500kV強(qiáng)油循環(huán)變壓器風(fēng)冷改造的理論分析與計算

張磊 程智鵬

摘要 通過冀北地區(qū)某500千伏變電站3號主變壓器冷卻系統(tǒng)改造工程為實(shí)例，從理論分析與計算角度，闡述將以O(shè)DAF冷卻方式的變壓器改造成以O(shè)NAN/ONAF冷卻方式變壓器的理論可行性，為其現(xiàn)場施工、改造提供技術(shù)支持與技術(shù)保障，從而提高變壓器的冷卻效率、降低維護(hù)成本，并滿足變電站無人值守的要求。

【關(guān)鍵詞】變壓器 冷卻系統(tǒng) 改造 理論計算

電力變壓器是電網(wǎng)運(yùn)行的主設(shè)備，電力變壓器在運(yùn)行過程中，內(nèi)部的線圈會產(chǎn)生很大的熱量，變壓器油通過油流循環(huán)將變壓器內(nèi)部的熱量，由冷卻器散發(fā)到空氣中。強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷（ ODAF）冷卻方式需要潛油泵與風(fēng)扇電機(jī)長期工作，運(yùn)行維護(hù)角度來看，工作量較大，無法滿足變電站無人值守的要求。設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行角度來看，潛存負(fù)壓區(qū)的潛油泵的長期運(yùn)行易導(dǎo)致產(chǎn)生金屬粉末并引發(fā)油流帶電的風(fēng)險;風(fēng)扇電機(jī)的長期運(yùn)行對風(fēng)冷系統(tǒng)電源可靠性要求很高，風(fēng)冷系統(tǒng)電源一旦發(fā)生故障，致使風(fēng)冷電機(jī)全停，進(jìn)而引發(fā)主變壓器跳閘的惡性事故。

1 電力變壓器冷卻方式

1.1 電力變壓器冷卻系統(tǒng)模型

油浸式變壓器內(nèi)部的冷卻介質(zhì)為礦物油，外部冷卻介質(zhì)為空氣或者是水。油浸式變壓器外部冷卻介質(zhì)為空氣時的冷卻方式如表1所示。同時，表1中也指出了變壓器的繞組中冷卻介質(zhì)（變壓器油）的流動狀態(tài)與外部空氣循環(huán)方式。

其中，強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向風(fēng)冷（ ODAF）型變壓器實(shí)際運(yùn)行存在以下缺陷：

（1）風(fēng)冷卻器自冷容量小，輔機(jī)的電源必須保證不間斷供電，一旦失去輔機(jī)電源，變壓器將發(fā)生風(fēng)冷全停跳閘事故;

（2）散熱管型式大多為鋼.鋁復(fù)合扎翅管，層間間隙中因雨水長期侵蝕而生銹且易積塵、積雜，使傳熱的熱阻增加而漸漸降低冷卻容量;

（3）潛油泵運(yùn)行時產(chǎn)生負(fù)壓，潛油泵部位易發(fā)生滲漏油現(xiàn)象，負(fù)壓會吸入空氣，影響絕緣，進(jìn)而引起擊穿事故。

1.2 電力變壓器冷卻系統(tǒng)改造的確定

以冀北地區(qū)某500千伏變電站3號主變壓器為例，該變壓器型號：ODFPS2-250000/500，冷去口方式為ODAF。

通過表1可以看出，ODAF冷卻方式要優(yōu)于OFAF冷卻方式，但由于強(qiáng)油冷卻方式下，均無法解決潛油泵、風(fēng)冷系統(tǒng)全停引發(fā)的各類問題，因此，只考慮將冷卻方式改造為ONAN或ONAF冷卻方式。ONAN和ONAF冷卻方式下，變壓器油均為自然流動方式，其油流流速相比改造前使用的ODAF冷卻方式明顯降低，為確保變壓器冷卻效率不會降低，需要增大散熱器的散熱面積。在ONAN冷卻方式下，散熱器外部的空氣介質(zhì)為自然對流方式，而ONAF冷卻方式下，散熱器外部的空氣介質(zhì)為強(qiáng)對流方式，能夠獲得較ONAN更好的散熱效果。

通過以上分析，ONAN和ONAF冷卻方式各有優(yōu)勢，ONAN冷卻方式下沒有輔機(jī)損耗，能夠有效提高變壓器冷卻系統(tǒng)的節(jié)能降耗水平，ONAF冷卻方式下具有比較良好的冷卻效果，綜上所示，冷卻系統(tǒng)改造可以采用ONAN和ONAF相結(jié)合的冷卻方式通過設(shè)定恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)機(jī)啟停溫度值或啟停負(fù)載率，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行工況下冷卻方式的自動調(diào)節(jié)。

2 冷卻系統(tǒng)改造的理論分析計算

為滿足主變安全運(yùn)行，改造后片散應(yīng)能夠及時將變壓器繞組的溫升通過變壓器油傳遞到外部空間，因此需要選取具有足夠散熱面積的散熱器，同時散熱器的數(shù)量還需滿足現(xiàn)場空間布局和安全距離的要求。此外，還應(yīng)盡可能提高散熱器的安裝高度，使散熱器散熱中心與變壓器繞組發(fā)熱中心之間的高度差盡可能大。

改造前變壓器出廠時的油面溫升理論計算值如表2所示，為了提高散熱效率，本次改造按照ONAN/ONAF冷卻方式下，油面溫升較ODAF冷卻方式下降低10K為目標(biāo)值進(jìn)行理論計算。

2.1 發(fā)熱中心/散熱中心比及散熱片高度的確定

變壓器本體高度數(shù)據(jù)如圖1所示，根據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)信息可知，其發(fā)熱中心的高度為：

Hf= （3750+350） /2-100=1950mm

結(jié)合主變壓器檢修便攜性的工作需要，如在散熱器底部進(jìn)行風(fēng)扇更換等其他檢修。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗，散熱器底部距離地面高度最小為1500mm，因此，散熱器散熱中心的高度為：

Hs= （3750+350+400-1500）/2+1500=3000mm

因此，可得發(fā)熱中心/散熱器散熱中心比為：

Hf/Hs=1950/3000=0.65

同時，通過以上分析，可初步確定散熱片片散的高度為：

H=3750+350+400-1500=3000mm

2.2 油面溫升及有效散熱面積的理論計算

（1）線圈表面單位熱負(fù)荷。

按照ONAN/ONAF冷卻方式下，選取最優(yōu)油平均溫升與修正值交點(diǎn)，并綜上理論計算公式，可得到表3所示的計算結(jié)果。

由表3可以得出：ONAN/ONAF冷卻方式油面溫升為27.3K，油面溫升較ODAF冷卻方式下降低：38.8-27.3=11.5K，達(dá)到理論預(yù)計值10K要求。

2.3 冷卻系統(tǒng)散熱器參數(shù)的分析與計算

根據(jù)《變壓器用片式散熱器》（JB/T5347-1999），片式散熱器有效散熱面積的計算公式如下：

冷卻方式為ONAN時：

綜合考慮現(xiàn)場空間布局及國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量較為優(yōu)良的成熟散熱器產(chǎn)品，若以PC3000-34/460型散熱器為例。

PC3000-34/460型散熱器的參數(shù)如下：片高3000mm，片寬460mm，片間距40mm，單片厚度11mm，其中油道9mm，每組散熱器34片。

根據(jù)以上各參數(shù)進(jìn)行計算，散熱器片散數(shù)達(dá)到22片時，可得到下表所示的計算結(jié)果。在ONAN冷卻方式下，其有效散熱面積為936.2m2滿足有效散熱面積不小于905.01m2的要求;在ONAF冷卻方式下，其有效散熱面積為1103.9m2滿足有效散熱面積不小于1052.6m2的要求。見表4。

為了最大限度發(fā)揮ONAF冷卻方式下的冷卻效果，風(fēng)扇布置方式采用上吹式，根據(jù)散熱器尺寸大小，在每兩組散熱器下部安裝一臺風(fēng)扇，共安裝11組風(fēng)扇。

2.4 變壓器油流流速的分析與計算

為防止變壓器油流流速過快導(dǎo)致油流帶電現(xiàn)象，以下對按照上述改造方式的油流流速進(jìn)行校核。

根據(jù)變壓器改造后的各項參數(shù)，將表5所示的數(shù)據(jù)輸入變壓器油流流速分析軟件。得到如表6所示的變壓器油流流速分析結(jié)果。

從計算結(jié)果可見，改造后，變壓器水平最大油流流速為7.472cm/s，垂直最大油流流速為62.040cm/s，水平、垂直最大油流流速均未超過50cm/s和75 cm/s的油流流速經(jīng)驗值，不會引起油流帶電的問題。

根據(jù)流體動力學(xué)原理，圓管中液體的流動狀態(tài)與液體的流速v、管路的內(nèi)徑d以及油液的運(yùn)動黏度v有關(guān)，液體流動狀態(tài)的則是這三個參數(shù)所組成的一個無量綱的雷諾數(shù)Re，即Re=vd/v，在變壓器油流流速計算過程中，根據(jù)經(jīng)驗值，只要雷諾數(shù)不超過2320，就不會發(fā)生油流帶電現(xiàn)象，從表6的計算結(jié)果可知，線圈的最大雷諾數(shù)為1482，遠(yuǎn)低于上限值2320，綜上，從油流流速和雷諾數(shù)兩個參量進(jìn)行考慮，改造后的變壓器油流油速均滿足要求，不會發(fā)生油流帶電現(xiàn)象。

3 結(jié)論

綜合上述分析，冀北地區(qū)某500kV 3號主變壓器冷卻系統(tǒng)由強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷（ ODAF）改造為油浸自冷（ONAN）與油浸風(fēng)冷（ONAF）相結(jié)合的方式，理論分析與計算角度可以在保證油流油速安全的前提下，增強(qiáng)冷卻效果，降低油面溫升，并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)值，提高主變壓器運(yùn)行可靠性。與此同時，驗證了強(qiáng)油風(fēng)冷改造的技術(shù)理論可能性，為現(xiàn)場進(jìn)行冷卻系統(tǒng)改造提供了技術(shù)支持與技術(shù)保障。

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