修山水電站1#主變溫升過高原因分析及解決措施

謝中慶，張樹良，龔 濱

(廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

1 概述

修山水電站是廣東水電二局股份有限公司自主投資建設(shè)、運(yùn)營管理的第一個(gè)水電站，電站位于桃江縣境內(nèi)資水干流下游，是資水干流倒數(shù)第二級(jí)，屬低水頭河床式電站。電站安裝5臺(tái)13 MW燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。電氣接線方式采用擴(kuò)大單元接線，經(jīng)1#主變、2#主變升壓后由110 kV修肖線、修觀線并入湖南電網(wǎng)(如圖1所示)。其中1#主變型號(hào)SF9-31500/110，為油浸自油風(fēng)冷型變壓器，共安裝8個(gè)散熱器，每個(gè)散熱器均配套安裝1臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，功率為1.1 kW。變壓器在運(yùn)行過程中的頂層油溫不允許超過95℃，為了防止變壓器油質(zhì)[1]劣化過速，正常運(yùn)行時(shí)頂層油溫不宜超過85℃。修山水電站1#主變冷卻采用自然油循環(huán)風(fēng)冷方式，其優(yōu)點(diǎn)是沒有潛油泵、運(yùn)行維護(hù)工作量較小，與電站少維護(hù)的理念較一致。不足之處是大容量變壓器需要安裝散熱器組多、散熱效率不高、溫升比強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻方式高；同時(shí)其占地面積大、冷卻系統(tǒng)設(shè)備費(fèi)用高，散熱器組多、滲漏點(diǎn)多，如果出現(xiàn)漏油更換較為困難。

圖1 主變接線示意

近年來，修山水電站1#主變在夏季高負(fù)荷[2]運(yùn)行時(shí)油面溫度常在75℃以上運(yùn)行，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，主變油溫較往年有所升高，如 2017年7月相比2015年7月油溫升高了約5℃。由繞組溫度與油面溫度關(guān)系式及實(shí)際運(yùn)行可知：此時(shí)繞組溫度可達(dá)85℃～90℃。根據(jù)電力變壓器六度原則，即當(dāng)變壓器繞組溫度在80℃～130℃范圍運(yùn)行時(shí)內(nèi)，溫度每升高6℃，其絕緣壽命降低1/2。變壓器油面溫度如果長期處于75℃以上高溫運(yùn)行，將加速變壓器內(nèi)部繞組絕緣老化或故障，縮短變壓器的使用壽命，威脅變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，在夏季豐水期機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，當(dāng)主變壓器油面溫度超過75℃，需調(diào)整機(jī)組出力或轉(zhuǎn)移負(fù)荷以達(dá)到降低變壓器運(yùn)行溫度，從而影響電站發(fā)電效益及主變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 1#主變溫升過高原因分析

修山水電站自2006年8月投產(chǎn)以來，主變壓器運(yùn)行管理嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)程規(guī)范，排除主變檢修維護(hù)不到位、油樣化驗(yàn)不合格、散熱風(fēng)扇未維護(hù)保養(yǎng)等情況。通過分析得知，引起變壓器溫度升高的原因主要為以下幾方面。

2.1 機(jī)組出力增大

近年來隨著修山水電站下游尾水河道的疏通，使得下游水流更通暢，尾水雍高現(xiàn)象得以解除，從而使機(jī)組運(yùn)行水頭得到了一定的提升。通過對比往年下游水位數(shù)據(jù)，平均水頭提高了約1 m，從而使機(jī)組出力明顯提高。由于機(jī)組運(yùn)行方式優(yōu)化[3]，在夏季豐水期高溫季節(jié)機(jī)組出力增大、由于主變負(fù)荷增大，從而主變在運(yùn)行時(shí)油面溫度也隨之升高。機(jī)組出力與主變油面溫度關(guān)系如圖2所示。

圖2 機(jī)組出力與主變油面溫度關(guān)系示意

2.2 冷卻風(fēng)機(jī)啟停設(shè)置不合理

現(xiàn)場對1#主變冷卻系統(tǒng)PLC聯(lián)機(jī)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)PLC啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)程序?yàn)楫?dāng)主變油面溫度上升至70℃時(shí)，啟動(dòng)單數(shù)臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)(4臺(tái))；當(dāng)溫度上升至75℃時(shí)，啟動(dòng)全部冷卻風(fēng)機(jī)(8臺(tái))，當(dāng)溫度降至55℃時(shí)，全部冷卻風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。由于豐水期機(jī)組出力提高，隨之主變負(fù)荷較以往增加，變壓器的溫度上升速度和上升幅度明顯增加，冷卻風(fēng)機(jī)啟停方式如果仍按此方式運(yùn)行較為不合理。

2.3 環(huán)境因素

因投產(chǎn)時(shí)間較早，修山水電站為戶外式升壓站，1#主變安裝于戶外升壓站內(nèi)。修山水電站升壓站依電站防洪擋墻和廠房而建，地勢低洼三面環(huán)墻，且因變壓器頂部無遮陽和升壓站三面環(huán)墻通風(fēng)[4]環(huán)境空氣不暢。夏季酷熱受陽光暴曬時(shí)環(huán)境溫度和變壓器溫度上升較快，加上變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)各部分損耗[5]發(fā)熱，變壓器散熱效率大大降低，造成變壓器運(yùn)行時(shí)溫升過高[6]。

3 解決主變溫升過高措施

降低1#主變壓器在高溫酷暑和高負(fù)荷運(yùn)行條件下的油面溫度，關(guān)鍵在于改善變壓器所處場地的環(huán)境溫度和提高冷卻器運(yùn)行效率。因修山水電站為戶外式升壓站，所有設(shè)備均設(shè)置于露天環(huán)境中，設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮在2臺(tái)主變上方布置陽光遮擋建筑物。由于變壓器高壓側(cè)三相出線瓷柱直接牽引至龍門架上，無法直接在變壓器上方增設(shè)遮擋措施，改造難度、投入成本和停電成本太大。因此，不考慮通過遮擋陽光防止變壓器暴曬的措施降溫，主要考慮通過提高冷卻效果達(dá)到降低變壓器油面溫度目的。

3.1 調(diào)整冷卻風(fēng)機(jī)控制模式

根據(jù)目前1#主變冷卻器分組投入運(yùn)行情況，完全可以將變壓器冷卻風(fēng)機(jī)分組啟動(dòng)更改為全部啟動(dòng)控制，避免變壓器溫度高而只有一組冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行情況。調(diào)整冷卻風(fēng)機(jī)啟停參數(shù)，調(diào)低冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)參數(shù)溫度，調(diào)低冷卻風(fēng)機(jī)停止參數(shù)溫度值。從而達(dá)到延緩變壓器運(yùn)行時(shí)油面溫度升高情況。具體解決方法如下：

1)在1#主變冷卻風(fēng)機(jī)控制屏處，將1#主變油面溫度WP-80數(shù)顯控制儀內(nèi)部參數(shù)第一象限AL1參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)參數(shù)值由75℃調(diào)整為65℃，停止冷卻風(fēng)機(jī)第二象限值A(chǔ)L2參數(shù)值由55℃調(diào)整為50℃。

2)用調(diào)試電腦與冷卻器監(jiān)控[7]控制屏內(nèi)PLC程序[8]連接，打開冷卻風(fēng)機(jī)控制程序段(如圖3所示)，將冷卻風(fēng)機(jī)啟停及分組啟動(dòng)程序段分別進(jìn)行修改(如圖4所示)。當(dāng)1#主變油面溫度達(dá)到65℃時(shí)，啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)命令到達(dá)PLC內(nèi)，一次性全部啟動(dòng)8臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)停止風(fēng)機(jī)命令到達(dá)PLC時(shí)，8臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)全部停止運(yùn)行。

圖3 修改前PLC風(fēng)機(jī)輪換控制程序段示意

圖4 修改后PLC風(fēng)機(jī)輪換控制程序段示意

3)冷卻風(fēng)機(jī)啟停參數(shù)設(shè)定和PLC程序[9]修改完畢進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)給定設(shè)定65℃溫度值時(shí)PLC程序執(zhí)行8臺(tái)風(fēng)機(jī)全部啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)給定設(shè)定50℃溫度值時(shí)，PLC程序執(zhí)行風(fēng)機(jī)全部停止。

4)在隨后的1#主變運(yùn)行過程中觀察，檢查當(dāng)1#主變油面溫度達(dá)到啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)設(shè)定值65℃時(shí)，8臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)均能同時(shí)啟動(dòng)，且運(yùn)轉(zhuǎn)正常；當(dāng)溫度達(dá)到停止冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行設(shè)定值50℃，冷卻風(fēng)機(jī)同時(shí)停止運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

3.2 散熱器上方安裝噴淋裝置

通過分析研究，雖然冷卻風(fēng)機(jī)全部運(yùn)行，但不能完全達(dá)到降低主變運(yùn)行溫度的預(yù)期效果，具有一定的局限性，采取行之有效的方式(如用潔凈的常溫水)降低散熱片溫度可達(dá)到理想的降溫效果。因此，為達(dá)到有效降低1#主變運(yùn)行時(shí)的溫度，考慮在冷卻裝置[10]的散熱器上方安裝噴淋裝置(如圖5所示)，噴淋水源源不斷沿散熱片上端往下流經(jīng)散熱片壁，并最終自然流到變壓器下方鋪有鵝卵石柵格網(wǎng)的集油池內(nèi)，通過噴淋冷卻水對散熱器進(jìn)行輔助降溫，從而達(dá)到降低主變油溫的目的，具體解決方法和措施如下：

圖5 主變散熱器安裝噴淋頭示意

1)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選用Φ32的PPR熱熔水管采用暗埋的布置方式，將廠區(qū)生活用潔凈水連接至1#主變處，在1#主變8個(gè)散熱器上方加裝淋水噴頭，每個(gè)散熱器對應(yīng)布置一個(gè)淋水噴頭，將淋水噴頭可靠固定在散熱器的正上方(如圖6所示)，淋水噴頭安裝時(shí)與扇熱器間距20 cm，盡量使噴灑水流覆蓋整個(gè)散熱器，又不造成水流的浪費(fèi)。

圖6 主變散熱器上方安裝噴淋頭示意

2)在供水管道中安裝功率為5 W，型號(hào)為CWX-15N微型電動(dòng)閥門(如圖7所示)，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)控制電動(dòng)閥門開啟、關(guān)閉，同時(shí)為了方便檢修和調(diào)節(jié)噴水流量，在電動(dòng)閥門水源側(cè)加裝一個(gè)手動(dòng)截止閥，在實(shí)施過程中兩者配合使用。噴淋水控制箱有2種控制方式，切“自動(dòng)”方式可以自動(dòng)控制淋水噴頭的啟停；切“手動(dòng)”方式運(yùn)行時(shí)，可以由人工進(jìn)行控制。

圖7 噴淋電動(dòng)閥示意

3)噴淋控制箱電源取自1#主變冷卻風(fēng)機(jī)控制屏內(nèi)AC220電源，啟動(dòng)噴水控制節(jié)點(diǎn)取自1#主變冷卻風(fēng)機(jī)控制屏內(nèi)主變油面溫度WP-80數(shù)顯控制儀第三象限參數(shù)AL3，設(shè)定參數(shù)值為70℃。在變壓器運(yùn)行過程中，當(dāng)起動(dòng)全部冷卻風(fēng)機(jī)無法達(dá)到降低和控制主變油面溫度上升時(shí)，當(dāng)主變油面溫度達(dá)到70℃時(shí)，電動(dòng)閥自動(dòng)開啟，對散熱器噴淋水降溫。停止噴水控制節(jié)點(diǎn)取自1#主變冷卻風(fēng)機(jī)控制屏內(nèi)主變油面溫度WP-80數(shù)顯控制儀第四象限參數(shù)AL4，設(shè)定參數(shù)值50℃。與冷卻風(fēng)機(jī)停止參數(shù)值相同。當(dāng)主變油面溫度下降至50℃時(shí)，電動(dòng)閥關(guān)閉，從而停止對散熱器噴淋水，冷卻風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。

4)調(diào)試和驗(yàn)證檢查。將溫度模擬信號(hào)接入1#主變油面溫度WP-80數(shù)顯控制儀，慢慢調(diào)整模擬溫度上升至70℃，將噴淋水控制箱控制方式切“自動(dòng)”位置，啟動(dòng)噴水控制節(jié)點(diǎn)動(dòng)作，控制箱立即開啟電動(dòng)閥，噴頭立即自動(dòng)噴水(如圖8所示)。然后慢慢調(diào)整模擬溫度下降到50℃，停止噴水控制節(jié)點(diǎn)動(dòng)作，自動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)閥，噴頭停止噴水，冷卻風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。將噴淋水控制箱控制方式切“手動(dòng)”位置，手動(dòng)操作均能正常控制噴淋裝置噴水。

圖8 自動(dòng)噴淋裝置示意

在1#主變運(yùn)行過程中，上層油溫較高，噴淋水灑在散熱片上，當(dāng)常溫的潔凈水碰到高溫的散熱片，水汽蒸發(fā)帶走大量熱量，使散熱器內(nèi)變壓器油溫迅速降低，加快主變本體油箱與散熱器內(nèi)變壓器油循環(huán)，從而有效降低主變運(yùn)行時(shí)油面溫度。滿足1#主變在夏季酷暑條件下的滿負(fù)荷運(yùn)行。

4 散熱器噴淋冷卻水處理

散熱器噴淋水流經(jīng)散熱片后自然掉落到1#主變壓器下方鋪有鵝卵石的柵格網(wǎng)上，然后流入集油池，通過管道流入主變壓器事故油池內(nèi)(如圖9所示)。事故油池主要為主變壓器發(fā)生事故時(shí)變壓器油流入其池內(nèi)，正常運(yùn)行情況下池內(nèi)沒有油。噴淋水流入事故油池后，使用某環(huán)保公司生產(chǎn)的BYL-16XD浮油收集機(jī)(如圖10所示)進(jìn)行處理，然后再排出。

圖9 事故油池結(jié)構(gòu)原理示意

圖10 浮油收集機(jī)示意

5 效果檢查

1#變壓器冷卻方式屬于戶外油浸風(fēng)冷式，高溫季節(jié)因長時(shí)間的暴曬和高負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致1#主變運(yùn)行油面溫度高。在確定原因后，調(diào)整了冷卻風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)值及啟動(dòng)方式，再針對運(yùn)行環(huán)境惡劣的因素，在1#主變散熱器上方增加了自動(dòng)噴淋水系統(tǒng)，通過自動(dòng)控制噴淋水降低散熱器溫度，保證在酷熱天氣中1#主變在較高負(fù)荷運(yùn)行下，油面溫度不超過65℃。

經(jīng)改造后，在夏季高溫和豐水期的2018年7—9月發(fā)電運(yùn)行過程中，每月每隔1 h全程記錄1#主變油面溫度的月平均值與前3 a的主變運(yùn)行溫度記錄進(jìn)行對比(如表1、圖11所示)。

表1 1#主變油面溫度平均溫度對比 ℃

圖11 1#主變油面溫度平均溫度對比示意

從表1、圖11可知，通過調(diào)整冷卻風(fēng)機(jī)啟停方式和加裝自動(dòng)噴淋系統(tǒng)后，1#主變油面平均溫度比前3 a有大幅下降，說明所采取的改造措施得當(dāng)有效，從而徹底解決了1#主變在夏季高溫、滿負(fù)荷下的運(yùn)行油面溫度高問題。

為進(jìn)一步對比變壓器溫度降低后經(jīng)濟(jì)效益情況，統(tǒng)計(jì)了2016年、2017年、2018 3 a中7月—9月1#主變發(fā)電量(見表2)、所帶最大負(fù)荷(見表3)情況。

表2 2016—2018年1#主變發(fā)電量對比 萬kW·h

表3 2016—2018年1#主變最大負(fù)荷對比 MW

從發(fā)電量、1#主變所帶負(fù)荷對比得知，通過對1#主變壓器冷卻系統(tǒng)技術(shù)改造，無論是在發(fā)電量，還是1#主變所帶最大負(fù)荷均取得了明顯的效果。2018年7—9月發(fā)電量比上2 a，平均多增加發(fā)電量為578.5萬kW·h，最大負(fù)荷提高了2.1 MW。由此可見，通過采取措施解決1#主變溫升過高，改善了貫流式水電站運(yùn)行方式[11]且提高了發(fā)電經(jīng)濟(jì)[12]效益。

6 結(jié)語

通過對1#主變壓器溫升過高的原因分析，制定調(diào)整冷卻風(fēng)機(jī)控制方式、加裝噴淋裝置等行之有效的解決措施，降低了夏季豐水期高溫下變壓器高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)油面、繞組溫度。不但提高變壓器所帶負(fù)載能力和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)在延長變壓器使用壽命方面也取得良好效果。