橙子溝水電站油浸風冷變壓器散熱效率與水冷噴淋降溫技術探索與應用

李雙成

（甘肅電投大容電力有限責任公司，蘭州 730000）

變壓器是一種靜止的電氣設備，其功能是將發電機的電能從低電壓轉換成高電壓，升高后的電能輸送至電網。在實際運行中，變壓器上層油溫和繞組溫度是巡回檢查的重要項目。當變壓器油溫超過規定值，內部變壓器油開始劣化，絕緣降低，嚴重時會產生匝間短路等內部故障，引發保護跳閘從而電力回路中斷，所以變壓器在電網系統中尤為重要。

1 實施背景

1.1 橙子溝水電站介紹

白龍江橙子溝水電站位于甘肅省隴南市境內，是白龍江干流上水電梯級開發規劃的第15 級電站，廠址位于文縣臨江鎮月亮壩鄉。廠內安裝3 臺混流式機組，單機容量38.33 MW，總裝機容量115 MW，主變壓器3臺，單臺容量50 MWA，采用一機一變的單元接線方式，主變壓器安裝于主廠房上游側戶外主變平臺，主變安裝排列順序為由南向北依次排列，設備正面方位為西偏北約30°，主變平臺太陽照射時間為12 時至18時，其余時間太陽被廠房或山體遮擋。文縣的地理環境屬亞熱帶向暖溫帶過渡區，為亞熱帶北緣山地氣候，年平均氣溫5～15 ℃，年平均日照數1 200～1 800 h，查詢歷史氣溫2022 年當地最高氣溫為39 ℃。

2022 年7 月6 日16 時，橙子溝水電站3 號主變出現一次設備異常，上位機報“3 號主變本體油位高告警”信號，此時查看3 號主變負荷39 MW，現地查看變壓器油枕油位指針在100%，查看溫度計上層油溫為78 ℃。由此看出在夏季大負荷運行時，主變油溫容易溫度過高、主變油枕油位高的異常發生。嚴重者可能會發生主變匝間短路、壓力釋放等事故。

1.2 設備構造及相關參數

3 號主變額定容量為50 000 kVA，額定電壓121/10.5 kV，額定頻率50 Hz，相數為3 相，接線組別YN.d11，冷卻方式油浸風冷（ONAF），變壓器進線端為高壓共箱母線進線，出線端為插拔式電纜終端連接高壓電纜。變壓器散熱片型號為PC1900-25/520，實際散熱片26 片，共10 組；散熱風扇型號為DBF2-8Q10TH，風量6 100 m3/h，防護等級IP55。

1.3 問題分析

為了解3 號運行中變壓器在各環境溫度下的散熱能力，因此需要計算在不同條件下變壓器實際發熱量和實際散熱量。按照環境溫度、太陽照射強度2 個條件變量去分析變壓器散熱效率。

1.3.1 主變壓器有效散熱器散熱面積計算

考慮到各變壓器冷卻方式不同，散熱器單元盒數量不同，散熱器的結構、尺寸不同等因素，需要對散熱器面積進行計算。

式中：SD為對流散熱面積；B0為片寬展開長度；H 為片高度；N 為片數。

式中：SF為輻射散熱面積；B 為片寬；d 為片間距。

式中：μ 為片間距修正系數，數據見表1；k 為片數修正系數，數據見表2。

表2 片數修正系數

式（4）中計算結果為1 組散熱器的有效散熱面積，所以10 組散熱器的總有效散熱面積為296.48 m2。

1.3.2 不同環境溫度下主變壓器散熱效率對比

在7 月末至8 月初各時期分別測量9：00 和16：00主變散熱器進、出油口溫度、設備負荷、環境溫度等數據，具體數據見表3；為了減小測量誤差，在散熱器進、出油口處選取3 處地點測量，數據取平均數。

表3 3 號主變各時期實測數據

首先計算出7 月29 日正常環境溫度下的散熱量，依據以下傳熱方程得出。

式中：A 為換熱面積；K 為換熱系數；LMTD 為對數平均溫差。

式（5）中K 的展開式如式（6）

式中：hhot和hcold為圍護結構兩側的表面對流換熱系數；λ 為導熱系數；δ 為厚度。

因各表面對流換熱系數未知，所以根據對流換熱方程實驗求解法求出變壓器油內部表面對流換熱系數hhot，查取變壓器油物性參數

λ=0.106 W（/m·K）[2]，c=1.64×103J（/kg·℃）[3]，l=1.9 m=190 cm，

v1=0.059 8 cm2/s=0.059 8×10-6m2/s，p=883.8 kg/m3，g=9.81 m/s，

式中：Pr 為普朗特數；μ 為動力黏滯系數；λ 為熱傳導系數；cp為定壓比熱容。

式中：v1為運動黏數；p 為密度。

式中：tm為定性溫度；tw為固體表面溫度；t∞為流體溫度。

式中：Gr 為格拉曉夫數；g 為重力加速度；β為體積變化數，對于理想氣體等于絕對溫度Tm的倒數；Δt為溫度差值；l為長度；v1為運動黏數。

式中：Nu 為努賽特數。

則變壓器油側表面換熱系數為851.43 W/（m2·K）。

由于外部空氣換熱受到風扇影響，換熱過程屬于受迫對流，因此外部表面對流換熱系數hcold可用下列公式描述。

查取物性參數：λ=0.029 6 W/（m·K），Pr=0.71，μ1=0.148 cm2/s，v=863 cm/s，l=1.9 m=190 cm，p=1.29 kg/m3。

式中：Re 為雷諾數；v 為流體流速；p 為流體密度；μ1為運動黏數。

將以上表面對流換熱系數帶入式（6）中

式（5）中LMTD 的展開式如下所示

式中：ΔA為熱流進口與冷流出口溫度差；ΔB為熱流出口與冷流進口溫度差；ln 為自然對數。

將以上計算數據代入式（5）中，得出變壓器散熱功率

將8 月5 日9：00 高溫環境數據代入方程

1.3.3 太陽照射條件下主變壓器散熱效率對比

相同太陽照射、相同環境溫度條件下2 個時間段對比變壓器的散熱效率（因設備生產原因無法將2 個時段主變負荷統一，該數據僅供參考）。

1.3.4 散熱器散熱效率對比結果

根據以上2 種計算對比在不同條件下散熱器的散熱效率。

在沒有太陽照射、相同負載條件下，環境溫度作為變量條件，2 臺主變的散熱效率相差31 055.2 W；式（17）（19）中可以看出對數平均溫差越大，散熱功率就越高，對變壓器散熱效率就越大，證明了環境溫度與散熱器散熱效率大小有關。

在相同環境溫度條件下，太陽照射作為變量條件，式（22）可以看出相較于式（20），受到太陽照射變壓器散熱量提高了12 603.3 W，即受到太陽照射時段的變壓器散熱量變大；由表3 可知8 月5 日2 個時段的變壓器上層油溫同為70 ℃，并且16 時相比9 時的負荷小3.26 MW，表明太陽輻射熱量與變壓器上層油溫上升有關。

2 內涵和主要做法

2.1 主要思路

通過上述問題分析查明了變壓器上層油溫升高的因素，主要原因是環境溫度升高，空氣溫度與散熱器溫度差變小，從而散熱效率降低。只要人為降低空氣進氣溫度，增大與散熱器溫度差，就會提高散熱能力，通過查閱相關資料了解到一種噴淋降溫技術，此系統原理是自來水經過水質過濾器軟化，將軟化水通過柱塞泵增壓到7 MPa，泵送到高壓霧化裝置，經過噴嘴霧化后水分形成許多微小顆粒，與空氣混合后噴向變壓器散熱片，水霧接觸散熱片并帶走熱量，從而達到降溫的目的[5]。可以使用相關設備并稍加改造，變成適合本站使用的噴淋系統。

在不改變散熱器面積和風扇數量的前提下，假設降低變壓器上層油溫5 ℃，需要增加多少散熱功率？我們需要了解到變壓器的散熱原理：變壓器內部發熱熱量＝變壓器油存儲的熱量+散熱器釋放的熱量。變壓器油作為一個載體，充當能量儲存和釋放的角色，當散熱器效率降低，變壓器油會暫時存儲熱量使油溫升高。由此可知，需要計算降低變壓器油5 ℃需要釋放多少能量，公式為

式中：C 為比熱容；M 為質量。

在不考慮其他因素造成誤差的情況下，計算噴淋系統用水量。假設：噴淋系統噴射的水滴全部附著到散熱片，且蒸發量為20 L/h，計算水用量為

式中：R 為汽化熱，為539 kcal/kg[4]。

本系統儲水單元設計為儲水箱，考慮到水箱水溫會受到環境溫度影響，所以噴淋系統的用水量為253.7～296 L/h。

2.2 主要做法

每年夏季為高溫運行期，噴淋系統使用時間為7月至9 月。如果噴淋噴頭安裝為永久固定裝置，當設備噴頭堵塞、損壞等問題需要更換時，會增加維修難度、增加人身傷害概率，所以本系統更改為噴淋移動支架，使用時支架移動到設計位置，避免了在運行變壓器旁高空作業誤觸高壓帶電設備導致人身觸電事故。

支架為鋼筋焊接而成，支架上端為噴頭安裝處，支架高為3.5 m；相較散熱器頂端高出0.5 m，噴淋噴頭角度為向下45°，這是為了將噴淋面積設計到最大，相較于90°能提高覆獸率約60%[6]，理論噴淋面積為7.361 2 m2。

散熱器有效噴淋寬度×散熱器長度＝

變壓器旁放置6 桶儲水桶，總儲水量為1 200 L，增壓泵安裝至水桶一側，通過6 根水管取水泵送至噴頭，增壓泵流量選取為420 L/h，最大增壓1.1 MPa；噴頭選擇為流量最大30 L/h 噴嘴，水霧擴散角為50°，按照每組散熱器安裝一只噴頭共使用10 只，噴頭串聯連接，每只間距60 cm 安裝在支架上。噴淋時，散熱器下方風扇不會因噴淋水流量過大導致損壞，散熱風扇的防護等級為IP55 級，根據國標試驗要求：使用噴嘴直徑6.3 mm 流量12.5 L/min 的水柱在所有可能的方向向外殼噴水，最少3 min 內水滴無入侵內部[7]。

使用定時器定時開啟噴淋系統，根據實際太陽照射時間，定時器設定為每天14：00 至18：00 開啟時間共4 h，儲水桶每天早上人工添加生活用水。電源取自3 號主變平臺動力箱，通過電纜連接增壓泵，增壓泵表面安裝防雨罩，防止雨天損壞設備。

3 實施效果

8 月下旬記錄了3 號主變設備運行油溫數據，與表3 中8 月5 日的運行變壓器上層油溫70 ℃進行對比，由圖1 所示；在38.21 MW 至38.77 MW 負荷區間中相比，上層油溫下降了4、3、3 ℃，可以推算出增加的散熱量分別為26.607、19.955、19.955 KW/h，與理論計算值偏差20%、40%、40%。在以上理論計算結果中，數據具有實際參考價值，今后對于研究精確計算散熱量提供了良好的基礎。

圖1 實際溫度對比圖

4 未來改進和研究方向

本系統采用可拆卸式噴淋裝置對變壓器散熱，使用水箱盛水的做法會增加員工每日工作量，今后可以優化水源選取。其次使用地表水作為散熱用水可能會在散熱片表面產生水垢，可能會降低散熱片功率，今后可以通過軟化機軟水等先進方式改良水質。

未來噴淋系統會向智能化邁進，根據采集變壓器負荷、上層油溫、太陽照射強度等數據并通過內部智能算法控制設備啟停，精準控制噴淋系統從而將油溫控制在理想溫度內。這樣極大地簡化了人工操作流程，減少了操作難度。

太陽照射對變壓器運行溫度的高低有一定影響，由于環境溫度和生產原因等因素，沒有展開具體研究，也對此次噴淋系統流量計算缺少部分數據支撐。在以后的工作中可以成為一項專門的研究課題，可以根據太陽照射強度、照射角度等條件進行對比試驗，也可以利用計算機建立相關模型模擬出來，這樣更方便進行研究。

5 結束語

本文中通過對流換熱方程實驗求解法計算在不同條件下變壓器的散熱器效率，根據公式可以得出在某一時段下的散熱功率，從而分析變壓器散熱能力下降的原因。通過對變壓器散熱器外部影響因素的研究，證明了散熱能力大小與環境溫度和太陽照射強度有關。

根據上述研究數據可以按照實際生產現場情況配置水冷噴淋系統，對相關變壓器進行噴淋降溫作業，在一定程度上解決了變壓器溫度過高的問題，進而減少變壓器因溫度過高產生的次生危害。