變壓器冷卻裝置及其存在的問題分析

劉恩同　鮑新仁

摘要：文章介紹了常用變壓器的冷卻方式，包括干式冷卻方式、液體冷卻方式和蒸發冷卻方式，其中液體冷卻方式又分為油浸自冷式油浸風冷式強迫油循環冷卻式，進一步分析了生產實踐中變壓器冷卻裝置存在的問題，并介紹了現有研究進展和相應解決方法。

關鍵詞：變壓器；冷卻裝置；冷卻方式；電力系統；電力輸送 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM41 文章編號：1009-2374（2017）08-0184-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.090

變壓器在電力系統中起到提高電壓遠距離輸送電力的作用，在國民經濟生產和人民生活中起到了重要的作用。變壓器在運行時，特別是長時間工作后會產生大量的熱量（損害線路），加速絕緣老化，燒毀線圈，損壞變壓器，嚴重時還會導致生產事故。因此，為了保證變壓器在運行時產生的熱量不影響變壓器的正常工作，需要在變壓器上增加冷卻系統，保證變壓器的工作溫度。本文就變壓器的冷卻裝置進行介紹，并討論使用過程中需要注意的問題，分析了可行的解決方法。

1 變壓器冷卻裝置

變壓器是根據電磁感應定律制成的裝置，能夠將電壓在高電壓和低電壓之間轉換。由于變壓器在工作中會產生大量熱量，如果不及時降溫冷卻，會嚴重損害變壓器，縮短工作壽命。目前變壓器冷卻方式分為以下

三類：

1.1 干式冷卻方式

第一臺干式變壓器最早于1885年發明。干式變壓器的鐵芯和繞組不浸漬在絕緣油中，不會像油浸式變壓器存在滲漏油的問題，也不會因為油滲出后導致絕緣裝置老化，減少了維修和維護的成本。干式變壓器冷卻方式分為自然空氣冷卻（AN）和強迫空氣冷卻（AF）。自然空氣冷卻時，變壓器可在額定容量下長期連續運行。強迫空氣冷卻的風機一般安裝在干式變壓器的下部，強迫空氣冷卻變壓器輸出容量可提高40%～50%。但由于此時處于過負荷運行狀態，對變壓器損耗較大，不能長時間使用。

1.2 液體冷卻方式

為了滿足遠距離電力傳送的要求，生產中必須提高輸電電壓的等級，這樣對絕緣介質提出了更高的要求，于是礦物油作為電力變壓器的絕緣裝置被廣泛應用于電力變壓器中。油浸式變壓器的散熱過程是：變壓器內部的鐵芯、繞組產生的熱量先傳遞到油，然后通過油的介導將熱量傳遞到油箱，最后再用油箱和空氣的熱交換，將熱量散發至空氣中。油浸式變壓器運行時會產生較大熱量，因此需要額外安裝冷卻裝置，特別是對于大型變壓器，更需要注意冷卻裝置的配套。目前根據變壓器的容量大小可以將其冷卻方式分為以下三種類型：

1.2.1 油浸自冷式。油浸自冷式就是將變壓器的鐵芯和繞組在工作過程中產生的熱量以油為冷卻介質進行散熱，沒有其他特別的冷卻設備。原理是將油作為冷卻劑和絕緣劑，填充在變壓器中，變壓器工作中產生的熱量傳遞至油，使油溫升高，升高至一定程度后，油會向上流動和揮發，與油箱壁接觸后，將熱量傳遞給油箱壁，油的溫度再次降低，向下流動至油相中。變壓容量小于6300kVA的變壓器采用油浸式變壓器，此類變壓器維護簡單。

1.2.2 油浸風冷式。油浸風冷式與油浸自冷式基本相同，但是在油箱壁加裝風扇，利用風扇吹出冷風加速冷卻劑油的冷卻，因此油浸風冷式的冷卻效果優于油浸自冷式。研究表明加裝風機后可使變壓器的容量增加30%～40%，此類冷卻方式一般用于中等容量的變壓器或容量大于10000kVA的大型變壓器。

1.2.3 強迫油循環冷卻式。強迫油循環冷卻式又分為強油風冷和強油水冷兩種。原有油浸冷卻式變壓器僅僅利用油進行制冷，但是油在溫度升高后會變得黏稠流動性降低，導致冷卻效果變差。強迫油循環風冷卻式的風冷卻器本體為一組帶有螺旋肋片或翅片的金屬管，兩端各有一個集油室。相比于油浸風冷，該方法不僅能夠對變壓器表面冷卻，而且還能夠對大容量變壓器所產生的熱量進行冷卻。每臺風冷卻器有分控制箱，散熱能力可達到10000W/m2。強迫油循環水冷卻式與強油風冷式冷卻方式相比，冷卻介質為水，水冷卻循環安裝在油冷卻循環的外圍，這一方式適合在50MVA以上的變壓器

使用。

1.2.4 蒸發冷卻方式。蒸發冷卻方式是一種新的高效冷卻降溫技術，它的原理是易蒸發的冷卻介質吸收變壓器的熱量后直接變為蒸汽帶走熱量，當熱量排出后再次變為液體。該方法與氣冷、液體冷等冷卻降溫方式相比具有更高的安全性和經濟型。目前我國已經研制成功多臺功率10MW以上的蒸發冷卻水輪機發電機組，并且已經有兩臺400MW蒸發冷卻水輪機發電組已經投入長江三峽中運行。有研究報道使用F-113CF2ClCFCl2作為蒸發制冷劑，與氣體制冷劑SF6進行了比較。結果表明，蒸發制冷劑換熱效率更高，降溫顯著，對絕緣體損傷更小運行時安全可靠。

2 存在的問題及解決方法

2.1 變壓器冷卻裝置散熱效果不佳

強油水冷卻方式是目前市場上變壓器較為通用的冷卻方式之一。即在變壓器上配置水冷卻裝置，該種方式一般都是用通過鐵芯上環繞的初級或者次級空心線管外的水循環實現，水冷卻裝置放在線圈的外部，這種局部冷卻的方式只能冷卻表面的溫度，不能冷卻內部的溫度，冷卻裝置與線圈之間的熱交換面積較小，無法實現良好的散熱冷卻效果。針對存在的技術問題，有研究將冷卻管設置在高壓線圈和低壓線圈之間，同時對高壓線圈和低壓線圈散熱，有效增加了冷卻管的冷卻效率。這樣還賦予了冷卻管新的功能，即冷卻管作為隔離層，簡化了變壓器結構，且不影響變壓器的絕緣性能，降低變壓器成本。還有研究在變壓器散熱片上固定水管，在水管壁上開有若干個朝向變壓器散熱片的噴嘴，水管的上水口接水泵；在變壓器散熱片四周每個面擺放一臺吹風機，朝向變壓器散熱片。該方法利用了物相變化原理，顯著地提高了變壓器散熱器與外界交換熱量的速度，進而提高了變壓器的過載能力且裝置的成本低廉。

2.2 變壓器冷卻運行裝置的及時維護

變壓器在使用過程中會產生較多熱量，如果不能及時通過冷卻系統進行散熱，會嚴重影響變壓器的使用壽命和生產安全。常見的冷卻裝置故障有以下幾種：冷卻裝置的散熱故障：風扇長期使用后變形，水冷卻循環推進管道堵塞，平時檢修中應注意故障導致的冷卻效果降低；冷卻裝置的滲油現象：冷卻裝置在使用過程中，密封墊圈經過多年的風吹日曬，墊圈出現老化，容易發生漏油現象，容易發生滲油現象，因此需要注意在檢修過程中對墊圈的檢查。

2.3 無人值班方式的冷卻裝置電源設計無法及時處理故障

目前大多數的變電所都采用的是無人值班方式，所采用的是油浸冷卻方式。然而電路連接上常常將冷卻裝置與變壓裝置共同連接，一旦出現了故障，不僅冷卻裝置不能運行，變壓器的功能也一起停止。解決的方法：一是將變壓裝置和冷卻裝置電路分開；二是使用計算機軟件方法進行控制。如以PLC為主控制器件開發大型變壓器強油循環風冷控制裝置。裝置能夠分局變壓器頂層油溫，采用差值投入或切斷閾值進行綜合控制。當出現故障時能夠及時故障定位、報警、顯示位置信息，提高了變壓器運行的可靠性。

3 結語

綜上所述，隨著電力系統的發展和人民生活水平的提高，變壓器的使用將會越來越多。因此在使用過程中需要注意各種變壓器冷卻方式的使用范圍，同時增加對變壓器的冷卻裝置的檢修和維護以及新技術的改進和研發。

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作者簡介：劉恩同（1989-），男，東華大學旭日工商管理學院碩士研究生；鮑新仁，男，東華大學旭日工商管理學院副教授，碩士研究生導師，研究方向：技術經濟、市場研

究等。

（責任編輯：秦遜玉）