编者按：

张国强博士现任中国科学院电工研究所研究员、博士生导师、科技处处长。2001年被评为国家科技部“九五”攻关先进个人，还荣获过国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖1项，三等奖2项。2004年6月至2005年5月，在英国剑桥大学从事过一年的博士后研究。目前开展的研究工作主要有蒸发冷却技术在电气工程中的应用、超高压和特高压输变电技术的基础研究和应用基础研究。本文详细介绍了蒸发冷却变压器的特点、国内外发展状况和中国科学院电工研究所在蒸发冷却变压器技术方面的研究开发情况，并对未来做了前景展望。 

1.　  电力变压器的冷却方式

电力变压器的冷却方式主要有：气体（空气或SF6气体）自然循环冷却或强迫循环冷却、液体（变压器油或耐高温油）自然循环冷却或强迫循环冷却。电力变压器常用的冷却介质有：气态的空气或SF6气体、液态的变压器油或耐高温油。

油浸式变压器的冷却方式分为油浸自冷式、油浸风冷式、强迫油循环风冷或水冷式等。油浸自冷式就是以油的自然对流作用将热量带到油箱壁和散热管，然后依靠空气的对流传导将热量散发，它没有特制的冷却设备。 油浸风冷式是在油浸自冷式的基础上，在油箱壁或散热管上加装风扇，利用吹风机帮助冷却。加装风扇后，变压器的容量可增加30%～35%。强迫油循环冷却方式，利用油泵将变压器油打入油冷却器后再返回油箱。油冷却器做成容易散热的特殊形状，利用风扇吹风或循环水作冷却介质，把热量带走。对于这种方式，若将变压器油的循环速度比自然对流时提高3倍，则变压器容量可增加30%。无论是普通变压器油（25#或45#）还是耐高温油（硅油或β油），都具有良好的耐热能力、出色的绝缘性能，因而在国内外超高压、大容量电力变压器中获得了广泛应用。但由于上述矿物油具有可燃性或难燃性，当油浸式变压器被安装于建筑物附近或内部，可燃或难燃液体有引发火灾的危险。

干式变压器的冷却方式分为自然空气冷却（AN）和强迫空气冷却（AF）两种。自然空冷时，变压器可在额定容量下长期连续运行。强迫风冷时，变压器输出容量可提高50%。由于干式变压器依靠空气对流进行冷却，在电力系统中，一般作为汽轮机、锅炉、除灰除尘装置、脱硫装置等的工作电源。干式变压器的额定容量较小，10kV电压等级以50～2500 kVA配电变压器为主，35kV电压等级以3150～6300 kVA配电变压器为主。干式变压器的最大容量能达到25 MVA，可满足城市中心区、居民小区、大型厂矿等负荷中心的实际需要。

SF6气体绝缘变压器的冷却方式分为气体绝缘、气体冷却和气体绝缘、液体冷却两大类型。额定电压110kV、额定容量小于等于63 MVA的气体绝缘变压器一般采用SF6气体循环冷却的散热方式；容量大于63MVA的则大多数采用氟碳化合物液体（C8F16O或C8F18）冷却和SF6气体绝缘组合技术。

通过采用低沸点的蒸发冷却介质对变压器进行高效冷却，蒸发冷却变压器能有效地降低变压器的运行温度，从而降低负载损耗、提高过负荷能力，具有不燃、节能、环保、成本适中等一系列特点。 蒸发冷却变压器可提高城市电网供电能力及安全水平，杜绝变压器火灾事故，特别适用于城市中心变电站及地下变电站。

2. 电力变压器技术的国内外发展趋势

随着我国大规模、远距离输电电网的快速建设和发展，开展新型节能环保输变电设备—蒸发冷却变压器的应用基础研究、样机研制和产业化推广，将对我国建设资源节约型、环境友好型社会起到积极地促进作用。

国际上，电力变压器总体发展趋势是：

l　　　  降低损耗、减轻重量、提高效率；

l　　　  提高可靠性，免维护、无故障、低噪声；

l　　　  无油化、不燃、防爆，低局放、良好的抗短路能力；

l　　　  持续向超高压、大容量方向发展。

在国内，电网建设和发展对电力变压器提出了许多新的、更高的要求。电力变压器等输变电设备，顺应国际先进技术的发展趋势，进一步向大容量、高电压、无油化、高效化方向发展。当前，提高可靠性，免维护、降低损耗、减轻重量、发展品种是总的发展趋势。其中，大型变压器向特高压、大容量、轻重量、不吊芯、少维护方向发展；城网用变压器向高阻抗、不燃、防爆、低噪音方向发展。

现有的大型电力变压器大都采用普通矿物油作为绝缘和冷却介质，而普通矿物油具有易燃性、易爆性，为防备变压器起火后的火灾规模扩大，很多油浸式变压器配备有水喷雾灭火装置或排油注氮灭火装置，使设备投资扩大，且只能灾后补救，不能预防矿物油的燃烧，事故隐患依然存在。

某些城市中心变电站或城网供电系统，为提高防火安全水平，少量采用了不燃型六氟化硫气体绝缘变压器，但该类变压器主要依赖进口，过负荷能力低，制作工艺复杂，成本和售价特别高（一台六氟化硫气体绝缘变压器的售价大约相当于同等规格的油浸式变压器的3～5倍），制作周期也比较长，难以满足我国输变电行业对不燃型变压器的需求，且六氟化硫气体的大量泄漏，会引起环保问题，加速全球气候变暖。

图1 正在燃烧的一台油冷变压器

图2 燃烧后的一台环氧树脂浇注干式变压器的线圈

当前，如何节约并高效地利用有限的资源已成为人们日益关注的问题。要提高电力设备的有效利用率，主要途径之一就是控制其运行温度，这也有助于提高设备的可靠性和安全性。然而，无论采用自然冷却还是强迫冷却，多为空冷、油冷、水冷等传统冷却方式，其基本原理是利用冷却介质的比热容吸热使变压器主体散热。由于受到介质本身比热容、流量及传热温差等因素的限制。同时，靠比热容带走热量、散热效果有限，运行费用较高，成为制约产品性能提高的瓶颈之一。

一般而言，节约能源、降低变压器损耗的途径主要有以下两个方面：一是采用新材料、新结构、新工艺，二是增加变压器的原材料消耗，靠增加成本和造价来降低电流密度、磁通密度和热流密度，进而实现节能的目的。

在采用新材料、新结构、新工艺方面，由于一些单位损耗低、性能优异的新型电工钢带，特别是非晶合金等材料的投入使用，使得电力变压器或者非晶合金变压器的空载损耗能做得更低；由于组合导线、换位导线的推广使用，以及变压器主、纵绝缘结构优化设计，变压器铁心窗口内的铜占截面比得到提升，使变压器结构更加紧凑，尺寸、重量均得到了科学合理地控制；由于线圈的换位导线自粘工艺、器身的整体套装工艺、铁心的不叠上铁轭工艺和多级阶梯接缝工艺、油箱和铁心夹件的磁屏蔽设置工艺等一系列新工艺的采用，变压器附加损耗得到大幅度降低。以上这些，都是经实践证明行之有效的方法。

但是，上述这些方法在变压器节能方面效果依然有限。

如果将变压器的绝缘和冷却介质更换，例如，将变压器油更换为空气、将绝缘纸更换为环氧树脂或NOMEX纸而制成的干式变压器，必须在大量增加铜、铁用量的前提下，才能实现节能，这与我们建设资源节约型社会的初衷相违背；另一条技术路线是将变压器油更换为六氟化硫气体、将绝缘纸更换为聚酯薄膜或其它耐高温材料（PET、PPS）制成六氟化硫气体绝缘变压器，也必须大量增加铜、铁用量，才能实现节能。另外，由于六氟化硫气体的全球温暖化系数是二氧化碳的23900倍，一旦大量泄漏，将对环境造成破坏，这又与我们建设环境友好型社会的初衷相违背。

基于上述原因，几年前我们开始考虑如何能从全新的意义上研究开发出节能型的、可靠性高、绿色环保、维护简便、原材料消耗合理并带有不可燃性能的电力变压器。通过探讨变压器新的绝缘结构、新的绝缘材料及新的冷却介质，发现采用蒸发冷却技术可以很好地解决上述问题，因此，蒸发冷却变压器项目被提到研发议程上来了。

3. 蒸发冷却技术发展状况及蒸发冷却变压器的适用场合

国内外变压器冷却技术的研究绝大多数局限在油箱内冷却油路和油箱外冷却方式的改进上，几十年并没有实质性的进展。随着利用相变原理进行热交换的技术在某些领域已获得成功应用，美国、日本、英国、俄罗斯和加拿大等国相继开展了将相变原理应用到大型发电设备中的研究，并取得一定的成果，但这些研究成果只处在试验研究阶段，至今，没有成熟产品生产。而我国在电气设备相变吸热散热方面进行了开创性的工作，在此领域的研究工作处于世界领先水平。

国家对蒸发冷却技术研究非常重视并给予了大力支持。2007年初，国家“十一五”科技支撑计划将“发电设备蒸发冷却技术”列为了重点项目。该项目有两个重点课题：“300兆瓦蒸发冷却汽轮发电机样机研制和关键技术攻关”、“800兆瓦蒸发冷却水轮发电机优化设计技术研究和样机研制”。

蒸发冷却技术是具有我国自主知识产权的自主创新技术，不仅可以用于大型水轮发电机和汽轮发电机，还在电力变压器、电力电子装置等很多领域具有安全可靠、经济高效、节能环保、成本适中等一系列优点和独特优势。鉴于此，中科院电工所的科研人员以科技创新的思维和敏锐的洞察力意识到此项技术将在变压器领域掀起一场轰轰烈烈的技术革命，开辟出变压器行业的新天地。目前，已与两家合作企业签订了联合开发蒸发冷却变压器的技术协议，就大力推动蒸发冷却变压器研究和产业化制定了详细的计划。

蒸发冷却变压器研发和产业化符合国家的节能和环保政策，适用于大城市高负荷密集区、高层建筑群等场所，由于上述区域的设备装设空间狭小，防火、防爆要求高，因此，能耗低、体积小、安全性高、绿色环保、价格适中的蒸发冷却变压器将逐步成为电力部门的理想选择。

4. 蒸发冷却变压器的技术优势和特点

蒸发冷却技术是一种高效冷却技术，利用流体沸腾时的汽化潜热带走热量。冷却介质的汽化热要比液态比热大很多倍。这在水轮发电机的研究设计中得到了很多实验数据和运行经验的验证，例如，冷却10千瓦的发热功率需要每分钟蒸发汽化4升的冷却介质，对于三峡800兆瓦水轮发电机，定子绕组和铁心的总损耗约为4200千瓦，蒸发冷却介质总用量只有2600 千克。因此，消耗很少的冷却介质，就能带出非常多的热量，这是采用常规冷却技术根本无法实现的。

在节能方面，蒸发冷却技术可以在原材料消耗不变的前提下，降低负载损耗大约10%。其原因是：变压器负载损耗等于电流的平方乘以电阻。电阻与温度成正比。蒸发冷却介质的沸腾温度大约为47~67℃，蒸发冷却变压器的绕组温度一般在65~70℃，而常规油浸式变压器满负荷状态下的绕组温度一般在100~105℃。根据电阻随温度变化的关系式：

   （1）

式中，R_θ为变压器绕组温度为θ时的电阻，R₂₀为变压器绕组温度为20℃时的电阻，α为电阻温度系数，对于铜导体，α为0.00393。

由此可见，变压器绕组温度为70℃时的电阻R₇₀是变压器绕组温度为100℃时的电阻R₁₀₀的0.91倍。因此，采用蒸发冷却技术后，在原材料消耗不变的前提下，负载损耗可降低大约10%。

虽然变压器不是始终满载运行的，但即使是在轻载或空载状态下，油浸式变压器绕组的温度通常会高于70℃。因此，蒸发冷却变压器在轻载或空载状态下的效率一般不会低于油浸式变压器。

当变压器处于长期过负荷运行或短期急救负荷运行时，常规的油浸式变压器的绕组温度和油面温度都会大幅度升高，超过国家标准规定的允许界限，引发绝缘材料热寿命的快速减损。但是，蒸发冷却变压器并不存在这个问题，此时，随着负载率的增加，蒸发冷却变压器的冷却介质蒸发量会大幅增加，油箱内压力升高，但绕组温度和液面温度却增加有限。因此，蒸发冷却变压器不仅能做到节能环保，还具有损耗低、效率高、热寿命长等特点。

因此，在变压器原材料消耗基本相当的前提下，蒸发冷却变压器可比常规油浸式变压器负载损耗降低10%，节能效果显着。

在节材方面，蒸发冷却技术由于散热效果显着，可以采用线圈密绕，此举可减少铁心硅钢片用量约5％，进而使空载损耗降低约5％，节能、节材效果显着。

5. 国家发改委的立项支持及蒸发冷却变压器的研发现状

将蒸发冷却技术运用到变压器这种高电压的输变电设备上，研究工作的核心是寻找合适的蒸发冷却介质，并确定适用于蒸发冷却技术的变压器新结构。蒸发冷却介质不仅应具有适宜的传热特性、较大的汽化潜热、适宜的沸点、稳定的化学性质，更应该具有较高的击穿电压和介电强度等优良的电气性能，同时还应具有低介质损耗、无毒、不燃、无腐蚀性，与目前变压器行业常用的绝缘材料有很好的相容性等。

目前，产品开发前期科研工作已基本完成。已申请了10项国家发明专利。

　　 图3 蒸发冷却变压器模型照片

目前，样机研制工作已经正式启动，技术目标之一是使蒸发冷却变压器样机严格符合国家标准《GB1094 —电力变压器》的要求，在技术指标方面优于《GB/T 6451—2003三相油浸式电力变压器技术参数和要求》。技术目标之二是编制蒸发冷却变压器的电力行业标准或机械制造行业标准，并获得有关行业技术标准归口管理部门的认可，并颁布执行。

图4  额定电压35kV的蒸发冷却变压器样机三维设计图

2007年8月，中国科学院电工研究所与武汉市供电公司、湖北省电力试验研究院签署了蒸发冷却变压器技术合作协议，35kV和110kV总计4台样机将分别在两个合作厂家制造，并在武汉市供电公司挂网试运行。武汉市供电公司、湖北省电力试验研究院已派出专家走访了中科院电工所和参与本项目的两个合作厂家，并进行了技术交流、样机设计方案研讨等。上述工作，为样机试制的顺利完成起到了关键作用。

2007年9月，“蒸发冷却变压器样机研制和产业化”项目获得了国家发改委“2007年度国家重大产业技术开发专项”的立项支持。该项目是在全国二十八个被选项目中脱颖而出的，评审专家一致认为这是一项从原理创新做起的全新技术，完全符合国家节能、环保政策，应得到大力倡导和支持。

6. 蒸发冷却变压器的社会经济效益分析

近几年，输变电行业对电力变压器的需求巨大，仅110kV电压等级的电力变压器，我国每年大约新增2000多台，年产值约60亿元，加上220kV及以上电压等级的产品，整个电力变压器行业每年有一百多亿的市场。电力行业对高电压、大容量电力变压器有着越来越高的防火安全要求，不燃型蒸发冷却变压器的节能效果显着、技术含量高、不燃防爆、安全可靠、没有环境污染问题，对促进经济发展和电力行业的节能降耗有显着的推动作用。完全可以代替六氟化硫气体绝缘变压器，降低设备投资，还可以代替普通油浸式变压器提高防火安全水平，市场前景广阔。