張磊 程智鵬
摘要 通過冀北地區(qū)某500千伏變電站3號主變壓器冷卻系統(tǒng)改造工程為實例,從理論分析與計算角度,闡述將以O(shè)DAF冷卻方式的變壓器改造成以O(shè)NAN/ONAF冷卻方式變壓器的理論可行性,為其現(xiàn)場施工、改造提供技術(shù)支持與技術(shù)保障,從而提高變壓器的冷卻效率、降低維護成本,并滿足變電站無人值守的要求。
【關(guān)鍵詞】變壓器 冷卻系統(tǒng) 改造 理論計算
電力變壓器是電網(wǎng)運行的主設(shè)備,電力變壓器在運行過程中,內(nèi)部的線圈會產(chǎn)生很大的熱量,變壓器油通過油流循環(huán)將變壓器內(nèi)部的熱量,由冷卻器散發(fā)到空氣中。強油循環(huán)風(fēng)冷( ODAF)冷卻方式需要潛油泵與風(fēng)扇電機長期工作,運行維護角度來看,工作量較大,無法滿足變電站無人值守的要求。設(shè)備安全穩(wěn)定運行角度來看,潛存負(fù)壓區(qū)的潛油泵的長期運行易導(dǎo)致產(chǎn)生金屬粉末并引發(fā)油流帶電的風(fēng)險;風(fēng)扇電機的長期運行對風(fēng)冷系統(tǒng)電源可靠性要求很高,風(fēng)冷系統(tǒng)電源一旦發(fā)生故障,致使風(fēng)冷電機全停,進(jìn)而引發(fā)主變壓器跳閘的惡性事故。
1 電力變壓器冷卻方式
1.1 電力變壓器冷卻系統(tǒng)模型
油浸式變壓器內(nèi)部的冷卻介質(zhì)為礦物油,外部冷卻介質(zhì)為空氣或者是水。油浸式變壓器外部冷卻介質(zhì)為空氣時的冷卻方式如表1所示。同時,表1中也指出了變壓器的繞組中冷卻介質(zhì)(變壓器油)的流動狀態(tài)與外部空氣循環(huán)方式。
其中,強迫油循環(huán)導(dǎo)向風(fēng)冷( ODAF)型變壓器實際運行存在以下缺陷:
(1)風(fēng)冷卻器自冷容量小,輔機的電源必須保證不間斷供電,一旦失去輔機電源,變壓器將發(fā)生風(fēng)冷全停跳閘事故;
(2)散熱管型式大多為鋼.鋁復(fù)合扎翅管,層間間隙中因雨水長期侵蝕而生銹且易積塵、積雜,使傳熱的熱阻增加而漸漸降低冷卻容量;
(3)潛油泵運行時產(chǎn)生負(fù)壓,潛油泵部位易發(fā)生滲漏油現(xiàn)象,負(fù)壓會吸入空氣,影響絕緣,進(jìn)而引起擊穿事故。
1.2 電力變壓器冷卻系統(tǒng)改造的確定
以冀北地區(qū)某500千伏變電站3號主變壓器為例,該變壓器型號:ODFPS2-250000/500,冷去口方式為ODAF。
通過表1可以看出,ODAF冷卻方式要優(yōu)于OFAF冷卻方式,但由于強油冷卻方式下,均無法解決潛油泵、風(fēng)冷系統(tǒng)全停引發(fā)的各類問題,因此,只考慮將冷卻方式改造為ONAN或ONAF冷卻方式。ONAN和ONAF冷卻方式下,變壓器油均為自然流動方式,其油流流速相比改造前使用的ODAF冷卻方式明顯降低,為確保變壓器冷卻效率不會降低,需要增大散熱器的散熱面積。在ONAN冷卻方式下,散熱器外部的空氣介質(zhì)為自然對流方式,而ONAF冷卻方式下,散熱器外部的空氣介質(zhì)為強對流方式,能夠獲得較ONAN更好的散熱效果。
通過以上分析,ONAN和ONAF冷卻方式各有優(yōu)勢,ONAN冷卻方式下沒有輔機損耗,能夠有效提高變壓器冷卻系統(tǒng)的節(jié)能降耗水平,ONAF冷卻方式下具有比較良好的冷卻效果,綜上所示,冷卻系統(tǒng)改造可以采用ONAN和ONAF相結(jié)合的冷卻方式通過設(shè)定恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)機啟停溫度值或啟停負(fù)載率,實現(xiàn)不同運行工況下冷卻方式的自動調(diào)節(jié)。
2 冷卻系統(tǒng)改造的理論分析計算
為滿足主變安全運行,改造后片散應(yīng)能夠及時將變壓器繞組的溫升通過變壓器油傳遞到外部空間,因此需要選取具有足夠散熱面積的散熱器,同時散熱器的數(shù)量還需滿足現(xiàn)場空間布局和安全距離的要求。此外,還應(yīng)盡可能提高散熱器的安裝高度,使散熱器散熱中心與變壓器繞組發(fā)熱中心之間的高度差盡可能大。
改造前變壓器出廠時的油面溫升理論計算值如表2所示,為了提高散熱效率,本次改造按照ONAN/ONAF冷卻方式下,油面溫升較ODAF冷卻方式下降低10K為目標(biāo)值進(jìn)行理論計算。
2.1 發(fā)熱中心/散熱中心比及散熱片高度的確定
變壓器本體高度數(shù)據(jù)如圖1所示,根據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)信息可知,其發(fā)熱中心的高度為:
Hf= (3750+350) /2-100=1950mm
結(jié)合主變壓器檢修便攜性的工作需要,如在散熱器底部進(jìn)行風(fēng)扇更換等其他檢修。根據(jù)運行經(jīng)驗,散熱器底部距離地面高度最小為1500mm,因此,散熱器散熱中心的高度為:
Hs= (3750+350+400-1500)/2+1500=3000mm
因此,可得發(fā)熱中心/散熱器散熱中心比為:
Hf/Hs=1950/3000=0.65
同時,通過以上分析,可初步確定散熱片片散的高度為:
H=3750+350+400-1500=3000mm
2.2 油面溫升及有效散熱面積的理論計算
(1)線圈表面單位熱負(fù)荷。
按照ONAN/ONAF冷卻方式下,選取最優(yōu)油平均溫升與修正值交點,并綜上理論計算公式,可得到表3所示的計算結(jié)果。
由表3可以得出:ONAN/ONAF冷卻方式油面溫升為27.3K,油面溫升較ODAF冷卻方式下降低:38.8-27.3=11.5K,達(dá)到理論預(yù)計值10K要求。
2.3 冷卻系統(tǒng)散熱器參數(shù)的分析與計算
根據(jù)《變壓器用片式散熱器》(JB/T5347-1999),片式散熱器有效散熱面積的計算公式如下:
冷卻方式為ONAN時:
綜合考慮現(xiàn)場空間布局及國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量較為優(yōu)良的成熟散熱器產(chǎn)品,若以PC3000-34/460型散熱器為例。
PC3000-34/460型散熱器的參數(shù)如下:片高3000mm,片寬460mm,片間距40mm,單片厚度11mm,其中油道9mm,每組散熱器34片。
根據(jù)以上各參數(shù)進(jìn)行計算,散熱器片散數(shù)達(dá)到22片時,可得到下表所示的計算結(jié)果。在ONAN冷卻方式下,其有效散熱面積為936.2m2滿足有效散熱面積不小于905.01m2的要求;在ONAF冷卻方式下,其有效散熱面積為1103.9m2滿足有效散熱面積不小于1052.6m2的要求。見表4。
為了最大限度發(fā)揮ONAF冷卻方式下的冷卻效果,風(fēng)扇布置方式采用上吹式,根據(jù)散熱器尺寸大小,在每兩組散熱器下部安裝一臺風(fēng)扇,共安裝11組風(fēng)扇。
2.4 變壓器油流流速的分析與計算
為防止變壓器油流流速過快導(dǎo)致油流帶電現(xiàn)象,以下對按照上述改造方式的油流流速進(jìn)行校核。
根據(jù)變壓器改造后的各項參數(shù),將表5所示的數(shù)據(jù)輸入變壓器油流流速分析軟件。得到如表6所示的變壓器油流流速分析結(jié)果。
從計算結(jié)果可見,改造后,變壓器水平最大油流流速為7.472cm/s,垂直最大油流流速為62.040cm/s,水平、垂直最大油流流速均未超過50cm/s和75 cm/s的油流流速經(jīng)驗值,不會引起油流帶電的問題。
根據(jù)流體動力學(xué)原理,圓管中液體的流動狀態(tài)與液體的流速v、管路的內(nèi)徑d以及油液的運動黏度v有關(guān),液體流動狀態(tài)的則是這三個參數(shù)所組成的一個無量綱的雷諾數(shù)Re,即Re=vd/v,在變壓器油流流速計算過程中,根據(jù)經(jīng)驗值,只要雷諾數(shù)不超過2320,就不會發(fā)生油流帶電現(xiàn)象,從表6的計算結(jié)果可知,線圈的最大雷諾數(shù)為1482,遠(yuǎn)低于上限值2320,綜上,從油流流速和雷諾數(shù)兩個參量進(jìn)行考慮,改造后的變壓器油流油速均滿足要求,不會發(fā)生油流帶電現(xiàn)象。
3 結(jié)論
綜合上述分析,冀北地區(qū)某500kV 3號主變壓器冷卻系統(tǒng)由強迫油循環(huán)風(fēng)冷( ODAF)改造為油浸自冷(ONAN)與油浸風(fēng)冷(ONAF)相結(jié)合的方式,理論分析與計算角度可以在保證油流油速安全的前提下,增強冷卻效果,降低油面溫升,并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)值,提高主變壓器運行可靠性。與此同時,驗證了強油風(fēng)冷改造的技術(shù)理論可能性,為現(xiàn)場進(jìn)行冷卻系統(tǒng)改造提供了技術(shù)支持與技術(shù)保障。
參考文獻(xiàn)
[1]王世閣,王延峰,姜學(xué)忠,變壓器冷卻系統(tǒng)故障分析與改進(jìn)措施[J],變壓器,2007 (02):58-63
[2]姜益民,馬駿.變壓器的全壽命周期成本分析[J].變壓器,2006 (12): 30-35.
[3]余尤號,陳寶志.大型電力變壓器的噪聲分析與控制[J],變壓器.2007 (06): 23-26.
[4]覃廣意,大唐巖灘水力發(fā)電有限公司500kV超高壓變壓器冷卻系統(tǒng)改造[J],企業(yè)科技與發(fā)展,2009 (02): 56-59.
[5]袁道君.大容量油浸自冷變壓器冷卻系統(tǒng)設(shè)計存在的問題及優(yōu)化方案[J].變壓器.2005 (02):25-28.
[6]李英,王壽民,張愛軍.強油導(dǎo)向變壓器的流體的傳熱分析[J].變壓器,2004 (02):6 -12.