液浸式不燃电力变压器

技术领域

本发明涉及电力变压器，尤其涉及风电升压站电力变压器、风电塔筒变压器、风电机舱变压器和抽水蓄能电站升压站电力变压器、城市电网电力变压器等领域。

背景技术

为实现 “2030年碳达峰，2060年碳中和”目标，构建以新能源为主体的新型电力体系已成为我国能源电力下阶段的重要工作任务；海上风电、太阳能光伏、核电等清洁能源比重有望达到80%，成为我国未来能源供应主体。在新型电力系统架构中，要求储能配比不低于10%，作为储能主力的抽水蓄能将得到快速发展。可以预见，海上风电变压器和抽水蓄能变压器应用规模将随之大增。

随着应用场景的变化，对电力变压器防火能力的要求将越来越严格。海上风电远离陆地数十上百公里，抽水蓄能发电则深入地底数百米，所在地理环境的特殊性致使消防救援均极其不便，一旦设备发生火灾将对海上风电场及抽水蓄能电站的安全产生重大影响，造成重大损失。

目前，海上风电升压站220kV主变通常为矿物油电力变压器或植物油电力变压器，其中植物油变压器主要从国外进口。考虑到干式变压器没有箱体密封，在海上长期运行的条件下，如何防潮、防腐蚀是一大难题，所以海上风电35kV塔筒变压器或35kV机舱变压器逐渐向植物油、高燃点油变压器发展。

抽水蓄能升压站主变还是以矿物油电力变压器为主，矿物油燃点130℃左右，植物油燃点300～350℃左右，高燃点油燃点大于300℃，当变压器内部发生重大故障时如变压器绕组匝间短路或相间短路等，故障点温度将高达数千度，无论是矿物油还是植物油、高燃点油均会发生燃烧，且燃烧后难以扑灭。

随着城市新型电力系统的发展，变电站、储能电站、电动汽车充电站、大数据中心“多站合一”的城市综合能源体模式以及削峰填谷、促进新能源消纳的分布式储能电站正成为城市电网新的发展方向，以实现城市能源消费向绿色能源转变，这些新型能源电力基础设施都对设备的消防安全水平提出了更高的要求。

此外，众多城市已创新推出变电站与建筑物贴建、联建以及变电站嵌入建筑物等多种新型建设模式，变电站处于人群及建筑密集区域，采用油浸式电力变压器存在火灾隐患。

实践中，电力变压器因散热问题导致的故障率占比高达40%，其散热能力直接影响变压器的运行经济性和稳定性。植物油和高燃点油的共性都是粘度高，流动性差，比热容低。干式变压器采用空气作为冷却介质，空气导热系数及比热容更小。无论是风电塔筒、风电机舱还是深入地下数百米的抽水蓄能升压站变压器室，都是封闭空间，空气流通不畅，植物油、高燃点油变压器和干式变压器均存在散热困难的实际情况，一旦变压器温升过高，使得变压器内部绝缘材料劣化，从而绝缘击穿导致变压器内部出现短路重大故障，对于植物油、高燃点油变压器而言就有可能引发燃烧爆炸。同时对海上风电和抽水蓄能电站而言，更换变压器是一件十分困难的工程，更换成本也极其高昂，需要最大程度延长变压器的使用寿命，减少更换周期。

提升电力变压器散热能力，可以降低热故障率，延长使用寿命，有助于变压器安全运行，对我国风电、抽水蓄能、城市电网新型能源电力基础设施的发展具有积极的意义。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明旨在提供一种适用于海上风电、抽水蓄能电站、城市新型电力系统的液浸式不燃电力变压器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种液浸式不燃电力变压器，包括箱体、变压器器身、有载分接开关、散热器、冷凝器，其特征在于，所述变压器器身和有载分接开关置于所述箱体中；所述箱体中还装有固体绝缘填充件、以及常温下呈液体且无闪点的不燃绝缘液；所述变压器器身、有载分接开关、和固体绝缘填充件均浸于所述不燃绝缘液中；所述不燃绝缘液在电极间距2.5mm条件下的的击穿电压≥45kV，水含量≤20mg/kg，90℃条件下的损耗因数≤0.005，导热系数为0.2～0.7W/m•k，25℃条件下的运动粘度≤5mm

本发明的优选方案中，所述不燃绝缘液在常温下有微量相变，随着温度升高相变量逐渐增加，当所述变压器器身出现局部热量集中区域时，所在区域的所述不燃绝缘液可通过相变传热快速带走热量并消除过热点，以保证所述变压器内部温度场均匀分布。

本发明的优选方案中，安装于所述变压器器身的绕组之间的所述固体绝缘填充件为圆柱形、方形、或扇形，以增强变压器幅向抗短路能力；所述固体绝缘填充件的内部沿垂直方向设置有一个或多个圆柱形散热通道，其直径等于或小于1cm，以供所述不燃绝缘液流通形成定向对流。其中，所述固体绝缘填充件的下部散热通道口最好呈喇叭形状。

本发明的优选方案中，安装于所述变压器器身与箱体内壁之间的所述固体绝缘填充件包括绝缘纸板及粘贴于其两侧的绝缘撑条，相邻两个所述绝缘撑条之间的间隔形成供所述不燃绝缘液流动的散热通道。在所述绝缘纸板上对应器身约1/3高度到器身顶部的范围内，沿横向并排开设有数排圆孔，所述圆孔位于相邻两个所述绝缘撑条之间的间隔处。在所述固体绝缘填充件上与所述散热器进出液口对应的位置处设置有开孔，所述开孔的直径与所述散热器进出液口的直径相同或略大，以形成供所述不燃绝缘液流动的散热通道。

本发明的优选方案中，所述A级绝缘材料由绝缘纸、绝缘纸板、绝缘木块制成。

本发明的优选方案中，所述散热器安装于所述箱体两侧长边外壁，并通过进出液口与所述箱体相连；或者，所述散热器与所述箱体分离安装且其水平高度不低于所述箱体的水平高度。

本发明的优选方案中，所述冷凝器安装于所述箱体顶部，所述冷凝器的进气管道一端与所述冷凝器侧壁相连，另一端与所述箱体顶部相连；所述冷凝器的回液管道一端与所述冷凝器底部相连，另一端与所述箱体底部或者所述箱体侧壁上靠近底部的位置相连。

本发明的优选方案中，在所述箱体的顶部设有机械式压力释放阀和正拱形爆破膜片，两者配合形成膜阀组合方式的压力释放系统。

由前述方案可知，本发明产品采用不燃绝缘液作为变压器绝缘冷却介质，实现变压器无油化与不燃，其在任何运行工况下都不会燃烧和爆炸，能彻底杜绝火灾隐患，防止出现二次事故灾害，对海上风电、抽水蓄能电站来说无疑是更好的选择，可以提升其消防安全水平，降低事故运维成本。对城市分布式储能而言，采用本发明产品替代油浸式电力变压器，提升站内设备消防安全水平，有助于分布式储能深入用户侧，新型城市电网架构在进行顶层设计、整体规划时就可以根据需要更加灵活布局分布式储能系统，不受周边环境限制，对城市储能技术的发展具有积极作用。对与建筑物贴建、联建以及嵌入建筑物等多种新型变电站而言，采用本发明产品，可以提升变电站的消防安全水平，避免产生火灾对紧邻的建筑和人群带来重大影响，对这类变电站而言同样是一种更优的选择。

不燃绝缘液导热系数高、温度传导快，粘度小、流动性好、可相变，可以均匀变压器内部温度场分布，有效减小变压器内部温差，增大散热器与外部环境空气的温差。变压器产生的热量最终都是通过散热器散到外部环境中，因此在不增加散热器数量或尺寸的情况下，要提高散热效率，增加散热器与外部环境空气的温差是一个极其有效的方法。本发明能有效提升变压器的散热效率，降低变压器运行温升和负载损耗，减少变压器热故障率，延长变压器使用寿命，提升变压器的经济性和可靠性。

采用固体绝缘填充变压器的内部空隙，增强变压器幅向抗短路能力，并引导不燃绝缘液定向流动、增加流动速度，提升散热效率的同时减少不燃绝缘液的用量，从而降低变压器制造成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一个优选实施例中的液浸式不燃电力变压器的正面透视图；

图2是图1所示液浸式不燃电力变压器的俯视剖面图；

图3是图1所示液浸式不燃电力变压器的侧视剖面图；

图4是图1所示固体绝缘填充件的立体侧视剖面图；

图5是图1所示绝缘纸板与绝缘撑条的立体正面图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的一个优选实施如图1至图5所示，该液浸式不燃电力变压器由不燃绝缘液100、箱体101、变压器器身102、固体绝缘填充件103、有载分接开关104、散热器105、冷凝器106等组成。变压器器身102和有载分接开关104置于箱体101中；变压器器身102、固体绝缘填充件103、有载分接开关104均浸没在不燃绝缘液100中。

其中，不燃绝缘液100在电极间距2.5mm时的击穿电压≥45kV，水含量≤20mg/kg，损耗因数（90℃）≤0.005，可以满足35 kV 、66 kV 、110kV、220kV电力变压器的绝缘性能要求。不燃绝缘液的导热系数为0.2～0.7W/m•k，运动粘度（25℃）≤5mm

不燃绝缘液100可相变，变压器器身102出现局部热量集中区域，所在区域的不燃绝缘液100通过相变传热快速带走热量，消除过热点，均匀变压器内部温度场分布，消除过热点。

在变压器器身102和箱体101内壁之间也设有固体绝缘填充件，具体为绝缘纸板与绝缘撑条的组合方式，包括绝缘纸板302，在绝缘纸板302两侧粘贴绝缘撑条303，相邻两个绝缘撑条303之间的间隔可作为不燃绝缘液100流动的散热通道。靠近箱体内壁的绝缘撑条303之间散热通道中的不燃绝缘液100可以快速将热量传递给箱体内壁。

在绝缘纸板302上对应器身约1/3高度到器身顶部的范围内，沿横向并排开设有数排圆孔32，圆孔32位于绝缘撑条303之间的间隔内，可以每个间隔均有圆孔32，也可以数个间隔有圆孔32，以利于将变压器器身102产生的热量传导至箱体内壁。

在对应散热器的进液口33、出液口34位置的绝缘纸板302及两侧绝缘撑条303分别设置有开孔35，该开孔35的直径与散热器进液口、出液口的直径一致或略大，可作为不燃绝缘液100的对流通道。

不燃绝缘液100吸收变压器器身102产生的热量后，产生密度差，在变压器器身102散热通道、固体绝缘填充件103内部散热通道31、绝缘撑条303之间的通道中形成热虹吸效应，流动速度更快，从而可在降低不燃绝缘液100用量的同时提升散热效率。

变压器的热量通过不燃绝缘液100传递给散热器105，再通过散热器105散到外部环境中，散热器105对外部环境的散热主要通过空气对流方式散热，计算公式为：

Q=α（t

其中Q为对流换热量，α为对流换热系数，t

通过计算公式，可以看出变压器散热器105散热效率与温差、散热面积有关。

本发明中，不燃绝缘液100导热系数高、粘度低、对流速率高，变压器内部温度场均匀，温差梯度小，从而抬高了散热器105与外部环境空气的温差，提升了散热器对环境的散热效率，从而降低了变压器运行温升；或相同的散热需求下可以减小散热器的数量，从而缩小了变压器的体积。

从图1中可以看出，冷凝器106连接有进气管道21、回液管道22。进气管道21一端与冷凝器106侧壁相连，另一端与箱体101顶部相连；回液管道22一端与冷凝器106底部相连，另一端与箱体101底部或者在箱体侧壁上靠近箱体底部的位置相连。气化的不燃绝缘液100通过进气管道21进入冷凝器106进行冷凝，液化后的不燃绝缘液100通过回液管道22流回箱体101，重新参与散热。

在箱体101顶部安装的机械式压力释放阀201和爆破膜片202组成变压器压力释放系统。当变压器长时间过载或出现内部故障，导致内部压力增加，为确保变压器安全需要通过压力释放系统释放内部压力。当变压器长时间过载导致内部压力低速增加时，因机械式压力释放阀201动作值低于爆破膜片202的动作值，机械式压力释放阀201首先动作，开启泄压通道释放压力。当变压器内部出现极端故障导致压力快速增加，且压力上升速率高于200kPa/s，在机械式压力释放阀201来不及反应时，爆破膜片202瞬间爆破，开启泄压通道释放压力。

具体实施时，还可将有载分接开关104的切换开关室内的绝缘冷却介质由矿物绝缘油替换成不燃绝缘液100，以起到绝缘、熄弧、吸热等作用，实现整台变压器无油化。