某500 kV大型變壓器冷卻器改造的計算與分析

毛業棟，張春輝，徐 鉻，韓 越

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

由于損耗的存在，變壓器在運行過程中會產生大量的熱量。這些熱量需要通過冷卻器釋放帶走，從而確保變壓器在允許溫升內長期安全穩定的運行。在變壓器運行過程中，由于冷卻器全停導致變壓器異常溫升進而引發發變組停運或變壓器燒毀時有發生。當前，油浸式變壓器冷卻方式較多，但大多數500 kV升壓變壓器采用強迫(導向)油循環風冷或強迫(導向)油循環水冷的冷卻方式[1-5]。由于冷卻方式的不同，發電廠需采購不同型號的變壓器備用，以期提高設備的可靠性。但此種方式會導致設備和運維成本等增加，并非最優選擇。本文通過理論計算與現場試驗相結合的方式，研究并驗證了大型變壓器強迫油循環水冷改風冷的可行性，在不額外增加變壓器的情況下實現變壓器全廠備用能力，提高了設備可靠性。

1 備用變溫升校核

某水電站安裝有SSP-840 MVA/500 kV型號變壓器和SFP-840000/550型號變壓器。變壓器額定容量840 MVA，額定電壓500/20 kV，高壓側采用油/SF6套管與GIS相連接，低壓側采用干式套管與離相封閉母線相連。兩種變壓器冷卻方式分別為強迫油循環水冷(簡稱水冷)和強迫油循環風冷(簡稱風冷)。電站備用變壓器(簡稱備用變)采用強迫油循環水冷卻方式，為了確保備用變可在風冷變壓器故障后對其進行替換，需要研究備用變水冷改風冷的可行性。

1.1 參數計算與環境數據選擇

備用變空載損耗(即鐵芯損耗)為206.8 kW，負載損耗為1 440 kW?，F有風冷變壓器安裝有型號為YF2-400的風冷卻器7臺，單臺風冷卻器額定容量400 kW，實際計算中額定容量按360 kW考慮，額定油流量120 m3/h。變壓器運行環境溫度按年平均20℃、月平均30℃、最高40℃考慮。

1.2 冷卻器數量核算

風冷卻器的選擇與變壓器損耗成正比，冷卻器容量設計裕度按1.1倍考慮。最小的冷卻器數量需求為

式中：N為冷卻器臺數；∑P為變壓器總損耗，計算時總損耗取空載損耗和負載損耗之和，kW；Sn為設計的單臺風冷卻器額定出力，取360 kW。因此，6臺風冷卻器可滿足變壓器冷卻需求，另設1臺冷卻器備用。

1.3 備用變油溫升核算

1)備用變油頂層溫升。

備用變頂層油溫升與備用變總損耗和冷卻器總容量的關系為

式中：θd為備用變油頂層溫升，K；θ0為冷卻器進口油溫升，計算時取變壓器廠家規定的變壓器油頂層溫升限值40 K；N為冷卻器投入運行臺數，考慮1臺冷卻器備用，故N取6。

計算得到備用變油頂層溫升為θd=30.8 K。

2)備用變油平均溫升及備用變底部溫升。

備用變底部和頂層油溫差為

式中Q為冷卻器額定油流量， L/min。

備用變油平均溫升為

θp=θd-0.5×θτ=28.7 K

線圈底部油溫升為

θu=θd-θτ=26.5 K

1.4 備用變銅油溫差與溫升核算

銅油溫差指變壓器繞組溫度與變壓器油溫之間的溫度差。它與繞組電流密度、導線尺寸、絕緣覆蓋范圍和絕緣厚度、繞組油流速度等相關[6-8]。銅油溫差通常采用油流分布計算軟件計算。本臺備用變銅油溫差最大值θc=20.3 K。

因此，備用變繞組的平均溫升為

θw=θp+θc=49 K

同樣，使用油流分布計算軟件得到備用變繞組的最熱點銅油溫差Δq=40.2 K。因此，備用變繞組最熱點溫升為

qmax=θd+Δq=71 K

1.5 性能對比

經核算，備用變由水冷改風冷后，變壓器油溫升、繞組平均溫升和最熱點溫升均比水冷方式高5～10 K，但仍處于GB 1094.2的要求范圍內[9]，核算數據對比見表1。

表1 備用變溫升核算值對比 K

2 備用變冷卻系統管路壓力損失核算

2.1 管路結構及主要參數

備用變冷卻方式改風冷后，冷卻器進出油管路需從新設計，因此需核算變壓器冷卻系統油管路壓力損失。根據資料，風冷卻器油泵額定揚程為5 m(H2O)，額定油流量時冷卻器油路阻力為23 kPa(60℃)，冷卻器進、出油管匯流管直徑為200 mm，支管直徑為150 mm。

2.2 管路壓力計算方法

直管路的管路沿程壓力損失ΔP(Pa)的計算公式為

式中：λ為沿程阻力系數，油流為層流時，λ=64/Re，油流為湍流時，可根據莫迪圖確定[10]；l為管道長度；u為油平均流速，m/s；ρ為油液密度，kg/m3。

管路閥門、彎管和分支的壓力損失ΔP′(Pa)計算公式為

式中：ξ為局部阻力系數，ξ的選擇或計算與管路的變化關系分為以下幾種情況。

1)管路截面突變。管路突擴：根據包達公式推理，管路直徑由D1突擴為D2時，局部阻力系數為

ξ=(1-D1/D2)2

管路突縮：管路直徑由D1突縮為D2時，局部阻力系數為

ξ=0.5(1-D2/D1)

2)彎管的局部阻力系數經驗公式為

式中：r表示彎管半徑；R表示彎管中心線彎曲半徑；θ表示彎管彎曲角度。

3)閥門的局部阻力系數需要根據閥門的結構和規格并查閱相關資料[11]。

2.3 冷卻系統壓力損失核算

備用變冷卻系統管路總的壓力損失為

∑Pl=ΔP+ΔP＇=95.18 mbar=0.97 m(H2O)

冷卻器內部壓力損失為

Pc=23 kPa=2.25 m(H2O)

冷卻器裝置及管路的總壓力損失為

∑P=∑Pl+Pc=3.22 m(H2O)

由于沒有變壓器本體壓力損失資料，設計人員根據變壓器冷卻回路的設計經驗判斷冷卻器油泵配合冷卻管路可以滿足變壓器的冷卻要求，不會引起油流靜電及油泵超揚程過負載運轉產氣問題。

3 變壓器試運行

3.1 溫升情況監測

為了驗證計算結果的準確性，電廠于2018年11月使用備用變壓器替換運行的風冷變壓器，冷卻器使用原變壓器的7臺YF2-400型風冷卻器。同年12月21日變壓器投運，投運后測量變壓器實際溫升并與核算值對比如表2所示，變壓器實測溫升穩定且均未超過溫升計算值。

表2 變壓器溫升對比

備用變油投運后1年內的溫度數據表明，備用變油溫升基本保持穩定。與同期環境溫度數據比較，備用變油頂層油溫升25～30 K，繞組溫升45～50 K，與溫升核算值保持一致。

與同型號水冷變壓器同期運行數據對比，備用變由水冷改風冷后其油溫和繞組溫度比水冷變壓器溫度高出10～15 K，較理論計算值偏大0～5 K，仍處于標準規定范圍以內。與風冷變壓器同期運行數據對比，備用變油溫和繞組溫度比風冷變壓器溫度高3～5 K，溫度變化趨勢基本保持一致。以上數據表明備用變由水冷改風冷的溫升核算基本準確，驗證了備用變冷卻方式改為風冷后能夠長期穩定可靠的運行。

3.2 油氣含量與鐵芯夾件電流監測

備用變鐵芯夾件電流數據無異常并保持穩定，與其它水冷變壓器鐵芯夾件電流數據監測見表3。

表3 變壓器鐵芯夾件電流

在2018年12月22日至2019年4月26日共4個月時間內，變壓器油中氣體含量變化趨勢如圖1所示，油中氣體增長以二氧化碳為主，變壓器油中氫氣、乙炔及總烴含量均無明顯上升趨勢。各項數據表明備用變整體運行穩定，冷卻系統并未引起油流靜電及油泵產氣等問題，總體與核算結果一致。

圖1 油氣含量趨勢圖

4 結 語

備用變壓器冷卻方式改風冷后，維護人員對該變壓器的運行狀態進行了長期的跟蹤，重點關注了變壓器的油氣發展、鐵芯及夾件電流、運行溫度、振動、聲音等的變化情況,與其它水冷、風冷變壓器對比顯示變壓器各項指標正常。

理論核算和現場試運行表明備用變由水冷改風冷后油和繞組溫升較水冷方式有所上升，但仍然滿足廠家設計文件和國標要求，說明變壓器水冷改風冷是可行的。

通過核算和試運行發現冷卻器油管路的壓力損失不會導致油流靜電或油泵超揚程過負載運轉產氣，說明本臺備用變油管路設計是合理的。

通過本次備用變冷卻方式改造，表明備用變冷卻方式改為風冷后能夠長期穩定可靠的運行，確保了備用變壓器的全廠備用能力。