1引言

   变压器是电力系统的重要设备，它对电能的经 济传输、灵活分配和安全使用具有重要意义。随着我 国经济的高速发展，城市用电负荷剧增，并且受对城 市环境限制大，城市用地、用房紧张等因素影响，变 压器的数量不可能很多，导致变压器负载率持续增 长，变压器超铭牌容量运行现象和故障率不断上升， 严重威胁电网的安全。因此变压器的安全、环保、防 火和防爆等性能成了人们备加xx的问题。本文以 一台 10kV的油浸式变压器应用热管散热代替传 统的片式散热器为例，着重阐述了热管技术在各 种变压器中应用的可行性，并对该种变压器设计 及改造提供理论支持和参考。

2热管

   热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传 热的元件，是人们所知的{zg}效的传热元件之一， 它可将大量热量通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力 热管以其构思巧妙、传输温差 小、适用范围广和温度可控等众多优良特性，在各种 散热及能量回收方面得到了广泛的应用。 2．1 热管结构及工作原理 典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成。将热管 抽成 1．3x(10- ~104)Pa负压后充以适量的工作液体， 使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后 加以密封。其基本工作原理如图1所示，管的一端为 蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应 用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压羞 下流向另一端放出热量凝结成液体。液体再沿多孔 材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不已，热 量从热管的一端传至另一端。 可以根据需要将这种热管做成各种各样的形 状，其循环动力为毛细材料和液体结合所形成的毛 细力。当热管处于地面重力场中，其工质的循环流动 将主要受重力影响。当其倾斜或垂直放置时，蒸发段 处于下方，则在上方冷凝的液体工质可借助重力而 ‘回流到蒸发段，这就是重力热管。 2．2 重力热管及其优良性能 重力热管是依靠管内工质的重力场作用而形成 循环流动的。由于不用在管内加吸液芯，它的制造成 本大大降低，并且其工质可以用水，因为水具有很好 的物理性质和经济性 热管工作温度一般在O～25O℃之间，因此其在 实际工程应用中得到了广泛的应用。它具有以下优 良特性： (1)很高的导热性 重力热管内部主要靠工作 液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的 导热能力。试验表明，重力热管与几何尺寸xx相同 的铜管的散热效率相比，效率提高达2O倍左右。 (2)结构简单、制造方便、成本低廉，并且寿命 长。一般情况下能使用2O年左右【”。 (3)启动温度低，在热源为3O℃时即能启动，温 差越大功率越高，因此非常适合应用在变压器中。

3变压器采用热管换热的可行性 ．

   3．1  国内外的研究成果 ． 自从20世纪60年代以来，热管技术飞速发展， 各国有关的科研机构、高等院校、公司均开展了多方 面的开发及应用研究。但是有关热管技术在变压器 中应用的报道还很少，只有较少的一些国家在进行 研究，如加拿大ABB公司与魁北克水电局设计出了 热管式单相固体绝缘变压器，结构如图2所示。 该变压器制造时将带有毛细管的热管分两排垂 直插进变压器中，然后将环氧树脂注入变压器壳体 内，使之融为一体。高压线柱与低压线柱分别放在变 压器的两侧，从而保证了电气绝缘距离。为了强化传 热，热管冷凝段都加有翅片。 他们对该变压器进行了试验，结果表明热管可 ，以排出由变压器绕组和铁心产生的大部分热量。以 魁北克水电局这台试运行的变压器为例 ；热管排出 的热量约占满负载(即 167kVA)下变压器总损耗的 42％，显然大大降低了变压器心部最热点的温度。经比较，另一台没有热管的同类变压器，其出力将限制 在 t00kVA，且过负载能力还要受到限制。这时，变 压器最热点的温度将达到 140~C左右。采用热管就 能克服上述限制，降低最热点温度，增加出力，并提 高过负载能力。 近年来国内也有对此技术的研究，如承德石油 高等专科学校对用役龄较长的老式油浸变压器进行 了改造，采取热管技术措施强化冷却散热。他们在变 压器箱体外面焊一个封闭的附加小油箱，在箱体壁 上开了上下两个长方形油循环孔，使箱体空间与小 油箱空间相通。热管的蒸发段插入小油箱，冷却段加 翅片露在空气中。实验表明，这样做大大降低了油的 温升，并且可以延缓内部绕组绝缘材料的老化，延长 变压器的寿命。 3．2 重力热管在油浸式变压器中的应用 由于油浸式变压器具有散热好、损耗低、容量大 和价格低等特点，目前电网上运行的电力变压器大 部分仍为油浸式变压器，而且其中80％以上是采用 自然油循环的冷却方式。但是这种变压器由于采用 片式散热器，使得自身横向体积过于庞大，运输及维 修都很不方便，且片式散热器散热效率很低，变压器 经常由于油温升过高，造成变压器油绝缘性能下降、 油流带电、绕组老化甚至造成变压器起火、爆炸等事 故。因此，改进自然油循环冷却变压器的冷却结构， 提高其冷却效率，不论从节能降耗，还是从延长变压 器的使用寿命、减少热事故方面，都将会带来很大的 社会经济效益。 笔者对一台10kV的油浸式变压器进行了合理 的改进，采用重力热管对其进行散热，使得这种结构 简单、造价低廉的变压器甚至可在非常恶劣的环境 (如地坑或煤矿)中也能够安全、经济地运行。其结构 如图3所示。 该变压器为 10kV的油浸式变压器，它采用造 价便宜的碳钢一水重力热管进行散热，热管具体参 数如下： 热管长：2．1m；热管直径：38mm；壁厚：2．5mm； 加热段长：700mm；冷却段长：1．3m；翅片高：60mm； 翅厚：1．Smm；绝热段长：10Omm。 适当加大变压器油箱的侧向 体积，在变压器盖上开出若干个孔 (以保证电气距离)，将重力热管的 加热段沿孔竖直插进油箱中，其上 端冷凝段露在空气中进行散热。由 于热管蒸发段插在油中，其换热系 数相对较大，而冷凝段处于空气的 自然对流散热中，换热系数很小， 此处即为散热的瓶颈。因此，我们 在重力热管冷凝段加有 12片纵向 翅片进行强化传热，这样不仅改善 了热管传热性能，而且大大增加了 热管的散热面积，使其单根散热面 积达到了2．1m 。 、 这种设计相对于原来用片式散热器散热有以下 几方面优点： (1)大大减小了变压器的体积，安装、运输更方 便。 (2)碳钢一水重力热管比其它热管成本低，运行 寿命长。 (3)该变压器噪声小，占用城市空间少，便于城 市电网布置。 (4)降低 变压器工作温度，延长变压器的使用 寿命，减少热事故。 我们对其进行了性能试验，在热管冷凝段的肋 基和肋尖都布置有热电偶，沿热管方向布置了7排， 加热段布置了3个热电偶，，绝热段有 1个热电偶。在 油中沿高度方向布置了3个热电偶，空气中在热管 周围同等高度布置有一个热电偶。同时。由于{yt}的 气温在不断地改变，油的时间常数很大，大约两个 多小时，为保证测量变压器油温升更xx，选用了 一个油杯，使其油温度与油箱中的油温保持时间同 步。油杯中也放置一热电偶，所有热电偶均接人惠 普公司的34 970A数据采集仪，该采集仪再接人计 算机。温度测量系统经过标定后，测量精度达到了 0．1℃。 3，3 实验结果与分析 实验是在连续5h内油温升变化不超过 1℃时 测定的，热电偶编号从上到下依次排列。热管的工作 介质采用水、缓蚀剂及另一种无机物。经过反复实验 最终确定了热管的{zj0}充液量，其在内部工质约为 3O℃时即可以启动。图4是变压器温度稳定时各测 量点的温度。从图4中可以看出，重力热管内部各点 已经具有良好的等温性，加热段和散热段面积比适 宜，整体上肋片布置恰当，因此热管设计比较合理。 为了比较热管散热器与片式散热器的散热效 果，同样建立了片式散热器的试验模型。选取了 PC625—5／310型号片式散热器，其每组散热面积为 2。l13 ，与单根热管的散热面积相当，在相同工况 下进行了试验，结果如表 l。 从表 l的对比可以看出该热管式变压器模型比 片式变压器模型大大降低了油的平均温升及最热点 温度。在冷热流体温差40K时单根热管功率就超过 了600W。且随冷热流体温差越大功率越高，温差 6oK时超过了l 000Wo在环境温度为15℃时，试验 测得该变压器在满负载运行时的油平均温度仅为 52cI=，{zg}温度为67℃。因此应用重力热管对油浸式 变压器进行散热是xx可行的。同时我们研究发现 将重力热管应用到变压器中有其很大的优越性和合 理性。 首先，热管具有良好的导热性能，在温差很小的 情况下也能高效地传递热量。对于变压器，由于其油 温不可能过高，因此油温与空气温差不会太大，且中 小型变压器一般都采用自然对流散热，应用其它换 热设备必定不会太理想，而应用热管就能很好地解 决这些问题。 其次，从其实用性上考虑，变压器应用水冷或风 冷，固然效果较好，但由于设备费用和运行费用都很 高，中小型变压器不宜采用水冷及风冷。对于片式散 热器，其价格相对要便宜一些，但其换热性能差，容 易漏油，体积庞大，且寿命短。而应用热管将不会存 在这些问题，重力热管比其它种类热管价格便宜，制 造简单，放置几根即可。每根热管都是独立结构，不 存在漏油问题，且寿命长(一般20年左右)。 {zh1}，重力热管对环境适应性好，其自身是一个 独立系统，能做成任意形状，适合应用到各种环境 中，这正是其{zd0}优越性所在。比如应用到地坑中， 按照城市生态设计理念，城市变压器可以像埋地下 管线一样将变压器埋藏于地下 使其既不产生噪声， 又不占用有限的城市空间。但是普通的油浸式变压 器当需要安装在地下时，就遇到一个难以解决的问 题，即变压器在地坑中靠自然对流难以散热。重力热 管就能很好地解决这个问题，它的加热段放置在地 坑中的变压器体内，而蒸发段则放置在地面的空气 中，从而达到变压器在地坑中也能很好散热的目的， 减少了出现着火和爆炸等严重事故的可能性。

4 结束语

   热管技术在国内外已经发展得很成熟，在许多 工业领域经过几十年的应用，取得了成功的经验。然 而热管在变压器中的应用还处于探索阶段，本文系 统地论述了热管技术在变压器中应用的可行性，总 结了国内外{zx1}研究成果，提出了油浸式变压器用 热管散热的新方案，并对lOkV的变压器进行了试 验。得出重力热管从技术特性和热力性能均能满足 变压器要求的结论。该热管式散热器能将油温升很 好地控制在4O℃以内，相对以前应用片式散热器的 散热效果要好得多，适用范围更为广泛。