變壓器水噴淋降溫裝置的改進設計與應用

許志坤 張俊康 葉 華 曹志平

變壓器水噴淋降溫裝置的改進設計與應用

許志坤 張俊康 葉 華 曹志平

（國網福建省電力有限公司泉州供電公司，福建 泉州 362000）

本文針對現有變壓器水噴淋降溫裝置存在的噴淋效果不佳、無法根據主變負荷油溫情況自動控制、控制滯后等問題，對其進行改進設計，提出包含頂部噴頭、側壁噴頭、環境噴頭的立體式噴淋降溫方式，設計電氣控制回路與水回路分離的就地控制柜，通過手控、自控、遠控相結合的控制邏輯實現裝置的自動控制，提升噴淋降溫效果。經過現場應用，該裝置可實現6℃以上的智能輔助降溫，減少了人力物力的浪費。

水噴淋降溫；立體式噴淋；溫度自控；負荷

0 引言

油浸自冷式變壓器在工作時，鐵心和繞組中的能量損耗轉化為熱能，通過變壓器內外部的溫差和油的對流作用，將熱量經散熱器向周邊散發出去，以維持變壓器的正常工作[1-3]。由于自冷式散熱方式受限于環境溫度和系統負荷，在夏季系統負荷大、外界持續高溫環境下，若無外界輔助散熱措施，油浸自冷式變壓器產生的熱量無法向外界有效散發，這將加速變壓器絕緣介質老化，縮短變壓器運行年限，嚴重威脅電網的供電可靠性[4-6]。

現有變壓器水噴淋降溫裝置結構較為簡單，由散熱器頂部安裝的噴淋頭進行噴淋輔助降溫，該方法的噴淋面積有限，水流無法有效覆蓋散熱器表面，因而噴淋降溫效果不佳。當前的水噴淋降溫裝置依靠人工控制噴頭的啟停，只能保持水噴淋裝置在常開或常閉狀態，無法根據主變負荷油溫等情況綜合判斷是否開啟水噴淋裝置，且現有變電站多采用無人值守模式，變電站數量多、離運維班駐點路途較遠，人工啟停水噴淋裝置有一定時間滯后性，滯后開啟達不到有效降溫效果，滯后關停浪費大量水資源，往返路途對人力、物力也是極大的浪費[7-9]。因此，亟須對傳統變壓器水噴淋降溫裝置進行改進設計，實現智能控制功能，以提升噴淋降溫效果，增強其實用性，減少資源浪費。

1 設計方案

1.1 噴淋區域布置

本文設計采用一種新型噴淋區域布置方式，由頂部噴頭、側壁噴頭、環境噴頭組成。頂部噴頭布置于散熱器頂部，噴淋水流以圓盤狀覆蓋散熱器頂部區域，水流沿散熱片側壁流下，形成的水膜可覆蓋側壁部分區域；散熱片高油溫區域集中在上1/3部位[10]，因此側壁噴頭布置于散熱器側壁上1/3高度處，其噴淋水流可有效覆蓋周邊4個散熱片的高油溫區域；環境噴頭布置于最外層散熱片向外處，噴頭位置朝向外部，對周邊環境進行噴淋，降低變壓器周邊環境整體溫度。通過多區域噴淋布局，從頂部、側壁、周邊環境對變壓器散熱片進行立體式噴淋降溫，大大增加了散熱片表面噴淋水膜覆蓋面積，提升了噴淋降溫效果。噴淋區域布置示意圖如圖1所示。

1.2 就地控制柜設計

本文設計的水噴淋降溫就地控制柜包含電氣控制回路和水回路兩部分，就地控制柜設計原理如圖2所示。

柜體分為上、下兩層，上層為電氣控制回路部分，內部為電子器件，包含手動啟動控制器、時間控制器、溫度控制器、遠方遙控控制器等，外部為控制面板，可就地進行模式切換、啟停控制等；下層為水回路部分，包含過濾角閥、前置過濾器、自動自吸泵、電磁水閥等。

外部控制面板上有控制方式切換開關和自控方式切換開關，分別用于切換手控、遠控、自控模式與溫控、時控模式，有電源指示燈、當前模式指示燈用于指示電源狀態、當前工作模式，有溫度顯示屏用于顯示當前油溫、溫度閾值等信息。

柜內手動啟動控制器可就地手動控制電磁水閥的開啟和關閉；溫度控制器用于接收無線溫度傳感器測得的溫度值，無線溫度傳感器置于變壓器散熱器的進油管上，采用環狀表貼式安裝，以貼緊進油管表面，獲取準確的油溫值；時間控制器可設定啟停時間，根據設定好的時間控制電磁水閥的開啟和關閉；遠方遙控控制器用于連接遠程終端單元（remote terminal unit, RTU），接收遠控終端下發的控制命令，控制噴淋裝置的啟停。

就地控制柜按照變電站標準箱柜進行設計制造，柜體可壁掛固定，也可采用地腳螺栓固定，采用接地線可靠接地，柜門設置阻水密封條，柜內線槽接口處均采用黑膠密封處理，防水防塵密封性能良好，并在柜內設置溫濕度傳感器，當溫濕度達到設定閾值時即開啟加熱板進行驅潮加熱。該就地柜現場應用安全性良好，可適應變電站內各類復雜環境。就地控制柜實物如圖3所示。

圖3 就地控制柜實物

1.3 噴淋控制方法

針對現有噴淋裝置無法根據主變負荷油溫情況自動控制、控制滯后等問題，本文改進設計了三種控制方式，可進行手控模式、自控模式、遠控模式三種控制模式的切換，在自控模式中又具備溫度自控模式及時間自控模式的切換功能，可根據實際應用需求選擇裝置的自控工作模式。

手控模式下，可就地控制噴淋裝置的啟停；遠控模式下，可在遠控終端下發指令，控制噴淋裝置的啟停。選擇自控模式后，如需在變壓器油溫達到某閾值后投入水噴淋裝置，可設定為溫度自控模式，如需每日定時啟停水噴淋裝置，可設定為時間自控模式。在溫度自控模式下，水噴淋裝置將實時采集的油溫值與設定閾值相比較，達到設定條件后自動完成噴淋裝置的啟停，可設置多個溫度傳感器，按“與”或“或”邏輯進行控制，為避免油溫在某個值附近抖動導致水泵、電磁水閥頻繁動作而損壞，啟動閾值與關閉閾值需設置滯回區間[11]。在時間自控模式下，可設置啟停時間、啟停周期等參數，噴淋裝置根據時控參數自動運行。變壓器水噴淋降溫控制邏輯如圖4所示。

圖4 變壓器水噴淋降溫控制邏輯

2 應用情況

截至2023年7月，泉州供電公司變電中心先后在所轄站安裝了13臺新型變壓器水噴淋降溫裝置，根據現場應用情況，裝置可實現油浸自冷式變壓器智能輔助降溫，降溫效果明顯，具體應用情況如下。

應用情況1：高坑變1號主變日負荷曲線對比如圖5所示，高坑變1號主變2023年6月25日與27日的負荷電流幾乎一致。高坑變1號主變日油溫曲線對比如圖6所示，6月27日11:00達到條件自動開啟水噴淋降溫裝置后，油溫曲線迅速下降，最大降溫值達到9℃，降溫效果明顯。

圖5 高坑變1號主變日負荷曲線對比

圖6 高坑變1號主變日油溫曲線對比

應用情況2：官橋變1號主變日負荷曲線對比如圖7所示，官橋變1號主變2023年7月5日最高負荷電流為327A，7月7日最高負荷電流為360A，兩日整體負荷差異不大。官橋變1號主變日油溫曲線對比如圖8所示，7月5日未開啟變壓器水噴淋降溫裝置，最高油溫為67.5℃，7月7日全日手動開啟水噴淋降溫裝置后，油溫曲線有不同程度的下降，最高油溫為61.3℃，對比7月5日，在負荷增大的情況下最高油溫反而下降，降幅達到6.2℃，降溫效果明顯。

圖7 官橋變1號主變日負荷曲線對比

3 結論

本文通過改進現有的變壓器水噴淋降溫裝置，提出了立體式噴淋降溫方式，通過設計電氣控制回路與水回路分離的就地控制柜，根據手控、遠控、自控相結合的控制方法，實現了變壓器水噴淋降溫裝置的智能控制，增強了噴淋降溫效果，對提升電網安全具有十分重要的意義。

裝置在現場應用中也存在一些問題，如水噴淋管道現場安裝費時費力、部分噴淋頭及主變散熱器表面有白色水垢及青苔產生等，后續將對噴淋管道模塊化設計、噴淋裝置水質提升等現場應用問題展開研究，進一步提升變壓器水噴淋降溫裝置的實 用性。

[1] 許晨杰. 油浸式變壓器用熱管散熱器的設計及優化研究[D]. 杭州: 浙江工業大學, 2017.

[2] 唐釗, 劉軒東, 陳銘. 考慮流體動力學的干式變壓器熱網絡模型仿真分析[J]. 電工技術學報, 2022, 37(18): 4777-4787.

[3] 陳偉根, 滕黎, 劉軍, 等. 基于遺傳優化支持向量機的變壓器繞組熱點溫度預測模型[J]. 電工技術學報, 2014, 29(1): 44-51.

[4] 劉驥, 呂佳璐, 張明澤, 等. 換油條件下變壓器油紙絕緣老化壽命評估研究[J]. 高電壓技術, 2020, 46(5): 1750-1758.

[5] 張建瓴, 周壯廣, 可欣榮. 基于分體解耦方法的變壓器溫度場模擬[J]. 廣東電力, 2020, 33(1): 140- 146.

[6] 譚翼坤, 陳明, 黃騰, 等. 基于氣體成分分析的變壓器過熱隱患預警方法[J]. 電氣技術, 2022, 23(10): 51-58.

[7] 王慶東, 陳攀攀. 變壓器水冷自動降溫裝置的研制與應用[J]. 農村電工, 2015, 23(1): 37-38.

[8] 張曉明, 唐衛民. 變壓器淋浴降溫裝置[J]. 農村電氣化, 2014(5): 47.

[9] 阮守軍, 楚國華, 丁升, 等. 柔直換流閥冷卻系統配置方案和調試方法[J]. 電氣技術, 2018, 19(5): 39-42.

[10] 翟茜. 大型變壓器片式散熱器散熱效率分析與研究[D]. 沈陽: 沈陽工業大學, 2019.

[11] 黃江寧, 吳靖, 黃旭亮, 等. 基于PID控制技術的變壓器冷卻裝置智能噴淋系統的研究及應用[J]. 浙江電力, 2018, 37(9): 31-35.

Improved design and application of transformer water spray cooling system

XU Zhikun ZHANG Junkang YE Hua CAO Zhiping

(Quanzhou Power Supply Bureau, Fujian Power Grid Co., Ltd, Quanzhou, Fujian 362000)

This article focuses on the problems of poor spraying effect, inability to automatically control according to the load oil temperature of the main transformer and control lag in the existing transformer water spray cooling device. A stereo type spray cooling method that includes top nozzle, side wall nozzle and environmental nozzle is proposed. A local control cabinet is designed to separate the electrical control circuit from the water circuit, and a control logic combining manual control, automatic control and remote control is used to realize automatic control of the device, improving the cooling effect of spraying. On-site application shows that the device can achieve intelligent auxiliary cooling above 6℃, reducing the waste of manpower and material resources.

water spray cooling; stereo type spray; temperature self-control; load

2023-07-18

2023-08-07

許志坤（1992—），男，福建泉州人，碩士，工程師，主要從事電力系統變電運維工作。