牛文豪 張國強(qiáng) 姜益民 陸 如 王建忠

（1.中國科學(xué)院電工研究所 北京100190 2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100190 3.華東電網(wǎng)有限公司 上海 200090 4.上海市電力公司 上海 200002 5.常熟市友邦散熱器有限責(zé)任公司 常熟 215534）

1 引言

隨著近年來城市電網(wǎng)的負(fù)荷日益增大[1,2]，傳統(tǒng)的冷卻方式日益顯現(xiàn)出其不足之處。傳統(tǒng)的變壓器冷卻方式，一般有自然油循環(huán)空冷（ONAN）、自然油循環(huán)風(fēng)冷（ONAF）、強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷（ODAF）、強(qiáng)迫油循環(huán)水冷（OFWF）等，都是通過比熱換熱的原理，使用水或油作為中間冷卻介質(zhì)與運(yùn)行中的變壓器油進(jìn)行熱量交換，然后傳遞給熱容量無窮大的空氣中去，以達(dá)到冷卻變壓器油的目的[3,4]。上述三種冷卻方式的冷卻器分別是片式散熱器、風(fēng)冷冷卻器和水冷冷卻器，但是多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，都有其固有的缺陷和不足[4]。

片式散熱器本身造價(jià)低，免維護(hù)，無噪音，但空氣自然冷卻效率低，導(dǎo)致體積、重量大，占地面積大，在城市變電站中擠占了寶貴的用地面積[5,6]。

風(fēng)冷卻器使用風(fēng)機(jī)吹動(dòng)空氣，強(qiáng)迫對流換熱，空氣側(cè)傳熱系數(shù)可達(dá)到15～75W/(m2K)；有時(shí)還在變壓器油側(cè)增設(shè)油泵，通過增大油流速度提高變壓器油的對流傳熱系數(shù)。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行經(jīng)常造成噪聲污染，尤其在城網(wǎng)改造或居民區(qū)變電站中，噪音擾民成為重要的環(huán)境問題[6]。

強(qiáng)迫油循環(huán)水冷系統(tǒng)用水作為中間換熱介質(zhì)，在變壓器油側(cè)和水側(cè)都加泵強(qiáng)迫循環(huán)，水本身的對流傳熱系數(shù)可達(dá)幾百到上千W/(m2K)，但最終仍要空氣傳熱。因此，熱交換雖然高效[4,6]，但空氣冷卻器仍然龐大，且造價(jià)昂貴。如將水作無窮大熱容量，其運(yùn)行所需的水費(fèi)也昂貴；同時(shí)運(yùn)行中易產(chǎn)生水垢。最為致命的是，如果在變壓器運(yùn)行過程中發(fā)生泄漏，冷卻水泄漏到變壓器油中極易引起絕緣事故，嚴(yán)重影響變壓器的安全運(yùn)行[3,4,7]。

為避免水冷卻器發(fā)生泄漏導(dǎo)致絕緣事故，國內(nèi)外都進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn)。措施之一是采用雙管結(jié)構(gòu)，為水泄漏到油里多加一層屏障；其缺點(diǎn)是雙管導(dǎo)熱增加了接觸熱阻，降低了冷卻效果。國內(nèi)有專家采用油-油冷卻方式做改進(jìn)[8]，即使發(fā)生泄漏，混入變壓器油的仍是高絕緣強(qiáng)度的變壓器油或其他絕緣油，不會(huì)發(fā)生絕緣事故；其缺點(diǎn)是油的粘度遠(yuǎn)大于水，對流換熱系數(shù)遠(yuǎn)小于水，大大降低了冷卻效果。

圖1 新型變壓器油-蒸發(fā)液冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The sketch of novel oil-evaporative liquid cooling system of power transformer

為克服現(xiàn)有傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的缺陷，本文提出并驗(yàn)證了基于液體蒸發(fā)液介質(zhì)相變換熱進(jìn)行冷卻的新型變壓器油-蒸發(fā)液冷卻系統(tǒng)。其工作原理如圖1 所示：整個(gè)變壓器冷卻系統(tǒng)由變壓器油箱、油-蒸發(fā)液換熱器、二次冷卻器等三大部件及其連接管路和支架組成。熱的變壓器油經(jīng)過進(jìn)油管路從變壓器油箱流入油-蒸發(fā)液換熱器內(nèi)，與蒸發(fā)液發(fā)生熱交換，使蒸發(fā)液沸騰相變，汽化吸熱，從而冷卻變壓器油。被冷卻的變壓器油經(jīng)出油管路重新流回變壓器油箱。汽化后生成的蒸發(fā)液蒸汽經(jīng)過出氣管路流入二次冷卻器內(nèi)冷凝，放出熱量，重新相變成為液體，經(jīng)回液管路流回油-蒸發(fā)液換熱器，完成換熱循環(huán)。該二次冷卻器可以是片式散熱器，也可以是風(fēng)冷凝器或水冷凝器等。

新型變壓器油-蒸發(fā)液冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用蒸發(fā)液的自循環(huán)相變換熱，打破了比熱換熱原理的傳統(tǒng)思路，有以下幾個(gè)重要優(yōu)勢[9]：

（1）液體介質(zhì)的汽化潛熱遠(yuǎn)大于比熱值，使得蒸發(fā)液側(cè)的換熱系數(shù)達(dá)到數(shù)千W/(m2K)[10]，提高了換熱效率，減小了換熱器的體積、重量和占地面積。

（2）在運(yùn)行中蒸發(fā)液呈自循環(huán)方式，無需泵等外加驅(qū)動(dòng)力，提高了運(yùn)行可靠性[11]；無風(fēng)機(jī)，降低了噪音水平[12]。

（3）運(yùn)行壓力低，工作氣壓在相對壓力-0.02～+0.10MPa 之間，遠(yuǎn)小于水冷卻器的工作壓力[4]，降低了對冷卻器機(jī)械強(qiáng)度和密封的要求，也降低了泄漏的原動(dòng)力。

（4）所用的蒸發(fā)液是一種無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、高絕緣性、ODP 值（臭氧破壞指數(shù)）為零的環(huán)境友好型氟碳化合物。因?yàn)槠潆娊^緣水平高[13,14]，即使出現(xiàn)泄漏，混入變壓器油中也不會(huì)造成絕緣事故。

（5）可實(shí)現(xiàn)移位換熱。油-蒸發(fā)液冷卻方式可認(rèn)為是一種二級冷卻方式，通過蒸發(fā)液的汽化吸熱有效地把位于地下變電站內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移至地面或房頂上。由于蒸發(fā)液蒸汽的流動(dòng)壓力損失很低[15]，因此連接管路幾乎可以延伸至變電站內(nèi)的任意高度和任意位置，有極大的安裝方便度，尤其適合城市地下變電站從地下到地表的垂直安裝要求。

2 實(shí)驗(yàn)平臺與實(shí)驗(yàn)步驟

本文設(shè)計(jì)、搭建了一個(gè)最大加熱功率為100kW的變壓器模擬傳熱實(shí)驗(yàn)平臺，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，并進(jìn)行了20kW 新型油-蒸發(fā)液換熱器樣機(jī)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。油-蒸發(fā)液換熱器樣機(jī)的設(shè)計(jì)功率為20kW，尺寸為159mm×2m，其實(shí)物外形如圖3 所示。由于片式散熱器技術(shù)成熟，造價(jià)低，免維護(hù)，得到用戶的青睞，故與樣機(jī)配套的二次冷卻器選用型號為P460/2450—45 的一組片式散熱器，安裝在換熱器系統(tǒng)的頂部，安裝高度和位置與其未來在城市地下變電站應(yīng)用時(shí)相似。

圖2 新型油-蒸發(fā)液換熱器的試驗(yàn)平臺示意圖Fig.2 The test platform of the prototype of novel oil-evaporative liquid cooling system

圖3 在實(shí)驗(yàn)中的新型油-蒸發(fā)液換熱器試驗(yàn)平臺Fig.3 The prototype of novel cooling system in test

在油-蒸發(fā)液換熱器和片散的出、入口均安裝有溫度和壓力傳感器，分別測量并由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄變壓器油和蒸發(fā)液的進(jìn)出口溫度和壓力。

考慮到一些安裝空間狹小的特殊應(yīng)用場合對冷卻器的占地面積和體積有要求，本文還進(jìn)行了風(fēng)冷卻的實(shí)驗(yàn)，為換熱系統(tǒng)在風(fēng)冷卻工況下的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)《JB/T 5347－1999 變壓器用片式散熱器》，在片散下方130mm 處安裝一臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖4 所示。風(fēng)機(jī)直徑為550mm，流量為9 000m3/h。

圖4 底部加裝風(fēng)機(jī)的片式散熱器Fig.4 Air-forced cooling by a fan

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）保壓檢漏：對油-蒸發(fā)液換熱系統(tǒng)內(nèi)部的密閉空間內(nèi)打入壓縮空氣至相對壓力+0.15MPa，保持24 小時(shí)不泄漏。

（2）抽真空，之后往換熱系統(tǒng)內(nèi)注入蒸發(fā)液。

（3）開油路閥門，換熱器內(nèi)注滿變壓器油。

（4）加熱油箱，同時(shí)開油泵，加熱油路。

（5）調(diào)節(jié)變壓器油流量和實(shí)驗(yàn)臺加熱功率，以建立穩(wěn)態(tài)循環(huán)，等待各表計(jì)參數(shù)保持不變15min 后，記錄各參數(shù)數(shù)據(jù)。

（6）改變變壓器油流量和實(shí)驗(yàn)臺加熱功率，重新建立穩(wěn)態(tài)循環(huán)，并記錄數(shù)據(jù)。

（7）經(jīng)第6 步完成數(shù)個(gè)功率狀態(tài)之后，加裝風(fēng)機(jī)，然后重復(fù)第6 步，重新建立穩(wěn)態(tài)循環(huán)，并記錄數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)過程中需保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境相對穩(wěn)定，避免空氣流動(dòng)的變化干擾片散的散熱工況；換熱系統(tǒng)內(nèi)預(yù)抽真空的目的是為降低空氣等不凝性氣體在蒸發(fā)液凝結(jié)換熱過程中的不良影響[10]。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 原始數(shù)據(jù)

油-蒸發(fā)液換熱器樣機(jī)的傳熱實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了 8個(gè)不同的工況狀態(tài)，可劃分為片散自然空氣冷卻和風(fēng)冷卻兩類，見下表；各狀態(tài)通過調(diào)節(jié)進(jìn)入油-蒸發(fā)液換熱器的變壓器油流量來改變傳熱功率。

得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，首先計(jì)算油-蒸發(fā)液換熱器的傳熱功率和等效傳熱系數(shù)。計(jì)算中忽略換熱器表面的空氣散熱，假設(shè)換熱器中變壓器油的比熱換熱總量全部與蒸發(fā)液交換；傳熱功率計(jì)算公式為[16]

式中Q——變壓器油流量；

Cp，ρ——變壓器油在定性溫度下的比熱和密度，用插值法計(jì)算得出。

該定性溫度取為換熱器出油口和進(jìn)油口溫度的算術(shù)平均值。

ΔToil為換熱器進(jìn)出油口的變壓器油溫度之差；在實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)《GB1094.2—1996 電力變壓器 第二部分：溫升》控制進(jìn)油口溫度不超過85℃；控制冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的工作壓力，亦即蒸發(fā)液出氣口蒸汽壓Pexit，不超過0.2MPa（絕對壓力）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，換熱器樣機(jī)在自然空冷狀態(tài)下的最大傳熱功率達(dá)到17.38kW，為設(shè)計(jì)功率20kW 的87%；在風(fēng)冷卻狀態(tài)下最大傳熱功率達(dá)到32.40kW，達(dá)到并超過了設(shè)計(jì)功率，此時(shí)運(yùn)行壓力不超過0.14MPa（絕對壓力）。

對于河網(wǎng)數(shù)據(jù)的中軸提取，上述方法大都以河流多邊形這一幾何形態(tài)為研究對象，并未將河流的物理意義納入考量范圍。因此提取出的中軸更偏重于多邊形的形態(tài)而非河網(wǎng)水系的形態(tài)。如圖1所示，當(dāng)不考慮河流物理意義僅以多邊形形態(tài)提取中軸時(shí)，面狀河流中軸線與線狀支流呈斷裂狀態(tài)，無法完備的反映河流間的連接狀態(tài)。正確的中軸形態(tài)應(yīng)如圖1（b）所示。評價(jià)河流網(wǎng)絡(luò)建立的算法時(shí)，往往需要考慮該算法保持運(yùn)算結(jié)果拓?fù)涮卣鞯哪芰?，因此河流物理意義的考量將是進(jìn)行算法設(shè)計(jì)時(shí)的基礎(chǔ)支撐。

表 換熱器傳熱特性的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)Tab. The experimental and calculation data of the heat transfer process in the oil-evaporative liquid cooler

3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

由式（1）得出各狀態(tài)的傳熱功率后，即可由牛頓傳熱公式計(jì)算換熱器的等效傳熱系數(shù)

式中A——換熱器中變壓器油對蒸發(fā)液的等效換熱面積；

ΔT——換熱器對數(shù)平均溫差，由式（3）計(jì)算

式中toil-in——變壓器油進(jìn)口溫度；

toil-out——變壓器油出口溫度；

tfc-out——蒸發(fā)液出氣溫度；

tfc-in——蒸發(fā)液回液溫度。

圖5 換熱器的傳熱功率與等效傳熱系數(shù)的關(guān)系Fig.5 The relationship of heat transfer power P to coefficient k

由圖5 可見，自然空冷狀態(tài)下的對數(shù)平均溫差小于風(fēng)冷卻狀態(tài)。這可由傳熱原理解釋如下：加風(fēng)機(jī)后，片散空氣側(cè)對流加強(qiáng)，片散外壁面的空氣邊界層厚度變薄，熱阻變小，溫差降低，使蒸發(fā)液與空氣間的溫差減小，進(jìn)而降低了蒸發(fā)液出氣溫度tfc-out；蒸發(fā)液回液溫度tfc-in也隨之降低。假設(shè)加風(fēng)機(jī)前后油-蒸發(fā)液換熱器的傳熱功率不變，且變壓器油的進(jìn)出口溫差不變，由于變壓器油的物性在這一過程中的變化可以忽略，則變壓器油在換熱器內(nèi)的溫度分布基本不變。結(jié)果如圖6 所示，整個(gè)換熱器內(nèi)變壓器油對蒸發(fā)液的平均溫差升高了。實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)也支持了上述解釋。

圖6 變壓器油和蒸發(fā)液沿?fù)Q熱器高度方向的溫度分布Fig.6 The temperature distribution along the height of the oil-evaporative liquid cooler

另外，如果二次冷卻器不選用片式散熱器，而選用風(fēng)冷凝器或水冷凝器，則同等傳熱功率下二次冷卻器的體積和重量可以降低數(shù)十倍，結(jié)構(gòu)更加小巧、緊湊。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理論驗(yàn)證

新型油-蒸發(fā)液冷卻系統(tǒng)已由樣機(jī)傳熱實(shí)驗(yàn)證明了其可行性，其設(shè)計(jì)可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行，或由根據(jù)實(shí)驗(yàn)修正過的理論公式進(jìn)行。

換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，油-蒸發(fā)液換熱器的設(shè)計(jì)是核心，其總熱阻由油側(cè)對流換熱熱阻、管壁導(dǎo)熱熱阻、蒸發(fā)液對流換熱熱阻三部分組成[16]

式中hoil——油側(cè)對流換熱系數(shù)，由科恩公式計(jì)算[16]；

λ——管壁材料導(dǎo)熱系數(shù)；

δ——管壁厚度；

β——翅化比，即翅片對管壁換熱面積的放大系數(shù)；

htpf——蒸發(fā)液側(cè)對流換熱系數(shù)。

本文從液體蒸發(fā)液比熱吸熱量和熱流密度的關(guān)系出發(fā)，計(jì)算蒸發(fā)液介質(zhì)起始沸騰的蒸發(fā)點(diǎn)，進(jìn)而確定出口干度，并借鑒了弗爾提出的兩相流動(dòng)傳熱計(jì)算式[10,17]，計(jì)算得到htpf等參數(shù)。由于蒸發(fā)液側(cè)為相變換熱，狀態(tài)多變，計(jì)算較復(fù)雜，誤差較大[10]。

最終計(jì)算所得的傳熱系數(shù)kc見上表，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得的傳熱系數(shù)k的最大誤差在13%以內(nèi)，表明該算法具有一定的精度，在加上一定設(shè)計(jì)裕度后，基本可滿足工程設(shè)計(jì)計(jì)算的需求。

5 結(jié)論

本文成功實(shí)現(xiàn)了適用于城市變電站的可移位換熱的、低噪音的新型油-蒸發(fā)液冷卻方式的模擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，證明了該技術(shù)的可行性。

油-蒸發(fā)液冷卻方式打破了比熱換熱的傳統(tǒng)思路，采用蒸發(fā)液相變換熱提高冷卻效率，通過無泵自循環(huán)的冷卻方式將熱能從地下熱源轉(zhuǎn)移至地面或房頂上，實(shí)現(xiàn)了移位換熱；蒸發(fā)液的高絕緣性避免了泄漏造成絕緣事故的隱患；蒸發(fā)液側(cè)的換熱無需風(fēng)機(jī)、泵等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，降低了噪音水平。因此，油-蒸發(fā)液冷卻方式最大程度上克服了傳統(tǒng)變壓器冷卻技術(shù)在絕緣、噪聲、故障率等方面的缺陷，同時(shí)提高了冷卻效率，減小了體積和占地面積，尤其適合城市變電站的運(yùn)行需要，具有廣闊的推廣前景。

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