油田10 kV采油井配電變壓器節(jié)能降耗技術(shù)研究與應用

應俊　阮萬江　周潔?。ù髴c油田電力集團電力工程技術(shù)服務公司）

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油田10 kV采油井配電變壓器節(jié)能降耗技術(shù)研究與應用

應俊阮萬江周潔（大慶油田電力集團電力工程技術(shù)服務公司）

目前，大慶油田有1.5萬臺在用的10 kV高耗能變壓器，如果直接更換為新型節(jié)能變壓器，投資太大，最好的方法就是對高耗能變壓器進行改造。通過對10 kV油浸配電變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能指標及數(shù)據(jù)進行分析，提出了節(jié)能技術(shù)改造方案。通過降耗改造的結(jié)果表明，每年不但可節(jié)約672萬元的電費，而且能大幅度提高配電變性能指標和運行可靠性，減少了諧波含量，提升了油田電網(wǎng)的供電質(zhì)量，改造后的變壓器降耗達20%。

配電變壓器；節(jié)能改造；降耗

目前，大慶油田電網(wǎng)中仍在運行的采油井用高耗能S7型10 kV配電變壓器約1.5萬臺，占10 kV配電變壓器總數(shù)的37.5%，能源浪費嚴重。如果將S7型10 kV變壓器全部更換為新型節(jié)能變壓器，一方面資金投入過大，導致成本的提高；另一方面更換下來的S7型變壓器只能成為閑置資產(chǎn)，造成資源浪費。對S7型變壓器進行優(yōu)化改造成為S11型節(jié)能變壓器。改造成本投入低，運行成本為原來的80%。

雖然國內(nèi)有S7型、SL1型、SL7型等電力變壓器的改造經(jīng)驗（應用10 kV厚紙筒、大油隙主絕緣結(jié)構(gòu)技術(shù)），但是在這種技術(shù)理論下，油田的S7型變壓器性能指標僅可以達到S9型的標準。

1　節(jié)能改造措施

采油井用配電變壓器油箱內(nèi)可用空間小，因此在技術(shù)上必須更新絕緣結(jié)構(gòu)，并結(jié)合應用新型材料最大限度地提高有限空間的占用比，在保留鐵芯結(jié)構(gòu)不變的情況下，為匝數(shù)增加和導線截面積加大提供有效空間，從而實現(xiàn)S7型改造為S11型的改造目標。

1.1設(shè)計方案

采用同容量改造方案，即變壓器原有鐵芯、油箱等部分利舊，應用薄紙筒小油隙小體積分割理論及新型材料，重新設(shè)計、制做高低壓線圈和絕緣部分；改進線圈繞制方法，最大限度地提高有限空間的占用比，總體性能水平與新品相同。根據(jù)公式［1］可知，變壓器的主要性能指標與線圈匝數(shù)、線圈高度、主絕緣距離等變量相關(guān)，然而這些變量的作用結(jié)果往往是相互制約的。因此，設(shè)計中必須合理地協(xié)調(diào)各變量，才能保證技術(shù)指標，使設(shè)計方案達到最優(yōu)化。

1.2技術(shù)指標

遵照國家標準GB/T 6451—2015《三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》和行業(yè)標準JB/T 3837—2010《變壓器類產(chǎn)品型號編制方法》執(zhí)行技術(shù)指標（表1、表2）。

表1　三相油浸式電力變壓器性能水平代號的確定

表2　S7、S11型三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求

1.3絕緣結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的厚紙筒大油隙主絕緣結(jié)構(gòu)（圖1）是采用油和厚紙筒構(gòu)成油屏障絕緣，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計考慮的是在工頻與沖擊試驗電壓作用下即使油間隙全部放電擊穿，絕緣筒也能承受全部試驗電壓而不致?lián)舸?，待試驗電壓去除后，油間隙又可恢復絕緣作用［2］。

薄紙筒小油隙主絕緣結(jié)構(gòu)（圖2）是根據(jù)變壓器油擊穿體積理論，在均勻電場和不均勻電場中，變壓器油的耐壓強度隨著油間隙體積的減少而提高，油隙分割越小，其絕緣強度越高。即當油隙的距離一定時，隨著隔板數(shù)目的增多及油間隙的減少，油的耐壓強度提高。薄紙筒小油隙結(jié)構(gòu)所采用的紙筒或紙板厚度小于4 mm，油道寬度小于15 mm。

圖1　傳統(tǒng)型主絕緣結(jié)構(gòu)　

圖2　新型主絕緣結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中，常采用瓦楞紙來將繞組間的主油道分割成若干個油間隙，研究中主油道絕緣采用絕緣紙板和撐條構(gòu)成的簾式油道代替瓦楞油道，避免了傳統(tǒng)使用瓦楞紙板易變形、易產(chǎn)生位移等弱點，使其與線圈結(jié)合牢固，并具有更優(yōu)良的機械、電氣性能。

層間采用了菱格上膠絕緣紙新型絕緣材料，它通過干燥過程使繞組相鄰各層可靠的黏合成一個固定單元，防止各層的位移，從而保證了絕緣結(jié)構(gòu)長期的電氣和力學性能，同時保證了油的浸入和絕緣材料中氣體的排除，有效地避免了電暈和局放。另一方面，在端部絕緣結(jié)構(gòu)上采用增加軟角環(huán)工藝措施，降低主絕緣尺寸，有效防止端部的沿面放電提高端部油隙的擊穿場強。

角環(huán)有2種結(jié)構(gòu)型式，其一為“軟角環(huán)”；其二為成型絕緣角環(huán)。角環(huán)主要具有2個特點［2］：延長端部絕緣的沿面放電距離，以有效防止端部的沿面放電；分割端部的油隙，利用油擊穿的體積效應來提高端部油隙的擊穿場強。軟角環(huán)是由互相垂直的2部分所構(gòu)成的絕緣件。

通過以上方法提高了鐵芯窗口的填充系數(shù)，大大降低了原材料消耗和變壓器自身損耗，也節(jié)約了變壓器的制造成本和運行成本，對變壓器的技術(shù)經(jīng)濟指標具有重要意義。

1.4繞制技術(shù)和制造工藝

1）線圈的繞制。在保證產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，由原來的分繞改為高低壓線圈統(tǒng)繞［3］，增強了繞組的機械強度和穩(wěn)定性能；原變壓器聯(lián)結(jié)組由星接設(shè)計改為角接設(shè)計，當采用角接方式，電壓中不含三次諧波分量，電壓更平衡。

2）對高壓線圈分接檔位出線方式進行改進。將傳統(tǒng)的五尾頭［4-5］出線改為四尾頭出線，減少了焊點，提高了工作效率，節(jié)省了材料成本，增加了產(chǎn)品的經(jīng)濟性。

3）改進線軸軸杠及放線架，增加拉緊裝置。此拉緊裝置可以通過調(diào)節(jié)彈簧螺栓控制拉緊力大小，可保證繞線機在繞制線圈時，使銅線排列緊湊，防止線圈脹包，保證了線圈的外徑尺寸，節(jié)省銅線使用量，更好地提高了空間利用率，使經(jīng)濟效果達到最佳。

2　應用情況

目前，電器設(shè)備修造廠已完成了大慶油田采油廠1885臺高耗能配電變壓器的節(jié)能降耗工作，產(chǎn)品已全部投入運行，改造中采用行業(yè)先進、成熟的技術(shù)及組件產(chǎn)品進行改造和裝配，技術(shù)上滿足用戶要求，質(zhì)量符合國家和行業(yè)有關(guān)現(xiàn)行標準。

經(jīng)過中國石油天然氣集團公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評價中心能效監(jiān)測站對產(chǎn)品的審定，改造后變壓器各項指標完全符合S11系列標準要求，改造前后變壓器平均有功功率損耗下降率為21%，達到了降耗的目的。

3　效益分析

電價以0.571 7元/kWh計算，變壓器全年空載8760 h，等效滿載（負載系數(shù)為0.65）5694 h，運行1年的電費為

Cy=［8760×（P0+0.1×I0%×SN/100）+5694×（Pk

+0.1×Uk%×SN/100）］×0.5717

式中:Cy——變壓器運行1年耗電費用，元；

P0——空載損耗，kW；

Pk——負載損耗，kW；

SN——額定容量，kVA；

Uk%——短路阻抗百分數(shù)；

I0%——空載電流百分數(shù)。

S7型變壓器改造成S11型變壓器后運行節(jié)電分析見表3，一次性投入成本見表4。

表3　S7型改造成S11型產(chǎn)品運行節(jié)電分析

表4　S7型改造成S11型產(chǎn)品一次性投入成本單位：元

由表3、表4可知，改造后運行成本降低20%左右，改造價格比新品價格明顯降低。若1.5萬余臺變壓器平均容量按照63 kVA估算，按大慶油田現(xiàn)有節(jié)能改造進度，即使完成總量的一半，運行費將減少1137萬元/a，總體改造費用將減少1242萬元。

目前，已降耗改造變壓器1885臺，一次性投入成本節(jié)省363萬元，經(jīng)改造后的變壓器大部分已運行2～3年，每年節(jié)省運行電費309萬元，僅按投網(wǎng)運行1年計算，一次性投入成本與運行電費2項合計即可節(jié)省資金672萬元。此外，通過新型材料、組件的應用極大地改善變壓器的使用性能。包括如下方面：

1）變壓器降耗改造過程中降低鐵芯磁密，不僅減小了鐵芯損耗和空載電流，使得網(wǎng)絡的有功損耗和無功損耗降低，而且降低了變壓器的噪聲干擾，適合應用于居住區(qū)環(huán)境。

2）改造過程中不僅采用熱縮帶、菱格上膠絕緣紙等新型材料，而且采用高低壓線圈統(tǒng)繞、油隙剛性填充等工藝加強器身的結(jié)構(gòu)強度。

3）由于變壓器油箱散熱面積保持不變，器身損耗產(chǎn)熱減少，使得改造后變壓器溫升降低，熱穩(wěn)定性能增強，使用壽命與新型S11變壓器相同。

4）改造中使用新型開關(guān)使得電壓中諧波分量大大減少，電壓波形質(zhì)量更優(yōu)。

5）改造中使用新型瓷套組件，使得變壓器各相電壓標識明顯，提高了操作的安全性。

6）改造中對油箱內(nèi)外進行防腐，并采用新工藝檢漏、試漏，保證了變壓器的密封性能，使得外觀整潔美觀。

4　結(jié)論

綜合上述分析可以看出，該節(jié)能降耗改造技術(shù)，通過采用新技術(shù)、新工藝，使變壓器性能指標大幅度提高，具有優(yōu)良的節(jié)能節(jié)材性，每年還可節(jié)約672萬元的電費，實現(xiàn)了大幅度節(jié)能、減少投資、保證安全、優(yōu)質(zhì)供電的綜合目的，不僅在油田10 kV采油井配電變降耗改造設(shè)計中得到廣泛應用，還可以廣泛應用于變壓器制造、修理行業(yè)。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.022

2016-04-18

（編輯鞏亞清）

應俊，高級工程師，1991年畢業(yè)于重慶大學，從事電力變壓器設(shè)計與工藝研究等工作，E-mail：13009816897@163. com，地址：黑龍省大慶市讓胡路區(qū)方曉工業(yè)園北一路旁電力集團電器設(shè)備修造廠，163161。