油浸式变压器热管散热器结构优化设计

油浸式变压器热管散热器结构优化设计

程抗抗

安徽淮南平圩发电有限责任公司

摘要：作为电网系统的核心设备，油浸式变压器起到非常重要的作用。随着电网负载功率的增加，变压器容量也不断提升，其发热问题也越来越突出，如散热不好很容易引起变压器故障，威胁电网稳定运行。因此，油浸式变压器散热问题越来越受到重视。本文通过优化热管角度、翅片结构提高油浸式变压器热管散热器散热性能，同时可以降低噪音、减小变压器，对于确保变压器稳定运行具有非常重要的意义。

关键词：智慧油浸式变压器；热管；散热器；结构优化

变压器在电能输送、电能分配等方面起到非常关键的作用。目前大多数并网的变压器为油浸式，散热方式多采用油循环散热，所用的翅片式散热器使得变压器体积难以缩小，增加了运维难度，而且翅片式散热器散热效率低，导致变压器油常因油温升高而降低绝缘性能。此外，传统油浸式变压器需安装在地下，造成散热困难，危及电网安全。本文以30kVA油浸式变压器作为实验平台，研究热管散热器结构，旨在解决油浸式变压器散热不良的问题。

1 热管散热器结构设计思路

现阶段投入使用的油浸式变压器热管散热器可以快速高效地将散发热量，但结构复杂或者未有效降低空气侧的传热热阻。因此，本次设计的热管散热器结构需要满足成本低、结构简单、易加工、安装方便、稳定性好，安装难度小、空气侧传热热阻低等要求。基于以上要求本次设计采用圆管状热管，热管呈弧形，夹角稍稍大于90°，选择此类热管主要是因为圆管产量大，易获取，可选范围广，价格较低，且安全肋片很方便，热管弯成弧形是为了在热管热端插入油箱后冷端保持水平，使冷端散热片接近垂直，使得空气与翅片之间的自然对流充分，空气侧的对流传热系数最大化，热阻降低。热管弯曲角度略大于90°，在重力作用下，热管中的冷凝工质可以从冷端顺利返回热端。由于热管必须安装在变压器周围，如仅使用重力热管，则需要变压器保持水平否则热端的冷凝工质无法返回热端，因此，本次设计在热管上安装毛细管芯，促使冷凝工质回流。

2热管散热器结构设计

2.1 热管外壳

热管外壳可以将工质与外界环境分隔。因此，热管外壳需要承受一定的压降而不泄漏。同时热管外壳也是热量传导的重要介质，因此，其热阻要尽量小，部分情况下还需要热管外壳符合特定的尺寸要求。选择外壳时应考虑外壳与工质的相容行。为保证热管长期稳定运行，在选择管材时还应考虑与外界的兼容性。如果使用具有高导热性的金属外壳，则优先使用高导热性材料，外壳材料应具有良好的导热性，气密性、高强度、轻质。根据以上原则，可选的热管外壳材料有钢、铜、铝合金等。

2.2 工质选择

选择工作介质的基本原则是工质的是工作温度应在其冰点和临界点之间，分别代表温度上限和温度下限。而实践中，工质温度下限还要考虑蒸汽流动情况，工作温度上限则往往是由管壳最大内压决定。有机工质在高温下会分解，其温度上限较低。通过选择具有高传热能力的工质可简化管芯结构，降低热管生产成本。根据毛细理论，好的工质表面张力高、汽化潜热高、润湿性好、粘度低。而变压器油温在200K-700K范围，这个温度范围中水的热性能最佳，但水与铝、钢等普通结构材料不相容，凝固点高。因此，本次设计选择乙醇作为热管的工质，其热性能仅次于水、氨和甲醇，乙醇与常用热管外壳材料相容，这是选择乙醇的主要原因。

2.3 毛细管芯

热管中常用的毛细管芯有均匀管芯和复合管芯。均匀管芯主要包括烧结芯、叠片网、轴向横槽等，其毛细力稍弱，但结构简单、便于加工、成本低。复合管芯毛细作用更好，但结构复杂，加工难度大，成本高。本次设计考虑热管在普通安装条件下冷凝工质通过重力回流。为避免变压器在运行过程中因偏斜导致冷凝工质回流困难，可以采用均匀毛细管芯，利用毛细作用促进工质回流。综合上述结构设计，本次设计的油浸式变压器热管散热器结构如图1所示

图1 油浸式变压器热管散热器结构

3 设计验证

基于以上分析，本次采用铜材质热管外壳，管外径10mm，壁厚1mm，长度900mm。制作热管前，先用纯水、稀盐酸、清水、乙醇清洗管子数次，保证热管内壁清洁。热管充满工质并密封后，用弯管机弯折热管成90°。单根热管要求：在铜热管、变压器工作温度和正常环境温度下，每根热管的散热功率为40W，最终热管外径10mm，加热段长330mm，冷凝段长90mm，冷凝段肋片99片，肋条高度5mm。毛细管芯为150目磷青铜，磷青铜与乙醇、不锈钢可以相容，采用双层铜网插入热管外壳中。将热管一端焊接密封，另一端焊接直径较小的同材质管用于工质填充。本次工质填充体积为热管体积的三分之一，热管终于83℃恒温水中，当工质蒸发腔体容积三分之二时封口再焊接，确保热管腔体真空度，铜质热管的肋片为缠绕形式，肋片高度5mm，间距4mm。机械缠绕可以保证肋片、热管贴合。本次设计以30kVA油浸式变压器为平台，测量热管安装前后油温确定该热管结构能否有效降低变压器油箱内部油温度，实验环境温度18.4℃，加热功率200W，温度测量点分布如图2，测温数据如图3所示。

图2 温度测量点分布

图3 安装热管前后的变压器油温

根据图3可知，热管安装前后，变压器油温显著降低，温度场恒定后，热管安装前后，温差40℃左右，说明本次设计的热管结构是合理的。

结语

综上所述，热管技术在国内外发展得非常成熟，经过多年实际应用在电网系统中获得了很多成功经验。然而，变压器热管结构设计仍在持续，本次设计了新的油浸式变压器热管散热器结构，通过实验验证该结构能满足变压器散热要求，散热效果明显，由此可见，热管散热器可以在油浸式变压器中广泛应用。

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作者简介：程抗抗（1992年人），男，安徽淮南人，本科，安徽淮南平圩发电有限责任公司，主要从事电气一次设备检修与维护。