某500 kV大型變壓器冷卻器改造的計算與分析

毛業(yè)棟，張春輝，徐 鉻，韓 越

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

由于損耗的存在，變壓器在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量。這些熱量需要通過冷卻器釋放帶走，從而確保變壓器在允許溫升內(nèi)長期安全穩(wěn)定的運行。在變壓器運行過程中，由于冷卻器全停導(dǎo)致變壓器異常溫升進(jìn)而引發(fā)發(fā)變組停運或變壓器燒毀時有發(fā)生。當(dāng)前，油浸式變壓器冷卻方式較多，但大多數(shù)500 kV升壓變壓器采用強迫(導(dǎo)向)油循環(huán)風(fēng)冷或強迫(導(dǎo)向)油循環(huán)水冷的冷卻方式[1-5]。由于冷卻方式的不同，發(fā)電廠需采購不同型號的變壓器備用，以期提高設(shè)備的可靠性。但此種方式會導(dǎo)致設(shè)備和運維成本等增加，并非最優(yōu)選擇。本文通過理論計算與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方式，研究并驗證了大型變壓器強迫油循環(huán)水冷改風(fēng)冷的可行性，在不額外增加變壓器的情況下實現(xiàn)變壓器全廠備用能力，提高了設(shè)備可靠性。

1 備用變溫升校核

某水電站安裝有SSP-840 MVA/500 kV型號變壓器和SFP-840000/550型號變壓器。變壓器額定容量840 MVA，額定電壓500/20 kV，高壓側(cè)采用油/SF6套管與GIS相連接，低壓側(cè)采用干式套管與離相封閉母線相連。兩種變壓器冷卻方式分別為強迫油循環(huán)水冷(簡稱水冷)和強迫油循環(huán)風(fēng)冷(簡稱風(fēng)冷)。電站備用變壓器(簡稱備用變)采用強迫油循環(huán)水冷卻方式，為了確保備用變可在風(fēng)冷變壓器故障后對其進(jìn)行替換，需要研究備用變水冷改風(fēng)冷的可行性。

1.1 參數(shù)計算與環(huán)境數(shù)據(jù)選擇

備用變空載損耗(即鐵芯損耗)為206.8 kW，負(fù)載損耗為1 440 kW?，F(xiàn)有風(fēng)冷變壓器安裝有型號為YF2-400的風(fēng)冷卻器7臺，單臺風(fēng)冷卻器額定容量400 kW，實際計算中額定容量按360 kW考慮，額定油流量120 m3/h。變壓器運行環(huán)境溫度按年平均20℃、月平均30℃、最高40℃考慮。

1.2 冷卻器數(shù)量核算

風(fēng)冷卻器的選擇與變壓器損耗成正比，冷卻器容量設(shè)計裕度按1.1倍考慮。最小的冷卻器數(shù)量需求為

式中：N為冷卻器臺數(shù)；∑P為變壓器總損耗，計算時總損耗取空載損耗和負(fù)載損耗之和，kW；Sn為設(shè)計的單臺風(fēng)冷卻器額定出力，取360 kW。因此，6臺風(fēng)冷卻器可滿足變壓器冷卻需求，另設(shè)1臺冷卻器備用。

1.3 備用變油溫升核算

1)備用變油頂層溫升。

備用變頂層油溫升與備用變總損耗和冷卻器總?cè)萘康年P(guān)系為

式中：θd為備用變油頂層溫升，K；θ0為冷卻器進(jìn)口油溫升，計算時取變壓器廠家規(guī)定的變壓器油頂層溫升限值40 K；N為冷卻器投入運行臺數(shù)，考慮1臺冷卻器備用，故N取6。

計算得到備用變油頂層溫升為θd=30.8 K。

2)備用變油平均溫升及備用變底部溫升。

備用變底部和頂層油溫差為

式中Q為冷卻器額定油流量， L/min。

備用變油平均溫升為

θp=θd-0.5×θτ=28.7 K

線圈底部油溫升為

θu=θd-θτ=26.5 K

1.4 備用變銅油溫差與溫升核算

銅油溫差指變壓器繞組溫度與變壓器油溫之間的溫度差。它與繞組電流密度、導(dǎo)線尺寸、絕緣覆蓋范圍和絕緣厚度、繞組油流速度等相關(guān)[6-8]。銅油溫差通常采用油流分布計算軟件計算。本臺備用變銅油溫差最大值θc=20.3 K。

因此，備用變繞組的平均溫升為

θw=θp+θc=49 K

同樣，使用油流分布計算軟件得到備用變繞組的最熱點銅油溫差Δq=40.2 K。因此，備用變繞組最熱點溫升為

qmax=θd+Δq=71 K

1.5 性能對比

經(jīng)核算，備用變由水冷改風(fēng)冷后，變壓器油溫升、繞組平均溫升和最熱點溫升均比水冷方式高5～10 K，但仍處于GB 1094.2的要求范圍內(nèi)[9]，核算數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 備用變溫升核算值對比 K

2 備用變冷卻系統(tǒng)管路壓力損失核算

2.1 管路結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

備用變冷卻方式改風(fēng)冷后，冷卻器進(jìn)出油管路需從新設(shè)計，因此需核算變壓器冷卻系統(tǒng)油管路壓力損失。根據(jù)資料，風(fēng)冷卻器油泵額定揚程為5 m(H2O)，額定油流量時冷卻器油路阻力為23 kPa(60℃)，冷卻器進(jìn)、出油管匯流管直徑為200 mm，支管直徑為150 mm。

2.2 管路壓力計算方法

直管路的管路沿程壓力損失ΔP(Pa)的計算公式為

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，油流為層流時，λ=64/Re，油流為湍流時，可根據(jù)莫迪圖確定[10]；l為管道長度；u為油平均流速，m/s；ρ為油液密度，kg/m3。

管路閥門、彎管和分支的壓力損失ΔP′(Pa)計算公式為

式中：ξ為局部阻力系數(shù)，ξ的選擇或計算與管路的變化關(guān)系分為以下幾種情況。

1)管路截面突變。管路突擴：根據(jù)包達(dá)公式推理，管路直徑由D1突擴為D2時，局部阻力系數(shù)為

ξ=(1-D1/D2)2

管路突縮：管路直徑由D1突縮為D2時，局部阻力系數(shù)為

ξ=0.5(1-D2/D1)

2)彎管的局部阻力系數(shù)經(jīng)驗公式為

式中：r表示彎管半徑；R表示彎管中心線彎曲半徑；θ表示彎管彎曲角度。

3)閥門的局部阻力系數(shù)需要根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)和規(guī)格并查閱相關(guān)資料[11]。

2.3 冷卻系統(tǒng)壓力損失核算

備用變冷卻系統(tǒng)管路總的壓力損失為

∑Pl=ΔP+ΔP＇=95.18 mbar=0.97 m(H2O)

冷卻器內(nèi)部壓力損失為

Pc=23 kPa=2.25 m(H2O)

冷卻器裝置及管路的總壓力損失為

∑P=∑Pl+Pc=3.22 m(H2O)

由于沒有變壓器本體壓力損失資料，設(shè)計人員根據(jù)變壓器冷卻回路的設(shè)計經(jīng)驗判斷冷卻器油泵配合冷卻管路可以滿足變壓器的冷卻要求，不會引起油流靜電及油泵超揚程過負(fù)載運轉(zhuǎn)產(chǎn)氣問題。

3 變壓器試運行

3.1 溫升情況監(jiān)測

為了驗證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，電廠于2018年11月使用備用變壓器替換運行的風(fēng)冷變壓器，冷卻器使用原變壓器的7臺YF2-400型風(fēng)冷卻器。同年12月21日變壓器投運，投運后測量變壓器實際溫升并與核算值對比如表2所示，變壓器實測溫升穩(wěn)定且均未超過溫升計算值。

表2 變壓器溫升對比

備用變油投運后1年內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)表明，備用變油溫升基本保持穩(wěn)定。與同期環(huán)境溫度數(shù)據(jù)比較，備用變油頂層油溫升25～30 K，繞組溫升45～50 K，與溫升核算值保持一致。

與同型號水冷變壓器同期運行數(shù)據(jù)對比，備用變由水冷改風(fēng)冷后其油溫和繞組溫度比水冷變壓器溫度高出10～15 K，較理論計算值偏大0～5 K，仍處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍以內(nèi)。與風(fēng)冷變壓器同期運行數(shù)據(jù)對比，備用變油溫和繞組溫度比風(fēng)冷變壓器溫度高3～5 K，溫度變化趨勢基本保持一致。以上數(shù)據(jù)表明備用變由水冷改風(fēng)冷的溫升核算基本準(zhǔn)確，驗證了備用變冷卻方式改為風(fēng)冷后能夠長期穩(wěn)定可靠的運行。

3.2 油氣含量與鐵芯夾件電流監(jiān)測

備用變鐵芯夾件電流數(shù)據(jù)無異常并保持穩(wěn)定，與其它水冷變壓器鐵芯夾件電流數(shù)據(jù)監(jiān)測見表3。

表3 變壓器鐵芯夾件電流

在2018年12月22日至2019年4月26日共4個月時間內(nèi)，變壓器油中氣體含量變化趨勢如圖1所示，油中氣體增長以二氧化碳為主，變壓器油中氫氣、乙炔及總烴含量均無明顯上升趨勢。各項數(shù)據(jù)表明備用變整體運行穩(wěn)定，冷卻系統(tǒng)并未引起油流靜電及油泵產(chǎn)氣等問題，總體與核算結(jié)果一致。

圖1 油氣含量趨勢圖

4 結(jié) 語

備用變壓器冷卻方式改風(fēng)冷后，維護人員對該變壓器的運行狀態(tài)進(jìn)行了長期的跟蹤，重點關(guān)注了變壓器的油氣發(fā)展、鐵芯及夾件電流、運行溫度、振動、聲音等的變化情況,與其它水冷、風(fēng)冷變壓器對比顯示變壓器各項指標(biāo)正常。

理論核算和現(xiàn)場試運行表明備用變由水冷改風(fēng)冷后油和繞組溫升較水冷方式有所上升，但仍然滿足廠家設(shè)計文件和國標(biāo)要求，說明變壓器水冷改風(fēng)冷是可行的。

通過核算和試運行發(fā)現(xiàn)冷卻器油管路的壓力損失不會導(dǎo)致油流靜電或油泵超揚程過負(fù)載運轉(zhuǎn)產(chǎn)氣，說明本臺備用變油管路設(shè)計是合理的。

通過本次備用變冷卻方式改造，表明備用變冷卻方式改為風(fēng)冷后能夠長期穩(wěn)定可靠的運行，確保了備用變壓器的全廠備用能力。