一種特高壓換流變壓器現(xiàn)場(chǎng)加熱措施

劉光輝 李金忠 劉 銳 張書(shū)琦 湯 浩

1.國(guó)家電網(wǎng)公司 北京 100031；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院 北京 100192

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國(guó)電力工業(yè)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢(shì)，近幾年發(fā)展更加迅猛，電力需求和電源建設(shè)空間巨大，電網(wǎng)面臨持續(xù)增加輸送能力的艱巨任務(wù)。我國(guó)能源資源和生產(chǎn)力發(fā)展呈逆向分布，西部地區(qū)資源豐富，東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，西部能源基地與東部負(fù)荷中心距離在800～3000公里左右，使遠(yuǎn)距離、大容量特高壓直流輸電成為我國(guó)未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

換流變壓器作為直流輸電系統(tǒng)中最為重要的設(shè)備之一，其絕緣設(shè)計(jì)與交流電力變壓器絕緣設(shè)計(jì)有著最顯著的不同。在交流下電場(chǎng)按介電常數(shù)分配，而直流下則按電阻率分配，前者只是倍數(shù)差別，而后者則是數(shù)量級(jí)差別。在直流電壓下的電場(chǎng)分布由材料的電阻率決定，且隨溫度變化呈指數(shù)變化，同時(shí)水分對(duì)紙的電阻率影響很大。

換流變壓器現(xiàn)場(chǎng)安裝的過(guò)程中，防止變壓器受潮成了非常重要的一環(huán)。隨著容量的增大，現(xiàn)在的大型電力變壓器的體積及重量越來(lái)越大，這將帶來(lái)運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)安裝的困難。安裝時(shí)間越長(zhǎng)，變壓器器身暴露于空氣中的時(shí)間越長(zhǎng)，也就更加容易受潮。目前，我國(guó)的大型換流變壓器現(xiàn)場(chǎng)安裝依然采用傳統(tǒng)方法，對(duì)于容量的改變，只是增加熱油循環(huán)時(shí)間、抽真空時(shí)間及靜放時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)處理時(shí)間長(zhǎng)且效率低下。而且在環(huán)境溫度很低的情況下，受到濾油機(jī)加熱能力的限制，熱油循環(huán)中變壓器油只能加熱到較低溫度。在這種情況下，即使延長(zhǎng)熱油循環(huán)時(shí)間，也難以達(dá)到良好的干燥效果。

本文對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的干燥工藝進(jìn)行了改進(jìn)和革新，通過(guò)分析推出了短路法加熱措施和加熱裝置，從工程實(shí)施角度總結(jié)了短路法的優(yōu)勢(shì)。

1 短路法的基本原理和加熱裝置

1）基本原理 將變壓器一側(cè)繞組（通常是閥側(cè)繞組）短路，從另一側(cè)繞組（通常是網(wǎng)側(cè)繞組）施加交流電壓，使繞組內(nèi)流過(guò)電流（應(yīng)控制不超過(guò)額定電流），使其內(nèi)部繞組發(fā)熱，從內(nèi)部將器身絕緣均勻加熱到指定溫度，再經(jīng)過(guò)抽真空和熱油循環(huán)處理，帶出絕緣內(nèi)的潮氣，從而達(dá)到干燥的效果。這樣將大大提高加熱效率，縮短加熱時(shí)間。同時(shí)，由于這種加熱方式是繞組從器身內(nèi)部發(fā)熱，器身絕緣的干燥效果要大大優(yōu)于普通的熱油循環(huán)方法。

2）加熱裝置 由于短路法加熱時(shí)電壓、電流高、容量需求大，不能直接使用換流站內(nèi)現(xiàn)有的電源，因此，研制了短路法加熱裝置，用于特高壓換流變壓器現(xiàn)場(chǎng)加熱。

短路法加熱裝置設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮以下問(wèn)題：

（1）短路法加熱時(shí)，要求加熱功率可調(diào)，而加熱功率的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變網(wǎng)側(cè)繞組施加電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，短路法加熱裝置中應(yīng)配備調(diào)壓器。

（2）短路法加熱時(shí)需施加的電壓較高（達(dá)到幾十千伏），而換流站內(nèi)最容易獲得的是10kV電源，因此，短路法加熱裝置中應(yīng)配備中間變壓器以升高電壓。

（3）短路法加熱時(shí)，換流變壓器除消耗有功功率外，還會(huì)消耗大量的無(wú)功功率（變壓器自身容量的10%以上），而換流站站內(nèi)電源無(wú)法提供這么大的容量，因此，短路法需配備補(bǔ)償電容器以補(bǔ)償換流變壓器消耗的無(wú)功功率。

依據(jù)以上原則，制定的總體實(shí)施方案如下：換流變壓器閥側(cè)繞組短路，從網(wǎng)側(cè)施加交流電壓。短路法加熱裝置由調(diào)壓器、中間變壓器、補(bǔ)償電容器組以及相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)和控制保護(hù)系統(tǒng)的短路法加熱裝置組成。

2 加熱能力分析

加熱裝置在加熱時(shí)，同時(shí)發(fā)生著兩個(gè)過(guò)程：加熱裝置對(duì)變壓器油加熱和變壓器油通過(guò)油箱壁和冷卻器向空氣傳熱。

下面以±800kV特高壓直流工程為例進(jìn)行分析，特高壓直流工程中所用的各級(jí)換流變壓器的負(fù)載損耗均在600kW以上，閥側(cè)繞組加額定電流時(shí)，其負(fù)載損耗即是內(nèi)部加熱的功率。分析時(shí)按內(nèi)部加熱功率為600kW考慮。

變壓器油向空氣的傳熱過(guò)程包括串聯(lián)著的三個(gè)環(huán)節(jié)：（1）從熱油到油箱壁高溫側(cè)（內(nèi)側(cè)）的熱量傳遞；（2）從油箱壁（冷卻器）高溫側(cè)（內(nèi)側(cè)）到油箱壁低溫側(cè)（外側(cè)）的熱量傳遞，亦即穿過(guò)固體壁的導(dǎo)熱；（3）從油箱壁低溫側(cè)（外側(cè)）到空氣的熱量傳遞。按照穩(wěn)態(tài)過(guò)程分析，則通過(guò)串聯(lián)著的每個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量Q應(yīng)該是相同的。設(shè)油箱壁（冷卻器）的表面積為F，參照下圖中的符號(hào)，可以分別寫(xiě)出上述三個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量表達(dá)式：

式中，α1為油的對(duì)流換熱系數(shù)，α2為空氣的對(duì)流換流系數(shù)，λ為箱壁的傳熱系數(shù)，δ為箱壁厚度。

圖1 傳熱過(guò)程示意圖

將以上三式改寫(xiě)為溫壓的形式：

三式相加，整理后得到：

設(shè)t油隨時(shí)間的變化關(guān)系為t油＝f（t），則有：

式中，P內(nèi)部加熱功率，C油為變壓器油比熱容，m油為油箱內(nèi)變壓器油的總重量。

即：

解微分方程得到：

特高壓直流工程中，各級(jí)換流變壓器油箱內(nèi)變壓器油總量約為100噸。變壓器油比熱容與煤油比熱容接近，為2.1kJ/kg·℃。根據(jù)油箱壁和冷卻器散熱面積、一般現(xiàn)場(chǎng)的氣候狀況，F(xiàn)α2為4 kW/℃~6kW/℃之間。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，閥側(cè)短路，對(duì)網(wǎng)側(cè)繞組施加額定電流，可將油紙絕緣加熱至70℃，可以在不損害器身絕緣和變壓器油的情況下，達(dá)到很好的干燥效果。因此，此處主要分析將油溫加熱至70℃所需時(shí)間。

（1）分析環(huán)境溫度為0℃，將變壓器油從0℃加熱至70℃所需時(shí)間

t空氣=0，P=600kW，C油=2.1kJ/kg·℃，m油=100t，取Fα2=4 kW/℃，根據(jù)初始條件：

可求得：k=-150

根據(jù)終了條件：

可求得：t=9.2 h

即取Fα2=4kW/℃時(shí)，將油溫從0℃加熱至70℃需要9.2小時(shí)。

（2）分析用濾油機(jī)進(jìn)行熱油循環(huán)的加熱能力

目前使用的濾油機(jī)中，最大加熱功率為270kW。為防止損壞油質(zhì)，需控制濾油機(jī)出口溫度，同時(shí)，油在外部管路中循環(huán)時(shí)存在散熱損耗，實(shí)際的濾油機(jī)加熱加熱功率約為180kW。

使用濾油機(jī)進(jìn)行熱油循環(huán)時(shí)，不開(kāi)啟油泵。此時(shí)的散熱面積僅為油箱壁表面。根據(jù)油箱壁的表面積以及一般換流站內(nèi)的氣候條件，約為3kW/℃。分析環(huán)境溫度為0℃的情況。

根據(jù)初始條件：

可求出：k=-60

很明顯，當(dāng)油溫達(dá)到60℃時(shí)，散熱功率等于加熱功率，油溫不會(huì)繼續(xù)上升。

分析濾油機(jī)將油溫加熱至55℃所需時(shí)間:

根據(jù)終了條件：

可求出：t=48h

油溫升高到55℃以后，繼續(xù)向上升溫的難度極高。

根據(jù)終了條件：

可以求出：將油溫加熱至57℃所需時(shí)間t=58h。

可見(jiàn)，使用濾油機(jī)進(jìn)行熱油循環(huán)時(shí)，僅將油溫從55℃升至57℃就需要10小時(shí)，而且隨著溫度的升高，溫度升高的速度會(huì)越來(lái)越慢。

對(duì)比短路法加熱裝置與濾油機(jī)的加熱能力。短路法加熱裝置將油溫從0℃加熱至70℃僅需要9~10小時(shí)。濾油機(jī)經(jīng)過(guò)48小時(shí)也只能將油溫從0℃升至55℃，而且繼續(xù)往上升溫的速度會(huì)越來(lái)越慢，升溫的極限是60℃。很明顯，短路法加熱裝置的加熱能力要大大優(yōu)于濾油機(jī)。

3 實(shí)際加熱能力分析

為驗(yàn)證短路法現(xiàn)場(chǎng)加熱能力，選擇了奉賢換流站極2低端Y-Y接線A相換流變壓器 （出廠編號(hào)：09B12016）作為被試品，加熱裝置與變壓器連接見(jiàn)圖2。

圖2 加熱裝置與變壓器連接示意圖

按照以上公式估算將變壓器內(nèi)的油從0℃加熱到70℃所需時(shí)間約為9~12小時(shí)。實(shí)際測(cè)試為將變壓器油從0℃加熱至70℃所需的時(shí)間約為12小時(shí)，與估算出的結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

文章分析比較了短路法加熱與濾油機(jī)的加熱兩種現(xiàn)場(chǎng)干燥技術(shù)，主要結(jié)論如下：

（1）短路法加熱是適用于特高壓換流換流變現(xiàn)場(chǎng)加熱干燥處理的方法。

（2）短路法加熱革新了特高壓換流變壓器現(xiàn)場(chǎng)干燥處理只有熱油循環(huán)處理唯一方法的狀況，增加了現(xiàn)場(chǎng)絕緣處理的有效手段。

（3）應(yīng)用短路法進(jìn)行干燥處理的效果顯著，對(duì)于保障特高壓換流變壓器的絕緣性能以及投運(yùn)后的安全運(yùn)行具有重要意義。

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