油浸式自冷變壓器散熱器風冷改造及其效果分析

（國網湖南省電力有限公司常德供電分公司，湖南常德市，415000） 劉長富 鐘 顯 李付勤 劉 洋 王 蕾

大容量油浸自冷變壓器因其結構簡單、噪音低、維護量小等優點在電力系統中得到廣泛應用，特別是在110kV電壓等級中，目前大部分城區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行年限、制造工藝以及外部運行環境的影響在高溫大負荷情況下出現油溫超警戒水平的現象，暴露出主變冷卻器散熱不足的問題，影響到主變的安全、經濟運行。因此對這一類變壓器進行技術改造，是變電站不可忽視的重要工作。

目前針對變壓器風冷改造方面已有不少研究，工程上也積累了不少經驗。文獻[2]將強迫油循環風冷變壓器吹風方向由向冷卻器內吹風改為向外吹風，改造后冷卻效果得到改善，且易于保持冷卻器的清潔；文獻[3]針對大功率變壓器冷卻器結構存在的問題，提出了改造建議，以實現利用天然雨水清潔散熱面的目的；文獻[4]將強迫油循環水冷變壓器進行了風冷改造，取得了較好效果。上述文獻主要涉及強迫油循環變壓器的改造，對油浸自冷變壓器風冷改造方面研究較少。

為此，本文以國網常德供電公司所屬某110kV變電站1 號主變壓器為例，對其散熱器進行了風冷改造，并對實施改造后冷卻裝置的冷卻效果進行了分析。

1 油浸自冷變壓器發熱和冷卻原理

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、機械支撐和保護作用。變壓器油作為冷卻介質充滿油箱，也起到絕緣作用。繞組和鐵芯在變壓器運行時會產生損耗，這些能量會使變壓器的效率降低，同時也會使變壓器的溫度升高。

油浸自冷變壓器散熱主要依據熱對流、熱傳導和熱輻射三種原理，其散熱過程如下：變壓器線圈和鐵芯一部分熱量以熱傳導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流的方式將熱量傳遞到油箱或散熱器的內表面，所有熱量最后均以對流和輻射的方式散發到周圍的空氣中去。三種散熱形式的計算方法如下[5]：

（1）熱傳導

一個物體的高溫部分向低溫部分傳熱，或兩個互相緊密接觸的物體間的熱量傳遞就是通過熱傳導的方式進行的。

導熱熱流量為：

其中，t1、t2 為物體兩表面溫度（℃）；Rr為導體熱阻（℃/W）。

（2）熱對流

流體與固體直接接觸時，他們之間的熱交換過程稱為對流換熱，這種散熱形式在變壓器冷卻中起主導作用。對流散熱的冷卻過程：當發熱物體周圍的介質是液體或氣體時，那么附在發熱體表面的那層介質，由于熱傳導的作用而被加熱，其密度降低，而介質上升，介質離去的地方由新介質補充進來，這就形成了冷卻介質的循環。

對流過程所傳遞的熱流量為：

式中：h為對流換熱系數（W/（m2·℃））；A為對流換熱面積（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通過電磁感應作用產生的磁場在交替的作用下產生的。以電磁波載運能量向外發射的過程叫輻射。是微粒由于熱的原因引起振動激發出的電磁波所產生的。

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 對物體2 的發射率；σ為斯忒藩一波爾茲曼常數，5.67×10-8（W/（m2K4））。

2 油浸式自冷變壓器過熱原因分析

2.1 變壓器制造工藝問題

一些老舊的油浸式自冷變壓器受當時技術條件的限制，制造材料和制造工藝存在問題，是導致變壓器過熱的原因之一。油浸式自冷變壓器溫升與變壓器負載損耗、空載損耗、負載系數和負載時間有關。

負載系數為：

式中，Sn為變壓器最大額定連續容量；S為連續穩定負載。

負載損耗與空載損耗比值：

式中，Pk為負載損耗，Po為空載損耗。

則變壓器在負載為S時的油溫升最大值：

對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載損耗與空載損耗的比值有關，考慮到變壓器負載情況下的安全可靠性，對電磁線材料和截面的選取變壓器廠家一般較為慎重，所以通常負載損耗能夠滿足技術協議的要求。但是為了節約制造成本，硅鋼片的質量和數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致空載損耗超出技術協議規定值。

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

2.2 冷卻器結構布置不合理

油浸式變壓器油箱內部的變壓器油是被器身加熱的。油被加熱后，密度降低，在油箱內部油流上升，通過散熱片或油箱壁的傳熱，將熱量傳出，此時油溫度下降，密度增加，在散熱裝置或油箱內，變壓器油流下降，然后又被器身加熱，如此循環往復。在循環過程中，油的流動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鍵，油流速度過快使得變壓器油在散熱器中停留的時間過短，無法充分利用其散熱能力，導致散熱器進、出口溫差減小；油流速度過慢，使得變壓器油流動性較差無法及時將熱量散發出去。

由于一些廠家沒有對變壓器的冷卻系統進行優化設計，從而導致變壓器在運行過程中長期溫升偏高。常規布置的散熱片上部基本與變壓器頂蓋持平，文獻[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部的流動，降低了散熱效果。適當提升散熱器中心高度，有助于提升油流速度，加快熱量傳遞過程，從而增強散熱效果。此外，常規布置散熱片連管低于變壓器頂蓋200mm左右，這種結構導致變壓器上端部存在循環死區，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）主變容量不足

高溫大負荷期間用電量激增，導致主變日常運行負荷增大，并且超過其額定容量，此時主變的運行油溫容易超過規定值。

（2）散熱片老化

許多油浸式自冷主變運行年限超過20年，散熱片老化嚴重，并且容易積灰，導致冷卻器換熱效果惡化，油溫上升。

（3）封閉的運行環境

部分城區變電站四周均為高大的居民樓，運行環境較為封閉，不利于空氣對流，從而影響了散熱效果。

3 冷卻器技術改造方案的選取

通過上述油浸自冷變壓器過熱原因分析，為解決當前部分老舊油浸自冷主變運行油溫過高的問題可以采取三種方案。

（1）方案一

對主變進行增容改造，即更換主變壓器。優點：隨著主變容量的增大，可從根本上解決主變過載運行時油溫過高的問題，有利于主變長遠的安全穩定運行。缺點：設備購置所投入的資金大，改造費用高，且改造實施過程中涉及主變停電，影響供電的可靠性。

（2）方案二

對主變冷卻器布置結構進行改造，即在原有散熱器常規布置的基礎上，通過分析論證適當提高散熱器中心高度，從而加快變壓器內的油流速度，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構布局和電場環境，影響了主變運行的安全性，同時改造實施的技術難度較大，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軸流風機對變壓器進行冷卻，用吹風的方法使散熱器周圍的空氣流動加快，理論上可使對流散熱增加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熱的問題。該方案可在主變不停電狀態下實施改造，改造的技術難度和風險相對較小。

綜合對比三種方案的經濟性、安全性以及改造的技術難度，可以看出方案三是實施油浸自冷式變壓器冷卻器改造的最優方案。

4 變壓器外置可移動式冷卻裝置

4.1 散熱器風冷改造需解決的問題

對油浸自冷式主變散熱器加裝風冷裝置雖然不需要對變壓器內部進行改造，但由于冷卻裝置冷卻效果的好壞對變壓器的安全運行、使用壽命及內部元件性能有著直接的影響，因此對風機的風量大小、合理布局、風冷控制器以及安裝支架都有很高的要求。需要解決以下四個問題：

（1）溫升問題，根據熱老化定律，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，需要通過計算變壓器油的溫升來選擇合適尺寸和風量的風機。

（2）整體冷卻效果，新安裝的風機需要合理布局，滿足以下幾點：1）散熱條件良好，不能產生熱風局部循環；2）風向應貫穿油箱一側的整個散熱器，而不是由散熱器吹向油箱；3）盡量做到冷卻效果均勻，保證每臺風機充分發揮它的散熱能力。

（3）風機控制問題，冷卻裝置應通過變壓器油溫實現風機自動啟停功能，既達到預期的冷卻效果，又合理縮短風機連續運行時間。

（4）風機的維護保養問題，變壓器油溫根據不同的季節差異明顯，在低溫低負荷時期風機不必投入運行，因此可將風機支架設計成可移動式，便于冷卻裝置安裝和拆卸，從而避免冷卻裝置長期暴露在惡劣的外部環境之下，提高冷卻裝置的使用壽命。

4.2 外置可移動式冷卻裝置

以某110kV 變電站1 號主變風冷改造為例，該主變散熱器采用水平布置型式，具體參數如表1 所示。

表1 1號主變參數

（1）根據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機6臺，每側散熱器各裝三臺。風機型號為SF6B-4，圓形結構，直徑為600mm，最大風量為10 000m3/h，轉速為960r/min，風壓為165Pa，功率為1 000W。該風機的特點為結構性能牢固，風量大、貫穿性好，同時具有節能、低噪音的優點。

（2）在散熱器下部水平位置安裝獨立的鋼制支架，支架具備可上下伸縮和可移動的功能，其安裝位置示意圖如圖1 所示。安裝時需要注意以下三點：一是制作支架的材料應滿足強度要求且安裝牢固；二是保證風機出風口端面與散熱器外端面相距20mm 左右，并確保安裝后風機出風口的防護網完好、緊固牢靠，以避免風機運轉時產生振動、支架擺動、風葉脫出等情況，進而碰觸、傷及散熱片；三是風機風向應貫穿油箱一側所有散熱器，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 外置風扇安裝示意圖

4.3 基于PLC控制的風冷控制器

PLC 具有適應性強、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等優點，采用PLC技術來控制變壓器的冷卻系統，可實現對變壓器油溫的精準控制，因此PLC控制技術在冷卻系統風機控制方面已經得到了廣泛應用[8-9]。

本次改造的冷卻裝置在風機控制方面采用西門子S7-400 系列可編程控制器。風機啟停的依據有變壓器頂層油溫、帶溫差異度的啟停控制策略、風機的持續啟動時間和累計啟動時間。其控制流程如圖2所示。

根據油浸自冷式變壓器運行規程和有關規定，變壓器頂層油溫不得長期超過85℃。為此可將溫度控制器啟動工作風機溫度值設定為65℃（溫度1），啟動輔助風機溫度值設定為80℃（溫度2），停止風機溫度值設定為55℃（溫度3）。其中設定工作風機4臺，輔助風機2臺。

圖2 冷卻系統控制流程圖

4.4 冷卻裝置改造后的效果分析

2020年7月國網常德供電公司對某110kV變電站1 號主變壓器按上述方案進行了風冷改造，下面以1 號主變壓器為例，對該主變壓器運行油溫與改造前進行對比，如圖3所示

圖3 1號主變改造前后油溫對比曲線

運行人員在7 月26 日將改造的冷卻裝置投入運行，在11 時左右1 號主變油溫超過65℃，冷卻裝置4臺工作風機啟動。對比1號主變2020年7月25日和2020 年7 月26 日油溫曲線可以發現在相似的負荷和環境溫度下，冷卻器進行風冷改造后運行油溫平均下降10℃-15℃，25 日變壓器重載時的油溫達到78℃，風機投入運行后變壓器重載時的油溫在60℃-67℃之間，冷卻效果明顯加強。

5 結束語

一些老舊的油浸式自冷變壓器冷卻效率低下，在高溫大負荷階段容易出現油溫過高的現象。為解決這一問題，本文研制了一種外置可移動式冷卻裝置，實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行工況。同時該裝置還具有改造實施過程簡單、費用低等優點。