500kV 主變壓器ODAF 冷卻系統(tǒng)現(xiàn)場改型計算分析及應(yīng)用

蘭志軍，武劍靈，戴東，張彥斌，岳永剛

（1.內(nèi)蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080；2.烏海超高壓供電局，烏海 016000）

0 引言

目前在運的500kV 變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)基本采用強油風(fēng)冷方式，該類型風(fēng)冷系統(tǒng)是20 世紀(jì)90 年代設(shè)計制造的冷卻系統(tǒng)，具有工作電源可靠性要求高、冷卻系統(tǒng)自冷性能低、檢修維護量大、能耗噪音高等特點。而新型油浸式變壓器自然冷卻/自然油循環(huán)風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)，具有良好的自冷性能、維護量小、能耗及噪音低等優(yōu)點，目前新改擴建工程中廣泛運用。尤其隨著專業(yè)化管理的實施，電網(wǎng)調(diào)控一體化、變電站實行無人值班等方式的開展，如油浸式變壓器強迫油循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)故障，將會造成變壓器過負(fù)荷停運，影響電網(wǎng)的安全運行和可靠供電[1-3]。如 2011 年 6 月 1 日凌晨，某 220kV 無人值班變電站變因為380V 低壓出線故障，引起變電站的站用電源失壓，造成2 臺容量為120MW 的強油風(fēng)冷變壓器冷卻系統(tǒng)的工作電源全停，變壓器跳閘[4]。類似由于站用電源問題或二次電纜故障問題引起強油風(fēng)冷變壓器被迫停運事故很多。同時由于強迫油循環(huán)風(fēng)冷方式下，風(fēng)扇電機、潛油泵需要頻繁啟動和切換，導(dǎo)致風(fēng)扇電機及二次風(fēng)冷控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障，也極易發(fā)生風(fēng)冷全停跳閘事故，嚴(yán)重危害著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[5-9]。

1 溫升的計算

以某變電站1 號主變?yōu)楦脑鞂ο?。型號為ODFPS-250000/500，廠家：特變電工沈陽變壓器集團有限公司，自耦單相強油風(fēng)冷變壓器，2004 年投入運行，運行15 年；該變壓器冷卻器型號為：YF2-315，共計3 組，其中1 組備用；油泵型號為：QK37-150-b，功率為：3kW，數(shù)量3 臺；吹風(fēng)裝置型號為：DBF-9Q6，數(shù)量9臺；油流繼電器數(shù)量為3 臺。

1.1 OODDAAFF冷卻形式下的溫升計算

式中：Td，油面溫升，P，總損耗，N，冷卻器實際運行組數(shù)，Sn，冷卻器額定容量，TΔ，修正值。

線圈表面單位熱負(fù)荷：

式中：q，線圈表面單位熱負(fù)荷，K1，材質(zhì)溫度系數(shù)，一般取 21.4；K2，匝絕緣校正系數(shù)，一般取 1；K3，線段絕緣校正系數(shù)；K4，導(dǎo)線中附加損耗百分?jǐn)?shù)，一般取25；K5，線段的遮蓋系數(shù)；I，線餅中流過的電流；W，線餅中的匝數(shù)；J，線餅中的電流密度；L，線餅外表面周長；qΔ，油道寬度校正系數(shù)。

線圈對油的平均溫升：Tx=0.113q0.7

式中：TX，線圈對油的平均溫升；q，線圈表面單位熱負(fù)荷；

線圈溫升：Tw(K)=Tx+Td

在強油循環(huán)風(fēng)冷條件下計算線圈溫升結(jié)果如表1所示。

表1 強油循環(huán)風(fēng)冷條件下計算線圈溫升

1.2 發(fā)熱中心與散熱中心比值計算

根據(jù)實際情況，通過計算，在采用PC3000/480 片散的情況下，本臺變壓器的發(fā)熱中心與散熱中心比值計算如式（1）所示：

其中，400 為變壓器出口連管升高的尺寸。通過發(fā)熱中心與散熱中心的計算比值對比和結(jié)合現(xiàn)場實際情況，決定每個單相變壓器采用PC3000/480 的片式散熱器。

新改造后的片式散熱器在變壓器高壓側(cè)布置14組，在變壓器低壓側(cè)布置10 組，片式散熱器采用掛裝的方式分別并聯(lián)安裝在上下匯流管路上，上下匯流管路分別連接變壓器上下進出油口，上下匯流管路通過鋼制支架就地支撐在預(yù)先制作的砼基礎(chǔ)墩上。每兩組片散下部裝有一臺CFZ-9Q8 吹風(fēng)裝置，共12 臺，吹風(fēng)采用底吹式。這樣改造后變壓器結(jié)構(gòu)緊湊，布局美觀。

在匯流管與變壓器進油口處的彎管，按照低轉(zhuǎn)速、低流量、低噪音油泵的相應(yīng)尺寸制作，數(shù)量為4 個，一旦變壓器冷卻系統(tǒng)有異常，出現(xiàn)油溫過高現(xiàn)象，可以迅速分別關(guān)閉彎管兩端的蝶閥，更換上4 臺油泵。此方案無須停電，以備應(yīng)急之需。同時在風(fēng)冷控制柜內(nèi)安裝有相應(yīng)的電氣控制元器件。

2 儲油柜柜座及柜腳的受力及變形計算

針對風(fēng)冷改造后儲油柜容量增大及更換，在波紋式儲油柜直徑不發(fā)生變化情況，存在一個問題是儲油柜左邊支腿近似在儲油柜的中心位置，外邊懸垂太多，從機械強度考慮，儲油柜穩(wěn)定性無法保證。按照某公司產(chǎn)品尺寸為2360 情況進行計算。

（1）原始數(shù)據(jù)

材料名稱：普通碳鋼；

屈服強度：2.20594e+008 N/m2

極限強度：3.99826e+008 N/m2

彈性模量：2.1e+011 N/m2

泊松比：0.28

質(zhì)量密度：7800 kg/m3

抗剪模量：7.9e+010 N/m2

（2）計算建模

柜座及柜腳的三維模型見圖1，針對整個模型施加力以及支撐情況見圖2。圖2 中，藍(lán)色箭頭表示分布在柜座上表面的均布載荷，為80000N；綠色箭頭表示柜腳底部為固定支撐點；柜座與柜腳的接觸為全局接觸。

圖1 柜座及柜腳的三維模型

圖2 力的施加以及支撐

（3）計算建模

柜座和柜腳的應(yīng)力云圖見圖3，從圖中可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在右側(cè)柜腳與柜座交界處，數(shù)值為1.60289e+008 N/m2（160.289MPa）。柜座和柜腳的變形云圖見圖4，從圖中可以看出，最大變形發(fā)生在柜座右端邊緣上，計算的數(shù)值為14.22mm。

圖3 柜座和柜腳的應(yīng)力云圖

圖4 柜座和柜腳變形云圖

（4）結(jié)果分析

根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，最大應(yīng)力1.60289e+008 N/m2，本材料屈服極限為2.20594e+008 N/m2，安全系數(shù)計算如式（2）所示。根據(jù)計算應(yīng)力計算結(jié)果所更換油枕應(yīng)力計算滿足運行要求。

3 改造后效果分析

圖5 改造前強油風(fēng)冷與改造后自然冷卻效果對比

圖6 改造后自然風(fēng)冷與自然冷卻效果對比

（1）選擇改造前后運行負(fù)載、運行環(huán)境溫度等運行條件基本相同主變運行工況，對改造前強油風(fēng)冷模式與改造后自然冷卻模式冷卻效果進行對比，如圖5 所示，改造后的油溫和繞組溫度有小幅的下降趨勢。對改造后自然冷卻模式與改造后自然風(fēng)冷模式冷卻效果進行對比，如圖6 所示，改造后的油溫和繞組溫度有大幅度的下降趨勢，油面溫度最小降低9.1℃，最大10.45℃。

（2）改造后的自然冷卻模式相比改造前強油風(fēng)冷模式散熱效果有小幅度的提升，改造后自然風(fēng)冷方式散熱效果相比改造前強油風(fēng)冷效果明顯。比照變壓器6 度法則[10]，變壓器改造后絕緣壽命獲得一定程度延長。

（3）按照主變改造后大量運行工況下，如運行在小負(fù)荷、低油溫狀態(tài)，無需啟動風(fēng)機考慮，變壓器改造后將節(jié)約大量電能損失。

（4）通過現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，變壓器改造后的油面、繞組溫升滿足國標(biāo)：油面溫升≤55K，繞組溫升≤60K的要求。該主變冷卻系統(tǒng)改造之后運行優(yōu)于冷改之前的變壓器狀態(tài)，具備實現(xiàn)無人/少人值守運行條件。

4 結(jié)語

開展500kV 主變ODAF 冷卻系統(tǒng)現(xiàn)場改型研究及應(yīng)用，對500kV 主變壓器ODAF 冷卻系統(tǒng)現(xiàn)場改型進行溫升計算、新裝儲油柜柜座及柜腳的受力及變形計算分析，制定針對改造方案，并經(jīng)現(xiàn)場改造驗證，冷卻效果滿足現(xiàn)場運行要求。