Page 81 - 电力与能源2021年第一期

姚 叶, 等: 基于石墨烯辐射强化散热的变压器过载能力提升技术研究 7
5
烯的热传导。 出色的电热涂料, 兼具出色的红外辐射特性、 高导
石墨烯导热系数的经验公式如下: 热率、 节能环保等显著优势。
X g LδP 利用石墨烯超高的导热率和红外辐射系数的
k= ( 6 )
2hd δ f 特性, 设计专门的辅助强化散热器, 提升现有变压
———温度系数; L ———单层石墨烯的中
式中 X g 器热交换能力, 则有望大幅提升变压器的偶发过
部与散热片之间的距离; h ———单层石墨烯厚度; 载承受能力。部分石墨烯散热涂料的具体参数如
d ———单层石墨烯宽度; δ f ——— G 峰位移; δP ——— 表 1 所示。
样品热功率变化。 3.2 利用石墨烯辐射涂料设计变压器强化散热
从式( 6 ) 可得出, 石墨烯的导热系数主要受单 组件
层石墨烯尺寸效应、 温度变化以及石墨烯生长基 石墨烯材料基于纳米级石墨材料经涂料加工
底材料三个因数的影响。 工艺制成, 涂敷在材料表面后, 能极大提升物体表
石墨烯具有很好的导热性, 晶格振动在导热 面的红外辐射效率, 传热通过对流、 辐射与传导三
过程中起着重要的作用。导热系数取决于温度和 个途径, 通过变压器表面临时增设经过纳米石墨
尺寸。其优异的导热性和力学性能使石墨烯在温 烯处理过的强化散热导热体, 能极大提升现有变
度控制领域具有广阔的发展潜力, 但这些性能都 压器散热筋的排热能力。
难以直接利用, 因为它们都是基于微观的纳米尺 为了方便考虑在既有变压器上加装, 利用铝
度。因此, 为保持其纳米效应将纳米的石墨烯宏 型材与软性导热材料, 设计了可安装于既有变压
观组装形成薄膜材料或涂料, 是石墨烯规模化应 器散热翅片或散热筋的强化散热组件, 其结构如
用的重要方法。 图 2 所示。

3 变压器运行可靠性提升方案

3.1 新型红外辐射散热涂料的设计
变压器现有的散热器是翅片结构金属, 尽管
金属本身的导热系数很高, 但是金属散热器表面
的防锈涂料导热系数很低, 这大大降低了散热器
与空气间的导热系数, 另外其热辐射率也很低。
抛光后铜和铝的辐射率也仅为 0.05 , 即使通过阳
极氧化处理之后也不高于 0.6 , 红外辐射散热效
率依然非常低。由此在变压器上采用能大幅提升 图 2 变压器强化散热组件结构
导热系数与红外辐射系数的石墨烯导热涂料, 有
当遇到过载发热的变压器后, 将强化散热组
望大幅提升变压器与环境空气的热交换效率。
件上的散热筋插槽对准变压器的各个散热筋依次
石墨烯纳米 散 热 涂 料 由 填 料、 稳 定 剂、 粘 结
插上 [ 9-10 ] , 软性导热体结构夹紧散热筋, 强化散热
剂、 助剂与纳米级的石墨烯颗粒组成。它是一种
表 1 采用红外辐射涂料后的具体参数
型号 CN-PA CN-PU CN-EP CN-SI
树脂体系 水性丙烯酸树脂 水性聚氨酯树脂 水性环氧树脂 水性有机硅树脂
外观 黑色 黑色 黑色 黑色
热导率 /[ W ·( m · k ) -1 ] 1.8~3.0 1.8~3.0 1.8~3.0 1.8~3.0
辐射率 0.95~0.98 0.95~0.98 0.95~0.98 0.95~0.98
硬度 1H-3H HB-2H 1H-3H HB-2H
附着力等级 0~2 0~2 0~2 0~2
耐温 / ℃ 150~200 150~200 200~250 200~250
涂层抗冲击性( 1k g 、 100cm ) 通过 通过 通过 通过
成膜工艺 喷涂、 滚涂、 丝网印刷
适用领域 热交换器、 导热金属( 铜、 铝) 箔、 LED 外壳防腐散热领域等