基于強油循環變壓器運行工況下的散熱器自動清洗裝置研究分析

國網江蘇省電力有限公司南通分公司 張佳劍 夏海燕 錢聰

1 強油循環變壓器的工作組成

該裝置可用于變壓器油道、變壓器油冷卻器、油浸式變壓器油冷卻器和油井內注油系統等各環節。該裝置主要由高壓空氣管道、液壓控制柜、驅動機構及控制系統組成，工作原理是通過“機械+液壓”復合清洗進行清洗作業。

散熱器內的油中含油， 含油量通常在0.5～1.5g/s 范圍內，過高會使變壓器線圈短路。散熱器上積灰、污垢，使散熱器的散熱能力降低，甚至導致設備損壞。冷卻器產生的油霧和水蒸氣會使變壓器油發生分解反應而造成變壓器內部的短路，從而引起變壓器跳閘。變壓器在運行過程中溫度升高，使金屬材料發生軟化、變形、開裂等嚴重后果。冷卻系統發生故障時，會降低散熱能力致使散熱管發熱甚至燒壞設備。在夏季高溫天氣下還會因熱輻射而造成絕緣損壞。當設備出現嚴重故障時，變壓器極易過載而燒毀設備或引起電網事故[1]。

在對散熱器進行定期清洗過程中，由于散熱器上的污垢不易清除，污垢沉積過多或時間過長等問題導致設備出現故障。

變壓器是電力系統中的主要設備，其性能和質量直接影響電力系統的安全運行，也影響著生產生活用電。隨著電力工業的發展，變壓器數量越來越多，變壓器運行中產生和排出的熱量也越來越多。由于變壓器內含有大量的油流、灰塵和油泥等雜質，再加上油箱里空氣濕度大、溫度高、空氣中氧氣含量低，以及外部環境對變壓器散熱性能造成各種不良影響。

2 強油循環變壓器的工作原理

2.1 變壓器的工作條件

強油循環變壓器是一種新型的電力變壓器，主要是用來滿足電力行業中的高電壓、大容量、遠距離負荷輸送的需要，同時還能起到保護高壓系統安全可靠運行的作用。變壓器工作時，變壓器油箱內油位在不斷上升，油中溶解了一定數目的雜質和水分，油中雜質隨水蒸汽上升至油箱頂蓋頂部，水分被排除[2]。

變壓器油箱內部是一個大截面的凹腔，凹管內充滿油。凹腔內是一個封閉的真空室（真空度為0.012Pa），真空室外部接有空氣隔離罩。在油箱內部和與外界相通的油道中通入低壓空氣（一般為0.2～0.3MPa）或氮氣（一般為0.2～0.5MPa），在油道內形成負壓，把儲存于油箱內的空氣抽出，并把油道內壁間殘留的油蒸氣吸走。同時油道外面也有一根通入真空泵壓縮空氣的氣管將其抽出，在低壓空氣管與吸油氣管間形成一個密閉空間，使油蒸氣進入這個密閉空間。

在油中溶解了一定數目（如1～10個）雜質和水分之后，就會有一定量（0.1t/h）壓力差迫使油蒸氣壓上升到一定數值（可達0.13MPa），在與外界相通后壓力又有所下降，然后繼續升高到0.20MPa。

當散熱器上的積灰和雜物在電機的驅動下達到噴嘴時，由于壓力的作用將堆積于內壁的雜物吹出。當積灰達到一定程度后，在葉輪和葉片作用下將積灰吹出。此過程重復進行，直到散熱器內雜質全部吹盡為止。

該裝置主要是針對變壓器散熱器內部積灰及雜物進行自動清洗，其設計原理和結構簡單，清洗效果好，運行效率高。但隨著設備的不斷更新換代，裝置也在不斷地進行完善和提高。設備的自動控制性能需要進一步提高，對于內部積灰或雜物比較嚴重的時候，應增加自動清洗時間，應對裝置進行定期維護、保養和試驗測試，使其長期保持良好性能。如此反復進行上述過程就會把油箱內壁間存在的雜質和水分排除干凈。這樣經過一個周期之后，油道內部就形成了與外界相通或密封良好的真空室內腔。

根據強油循環變壓器的工作原理和結構特點，建立了散熱器內部流場的數學模型，設計了一種新型的自動清洗裝置，并完成了其樣機的制造與試驗。

根據數學模型給出的計算結果，結合實際運行數據進行試驗驗證后發現，該自動清洗裝置能夠在清洗后自動排出冷卻水中殘留下來的油泥和鐵銹顆粒。在清洗時進油管路出口流量小于進油管路進口流量時，可通過手動調節控制進油管路出口流量，實現自動清洗，該裝置具有多點控制功能。

2.2 變壓器的分析結果

利用計算機模擬仿真軟件模擬不同工況下該裝置各部件運動規律及狀態參數。并將分析結果與試驗相比較，證明了模擬仿真結果的準確性和可行性。利用所提出的設計原理和結構圖，設計制造了“強油循環變壓器散熱器自動清洗裝置”項目樣機，樣機經過一次試驗后在各工況下均能達到預期效果。

根據國家電網公司的《輸變電設備安全穩定運行規程》（征求意見稿），對配電變壓器在額定容量50%左右時應具有較高的空載損耗，因此，對其進行清潔試驗就顯得尤為重要[3]。

本文通過對現行變壓器清洗方法及存在問題的分析和研究，在此基礎上提出了一種新型“機械+液壓”復合清洗原理用于變壓器油冷卻器中散熱器自動清洗裝置。該裝置可以實現在一定程度上減小運行環境對變壓器帶來的不利影響，同時具有清潔效果好、可靠性高、工作安全等優點。

該設備采用電磁感應原理控制電機運動，由變頻器調速，在電機驅動軸上安裝電磁換向閥，用來控制電機的轉向。由于清洗裝置位于變壓器外部，又要確保內部安全，因此要求對其結構進行合理設計，使其能與變壓器外殼及散熱器的尺寸相適應。

3 散熱器清洗技術現狀及改進方法

由于目前我國各大油田企業大多采用的是重油和輕油鍋爐，對于變壓器等高壓設備一般都采用直接噴射清洗方法進行除銹、防腐工作。然而該方法具有效率低、易損壞機件等缺點，不適合于大容量高壓油輪裝置的快速除銹清洗，而且也不適合于大容量高壓變壓器的快速除銹，且直接噴射清洗的方式容易造成對散熱器表面的二次腐蝕。

目前國內多數變壓器采用常規維護方法進行日常管理和維護，由于這種方法具有工作量大、勞動強度高、維修人員水平低以及維修費用高等問題，同時由于維護人員不熟悉油液循環原理及工作性能、不了解相關安全規定和標準、不熟悉機械設備結構等原因，使一些無法解決的技術問題得不到及時有效解決。

為了解決上述問題，目前國內外已經有很多廠家針對變壓器散熱器采用了噴淋法、化學法、物理法等不同形式的清洗技術。其中物理法又分為超聲波清洗及射流清洗，但均存在著成本高、耗水量大、工作環境惡劣、運行費用高等缺點。

近年來，國內外學者針對散熱器內氣流運動模型進行大量研究，并取得一定進展。其中以Fluent軟件為基礎，采用CFD方法對散熱器內流場模擬及數值計算結果表明，隨著流速增大壓力降低速度也減小，流場速度方向隨流速增加，流體動能隨流速增加而減少，不同流速下速度場呈現出不同特征。

4 技術方案

該技術方案的總體目標是實現一種基于“機械+液壓”復合清洗原理的散熱器自動清洗裝置，其主要特征如下。

變壓器油冷卻器上設置有高壓氣口，可通過溢流閥控制進氣壓力，從而對油箱中的油液進行沖洗。油箱內設有空氣管，所述空氣管與油箱相連通。液壓控制柜可通過手動或自動的方式對壓力信號進行調節，當系統壓力達到設定壓力時可實現對液壓閥的控制。裝置上設有高壓氣體排放口，該口由氣動接口連接至油液出口閥門，其上設有泄壓閥，裝置上設有空氣管和油箱的連接管道，當空氣管接至油箱時該管段內空氣被吸入油箱內且無壓力后該管段繼續擴張直到散熱器處。該裝置上設有高壓氣出口閥門和空氣進口閥門共兩個通道，其中高壓氣出口閥門通至油箱進氣口處，而高壓氣進口閥門通入油液，以達到清洗油液目的，同時將液壓系統信號傳送至控制中心以對其進行控制。

當液壓系統信號傳輸至控制中心后，根據操作要求可以通過手動、自動的方式對壓力信號進行調節。

5 “機械+液壓”復合清洗原理

高壓空氣系統包含液壓控制裝置、高壓管、油箱、變壓器油加熱器、高壓泵及電機、油泵、油管、閥門等。另有空氣壓縮機和空壓機各一臺，壓力調節閥2個，流量調節閥1個，連接空氣管、油箱和閥門等。液壓控制系統主要由高壓管（油箱）和液壓泵、油管接頭）組成，由控制柜通過繼電器驅動。油箱采用不銹鋼材料制成并作防銹處理，油泵采用抗磨密封圈和耐高溫軸承，空氣泵采用耐高溫密封圈以及耐溫密封件，油箱的進出口采用耐溫密封圈連接，油箱進出口與空氣管道連接，油箱與油管之間也可采用耐溫密封件連接。高壓管（油箱）的兩端連接空氣管道，油套管（油管接頭）與高壓管（油箱）連接，并做好密封工作。液壓控制系統由控制柜及液壓泵、電機、油泵、閥門等組成。

試驗表明，該方式可用于油浸式變壓器中散熱器外部壁污垢剝離效果不佳以及不易清洗的情況下，該方式對于散熱器外表面的污垢剝離效果好，同時對于內部壁內的積垢剝離效果不佳。

目前，我國有部分地區電力企業使用傳統的散熱器清洗方式對變壓器及油道進行清洗，雖然這種方式可以提高變壓器的運行效率以及安全性能，但是設備自身存在許多弊端，例如容易造成油箱內壁和內壁面污垢脫落，易造成變壓器內環境污染甚至是發生人身傷害事故，難以進行清潔、保養和維護、清潔效果不理想。

6 自動清洗裝置原理及設計

該裝置主要由儲液罐、進油管路、過濾網筒、控制閥門等組成。從結構上看，清洗裝置有兩個部分組成，一部分是通過在進油管路上安裝一套過濾網及過濾網筒形成一個過濾系統，另一部分是通過控制閥門對散熱器進行控制，從而形成一個自動清洗系統。

在本方案中設計的清洗系統分為兩個階段，第一階段為設備運行前狀態監測階段，第二階段為設備運行中狀態監控及數據采集分析階段。監測過程由信號采集器、信號控制器、數據控制器等組成，其中信號采集器包含數顯儀表和數顯采集卡兩種類型的傳感器，信號控制器和數據控制器分別用于對數顯儀表的數據采集功能和數據采集卡的控制功能，以滿足系統運行過程中對數據進行準確可靠采集分析的需求。

在設備運行前狀態監測過程中，由信號采集器根據設定時間間隔內散熱器清洗量的多少來自動發出指令來進行清洗動作。在參數采集及數據收集過程中，由信息采集器根據設定的清洗間隔進行清洗動作信號的發送。完成第一階段后，系統根據指令自動進行第二階段的工作。

7 結語

該裝置在實際運行過程中具有自動、連續清洗散熱器的功能，該裝置通過設置多點控制實現自動進排水功能以及連續清洗散熱器的功能。在實際運行過程中，經試驗驗證，該裝置實現了穩定高效的運行，并能夠達到預期效果。現場試驗驗證，在變壓器油箱上加裝自動清洗裝置，模擬變壓器油道及散熱器的運行環境。清潔能力驗證，首先對變壓器油箱中的污垢進行分析，利用清洗裝置將油箱內的污垢排出。試驗結果匯總與分析，自動清洗裝置可滿足變壓器油冷卻器在工作狀態下的散熱器自動清洗作業要求。

變壓器油冷卻器是變壓器重要的輔助散熱裝置，主要用于降低變壓器油流速，以提高變壓器運行時的熱穩定性。