты расход фреона 134а, совершающего фазовый переход и обеспечивающего поддержание температуры на уровне 5°С составит:

При этом для отвода того же количества теплоты с помощью этиленгликоля его расход составит:

где с_гл - удельная теплоемкость этиленгликоля с температурой замерзания - 26°С, которая составляет - 3,55 КДж/кг;

Δt - перепад нагрев этиленгликоля при прохождении вдоль теплообменной поверхности, для большинства жидкостных теплообменников составляет от 5 до 15°С.

В результате расход воздуха составит:

Таким образом для охлаждения силового трансформатора с тепловыделением 500 КВт потребуется в 2,8 раза меньше фреона 134а, чем этиленгликоля, при этом температура силового трансформатора будет находиться на постоянном уровне вне зависимости от температуры окружающей среды, что подтверждает решение поставленной задачи и получение ожидаемого положительного эффекта.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при охлаждении силовых трансформаторов. В устройстве для охлаждения силового трансформатора, содержащем бак, заполненный изоляционным маслом с находящимся в нем силовым трансформатором, систему охлаждения изоляционного масла, включающую в себя циркуляционную трубу для изоляционного масла и систему циркуляции хладагента, в качестве хладагента использован фреон, изменяющий свое агрегатное состояние при охлаждении изоляционного масла с жидкого на парообразное, при этом на циркуляционной трубе возврата масла в систему циркуляции фреона установлен отделитель жидкости – расширитель, система циркуляции фреона закреплена к отделителю жидкости – расширителю и состоит из последовательно соединенных трубопровода парообразного фреона низкого давления, винтового компрессора, трубопровода парообразного фреона высокого давления, конденсатора воздушного охлаждения, трубопровода жидкого фреона высокого давления, расширительного вентиля, трубопровода жидкого фреона низкого давления, жидкостного распределителя, размещенного в баке, с возможностью поддерживания температуры кипения фреона на постоянном уроне вне зависимости от температуры окружающей среды. Технический результат - снижение расхода хладагента, поддержание температуры силового трансформатора на постоянном уровне. 2 ил.

Устройство для охлаждения силового трансформатора, содержащее бак, заполненный изоляционным маслом с находящимся в нем силовым трансформатором, систему охлаждения изоляционного масла, включающую в себя циркуляционную трубу для изоляционного масла и систему циркуляции хладагента, отличающееся тем, что в качестве хладагента использован фреон, изменяющий свое агрегатное состояние при охлаждении изоляционного масла с жидкого на парообразное, при этом на циркуляционной трубе возврата масла в систему циркуляции фреона установлен отделитель жидкости – расширитель, система циркуляции фреона закреплена к отделителю жидкости – расширителю и состоит из последовательно соединенных трубопровода парообразного фреона низкого давления, винтового компрессора, трубопровода парообразного фреона высокого давления, конденсатора воздушного охлаждения, трубопровода жидкого фреона высокого давления, расширительного вентиля, трубопровода жидкого фреона низкого давления, жидкостного распределителя, размещенного в баке с изоляционным маслом и силовым трансформатором, с возможностью поддерживания температуры кипения фреона на постоянном уроне вне зависимости от температуры окружающей среды.