楼宇建筑新型节能安全变压器——蒸发冷却变压器

1 前言

楼宇建筑中变压器作为所有 电气设备供电的源头，是建筑电气中最重要的电气设备。电能的输送、分配以及各种电气设备的用电，都要通过变压器来实现，因此，推广节能环保变压器，提高变压器运行的经济性、环保性、安全性、稳定性，是推广发展建筑电气节能的重要组成部分。

在现代化城市中，楼宇配电变压器数量巨大，且变压器本身能耗基数相对照明、电器而言要大很多，所以，变压器效率的微小改进也能带来巨大的节能效果。要推动变压器节能工作，需要了解国内变压器节能技术的发展和现有水平，从而找出可以不断改进和发展的空间，切实推动我国楼宇配电变压器节能降耗工作的实施。

楼宇配电变压器因其使用场所靠近人流密集区域，除节能外，当今社会对楼宇配电变压器的防火防灾、环保、运行安全等方面也有很高的要求。深圳奥电高压电气有限公司研制的基于相变换热技术的蒸发冷却变压器，可以综合提高变压器节能、环保、防火防灾、安全等整体性能，为我国楼宇建筑变配电提供了先进、完整的解决方案。

２ 节能变压器的技术发展

２０世纪５０年代，我国１０ｋＶ配电变压器执行的是前苏联标准。１９６４年我国颁布了第一个电力变压器技术标准《电力变压器》ＪＢ５００－６４，又称“６４”标准。由于按“６４”标准生产的中小型配电变压器损耗高、效率低、性能差，因此，到１９７３年，我国颁布了第二个电力变压器技术标准《三相油浸电力变压器技术参数和技术要求》ＪＢ１３００～１３０１－７３。“７３”标准的空载损耗值较“６４”标准降低了约２０％.１９８６年，我国按照进一步降低损耗的要求，颁布了第三个电力变压器技术标准《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》ＧＢ６４５１－８６，又称“８６”标准，其总损耗值较“７３”标准平均降低１９．４％.１９９５年我国修订颁布了第四个电力变压器技术标准ＧＢ/Ｔ６４５１－９５“三相油浸式电力变压器技术参数和要求”，其组Ⅰ的平均空载损耗值较“８６”标准又降低了１０％.随着变压器制造技术的不断进步和磁性钢带性能的不断提高，１９９９年，我国对１９９５年的标准又作了进一步修改，根据政府颁布的有关法规，在１９９９年的标准ＧＢ/Ｔ６４５１－９９中，取消了原“９５”标准中的组Ⅱ空载损耗值，保留了原“９５”标准中的组Ⅰ空载损耗值。至２００６年，新的国家标准《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》将Ｓ９系列中的损耗数值规定为能效限定值，将Ｓ１１作为现阶段的节能评价值。随着国家标准《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》的实施，到２０１０年７月１日，Ｓ９型和ＳＣ９型变压器停止生产，Ｓ１１型和ＳＣ１０型变压器占有市场主导地位。

从国家标准发展的阶段可以看出，节能指标是随着技术的进步而改变的。由于磁性材料的不断改进，变压器的空载损耗值在不断调低，几十年来，铜材导电率的改进并不像磁性材料导磁率那样经过了四代改进，迄今为止，铜的导电率改进仅仅只提高了３％.所以，在后期，无论油变还是干变，最新的节能型号都是只降低空载损耗，负载损耗没有变化。这是因为，在现有材料、设计、工艺水平下，要降低负载损耗，只能通过大幅度增加绕组铜线的使用，从而导致变压器成本提高，体积增大，性价比降低。以油变为例，国家标准从Ｓ９系列开始，对变压器负载损耗的要求不再降低，甚至，Ｓ９最终版比初始版负载损耗还提高了３．２８％。

实践证明，变压器的负载损耗与其运行温度有着直接的关系。因为负载损耗主要是变压器绕组的铜耗，绕组铜材的电阻率则会随着温度的升高而增大，从而导致铜耗增加。计算与测试都表明，变压器的运行温度每降低１０℃，变压器的负载损耗将减小约４％～５％，使变压器的运行效率大大提高。

对变压器而言，空、负载之比大约为１：１０，早期，由于变压器负荷低，空载损耗的固定性，空载损耗在变压器总损耗中权重较大，降低空载损耗可以取得比较好的节能效果。如今，社会发展很快，城市用电负荷逐年递增，变压器满负荷、超负荷运行时有发生，重负荷运行时间增加，负载损耗在变压器总损耗中的权重比例也越来越大，所以，变压器节能不能再局限于空载损耗的降低，更应注重减小变压器带负荷运行时产生的负载损耗。降低变压器负载损耗的有效方法不是改进绕组导线的铜材或增加变压器用铜量，而是降低绕组的运行温度，在同等用铜量的可比条件下，变压器运行温度越低，其负载损耗越小。

近几十年来，世界各国都在积极探索和研究更有效的变压器冷却降温方法，如风冷、强迫油循环、改变散热器结构等，这些改进研究大多数只集中在冷却散热结构上，并没有从冷却机理上进行根本性的变革，依然采用的是对流、传导、辐射等显热冷却方式，换热效率因受到介质比热、流量及换热温差等因素的限制是较低的，即使设法提高导热系数λ、对流系数α和辐射常数ｃ来提高其换效率也是很有限的。因此，降温效果都不够理想，更多的是保障变压器重载时的运行安全。要在现有的基础上大幅度提高电力变压器的冷却效率，生产出更节能的高效变压器，显然目前应用的显热换热冷却技术已无能为力了，只有另寻出路，采用换热效率更高的新的冷却降温技术，才可能有新的突破。

３ 蒸发冷却技术

蒸发冷却与气膜冷却、发汗冷却并称为当今三大前沿冷却技术，它是通过改变物质形态的物理变化来获得降温的冷却方式。

任何物质都是以固态、液态、气态三种状态中的一种状态存在于自然界中。随着外部条件的变化，物质的状态（即物态）可以在三态之间相互转化，称为相变。物质在相变过程中，总是伴随着吸热或放热现象，这种形式的热量称为潜热。潜热只使物质形态改变，而无温度变化，在潜热的状态中，物质的温度不再随热负荷的增大而升高，而是维持恒定。

在热力学中，物质由液态变为气态的过程，称为蒸发或汽化。蒸发冷却就是利用冷却介质的蒸发（汽化）带走热量，从而达到冷却的目的。

一般来说，液体的蒸发热远远大于其比热容，所以，蒸发冷却的冷却效率更高，降温效果更显著。下面，以水为例来比较潜热和显热的吸热效果：

①水的显热吸热升温过程（Ｃ－Ｄ）（如下图所示）

水的比热：Ｃ＝４．１８ｋＪ/ｋｇ．℃

水的初温：０℃

水的末温：１００℃

水的温度从０℃上升到１００℃吸收的热量为：

Ｑ＝ｍ•ｃ•Δｔ＝４．１８×１×１００＝４１８ｋＪ

②水的恒温汽化过程（Ｄ－Ｅ）

水的蒸发热：ｈｅ＝２２６０ｋＪ/ｋｇ

水汽化吸收的热量为：

Ｑ＝ｍ•ｈｅ＝２２６０×１＝２２６０ｋＪ

从以上结果可以看到：２２６０／４１８＝５．４倍，潜热吸收的热量比显热大了５倍。

伴随相变而产生的潜热效应，可以在很小的温差下达到很高的换热效率，整个系统中温差≤３℃，所以，采用相变换热技术，变压器内部温度场分布均匀，无局部过热点。蒸发冷却的另一个特点是当冷却介质达到沸点后，无论热负荷如何增加，温度都不会发生变化，也就是说，受冷却介质沸点的钳制，变压器的温度不会随着负荷的增加而增加，变压器过负荷能力可以得到当极大的提升。正因为其高效冷却，目前，蒸发冷却降温技术已在国内的大型水轮发电机组的冷却中获得成功的应用。

４ 蒸发冷却变压器的技术优势

（１）冷却效率高，节能显著

相比油变、干变，蒸发冷却变压器具有更低的运行温升，变压器温升每降低１Ｋ，绕组电阻率将减小约０．４％，变压器负载损耗Ｐｋ也减小约０．４％.与现有ＳＣ１０型变压器相比，蒸发冷却变压器的运行温升下降约５０Ｋ，变压器的负载损耗减小约２０％.

在国际性招标中，变压器每１ｋＷ Ｐｋ损耗，约折合１０００～２０００美元。可见，降低负载损耗Ｐｋ具有极大的经济效益。

（２）不燃不爆，安全性能好

对城市建筑而言，消防安全永远是重中之重。现代社会以人为本，人的安全性已成为人们考虑的首要因素。楼宇建筑是人流密集区域，所以，当今社会对楼宇配电变压器的的防火要求也越来越高，变压器一旦因故障着火，产生的明火或浓烟将对人们的生命财产安全构成严重的威胁。

蒸发冷却变压器采用的冷却介质是一种新型的低沸点液态氟碳化合物，它无闪点，还具有灭火、灭弧的性能，物化性能十分稳定，从根本上消除了变压器发生火灾和爆炸的危险，是一种真正的安全型变压器。

（３）无毒无害，环保性能好

绿色建筑中的“绿色”包含的概念不仅仅是节能、低碳、减排，也包含环保，对人体、对环境无危害。

随着地球大气环境的日益恶化，保护生态环境已成为社会可持续发展的必然选择，人们的环保意识越来越强，人们在关心产品性能和品质的同时，也越来越关注产品的环保性能。电力变压器如果要成为一种清洁环保型设备，必须在设计制造、运行和最终处置的整个过程中，均符合ＩＳＯ　１４００１及有关环保标准和法规的要求。曾推出耗能产品环保设计指令（简称ＥｕＰ指令）的欧洲议会和欧洲理事会于２００５年７月在２００５/３２/ＥＣ指令中发布了Ｅｃｏ－ｄｅｓｉｇｎ生态设计框架指令。在这个指令中要求：变压器的节能设计不仅要考虑对一次能源的消耗，也要考虑材料生产与循环再利用中对环境的影响，同时，产品生产、使用和寿命终结（ＥｏＬ）过程中对环境造成的影响分析也计入根据ＥｕＰ指令要求所写的生态设计报告中。

蒸发冷却变压器在产品设计过程中融入了环保的理念，并寻求资源消耗最小化，选用环境友好的氟碳化合物作为冷却介质，它无毒无腐蚀，不含重金属，对臭氧层无破坏（ＯＤＰ）＝０，温室效应（ＧＷＰ）＜５００，在大气中滞留时间很短（ＡＬＴ）＜４年，因此赋予了变压器良好的环保特性。

变压器的运行过程中没有温室气体排放、噪声小，且在变压器的运行温度下，冷却介质基本上不老化，在变压器寿命终结后，冷却介质仍可回收再利用。因此，蒸发冷却变压器具有人们所期望的环保性能，是一种绿色环保型变压器。

（４）温度均匀稳定，过载能力强

现代电网尤其是城市中心供电的电网，电力负荷的峰谷差距很大，高负荷时段常常会出现超负荷的现象，为保证电网运行的安全性和供电的稳定性，设计人员在选用变压器容量时，一般是参考负荷峰值考虑，就造成“大马拉小车”的状况，不仅会增加用户的容量费，变压器运行效率也不高，很不经济。

蒸发冷却变压器的冷却介质粘性小，流动性好，能够在变压器绕组的匝间和铁芯片的缝隙中流动，且其表面张力很低，使所流过的表面容易润湿，被润湿的表面立即获得冷却。而且，其散热能力能根据发热量的大小而自动调整，在发热量较大的地方，介质的蒸发相应较快，其散热量也相应较大；在发热量较小的地方，介质的蒸发相应较慢，其散热量也相应较小，从而使变压器的温度分布自动趋于均匀，不会产生过热点，这是蒸发冷却变压器独有的一大特点。

由沸腾换热机理可知，沸腾液体的温度将被钳制在液体的沸点温度上。因此，蒸发冷却变压器不仅运行温升低、温度分布均匀，而且其最高运行温度将被冷却介质的沸点所限制，当变压器过载（变压器发热量增大）时也不会出现过热现象，这是蒸发冷却变压器独有的另一大特点。所以，它具有极强的过载能力，可以提高供电的安全性，同时减少因负荷过载而产生的“拉闸限电”，大大提高供电品质。

（５）寿命长，性价比高

变压器在正常带负载运行过程中，其绝缘结构的材料一直在老化，这一过程是积累性的且能导致绝缘失效。因此，变压器的寿命主要取决于它的绝缘材料寿命。影响变压器绝缘材料寿命的因素很多，但在绝缘结构的组成及其组成材料相同的情况下，则主要取决于其运行温度和内应力状态。蒸发冷却变压器由于运行温度低，因此，其绝缘结构寿命和使用寿命较长。

电力负荷具有经常变化的特点，即具有动态性。在负荷频繁变化的状态下，变压器的运行温度也会随之而起伏变化。由于绕组导体与其绝缘层的热应力不同，在冷热温度冲击下，易造成绝缘层迅速老化、开裂、脱壳，使绝缘寿命降低，并影响变压器运行的可靠性。蒸发冷却变压器由于钳制了变压器的最高运行温度，使其运行温度变化小，大大减小了导体与绝缘之间的热应力，防止绝缘材料热老化，避免导体的绝缘层开裂或脱壳，也有利于延长设备使用寿命。

（６）免维护，节省维护成本

目前，蒸发冷却变压器为全密封结构，其冷却介质氟碳化合物的物理性能和化学性能都很稳定，在变压器运行温度下不老化、不分解，因此，不需要像变压器油一样定期检查和处理，在寿命期内无需更换介质，从而节省大量的运行维护人力和费用，为用户创造附加价值。

（７）体积小，节省安装面积

蒸发冷却变压器采用相变换热方式传递和转移变压器的热量，大大提高了单位截面积的热传递能力，在同样体积或材料用量的可比条件下，提高了变压器的功率容量。也就是说，提高了变压器的功率密度，可实现变压器的小型化和轻量化，即在同等功率容量或同等运行温升的条件下，蒸发冷却变压器的体积更小，可节省安装面积，在寸土寸金的城市建筑中，对场地狭窄的配电室设计、安装而言带来极大的方便。

每一次产业结构的调整、升级都离不开新技术、新产品的应用与发展。相变换热技术无论在技术性能上还是安全性上，都比其它冷却方式优越得多，应用相变换热技术的蒸发冷却变压器作为一种节能、安全、环保且过载能力强的新型电力变压器，今后必将成为２１世纪我国电力变压器一个新的发展方向。