變壓器冷卻器控制策略改進(jìn)探析

武威 方純蓓 楊東方 范浩然 郭志召

摘 要：分析了溫度對(duì)變壓器油紙絕緣以及油流帶電的影響，闡述了控制油溫對(duì)確保變壓器使用壽命和運(yùn)行可靠性的積極意義。結(jié)合長期運(yùn)行維護(hù)的實(shí)際情況，指出了傳統(tǒng)變壓器冷卻器控制策略的弊端，并對(duì)其提出了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，為今后進(jìn)行變壓器冷卻器控制策略的改變提供理論依據(jù)和具體思路。

關(guān)鍵詞：變壓器；溫度；冷卻器；控制策略

電力變壓器是電力系統(tǒng)不可或缺的關(guān)鍵性設(shè)備，直接關(guān)系著電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和電網(wǎng)供電的可靠性。變壓器繞組的溫度會(huì)隨著電力負(fù)載的增大而顯著提高，從而傳導(dǎo)到變壓器油，對(duì)電力變壓器的油紙絕緣等特性帶來深刻影響，危害電力變壓器的設(shè)備安全，縮減其使用壽命。變壓器冷卻器是有效改善變壓器內(nèi)部環(huán)境溫度的重要裝置，對(duì)變壓器冷卻器控制策略的相關(guān)研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 溫度對(duì)變壓器的影響

溫度可以深刻影響變壓器油紙絕緣老化的熱老化進(jìn)程，并與變壓器油流帶電現(xiàn)象的產(chǎn)生存在一定關(guān)聯(lián)性，影響變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.1 溫度對(duì)變壓器油紙絕緣的影響

熱老化、電老化、環(huán)境老化和機(jī)械老化等共同構(gòu)成了變壓器的油紙絕緣老化進(jìn)程，而對(duì)變壓器油紙絕緣老化起決定性作用的是熱老化[ 1 ]。文獻(xiàn)[ 2 ]指出影響變壓器絕緣老化的因素主要有：溫度、電場、水分、氧氣、酸以及光、機(jī)械應(yīng)力、微生物等，溫度通過作用于熱老化的化學(xué)反應(yīng)速率影響油紙絕緣熱老化的進(jìn)程。一般熱老化的化學(xué)反應(yīng)速率越高，由熱老化決定的絕緣壽命越低。相關(guān)研究表明，針對(duì)各種類型的絕緣，溫度每升高8～12℃將會(huì)導(dǎo)致絕緣壽命縮短一半[ 3 ]。

另外，溫度的升高會(huì)影響變壓器油的氧化速率，導(dǎo)致變壓器油PH值減小，沉淀物增多，危害變壓器的正常運(yùn)行[ 4 ]。有研究表明，溫度升高還可能導(dǎo)致變壓器油和絕緣紙板的電導(dǎo)電流增加[ 5 ]，降低其介電特性和絕緣水平。

1.2 溫度對(duì)油流帶電的影響

對(duì)于采用強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻方式的電力變壓器，絕緣油既作為絕緣介質(zhì)，又充當(dāng)冷卻介質(zhì)，其循環(huán)流動(dòng)過程中會(huì)造成油紙絕緣表面電荷分離、積聚的現(xiàn)象，即為油流帶電[ 6 ]。

油流帶電不僅會(huì)對(duì)變壓器油道的絕緣性能造成損害，還會(huì)導(dǎo)致存在于變壓器油中的游離電荷的泄放能力降低[ 7 ]，對(duì)變壓器安全、穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，危害供電系統(tǒng)供電的可靠性。

相關(guān)研究表明，變壓器油溫是影響變壓器油流帶電的主要因素之一，適當(dāng)控制變壓器油溫是抑制油流帶電的重要措施[ 8-9 ]。

由此可見，改善變壓器內(nèi)部環(huán)境溫度變化情況，對(duì)變壓器運(yùn)行安全所具有的積極意義。本文闡述了傳統(tǒng)的強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷變壓器的基本控制方法，提出了其缺點(diǎn)并對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，以期使其控制策略更為合理。

2 傳統(tǒng)變壓器冷卻器控制策略

現(xiàn)在運(yùn)行的變壓器冷卻器的基本控制策略如下：

根據(jù)設(shè)備使用方實(shí)際情況，設(shè)置一定數(shù)量的冷卻器充當(dāng)工作組、輔助組和備用組，工作組冷卻器長期處于運(yùn)行狀態(tài)，輔助組冷卻器在變壓器油溫或者變壓器負(fù)荷電流達(dá)到某個(gè)限度值時(shí)啟動(dòng)。當(dāng)溫度或負(fù)荷電流降回到相應(yīng)數(shù)值時(shí)，冷卻器工作一段時(shí)間后停止工作，輔助組也可以酌情劃分為第一輔助組、第二輔助組等。備用組是為了防止某個(gè)控制模塊或者冷卻器出現(xiàn)故障時(shí)，影響變壓器的冷卻而設(shè)置的。

為實(shí)現(xiàn)上述控制邏輯，設(shè)備制造商通常只考慮各變壓器冷卻器的均衡工作，即每隔一定的時(shí)間間隔對(duì)各冷卻器的工作時(shí)間按工作時(shí)間由少到多的順序進(jìn)行排序，按照順序分別安排下一周期的工作組、輔助組和備用組。

這種控制策略確實(shí)可以保證設(shè)備的均衡利用，延長冷卻器的使用壽命。但同時(shí)也存在較多不足：

2.1 環(huán)境溫度權(quán)衡不足

在我國的大部分區(qū)域，四季變換帶來的環(huán)境溫差很大，尤其是寒冷的冬季，環(huán)境溫度本身對(duì)變壓器降溫具有較好的作用。而驅(qū)動(dòng)冷卻器工作的核心參考是變壓器油面溫度和環(huán)境溫度的相對(duì)值，傳統(tǒng)的控制策略不能根據(jù)季節(jié)的變化做出一定的調(diào)整，造成大量的能源浪費(fèi)。

2.2 降溫欠均衡

傳統(tǒng)的變壓器冷卻器控制策略由于各種原因往往不能保證降溫的均衡性，往往出現(xiàn)變壓器一邊運(yùn)行冷卻器組數(shù)小于另一邊的情形。這對(duì)變壓器油的使用壽命是不利的。

2.3 油泵和風(fēng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)無極調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)變壓器冷卻器的基本控制邏輯只涉及風(fēng)機(jī)和油泵的起停，對(duì)于其轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)幾乎沒有考慮，導(dǎo)致冷卻器運(yùn)行、退出過程階梯性強(qiáng)，油流擾動(dòng)大，調(diào)節(jié)性能差。

3 變壓器冷卻器控制策略改進(jìn)探討

針對(duì)傳統(tǒng)變壓器冷卻器控制過程中環(huán)境溫度權(quán)衡不足以及降溫欠均衡的缺點(diǎn)，對(duì)其冷卻器控制策略做出相應(yīng)改進(jìn)，如下：

1）根據(jù)外界環(huán)境溫度的差異將冷卻器工作模式分為3種：春秋季模式、夏季模式和冬季模式。并對(duì)不同工作模式下的相應(yīng)溫度控制策略做出調(diào)整，工作模式的具體劃分情況見表1。

2）增加變壓器降溫均衡控制邏輯，確保變壓器兩側(cè)運(yùn)行冷卻器數(shù)目相同，使變壓器內(nèi)部溫度降溫更加均衡。同時(shí)對(duì)每臺(tái)風(fēng)扇和油泵實(shí)施獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，改變冷卻器成組運(yùn)行的做法，使控制精度提高。控制方法更趨靈活，并節(jié)約電能，延緩變壓器油更換時(shí)間。

3）對(duì)冷卻器的風(fēng)機(jī)和油泵實(shí)施變頻調(diào)速，利用變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)和油泵輸出的線性調(diào)節(jié)，從而使風(fēng)機(jī)和油泵實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，減小對(duì)變壓器內(nèi)部油流擾動(dòng)的影響。

改進(jìn)的變壓器冷卻器控制策略實(shí)施過程如圖1所示。

4 結(jié)論

合理控制變壓器油溫，可以更好地保護(hù)變壓器油紙絕緣特性及其電導(dǎo)特性，延緩變壓器油更換頻率，對(duì)維護(hù)變壓器正常的使用壽命具有極大的積極意義。傳統(tǒng)變壓器冷卻器的控制策略具有諸多的缺點(diǎn)，通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)可以提高其冷卻性能，并節(jié)約能源。但改進(jìn)的方法還有待進(jìn)一步實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廖瑞金，楊麗君，鄭含博，汪可，馬志欽.電力變壓器油紙絕緣熱老化研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（5）：1-12.

[2] 馮運(yùn).電力變壓器油紙絕緣老化特性及機(jī)理研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

[3] 楊麗君.變壓器油紙絕緣老化特征量與壽命評(píng)估方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[4] 陳星宇.高溫運(yùn)行對(duì)變壓器油穩(wěn)定性的影響[J].變壓器，2014，51（4）：74-77.

[5] 周遠(yuǎn)翔，沙彥超，陳維江，盧理成，聶德鑫，伍志榮，鄧建鋼.變壓器油與絕緣紙板電導(dǎo)特性研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（9）：2527-2533.

[6] 張燕秉，鄭勁，聶定珍.大型換流變壓器油流帶電問題的分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（23）：6-10.

[7] 李川，張賢明，顧宏，徐君，余成洲.變壓器油流帶電現(xiàn)象及其影響因素分析[J].變壓器，2008，45（2）：29-32.

[8] 王菊芬，孟浩龍.變壓器油流帶電現(xiàn)象[J].高電壓技術(shù)，2008，34（5）：878-882.

[9] 李忠全，許鵬.1000kV特高壓變壓器油流帶電分析及抑制對(duì)策[J].高電壓技術(shù)，2010，36（4）：907-911.

作者簡介：武威（1988-），男，工程師，大客戶經(jīng)理班班長，主要從事高壓業(yè)擴(kuò)報(bào)裝、用電業(yè)務(wù)變更、用戶變電站用電檢查等工作。