（國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司常德供電分公司，湖南常德市，415000） 劉長(zhǎng)富 鐘 顯 李付勤 劉 洋 王 蕾

大容量油浸自冷變壓器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音低、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，特別是在110kV電壓等級(jí)中，目前大部分城區(qū)變電站都選用了油浸自冷變壓器[1]。但是，部分油浸自冷變壓器受運(yùn)行年限、制造工藝以及外部運(yùn)行環(huán)境的影響在高溫大負(fù)荷情況下出現(xiàn)油溫超警戒水平的現(xiàn)象，暴露出主變冷卻器散熱不足的問(wèn)題，影響到主變的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此對(duì)這一類變壓器進(jìn)行技術(shù)改造，是變電站不可忽視的重要工作。

目前針對(duì)變壓器風(fēng)冷改造方面已有不少研究，工程上也積累了不少經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)[2]將強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷變壓器吹風(fēng)方向由向冷卻器內(nèi)吹風(fēng)改為向外吹風(fēng)，改造后冷卻效果得到改善，且易于保持冷卻器的清潔；文獻(xiàn)[3]針對(duì)大功率變壓器冷卻器結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，提出了改造建議，以實(shí)現(xiàn)利用天然雨水清潔散熱面的目的；文獻(xiàn)[4]將強(qiáng)迫油循環(huán)水冷變壓器進(jìn)行了風(fēng)冷改造，取得了較好效果。上述文獻(xiàn)主要涉及強(qiáng)迫油循環(huán)變壓器的改造，對(duì)油浸自冷變壓器風(fēng)冷改造方面研究較少。

為此，本文以國(guó)網(wǎng)常德供電公司所屬某110kV變電站1 號(hào)主變壓器為例，對(duì)其散熱器進(jìn)行了風(fēng)冷改造，并對(duì)實(shí)施改造后冷卻裝置的冷卻效果進(jìn)行了分析。

1 油浸自冷變壓器發(fā)熱和冷卻原理

油浸自冷（ONAN）變壓器主要由鐵芯、繞組、油箱及絕緣套管等構(gòu)成。線圈和鐵芯合稱為變壓器的器身。油箱起容器、冷卻散熱、機(jī)械支撐和保護(hù)作用。變壓器油作為冷卻介質(zhì)充滿油箱，也起到絕緣作用。繞組和鐵芯在變壓器運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗，這些能量會(huì)使變壓器的效率降低，同時(shí)也會(huì)使變壓器的溫度升高。

油浸自冷變壓器散熱主要依據(jù)熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射三種原理，其散熱過(guò)程如下：變壓器線圈和鐵芯一部分熱量以熱傳導(dǎo)方式傳遞到表面被變壓器油冷卻，然后線圈或鐵芯表面的熱油以熱對(duì)流的方式將熱量傳遞到油箱或散熱器的內(nèi)表面，所有熱量最后均以對(duì)流和輻射的方式散發(fā)到周圍的空氣中去。三種散熱形式的計(jì)算方法如下[5]：

（1）熱傳導(dǎo)

一個(gè)物體的高溫部分向低溫部分傳熱，或兩個(gè)互相緊密接觸的物體間的熱量傳遞就是通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行的。

導(dǎo)熱熱流量為：

其中，t1、t2 為物體兩表面溫度（℃）；Rr為導(dǎo)體熱阻（℃/W）。

（2）熱對(duì)流

流體與固體直接接觸時(shí)，他們之間的熱交換過(guò)程稱為對(duì)流換熱，這種散熱形式在變壓器冷卻中起主導(dǎo)作用。對(duì)流散熱的冷卻過(guò)程：當(dāng)發(fā)熱物體周圍的介質(zhì)是液體或氣體時(shí)，那么附在發(fā)熱體表面的那層介質(zhì)，由于熱傳導(dǎo)的作用而被加熱，其密度降低，而介質(zhì)上升，介質(zhì)離去的地方由新介質(zhì)補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，這就形成了冷卻介質(zhì)的循環(huán)。

對(duì)流過(guò)程所傳遞的熱流量為：

式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)（W/（m2·℃））；A為對(duì)流換熱面積（m2）；tf-tw分別為流體和壁面溫度（℃）。

（3）熱輻射

電磁波是變化的電場(chǎng)通過(guò)電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生的磁場(chǎng)在交替的作用下產(chǎn)生的。以電磁波載運(yùn)能量向外發(fā)射的過(guò)程叫輻射。是微粒由于熱的原因引起振動(dòng)激發(fā)出的電磁波所產(chǎn)生的。

輻射傳遞的熱流量為：

式中Q1-2為表面1 以輻射方式傳給表面2 的流量為（W）；A1為表面1的面積（m2）；T1，T2為兩表面的溫度（K）；ε12為物體1 對(duì)物體2 的發(fā)射率；σ為斯忒藩一波爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8（W/（m2K4））。

2 油浸式自冷變壓器過(guò)熱原因分析

2.1 變壓器制造工藝問(wèn)題

一些老舊的油浸式自冷變壓器受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，制造材料和制造工藝存在問(wèn)題，是導(dǎo)致變壓器過(guò)熱的原因之一。油浸式自冷變壓器溫升與變壓器負(fù)載損耗、空載損耗、負(fù)載系數(shù)和負(fù)載時(shí)間有關(guān)。

負(fù)載系數(shù)為：

式中，Sn為變壓器最大額定連續(xù)容量；S為連續(xù)穩(wěn)定負(fù)載。

負(fù)載損耗與空載損耗比值：

式中，Pk為負(fù)載損耗，Po為空載損耗。

則變壓器在負(fù)載為S時(shí)的油溫升最大值：

對(duì)于油浸自冷式變壓器，m=0.8，△θon=55℃。

由式（6）可以看出變壓器最大溫升跟負(fù)載損耗與空載損耗的比值有關(guān)，考慮到變壓器負(fù)載情況下的安全可靠性，對(duì)電磁線材料和截面的選取變壓器廠家一般較為慎重，所以通常負(fù)載損耗能夠滿足技術(shù)協(xié)議的要求。但是為了節(jié)約制造成本，硅鋼片的質(zhì)量和數(shù)量可能成為變壓器廠家偷工減料的地方，另外疊片工藝也可能導(dǎo)致空載損耗超出技術(shù)協(xié)議規(guī)定值。

此外，冷卻器散熱片材料性能較差，熱傳導(dǎo)能力低，也是導(dǎo)致變壓器過(guò)熱的原因之一。

2.2 冷卻器結(jié)構(gòu)布置不合理

油浸式變壓器油箱內(nèi)部的變壓器油是被器身加熱的。油被加熱后，密度降低，在油箱內(nèi)部油流上升，通過(guò)散熱片或油箱壁的傳熱，將熱量傳出，此時(shí)油溫度下降，密度增加，在散熱裝置或油箱內(nèi)，變壓器油流下降，然后又被器身加熱，如此循環(huán)往復(fù)。在循環(huán)過(guò)程中，油的流動(dòng)完全是密度變化引起的浮力造成的。上述分析可以看出合適的油流速度是保持變壓器散熱效果的關(guān)鍵，油流速度過(guò)快使得變壓器油在散熱器中停留的時(shí)間過(guò)短，無(wú)法充分利用其散熱能力，導(dǎo)致散熱器進(jìn)、出口溫差減??；油流速度過(guò)慢，使得變壓器油流動(dòng)性較差無(wú)法及時(shí)將熱量散發(fā)出去。

由于一些廠家沒(méi)有對(duì)變壓器的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致變壓器在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期溫升偏高。常規(guī)布置的散熱片上部基本與變壓器頂蓋持平，文獻(xiàn)[6-7]研究表明這種布置方式不利于變壓器油在器身和散熱片內(nèi)部的流動(dòng)，降低了散熱效果。適當(dāng)提升散熱器中心高度，有助于提升油流速度，加快熱量傳遞過(guò)程，從而增強(qiáng)散熱效果。此外，常規(guī)布置散熱片連管低于變壓器頂蓋200mm左右，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致變壓器上端部存在循環(huán)死區(qū)，使變壓器頂層油溫明顯高于其他部位。

2.3 其他影響因素

（1）主變?nèi)萘坎蛔?/p>

高溫大負(fù)荷期間用電量激增，導(dǎo)致主變?nèi)粘＿\(yùn)行負(fù)荷增大，并且超過(guò)其額定容量，此時(shí)主變的運(yùn)行油溫容易超過(guò)規(guī)定值。

（2）散熱片老化

許多油浸式自冷主變運(yùn)行年限超過(guò)20年，散熱片老化嚴(yán)重，并且容易積灰，導(dǎo)致冷卻器換熱效果惡化，油溫上升。

（3）封閉的運(yùn)行環(huán)境

部分城區(qū)變電站四周均為高大的居民樓，運(yùn)行環(huán)境較為封閉，不利于空氣對(duì)流，從而影響了散熱效果。

3 冷卻器技術(shù)改造方案的選取

通過(guò)上述油浸自冷變壓器過(guò)熱原因分析，為解決當(dāng)前部分老舊油浸自冷主變運(yùn)行油溫過(guò)高的問(wèn)題可以采取三種方案。

（1）方案一

對(duì)主變進(jìn)行增容改造，即更換主變壓器。優(yōu)點(diǎn)：隨著主變?nèi)萘康脑龃螅蓮母旧辖鉀Q主變過(guò)載運(yùn)行時(shí)油溫過(guò)高的問(wèn)題，有利于主變長(zhǎng)遠(yuǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。缺點(diǎn)：設(shè)備購(gòu)置所投入的資金大，改造費(fèi)用高，且改造實(shí)施過(guò)程中涉及主變停電，影響供電的可靠性。

（2）方案二

對(duì)主變冷卻器布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，即在原有散熱器常規(guī)布置的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析論證適當(dāng)提高散熱器中心高度，從而加快變壓器內(nèi)的油流速度，提高散熱效果。該方法在一定程度上能提高變壓器的散熱能力，但是改變了變壓器原有的結(jié)構(gòu)布局和電場(chǎng)環(huán)境，影響了主變運(yùn)行的安全性，同時(shí)改造實(shí)施的技術(shù)難度較大，破壞原有的冷卻器密封連接面或增加新的密封連接面容易出現(xiàn)滲漏油的情況。

（3）方案三

在主變散熱器位置加裝電力變壓器專用的工業(yè)軸流風(fēng)機(jī)對(duì)變壓器進(jìn)行冷卻，用吹風(fēng)的方法使散熱器周圍的空氣流動(dòng)加快，理論上可使對(duì)流散熱增加8.5 倍，這樣可以以較低的資金投入有效解決油浸式自冷變壓器過(guò)熱的問(wèn)題。該方案可在主變不停電狀態(tài)下實(shí)施改造，改造的技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。

綜合對(duì)比三種方案的經(jīng)濟(jì)性、安全性以及改造的技術(shù)難度，可以看出方案三是實(shí)施油浸自冷式變壓器冷卻器改造的最優(yōu)方案。

4 變壓器外置可移動(dòng)式冷卻裝置

4.1 散熱器風(fēng)冷改造需解決的問(wèn)題

對(duì)油浸自冷式主變散熱器加裝風(fēng)冷裝置雖然不需要對(duì)變壓器內(nèi)部進(jìn)行改造，但由于冷卻裝置冷卻效果的好壞對(duì)變壓器的安全運(yùn)行、使用壽命及內(nèi)部元件性能有著直接的影響，因此對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小、合理布局、風(fēng)冷控制器以及安裝支架都有很高的要求。需要解決以下四個(gè)問(wèn)題：

（1）溫升問(wèn)題，根據(jù)熱老化定律，絕緣體溫度每增加8℃，其使用壽命降低一半。若溫升得不到控制，將會(huì)直接影響到變壓器的使用壽命。為了將溫升控制在允許的范圍內(nèi)，需要通過(guò)計(jì)算變壓器油的溫升來(lái)選擇合適尺寸和風(fēng)量的風(fēng)機(jī)。

（2）整體冷卻效果，新安裝的風(fēng)機(jī)需要合理布局，滿足以下幾點(diǎn)：1）散熱條件良好，不能產(chǎn)生熱風(fēng)局部循環(huán)；2）風(fēng)向應(yīng)貫穿油箱一側(cè)的整個(gè)散熱器，而不是由散熱器吹向油箱；3）盡量做到冷卻效果均勻，保證每臺(tái)風(fēng)機(jī)充分發(fā)揮它的散熱能力。

（3）風(fēng)機(jī)控制問(wèn)題，冷卻裝置應(yīng)通過(guò)變壓器油溫實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟停功能，既達(dá)到預(yù)期的冷卻效果，又合理縮短風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間。

（4）風(fēng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)問(wèn)題，變壓器油溫根據(jù)不同的季節(jié)差異明顯，在低溫低負(fù)荷時(shí)期風(fēng)機(jī)不必投入運(yùn)行，因此可將風(fēng)機(jī)支架設(shè)計(jì)成可移動(dòng)式，便于冷卻裝置安裝和拆卸，從而避免冷卻裝置長(zhǎng)期暴露在惡劣的外部環(huán)境之下，提高冷卻裝置的使用壽命。

4.2 外置可移動(dòng)式冷卻裝置

以某110kV 變電站1 號(hào)主變風(fēng)冷改造為例，該主變散熱器采用水平布置型式，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 1號(hào)主變參數(shù)

（1）根據(jù)主變壓器散熱器的寬度和高度，以及變壓器油量，選用電力變壓器專用軸流風(fēng)機(jī)6臺(tái)，每側(cè)散熱器各裝三臺(tái)。風(fēng)機(jī)型號(hào)為SF6B-4，圓形結(jié)構(gòu)，直徑為600mm，最大風(fēng)量為10 000m3/h，轉(zhuǎn)速為960r/min，風(fēng)壓為165Pa，功率為1 000W。該風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)性能牢固，風(fēng)量大、貫穿性好，同時(shí)具有節(jié)能、低噪音的優(yōu)點(diǎn)。

（2）在散熱器下部水平位置安裝獨(dú)立的鋼制支架，支架具備可上下伸縮和可移動(dòng)的功能，其安裝位置示意圖如圖1 所示。安裝時(shí)需要注意以下三點(diǎn)：一是制作支架的材料應(yīng)滿足強(qiáng)度要求且安裝牢固；二是保證風(fēng)機(jī)出風(fēng)口端面與散熱器外端面相距20mm 左右，并確保安裝后風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的防護(hù)網(wǎng)完好、緊固牢靠，以避免風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)、支架擺動(dòng)、風(fēng)葉脫出等情況，進(jìn)而碰觸、傷及散熱片；三是風(fēng)機(jī)風(fēng)向應(yīng)貫穿油箱一側(cè)所有散熱器，而不是由散熱器吹向油箱，以便充分利用散熱器的散熱面積，取得較好的降溫效果。

圖1 外置風(fēng)扇安裝示意圖

4.3 基于PLC控制的風(fēng)冷控制器

PLC 具有適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，采用PLC技術(shù)來(lái)控制變壓器的冷卻系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油溫的精準(zhǔn)控制，因此PLC控制技術(shù)在冷卻系統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制方面已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[8-9]。

本次改造的冷卻裝置在風(fēng)機(jī)控制方面采用西門子S7-400 系列可編程控制器。風(fēng)機(jī)啟停的依據(jù)有變壓器頂層油溫、帶溫差異度的啟?？刂撇呗?、風(fēng)機(jī)的持續(xù)啟動(dòng)時(shí)間和累計(jì)啟動(dòng)時(shí)間。其控制流程如圖2所示。

根據(jù)油浸自冷式變壓器運(yùn)行規(guī)程和有關(guān)規(guī)定，變壓器頂層油溫不得長(zhǎng)期超過(guò)85℃。為此可將溫度控制器啟動(dòng)工作風(fēng)機(jī)溫度值設(shè)定為65℃（溫度1），啟動(dòng)輔助風(fēng)機(jī)溫度值設(shè)定為80℃（溫度2），停止風(fēng)機(jī)溫度值設(shè)定為55℃（溫度3）。其中設(shè)定工作風(fēng)機(jī)4臺(tái)，輔助風(fēng)機(jī)2臺(tái)。

圖2 冷卻系統(tǒng)控制流程圖

4.4 冷卻裝置改造后的效果分析

2020年7月國(guó)網(wǎng)常德供電公司對(duì)某110kV變電站1 號(hào)主變壓器按上述方案進(jìn)行了風(fēng)冷改造，下面以1 號(hào)主變壓器為例，對(duì)該主變壓器運(yùn)行油溫與改造前進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示

圖3 1號(hào)主變改造前后油溫對(duì)比曲線

運(yùn)行人員在7 月26 日將改造的冷卻裝置投入運(yùn)行，在11 時(shí)左右1 號(hào)主變油溫超過(guò)65℃，冷卻裝置4臺(tái)工作風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。對(duì)比1號(hào)主變2020年7月25日和2020 年7 月26 日油溫曲線可以發(fā)現(xiàn)在相似的負(fù)荷和環(huán)境溫度下，冷卻器進(jìn)行風(fēng)冷改造后運(yùn)行油溫平均下降10℃-15℃，25 日變壓器重載時(shí)的油溫達(dá)到78℃，風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行后變壓器重載時(shí)的油溫在60℃-67℃之間，冷卻效果明顯加強(qiáng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

一些老舊的油浸式自冷變壓器冷卻效率低下，在高溫大負(fù)荷階段容易出現(xiàn)油溫過(guò)高的現(xiàn)象。為解決這一問(wèn)題，本文研制了一種外置可移動(dòng)式冷卻裝置，實(shí)踐表明所加裝的冷卻裝置降溫效果明顯，可有效改善變壓器運(yùn)行工況。同時(shí)該裝置還具有改造實(shí)施過(guò)程簡(jiǎn)單、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。