CN103390485A - 一种液氮强冷变压器及其制冷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液氮强冷变压器及其制冷方法。该变压器包括变压器油箱和液态氮箱，液态氮箱上连接有液氮引出管，变压器油箱上连接有气氮出口管，变压器油箱内盘绕有蒸发管，蒸发管的一端与液氮引出管连通，另一端与气氮出口管连通，气氮出口管上依次设有液氮压缩机、冷凝器和节流阀，气氮出口管的末端伸入液态氮箱的内部，变压器油箱内设有温度感应器，液氮引出管上设有与温度感应器电连接的保温电磁阀。有益效果是：1）液态氮与变压器油进行热交换，热交换效率高，气态氮经过液氮压缩机以及冷凝器，重新转化为液态氮，循环利用；2）变压器油箱通过变压器油循环管及循环油泵，上下腔体内的变压器油反复循环，保持油温均衡。
Description
技术领域
本发明属于变压器冷却系统，尤其是涉及一种利用液态氮强制制冷的液氮强冷变压器及其制冷方法。
背景技术
变压器是生产生活中常用的电器设备，主要有升降电压、匹配阻抗和安全隔离等功能。按冷却方式分，变压器可分为干式变压器和油浸式变压器，其中，干式变压器是依靠空气对流进行自然冷却或增加风机冷却，多用于高层建筑、高速收费站点用电及局部照明、电子线路等小容量变压器；油浸式变压器主要是依靠油作冷却介质，如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等方式，达到降低变压器油油温的目的。
一般变压器内部有铁芯和绕组线圈，对于油浸式变压器来说，变压器箱内还装有变压器油，变压器油大多采用矿物绝缘油，主要以下几种作用：1）绝缘作用：变压器油具有比空气高得多的绝缘强度。绝缘材料浸在油中，不仅可提高绝缘强度，而且还可免受潮气的侵蚀；2）散热作用：变压器油的比热大，常用作冷却剂，变压器运行时产生的热量使靠近铁芯和绕组的油受热膨胀上升，通过油的上下对流，热量通过散热器散出，保证变压器正常运行；3）消弧作用：在油断路器和变压器的有载调压开关上，触头切换时会产生电弧。由于变压器油导热性能好，且在电弧的高温作用下能分触了大量气体，产生较大压力，从而提高了介质的灭弧性能，使电弧很快熄灭。
在散热过程中，变压器油会吸收大量热量，若变压器油过热，会影响变压器的正常使用，因而还需要通过其他方式对变压器油进行冷却，常规变压器冷却系统多采取水冷热交换或利用散热片油循环自冷的方式进行，但是两种冷却方式的冷却效率都较差，现提供一种水冷热交换变压器冷却系统，如公告号为：CN202917292U的中国实用新型提供的一种新型水冷变压器，所述的冷却装置由空腔板块构成，所述的空腔板块下端设有进水嘴、上端设有出水嘴，所述的空腔板块嵌入式包围安装在变压器主体中的初级线圈与次级线圈之间。该水冷变压器采用水冷热交换原理来降低变压器油的油温，但是水的临界温度较高，常温下水为液态，吸收以及热交换的热量就较少，吸热效率较差，为保证冷却效率，就需要大量液态水，这又增大了生产成本，延长了冷却时间，若降低水的温度，众所周知，水在零摄氏度以下将会凝结成冰，固态冰移动不便，容易造成堵塞，不适于作为冷却剂使用，因而水冷热交换冷却方式存在一定的局限性。
发明内容
本发明主要是针对现有变压器油水冷热交换冷却方式所存在的成本高、热交换效率低，冷却时间较长的问题，提供一种可循环使用，成本较低、热交换效率高，冷却时间短的液氮强冷变压器及其制冷方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种液氮强冷变压器，包括装有变压器油的变压器油箱，变压器油箱内设有铁芯，铁芯外部连接有变压器绕组线圈，其还包括装有液态氮的液态氮箱，液态氮箱上连接有液氮引出管，变压器油箱上连接有气氮出口管，变压器油箱内沿着箱体内壁盘绕有蒸发管，蒸发管的一端与液氮引出管连通，另一端与气氮出口管连通，气氮出口管上依次设有液氮压缩机、冷凝器和节流阀，气氮出口管的末端伸入液态氮箱的内部，变压器油箱内设有温度感应器，液氮引出管上设有与温度感应器电连接的保温电磁阀。本发明将冷却介质由常规液态水，更换成液态氮，由于液态氮的温度在零下-196度，沸点-195.8度，临界温度-147度，临界压力3.39Mpa，与液态水相比，液态氮具有很低的温度，在冷却过程中能够更好的吸收热量，热交换效率较高，冷却时间短，另外液态氮的特性为无色无味、不易燃烧、不会爆炸，是变压器油比较理想的冷却介质。保温电磁阀的作用是当温度感应器测到设定的温度时，自动打开保温电磁阀，液态氮流入变压器油箱，对变压器油箱内变压器油进行冷却。变压器油箱底部设置由一圈铜管构成的蒸发管，蒸发管的出口与入口的方向相同，蒸发管的出口设在变压器油箱的上部，蒸发管的出口与液氮引出管连通，蒸发管的入口与气氮出口管连通，最后接入液氮压缩机，把液气化后的气体吸入压缩机，经压缩机压缩后进入冷凝器，冷凝器到液态氮箱之间设置由细铜管构成的节流阀，使气态氮还原为液态氮进入液态箱，进入下一个冷却循环。
本发明的上述技术问题同时是通过下述技术方案得以解决的：一种液氮强冷变压器的冷却方法，包括如下使用过程：a）、根据变压器油的使用温度，设定温度感应器的预定值，变压器油箱内温度达到预设温度后，温度感应器发送信号，接收信号后，保温电磁阀、液氮压缩机和冷凝器同时启动；b）、液态氮箱内的液态氮流入液氮引出管，并进入蒸发管中，蒸发管内的液态氮吸收变压器油的热量，发生汽化反应并转化为气态氮；c）、气态氮通过气氮出口管进入液氮压缩机，经压缩后再进入冷凝器冷却，气态氮还原为液态氮，并经过节流阀进入液态氮箱内；d）、重复以上a、b、c三个步骤，液态氮重复循环利用，直至变压器油箱内的油温在规定的温度范围内。
作为优选，所述的变压器油箱的外部设有变压器油循环管，变压器油循环管的一端与变压器油箱的上部腔体连通，另一端与变压器油箱的下部腔体连通，变压器油循环管上设有循环油泵。由于液氮的蒸发管在变压器油箱的底部，而变压器油箱最高温度在油箱顶部，即上部腔体内，为了更好地降低油箱整体温度，可在油箱外面外接一个变压器油循环管，保持上下腔体内的变压器油油温均衡，变压器油循环管连接循环油泵，循环油泵的电路与保温电磁阀并联，当温度感应器测到预定的温度后，保温电磁阀和循环油泵与压缩机同时启动，而变压器停止运行时，同时关闭。
作为优选，所述的变压器油箱的外部设有变压器油循环管，变压器油循环管的一端与变压器油箱的上部腔体连通，另一端与变压器油箱的下部腔体连通，变压器油循环管上连接有循环油泵，循环油泵随保温电磁阀一起开启，在循环油泵的作用下，变压器油箱上部腔体内的变压器油通过变压器油循环管进入变压器油箱的下部腔体，下部腔体内的变压器油进入上部腔体，上下腔体内的变压器油反复循环，保持油温均衡。
作为优选，在液态氮冲入之前，对液态氮箱进行抽真空。抽真空能够去除箱体或管路中的不凝性气体和水分，提高制冷效果，同时可以减小液态氮的投入，降低生产成本。应根据实际生产需要，决定抽真空的真空度。
作为优选，所述的气氮出口管上设有三通阀，其中两个阀口与气氮出口管连接，另外一个阀口为与液态氮箱连通的单向阀。受各种因素影响，液态氮箱内仍会出现少量气态氮，可通过单向阀将这些气态氮排出。
作为优选，液态氮箱、气氮出口管和液氮引出管的箱壁或管壁均有三层，里层和外层均由不锈钢合金制成，中间层填充有保温材料。液态氮箱、气氮出口管和液氮引出管均填充有保温材料，保温材料能够减少箱或管与外界的热交换，最大程度提高热交换效率。
作为优选，所述的保温材料为矿棉或水棉。矿棉或水棉都是较好的保温材料，并且成本较低。
作为优选，所述的液态氮箱上设有液氮加液口。液氮加液口用于冲入或定期更换液态氮。
因此，本发明的有益效果是：1）、液态氮箱冲入液态氮，通过液态氮与变压器油进行热交换，热交换效率高，达到冷却的目的；2）、气态氮经过液氮压缩机以及冷凝器，重新转化为液态氮，并通过节流阀冲入液态氮箱，循环利用；3）、变压器油箱通过外接的变压器油循环管及循环油泵，上下腔体内的变压器油反复循环，保持油温均衡。
附图说明
附图1是本发明的一种整体结构示意图；
附图2是附图1中A处的局部放大图；
附图3是本发明中液氮引出管的断面图。
图中所示：1-变压器油箱、2-液态氮箱、3-液氮引出管、4-气氮出口管、5-蒸发管、6-液氮压缩机、7-冷凝器、8-节流阀、9-温度感应器、10-保温电磁阀、11-变压器油循环管、12-循环油泵、13-三通阀、14-保温材料、15-液氮加液口。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
如说明书附图1所示，一种液氮强冷变压器，包括装有变压器油的变压器油箱1，变压器油箱1内设有铁芯，铁芯外部连接有变压器绕组线圈，其还包括装有液态氮的液态氮箱2，液态氮箱2上连接有液氮引出管3，变压器油箱1上连接有气氮出口管4，变压器油箱1内沿着箱体内壁盘绕有蒸发管5，蒸发管5位于变压器油箱1的底部，蒸发管5的一端与液氮引出管3连通，另一端与气氮出口管4连通，气氮出口管4上依次设有液氮压缩机6、冷凝器7和节流阀8，气氮出口管4的末端伸入液态氮箱2的内部，变压器油箱1内设有温度感应器9，温度感应器9为传感器，液氮引出管3上设有与温度感应器9电连接的保温电磁阀10，变压器油箱1的外部设有变压器油循环管11，变压器油循环管11的一端与变压器油箱1的上部腔体连通，另一端与变压器油箱1的下部腔体连通，变压器油循环管11上设有循环油泵12，循环油泵12与保温电磁阀10电连接，气氮出口管4上设有三通阀13，其中两个阀口与气氮出口管4连接，另外一个阀口为与液态氮箱2连通的单向阀，如说明书附图2所示，液态氮箱2的箱壁有三层，里层和外层均由不锈钢合金制成，中间层填充有保温材料14，如说明书附图3所示，气氮出口管4和液氮引出管3的管壁有三层，里层和外层均由不锈钢合金制成，中间层填充有保温材料14，保温材料14为矿棉或水棉，液态氮箱2上设有液氮加液口15。
本发明将冷却介质由常规液态水，更换成液态氮，由于液态氮的温度在零下-196度，沸点-195.8度，临界温度-147度，临界压力3.39Mpa，与液态水相比，液态氮具有很低的温度，在冷却过程中能够更好的吸收热量，热交换效率较高，冷却时间短，另外液态氮的特性为无色无味、不易燃烧、不会爆炸，是变压器油比较理想的冷却介质。
该液氮强冷变压器的冷却方法，包括如下使用过程，其中液态氮、气态氮的运行方向如说明书附图1中的箭头方向所示：a、根据变压器油的使用温度，设定温度感应器9的预定值，变压器油箱1内温度达到预设温度后，温度感应器9发送信号，接收信号后，保温电磁阀10、液氮压缩机6和冷凝器7同时启动；b、液态氮箱2内的液态氮流入液氮引出管3，并进入蒸发管5中，蒸发管5内的液态氮吸收变压器油的热量，发生汽化反应并转化为气态氮；c、气态氮进入气氮出口管4，气态氮流经三通阀13，进入液氮压缩机6，经压缩后再进入冷凝器7冷却，气态氮还原为液态氮，并经过节流阀8进入液态氮箱2内；d、重复以上a、b、c三个步骤，液态氮重复循环利用，直至变压器油箱1内的油温在规定的温度范围内。
在上述b、c步骤进行时，循环油泵12会随保温电磁阀10一起开启，在循环油泵12的作用下，变压器油箱1上部腔体内的变压器油通过变压器油循环管11进入变压器油箱1的下部腔体，下部腔体内的变压器油进入上部腔体，上下腔体内的变压器油反复循环，保持油温均衡。
在液氮强冷过程中，受各种因素影响，液态氮箱内可能会出现少量气态氮，这时可通过单向阀将这些气态氮排出。另外可在液态氮冲入之前，对液态氮箱进行抽真空。抽真空能够去除箱体或管路中的不凝性气体和水分，提高制冷效果，同时可以减小液态氮的投入，降低生产成本。
应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种液氮强冷变压器，包括装有变压器油的变压器油箱（1），变压器油箱（1）内设有铁芯，铁芯外部连接有变压器绕组线圈，其特征在于，其还包括装有液态氮的液态氮箱（2），液态氮箱（2）上连接有液氮引出管（3），变压器油箱（1）上连接有气氮出口管（4），变压器油箱（1）内沿着箱体内壁盘绕有蒸发管（5），蒸发管（5）的一端与液氮引出管（3）连通，另一端与气氮出口管（4）连通，气氮出口管（4）上依次设有液氮压缩机（6）、冷凝器（7）和节流阀（8），气氮出口管（4）的末端伸入液态氮箱（2）的内部，变压器油箱（1）内设有温度感应器（9），液氮引出管（3）上设有与温度感应器（9）电连接的保温电磁阀（10）。
2.根据权利要求1所述的一种液氮强冷变压器，其特征在于，所述的变压器油箱（1）的外部设有变压器油循环管（11），变压器油循环管（11）的一端与变压器油箱（1）的上部腔体连通，另一端与变压器油箱（1）的下部腔体连通，变压器油循环管（11）上设有循环油泵（12）。
3.根据权利要求1或2所述的一种液氮强冷变压器，其特征在于，所述的气氮出口管（4）上设有三通阀（13），其中两个阀口与气氮出口管（4）连接，另外一个阀口为与液态氮箱（2）连通的单向阀。
4.根据权利要求1或2所述的一种液氮强冷变压器，其特征在于，液态氮箱（2）、气氮出口管（4）和液氮引出管（3）的箱壁或管壁均有三层，里层和外层均由不锈钢合金制成，中间层填充有保温材料（14）。
5.根据权利要求4所述的一种液氮强冷变压器，其特征在于，所述的保温材料（14）为矿棉或水棉。
6.根据权利要求3所述的一种液氮强冷变压器，其特征在于，所述的液态氮箱（2）上设有液氮加液口（15）。
7.根据权利要求1所述的一种液氮强冷变压器的冷却方法，其特征在于，包括如下使用过程：
a）、根据变压器油的使用温度，设定温度感应器（9）的预定值，变压器油箱（1）内温度达到预设温度后，温度感应器（9）发送信号，接收信号后，保温电磁阀（10）、液氮压缩机（6）和冷凝器（7）同时启动；
b）、液态氮箱（2）内的液态氮流入液氮引出管（3），并进入蒸发管（5）中，蒸发管（5）内的液态氮吸收变压器油的热量，发生汽化反应并转化为气态氮；
c）、气态氮通过气氮出口管（4）进入液氮压缩机（6），经压缩后再进入冷凝器（7）冷却，气态氮还原为液态氮，并经过节流阀（8）进入液态氮箱（2）内；
d）、重复以上a、b、c三个步骤，液态氮重复循环利用，直至变压器油箱（1）内的油温在规定的温度范围内。
8.根据权利要求7所述的一种液氮强冷变压器的冷却方法，所述的变压器油箱（1）的外部设有变压器油循环管（11），变压器油循环管（11）的一端与变压器油箱（1）的上部腔体连通，另一端与变压器油箱（1）的下部腔体连通，变压器油循环管（11）上连接有循环油泵（12），其特征在于，循环油泵（12）随保温电磁阀（10）一起开启，在循环油泵（12）的作用下，变压器油箱（1）上部腔体内的变压器油通过变压器油循环管（11）进入变压器油箱（1）的下部腔体，下部腔体内的变压器油进入上部腔体，上下腔体内的变压器油反复循环，保持油温均衡。
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