李雙成

（甘肅電投大容電力有限責(zé)任公司，蘭州 730000）

變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，其功能是將發(fā)電機(jī)的電能從低電壓轉(zhuǎn)換成高電壓，升高后的電能輸送至電網(wǎng)。在實(shí)際運(yùn)行中，變壓器上層油溫和繞組溫度是巡回檢查的重要項(xiàng)目。當(dāng)變壓器油溫超過規(guī)定值，內(nèi)部變壓器油開始劣化，絕緣降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生匝間短路等內(nèi)部故障，引發(fā)保護(hù)跳閘從而電力回路中斷，所以變壓器在電網(wǎng)系統(tǒng)中尤為重要。

1 實(shí)施背景

1.1 橙子溝水電站介紹

白龍江橙子溝水電站位于甘肅省隴南市境內(nèi)，是白龍江干流上水電梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃的第15 級(jí)電站，廠址位于文縣臨江鎮(zhèn)月亮壩鄉(xiāng)。廠內(nèi)安裝3 臺(tái)混流式機(jī)組，單機(jī)容量38.33 MW，總裝機(jī)容量115 MW，主變壓器3臺(tái)，單臺(tái)容量50 MWA，采用一機(jī)一變的單元接線方式，主變壓器安裝于主廠房上游側(cè)戶外主變平臺(tái)，主變安裝排列順序?yàn)橛赡舷虮币来闻帕?，設(shè)備正面方位為西偏北約30°，主變平臺(tái)太陽(yáng)照射時(shí)間為12 時(shí)至18時(shí)，其余時(shí)間太陽(yáng)被廠房或山體遮擋。文縣的地理環(huán)境屬亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)，為亞熱帶北緣山地氣候，年平均氣溫5～15 ℃，年平均日照數(shù)1 200～1 800 h，查詢歷史氣溫2022 年當(dāng)?shù)刈罡邭鉁貫?9 ℃。

2022 年7 月6 日16 時(shí)，橙子溝水電站3 號(hào)主變出現(xiàn)一次設(shè)備異常，上位機(jī)報(bào)“3 號(hào)主變本體油位高告警”信號(hào)，此時(shí)查看3 號(hào)主變負(fù)荷39 MW，現(xiàn)地查看變壓器油枕油位指針在100%，查看溫度計(jì)上層油溫為78 ℃。由此看出在夏季大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，主變油溫容易溫度過高、主變油枕油位高的異常發(fā)生。嚴(yán)重者可能會(huì)發(fā)生主變?cè)验g短路、壓力釋放等事故。

1.2 設(shè)備構(gòu)造及相關(guān)參數(shù)

3 號(hào)主變額定容量為50 000 kVA，額定電壓121/10.5 kV，額定頻率50 Hz，相數(shù)為3 相，接線組別YN.d11，冷卻方式油浸風(fēng)冷（ONAF），變壓器進(jìn)線端為高壓共箱母線進(jìn)線，出線端為插拔式電纜終端連接高壓電纜。變壓器散熱片型號(hào)為PC1900-25/520，實(shí)際散熱片26 片，共10 組；散熱風(fēng)扇型號(hào)為DBF2-8Q10TH，風(fēng)量6 100 m3/h，防護(hù)等級(jí)IP55。

1.3 問題分析

為了解3 號(hào)運(yùn)行中變壓器在各環(huán)境溫度下的散熱能力，因此需要計(jì)算在不同條件下變壓器實(shí)際發(fā)熱量和實(shí)際散熱量。按照環(huán)境溫度、太陽(yáng)照射強(qiáng)度2 個(gè)條件變量去分析變壓器散熱效率。

1.3.1 主變壓器有效散熱器散熱面積計(jì)算

考慮到各變壓器冷卻方式不同，散熱器單元盒數(shù)量不同，散熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸不同等因素，需要對(duì)散熱器面積進(jìn)行計(jì)算。

式中：SD為對(duì)流散熱面積；B0為片寬展開長(zhǎng)度；H 為片高度；N 為片數(shù)。

式中：SF為輻射散熱面積；B 為片寬；d 為片間距。

式中：μ 為片間距修正系數(shù)，數(shù)據(jù)見表1；k 為片數(shù)修正系數(shù)，數(shù)據(jù)見表2。

表2 片數(shù)修正系數(shù)

式（4）中計(jì)算結(jié)果為1 組散熱器的有效散熱面積，所以10 組散熱器的總有效散熱面積為296.48 m2。

1.3.2 不同環(huán)境溫度下主變壓器散熱效率對(duì)比

在7 月末至8 月初各時(shí)期分別測(cè)量9：00 和16：00主變散熱器進(jìn)、出油口溫度、設(shè)備負(fù)荷、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表3；為了減小測(cè)量誤差，在散熱器進(jìn)、出油口處選取3 處地點(diǎn)測(cè)量，數(shù)據(jù)取平均數(shù)。

表3 3 號(hào)主變各時(shí)期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

首先計(jì)算出7 月29 日正常環(huán)境溫度下的散熱量，依據(jù)以下傳熱方程得出。

式中：A 為換熱面積；K 為換熱系數(shù)；LMTD 為對(duì)數(shù)平均溫差。

式（5）中K 的展開式如式（6）

式中：hhot和hcold為圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的表面對(duì)流換熱系數(shù)；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)；δ 為厚度。

因各表面對(duì)流換熱系數(shù)未知，所以根據(jù)對(duì)流換熱方程實(shí)驗(yàn)求解法求出變壓器油內(nèi)部表面對(duì)流換熱系數(shù)hhot，查取變壓器油物性參數(shù)

λ=0.106 W（/m·K）[2]，c=1.64×103J（/kg·℃）[3]，l=1.9 m=190 cm，

v1=0.059 8 cm2/s=0.059 8×10-6m2/s，p=883.8 kg/m3，g=9.81 m/s，

式中：Pr 為普朗特?cái)?shù)；μ 為動(dòng)力黏滯系數(shù)；λ 為熱傳導(dǎo)系數(shù)；cp為定壓比熱容。

式中：v1為運(yùn)動(dòng)黏數(shù)；p 為密度。

式中：tm為定性溫度；tw為固體表面溫度；t∞為流體溫度。

式中：Gr 為格拉曉夫數(shù)；g 為重力加速度；β為體積變化數(shù)，對(duì)于理想氣體等于絕對(duì)溫度Tm的倒數(shù)；Δt為溫度差值；l為長(zhǎng)度；v1為運(yùn)動(dòng)黏數(shù)。

式中：Nu 為努賽特?cái)?shù)。

則變壓器油側(cè)表面換熱系數(shù)為851.43 W/（m2·K）。

由于外部空氣換熱受到風(fēng)扇影響，換熱過程屬于受迫對(duì)流，因此外部表面對(duì)流換熱系數(shù)hcold可用下列公式描述。

查取物性參數(shù)：λ=0.029 6 W/（m·K），Pr=0.71，μ1=0.148 cm2/s，v=863 cm/s，l=1.9 m=190 cm，p=1.29 kg/m3。

式中：Re 為雷諾數(shù)；v 為流體流速；p 為流體密度；μ1為運(yùn)動(dòng)黏數(shù)。

將以上表面對(duì)流換熱系數(shù)帶入式（6）中

式（5）中LMTD 的展開式如下所示

式中：ΔA為熱流進(jìn)口與冷流出口溫度差；ΔB為熱流出口與冷流進(jìn)口溫度差；ln 為自然對(duì)數(shù)。

將以上計(jì)算數(shù)據(jù)代入式（5）中，得出變壓器散熱功率

將8 月5 日9：00 高溫環(huán)境數(shù)據(jù)代入方程

1.3.3 太陽(yáng)照射條件下主變壓器散熱效率對(duì)比

相同太陽(yáng)照射、相同環(huán)境溫度條件下2 個(gè)時(shí)間段對(duì)比變壓器的散熱效率（因設(shè)備生產(chǎn)原因無法將2 個(gè)時(shí)段主變負(fù)荷統(tǒng)一，該數(shù)據(jù)僅供參考）。

1.3.4 散熱器散熱效率對(duì)比結(jié)果

根據(jù)以上2 種計(jì)算對(duì)比在不同條件下散熱器的散熱效率。

在沒有太陽(yáng)照射、相同負(fù)載條件下，環(huán)境溫度作為變量條件，2 臺(tái)主變的散熱效率相差31 055.2 W；式（17）（19）中可以看出對(duì)數(shù)平均溫差越大，散熱功率就越高，對(duì)變壓器散熱效率就越大，證明了環(huán)境溫度與散熱器散熱效率大小有關(guān)。

在相同環(huán)境溫度條件下，太陽(yáng)照射作為變量條件，式（22）可以看出相較于式（20），受到太陽(yáng)照射變壓器散熱量提高了12 603.3 W，即受到太陽(yáng)照射時(shí)段的變壓器散熱量變大；由表3 可知8 月5 日2 個(gè)時(shí)段的變壓器上層油溫同為70 ℃，并且16 時(shí)相比9 時(shí)的負(fù)荷小3.26 MW，表明太陽(yáng)輻射熱量與變壓器上層油溫上升有關(guān)。

2 內(nèi)涵和主要做法

2.1 主要思路

通過上述問題分析查明了變壓器上層油溫升高的因素，主要原因是環(huán)境溫度升高，空氣溫度與散熱器溫度差變小，從而散熱效率降低。只要人為降低空氣進(jìn)氣溫度，增大與散熱器溫度差，就會(huì)提高散熱能力，通過查閱相關(guān)資料了解到一種噴淋降溫技術(shù)，此系統(tǒng)原理是自來水經(jīng)過水質(zhì)過濾器軟化，將軟化水通過柱塞泵增壓到7 MPa，泵送到高壓霧化裝置，經(jīng)過噴嘴霧化后水分形成許多微小顆粒，與空氣混合后噴向變壓器散熱片，水霧接觸散熱片并帶走熱量，從而達(dá)到降溫的目的[5]。可以使用相關(guān)設(shè)備并稍加改造，變成適合本站使用的噴淋系統(tǒng)。

在不改變散熱器面積和風(fēng)扇數(shù)量的前提下，假設(shè)降低變壓器上層油溫5 ℃，需要增加多少散熱功率？我們需要了解到變壓器的散熱原理：變壓器內(nèi)部發(fā)熱熱量＝變壓器油存儲(chǔ)的熱量+散熱器釋放的熱量。變壓器油作為一個(gè)載體，充當(dāng)能量?jī)?chǔ)存和釋放的角色，當(dāng)散熱器效率降低，變壓器油會(huì)暫時(shí)存儲(chǔ)熱量使油溫升高。由此可知，需要計(jì)算降低變壓器油5 ℃需要釋放多少能量，公式為

式中：C 為比熱容；M 為質(zhì)量。

在不考慮其他因素造成誤差的情況下，計(jì)算噴淋系統(tǒng)用水量。假設(shè)：噴淋系統(tǒng)噴射的水滴全部附著到散熱片，且蒸發(fā)量為20 L/h，計(jì)算水用量為

式中：R 為汽化熱，為539 kcal/kg[4]。

本系統(tǒng)儲(chǔ)水單元設(shè)計(jì)為儲(chǔ)水箱，考慮到水箱水溫會(huì)受到環(huán)境溫度影響，所以噴淋系統(tǒng)的用水量為253.7～296 L/h。

2.2 主要做法

每年夏季為高溫運(yùn)行期，噴淋系統(tǒng)使用時(shí)間為7月至9 月。如果噴淋噴頭安裝為永久固定裝置，當(dāng)設(shè)備噴頭堵塞、損壞等問題需要更換時(shí)，會(huì)增加維修難度、增加人身傷害概率，所以本系統(tǒng)更改為噴淋移動(dòng)支架，使用時(shí)支架移動(dòng)到設(shè)計(jì)位置，避免了在運(yùn)行變壓器旁高空作業(yè)誤觸高壓帶電設(shè)備導(dǎo)致人身觸電事故。

支架為鋼筋焊接而成，支架上端為噴頭安裝處，支架高為3.5 m；相較散熱器頂端高出0.5 m，噴淋噴頭角度為向下45°，這是為了將噴淋面積設(shè)計(jì)到最大，相較于90°能提高覆獸率約60%[6]，理論噴淋面積為7.361 2 m2。

散熱器有效噴淋寬度×散熱器長(zhǎng)度＝

變壓器旁放置6 桶儲(chǔ)水桶，總儲(chǔ)水量為1 200 L，增壓泵安裝至水桶一側(cè)，通過6 根水管取水泵送至噴頭，增壓泵流量選取為420 L/h，最大增壓1.1 MPa；噴頭選擇為流量最大30 L/h 噴嘴，水霧擴(kuò)散角為50°，按照每組散熱器安裝一只噴頭共使用10 只，噴頭串聯(lián)連接，每只間距60 cm 安裝在支架上。噴淋時(shí)，散熱器下方風(fēng)扇不會(huì)因噴淋水流量過大導(dǎo)致?lián)p壞，散熱風(fēng)扇的防護(hù)等級(jí)為IP55 級(jí)，根據(jù)國(guó)標(biāo)試驗(yàn)要求：使用噴嘴直徑6.3 mm 流量12.5 L/min 的水柱在所有可能的方向向外殼噴水，最少3 min 內(nèi)水滴無入侵內(nèi)部[7]。

使用定時(shí)器定時(shí)開啟噴淋系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際太陽(yáng)照射時(shí)間，定時(shí)器設(shè)定為每天14：00 至18：00 開啟時(shí)間共4 h，儲(chǔ)水桶每天早上人工添加生活用水。電源取自3 號(hào)主變平臺(tái)動(dòng)力箱，通過電纜連接增壓泵，增壓泵表面安裝防雨罩，防止雨天損壞設(shè)備。

3 實(shí)施效果

8 月下旬記錄了3 號(hào)主變?cè)O(shè)備運(yùn)行油溫?cái)?shù)據(jù)，與表3 中8 月5 日的運(yùn)行變壓器上層油溫70 ℃進(jìn)行對(duì)比，由圖1 所示；在38.21 MW 至38.77 MW 負(fù)荷區(qū)間中相比，上層油溫下降了4、3、3 ℃，可以推算出增加的散熱量分別為26.607、19.955、19.955 KW/h，與理論計(jì)算值偏差20%、40%、40%。在以上理論計(jì)算結(jié)果中，數(shù)據(jù)具有實(shí)際參考價(jià)值，今后對(duì)于研究精確計(jì)算散熱量提供了良好的基礎(chǔ)。

圖1 實(shí)際溫度對(duì)比圖

4 未來改進(jìn)和研究方向

本系統(tǒng)采用可拆卸式噴淋裝置對(duì)變壓器散熱，使用水箱盛水的做法會(huì)增加員工每日工作量，今后可以優(yōu)化水源選取。其次使用地表水作為散熱用水可能會(huì)在散熱片表面產(chǎn)生水垢，可能會(huì)降低散熱片功率，今后可以通過軟化機(jī)軟水等先進(jìn)方式改良水質(zhì)。

未來噴淋系統(tǒng)會(huì)向智能化邁進(jìn)，根據(jù)采集變壓器負(fù)荷、上層油溫、太陽(yáng)照射強(qiáng)度等數(shù)據(jù)并通過內(nèi)部智能算法控制設(shè)備啟停，精準(zhǔn)控制噴淋系統(tǒng)從而將油溫控制在理想溫度內(nèi)。這樣極大地簡(jiǎn)化了人工操作流程，減少了操作難度。

太陽(yáng)照射對(duì)變壓器運(yùn)行溫度的高低有一定影響，由于環(huán)境溫度和生產(chǎn)原因等因素，沒有展開具體研究，也對(duì)此次噴淋系統(tǒng)流量計(jì)算缺少部分?jǐn)?shù)據(jù)支撐。在以后的工作中可以成為一項(xiàng)專門的研究課題，可以根據(jù)太陽(yáng)照射強(qiáng)度、照射角度等條件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，也可以利用計(jì)算機(jī)建立相關(guān)模型模擬出來，這樣更方便進(jìn)行研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文中通過對(duì)流換熱方程實(shí)驗(yàn)求解法計(jì)算在不同條件下變壓器的散熱器效率，根據(jù)公式可以得出在某一時(shí)段下的散熱功率，從而分析變壓器散熱能力下降的原因。通過對(duì)變壓器散熱器外部影響因素的研究，證明了散熱能力大小與環(huán)境溫度和太陽(yáng)照射強(qiáng)度有關(guān)。

根據(jù)上述研究數(shù)據(jù)可以按照實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況配置水冷噴淋系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)變壓器進(jìn)行噴淋降溫作業(yè)，在一定程度上解決了變壓器溫度過高的問題，進(jìn)而減少變壓器因溫度過高產(chǎn)生的次生危害。