極端高溫天氣對戶外電抗器運(yùn)行工況的影響及改造

張智泉，俞軍偉

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

某大型水電站電站裝機(jī)容量為3 000 MW(6×500 MW），平均海拔3 000 m，具有多年調(diào)節(jié)能力。該水電站500 kV高壓并聯(lián)電抗器（型號：BKD-60000/500）自2021年9月投運(yùn)，在2022年主汛期期間，該水電站所在地出現(xiàn)極端高溫天氣，電抗器運(yùn)行環(huán)境溫度遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致電抗器運(yùn)行溫度接近報(bào)警值。

1 500 kV高壓并聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)參數(shù)

該水電站戶外高壓并聯(lián)電抗器為單相、油浸、自冷、氣隙鐵心式的產(chǎn)品。電抗器采用單芯柱加兩旁軛的鐵心結(jié)構(gòu)，芯柱帶有氣隙墊塊；線圈采用餅式結(jié)構(gòu)；器身在油箱中合理布置，強(qiáng)力定位；油箱采用桶式結(jié)構(gòu)，整體能耐受全真空和正壓；頂部油枕采用膠囊式式儲(chǔ)油柜；本產(chǎn)品冷卻方式為自然冷卻，散熱器安裝于本體一側(cè)[1]。外部配有油面溫控器、繞組溫控器、氣體繼電器、壓力釋放裝置、速動(dòng)壓力繼電器等保護(hù)裝置。

2 極端高溫天氣對戶外電抗器運(yùn)行工況的影響

該電站地處高原，晝夜溫差大，空氣壓力和密度較低，空氣絕對濕度小，降水量少；日照時(shí)間長，太陽輻射照度較高，紫外線強(qiáng)。

表1 高壓并聯(lián)電抗器參數(shù)信息表

圖1 該電站高壓并聯(lián)電抗器外形圖

表2 該電站所處地自然環(huán)境條件信息表

該水電站500 kV高壓并聯(lián)電抗器為電網(wǎng)及電廠重要運(yùn)行設(shè)備，其型式為戶外油浸式變壓器，冷卻方式為自然冷卻。因其地處高原，日照較強(qiáng)，在白天尤其是夏季日照直射情況下設(shè)備所處環(huán)境溫度較高。在2022年夏季該出現(xiàn)罕見極端高溫天氣時(shí)，電抗器運(yùn)行環(huán)境溫度達(dá)40℃以上，電抗器油溫最高達(dá)75℃，繞組溫度最高達(dá)96℃，而油面溫度高報(bào)警定值85℃，繞組溫度高報(bào)警定值為100℃，電抗器實(shí)際運(yùn)行溫度較為接近溫度報(bào)警限值。若后續(xù)出現(xiàn)更加極端高溫的天氣，電抗器運(yùn)行溫度會(huì)進(jìn)一步升高，將增加設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。而且電抗器運(yùn)行溫度過高，會(huì)加劇絕緣老化，減少電抗器使用壽命，不利于電抗器長期安全穩(wěn)定運(yùn)行[2，3]。

3 戶外電抗器改造增設(shè)風(fēng)機(jī)

該水電站高壓電抗器散熱器與本體分開獨(dú)立放置。裝設(shè)有若干組可拆卸式520型寬片散熱器。電抗器熱油通過油箱頂部管路進(jìn)入散熱器進(jìn)行自主散熱；油在散熱器內(nèi)冷卻后，通過其下部管路進(jìn)入電抗器油箱底部，再次實(shí)現(xiàn)散熱循環(huán)。

電抗器在設(shè)計(jì)階段考慮應(yīng)對可能出現(xiàn)的極端高溫天氣在散熱器上預(yù)留了冷卻風(fēng)機(jī)加裝接口。因此運(yùn)維人員擬在每相電抗器散熱器底部預(yù)留接口上增加3臺底吹式冷卻風(fēng)機(jī)，以增強(qiáng)散熱效果，風(fēng)機(jī)采用自動(dòng)控制方式，利用溫控器溫度信號進(jìn)行自動(dòng)投切。

圖2 2022年7月~8月該電站電抗器繞組溫度變化趨勢圖

圖3 2022年7月~8月該電站電抗器油面溫度變化趨勢圖

圖4 電抗器散熱冷卻原理圖

電抗器每相配置有8組散熱器，結(jié)合現(xiàn)場基礎(chǔ)情況，吹風(fēng)裝置布置在電抗器散熱器下方，風(fēng)機(jī)采用掛裝式安裝方式，將散熱器下方油管做為風(fēng)機(jī)的固定支點(diǎn)，利用U型管夾安裝固定支撐槽鋼，最后將吹風(fēng)裝置用螺栓連接固定在槽鋼下方。每臺電抗器布置3組風(fēng)機(jī)，三相電抗器共計(jì)裝設(shè)9臺風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量20 000 m3/h，風(fēng)壓80 Pa。

4 冷卻風(fēng)機(jī)冷卻效果計(jì)算

并聯(lián)電抗器的繞組流過電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電阻損耗，大部分的損耗以熱能的方式存在。并聯(lián)電抗器的鐵心流過主磁通時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)件流過漏磁通時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，也會(huì)以熱能的方式存在[4，5]。電阻損耗和渦流損耗構(gòu)成了并聯(lián)電抗器的熱源，這些熱量會(huì)以熱傳導(dǎo)的形式擴(kuò)散到電抗器油中，導(dǎo)致油溫升高，熱油會(huì)向上浮動(dòng)，通過油箱上部蝶閥進(jìn)入到并聯(lián)電抗器的冷卻系統(tǒng)中，待電抗器油冷卻后，冷油通過油箱下部蝶閥回到油箱中。

圖5 單臺風(fēng)機(jī)安裝示意圖

圖6 單相電抗器風(fēng)機(jī)安裝示意圖1

圖7 單相電抗器風(fēng)機(jī)安裝示意圖2

下面分析并聯(lián)電抗器溫升的理論計(jì)算。

電抗器油溫升計(jì)算公式如下：

首先，計(jì)算并聯(lián)電抗器的熱負(fù)載為

其中，k為熱負(fù)載系數(shù)；Pc為繞組損耗（kW）；PF為鐵心損耗（kW）；Syx為油箱的有效散熱面積（cm2）。

其次，計(jì)算電抗器油的平均溫升為

其中，為油平均溫升計(jì)算系數(shù)。

最后，計(jì)算電抗器頂層油溫升為

其中，km為頂層油溫升經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Δτm為校正值，可根據(jù)并聯(lián)電抗器繞組、鐵心、冷卻系統(tǒng)的尺寸計(jì)算得到。

并聯(lián)電抗器繞組溫升計(jì)算公式如下：

首先，計(jì)算繞組熱負(fù)載為

其中，PR為繞組的直流電阻損耗（kW）；Kf為繞組的附加損耗系數(shù)；αf為繞組絕緣校正系數(shù)；Sqbz為繞組的軸向散熱面積（cm2）；Sqbh為繞組的幅向散熱面積（cm2）。

其次，計(jì)算繞組銅油溫差為

其中，kqb為銅油溫差經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Δτδ為繞組絕緣校正溫差值（K）。

再次，計(jì)算繞組平均溫升為

最后，計(jì)算繞組熱點(diǎn)溫升為

其中，kw為繞組熱點(diǎn)溫升經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

該水電站高壓電抗器選用西電配套散熱器（型號PC 2900-24/520），每相共8組,自然風(fēng)冷散熱面為713.55 mm2。

Un下計(jì)算溫升的損耗計(jì)算值=117.194 kW（按照國標(biāo)規(guī)定繞組溫升為65 K,年平均溫度為20℃，即繞組溫度按85℃考慮）。油平均及油頂層溫升計(jì)算值、繞組平均溫升計(jì)算值如下：

油平均溫升θy=31.8（K）；

油頂層溫升θym=42.2（K）；

繞組平均溫升θqb=47.2（K）；

繞組熱點(diǎn)溫升θqbm=62.1（K）。

以上計(jì)算結(jié)果為1 000 m海拔下，按照國標(biāo)規(guī)定，海拔高于1 000 m時(shí)，海拔每上升400 m，溫升需修正1 K，本項(xiàng)目海拔為3 000 m，需修正（3 000-1 000）/400=5 K，即以上計(jì)算結(jié)果在3 000 m海拔下的溫升需+5 K。換算至3 000 m海拔下無風(fēng)機(jī)自然冷卻時(shí)：

油平均溫升θy=36.8（K）；

油頂層溫升θym=47.2（K）；

繞組平均溫升θqb=52.2（K）；

繞組熱點(diǎn)溫升θqbm=67.1（K）。

當(dāng)增加三組風(fēng)量20 000 m2/h的風(fēng)機(jī)時(shí)（1 000 m海拔下）：

此時(shí)，風(fēng)冷散熱面=1 230.25 mm2；

油平均溫升θy=20.6（K）；

油頂層溫升θym=28.7（K）；

繞組平均溫升θqb=35.9（K）；

繞組熱點(diǎn)溫升θqbm=48.6（K）。

當(dāng)增加三組風(fēng)量20 000 m2/h的風(fēng)機(jī)時(shí)（3 000 m海拔下）：

油頂層溫升θym=28.7+5=33.7（K）；

繞組平均溫升θqb=35.9+5=40.9（K）；

繞組熱點(diǎn)溫升θqbm=48.6+5=53.6（K）。

表3 該電站3 000 m海拔下溫升計(jì)算統(tǒng)計(jì)

5 冷卻風(fēng)機(jī)智能控制策略

智能控制策略是電抗器冷卻風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的核心。只有確定了基本的控制策略后，才能進(jìn)一步選擇和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件和軟件。油浸風(fēng)冷式電抗器油溫的控制，主要是通過對冷卻器中冷卻風(fēng)機(jī)的投切來實(shí)現(xiàn)的，所以對冷卻風(fēng)機(jī)智能投切策略的研究是本節(jié)的重點(diǎn)。

電抗器冷卻器控制系統(tǒng)控制過程簡述為：①通過溫度傳感器獲取電抗器相應(yīng)的部位的溫度，依據(jù)相應(yīng)的控制策略，將啟動(dòng)停止冷卻風(fēng)機(jī)的數(shù)量輸出為電氣控制信號輸出；②電氣控制信號控制相應(yīng)的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)或停止；③通過對冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)數(shù)量的調(diào)節(jié)，來改變電抗器的散熱量，以此實(shí)現(xiàn)對電抗器溫度的控制[5]。

根據(jù)電抗器冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特征，繪制了電抗器風(fēng)冷自動(dòng)控制框架圖如圖8所示，控制系統(tǒng)通過對電抗器油面溫度進(jìn)行監(jiān)測，采集得到電抗器頂層油溫?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行電抗器風(fēng)冷控制系統(tǒng)的投退邏輯判定。

圖8 油溫自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

冷卻系統(tǒng)投退邏輯判定如下述：油浸風(fēng)冷式電抗器，其冷卻器的控制策略控制依托于電抗器油面溫度計(jì)，簡稱油溫表，油溫表讀取電抗器的頂層油溫，當(dāng)油溫達(dá)到定值時(shí)（定值可調(diào)），觸發(fā)其表計(jì)內(nèi)對應(yīng)的微動(dòng)開關(guān)，導(dǎo)通控制系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)回路，啟動(dòng)或切除風(fēng)機(jī)。

該水電站高壓并聯(lián)電抗器冷卻風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)是一種非線性控制系統(tǒng)，結(jié)合用兩個(gè)繼電器的觸點(diǎn)組成“不啟動(dòng)風(fēng)機(jī)”、“啟動(dòng)全部風(fēng)機(jī)”兩種輸出狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)方法為：當(dāng)頂層油溫低于設(shè)定值50℃時(shí)，油溫表內(nèi)置的微動(dòng)開關(guān)不動(dòng)作，相關(guān)回路都不導(dǎo)通，上、下限繼電器保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入“不啟動(dòng)風(fēng)機(jī)”，此時(shí)所有散熱風(fēng)機(jī)組均不啟動(dòng)；當(dāng)頂層油溫到設(shè)定值65℃時(shí)，油溫表內(nèi)置的微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，繼電器吸合，接通散熱器的電源，系統(tǒng)進(jìn)入“啟動(dòng)全部風(fēng)機(jī)”狀態(tài)。這種控制方式根據(jù)設(shè)定的頂層油溫值，利用繼電器的邏輯控制對風(fēng)機(jī)進(jìn)行整組投切，在達(dá)到散熱目的的同時(shí)也降低了硬件成本。

其控制邏輯如圖9所示。

圖9 冷卻風(fēng)機(jī)智能邏輯控制圖

6 戶外電抗器增設(shè)風(fēng)機(jī)改造施工及效果

該水電站運(yùn)維人員與2023年1月對電抗器進(jìn)行加裝風(fēng)機(jī)施工改造，現(xiàn)場共裝設(shè)9臺冷卻風(fēng)機(jī)及1臺風(fēng)機(jī)控制柜，可以通過自動(dòng)控制或手動(dòng)控制模式實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)啟停。冷卻器風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制策略如下。

（1）當(dāng)電抗器處于正常運(yùn)行狀態(tài)，且電抗器頂層油溫小于50℃，不投入風(fēng)機(jī)。

（2）當(dāng)電抗器頂層油溫高于65℃時(shí)，啟動(dòng)所有風(fēng)機(jī)進(jìn)行快速降溫。

改造效果如圖10所示。

該水電站對電抗器進(jìn)行加裝風(fēng)機(jī)施工改造后，降溫效果明顯，2023年7月~8月間電抗器繞組溫度最高87℃，油面溫度最高65℃。改造后2023年7月~8月電抗器繞組溫度及油面溫度變化趨勢圖如下圖所示，較去年同期（見圖11、圖12）溫度下降約10 K，與溫升計(jì)算結(jié)果基本一致。此次改造工程進(jìn)一步提升了該水電站高壓電抗器應(yīng)對極端高溫天氣的能力及運(yùn)行可靠性。

圖11 2023年7月~8月該電站電抗器繞組溫度變化趨勢圖

圖12 2023年7月~8月該電站電抗器油面溫度變化趨勢圖

7 結(jié)論

該水電站運(yùn)維人員針對極端高溫環(huán)境下高壓并聯(lián)電抗器運(yùn)行過程中產(chǎn)生顯著溫升效應(yīng)的隱患，設(shè)計(jì)改造了電抗器由片式散熱器油浸自冷系統(tǒng)改為片式散熱器油浸風(fēng)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對加裝冷卻風(fēng)機(jī)后的冷卻效率進(jìn)行了詳細(xì)、準(zhǔn)確的計(jì)算。根據(jù)長期的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，將冷卻系統(tǒng)現(xiàn)場改造可能遇到的工藝難題，逐一做出了技術(shù)解決方案。改造后的電抗器冷卻系統(tǒng)不僅使電抗器運(yùn)行更加安全、可靠，還大大減少了運(yùn)維工作量，大幅節(jié)約了檢修成本。隨著國家倡導(dǎo)的節(jié)能降耗、安全平穩(wěn)的方針政策不斷深入，無人值守的智慧型水電站是水電行業(yè)發(fā)展重中之重。所以，對于該水電站戶外高壓并聯(lián)電抗器冷卻系統(tǒng)的改造是十分必要的，本文改造方案對老舊型式戶外高壓并聯(lián)電抗器冷卻系統(tǒng)的改造也具有重要的指導(dǎo)意義。