強迫油循環(huán)風冷電力變壓器冷卻系統(tǒng)改造分析

云南電網(wǎng)有限責任公司昆明供電局 陳振江 何政宇 周 影 王曉夫 楊林清

前言

變壓器是電網(wǎng)供電、輸、變、配電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，其性能和質(zhì)量直接影響著電網(wǎng)的安全和運行效率。變壓器的冷卻方式直接關(guān)系到變壓器的壽命和是否能夠正常工作，所以對其進行制冷是保證變壓器安全、經(jīng)濟的關(guān)鍵。在電站或變電站多數(shù)采用強制油循環(huán)風冷式變壓器，通過多臺風機對變壓器進行冷卻，使其溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，以確保其工作狀態(tài)。但是由于變壓器長期不停運轉(zhuǎn)，導致了制冷裝置的老化，加之周圍環(huán)境的污染，導致了變壓器的制冷系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，導致了制冷系統(tǒng)不能正常工作。它會導致變壓器發(fā)熱、破壞、影響其正常工作，并對其安全運行產(chǎn)生極大的危害。

如今，隨著電網(wǎng)運行規(guī)模的不斷提高，電網(wǎng)運行的變壓器數(shù)量不斷增加，變壓器技術(shù)水平不斷提高。目前，在線變壓器測試儀比較齊全，但也有不少1980年代初和1990年代初生產(chǎn)的強制油循環(huán)風冷變壓器（SFSPZ-150000/220）。社會上的強制油循環(huán)風冷變壓器大多已經(jīng)過時了，近20年來冷凍系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)陳舊，而且實際冷凍效果低、噪音大、運行損耗大、維護復(fù)雜。

第二個缺點是這引發(fā)了對無人變電站和電網(wǎng)可靠運行的安全擔憂，問題處理不當會導致嚴重的工業(yè)設(shè)備安全生產(chǎn)事故。因此，不僅要提高此類變壓器的高冷卻效率和專業(yè)負載能力，還要解決老式強制油循環(huán)風冷變壓器制冷系統(tǒng)的上述轉(zhuǎn)換，這有利于變壓器的安全、穩(wěn)定。為了提高電力系統(tǒng)運行的可靠性和延長變壓器的使用壽命，應(yīng)該對變壓器的冷卻系統(tǒng)進行技術(shù)改造，并對變壓器油溫進行實時監(jiān)控，以期達到提高變壓器使用壽命及穩(wěn)定性的要求并降低變壓器自身能耗。

1 強迫油循環(huán)風冷變壓器冷卻系統(tǒng)運行中隱患分析

常見的變壓器有三種工作模式：第一種是油浸式制冷，不需要專門的制冷裝置，其原理是利用物理上的對流，與外部的空氣進行熱量交換，從而達到對變壓器的降溫；第二種方法是采用油浸式制冷，采用風扇制冷，這種制冷系統(tǒng)本身帶有一臺風機，通過風扇的工作來冷卻變壓器，就像在夏天用電風扇來降溫一樣；第三種方法比較特別，就是通過油液的循環(huán)來冷卻。然后重新裝進油箱，冷卻的方法和前兩種差不多。

1.1 潛油泵運行中的隱患分析

大功率油循環(huán)風冷變壓器的潛油汽油泵在變壓器油中高速運轉(zhuǎn)（1000r/min 以上）。每臺潛水泵的總油流量為40m3/h，1小時可更換特定變壓器的變壓器油。其中，由于滾動軸承損壞、電機與電機轉(zhuǎn)子之間金屬材料的摩擦沖擊、上下軸承端蓋不平衡等原因，損壞的鐵銷流入變壓器油中。一個電源變壓器和兩個變壓器減少了電磁線圈，去除電纜護套會導致匝間局部放電或短路故障，并可能損壞變壓器的主絕緣。

1.2 強迫油冷卻散熱器運行中的隱患分析

強制油循環(huán)風冷變壓器強油冷熱管散熱器采用192Q235無縫管，直徑16mm、壁厚2mm。大功率油冷式熱管散熱器的底部和中心容易積聚污垢、灰塵和水分?；覊m和水的長時間堆積會逐漸腐蝕層底，嚴重時會導致泵送熱管散熱器的底部。腐蝕和裂紋會導致變壓器漏油、電纜涂層減少和接地系統(tǒng)短路故障，嚴重威脅變壓器的可靠穩(wěn)定運行。

1.3 油流繼電器運行中的隱患分析

排水繼電器適用于檢查和標記潛水污水泵的運行，當潛水泵啟動時，油滴繼電器打開翻板并打開和關(guān)閉油滴繼電器的器具觸點。同時，將數(shù)據(jù)信號送入變壓器風冷控制箱，潛水泵的排油始終由排油繼電器的分離器完成。液壓油向變壓器的電磁線圈排放，使電磁線圈的電纜護套減少，引起局部放電或短路故障。

2 強迫油循環(huán)風冷變壓器運行維護、節(jié)能、環(huán)保效益分析

強制油循環(huán)風冷電力設(shè)備工程變壓器主要利用潛水汽油泵從變壓器頂部抽油，將變壓器油沿連接管送至熱管散熱器冷卻。變壓器設(shè)備老化變形，這是因為在此期間發(fā)生的技術(shù)流程越多，維護、持續(xù)更改和提高運營質(zhì)量所需的時間和精力就越多。因此，強制油循環(huán)風冷變壓器的日常維護工作需要做好，但如果由于電力消耗增加導致維修人員短缺，對風冷變壓器配備保護的可靠穩(wěn)定運行會帶來嚴重的安全問題。

電網(wǎng)油循環(huán)制冷環(huán)保綠色公司采用目前正在實施的“技術(shù)專家思維邏輯、精益制造方法、系統(tǒng)軟件操作”的國家節(jié)能減排的主要核心理念。電網(wǎng)可靠穩(wěn)定運行的現(xiàn)行標準要求，如果變壓器被迫在冷凍油循環(huán)中運行，則需要運行額外數(shù)量的封閉式冷卻塔。當負載超載時，需要根據(jù)負載資本投入相應(yīng)數(shù)量的封閉式冷卻塔[2]。根據(jù)《電力設(shè)備工程變壓器運行技術(shù)標準》，即使變壓器超載，如果變壓器的循環(huán)油結(jié)冰，就變成密封的冷卻塔。冷卻風扇僅在路面油溫達到55°C 時運行。

以封閉式冷卻塔為例，它有六臺典型的老式強制油循環(huán)風冷變壓器，潛水汽油泵的高效率為4kW，離心風機的輸出為1.5kW×2臺。閉路冷卻塔的總單位功率為7kW，六座閉路冷卻塔的總功率為42kW。當冷卻方式從強制油循環(huán)冷卻（ODAF）改為自然冷卻（ONAN）或風冷（ONAF）時，冷卻風扇的功耗為0.75kW×12=8.25kW，僅為19.6%。強制油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的效果完全符合日本節(jié)能減排、環(huán)保、綠色環(huán)保、環(huán)保節(jié)能的核心理念。

另外，從風冷控制箱的維護來看，功率損耗越大，對風冷控制箱的電器元件和電源線插頭的要求也越高。接觸器、小型繼電器或多功能微波保護器也可能在使用早期損壞或毀壞，從而導致頻繁的維護周期和高昂的維護成本。

3 改造方案

3.1 設(shè)計方案確定

它是根據(jù)冷卻塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計、集成變壓器的結(jié)構(gòu)特點、工廠測試數(shù)據(jù)的信息內(nèi)容、熱管散熱器、風扇，以及適當?shù)睦鋮s管的放置來保證溫度的。根據(jù)模擬計算，變壓器油永遠不會比原設(shè)計更熱，計劃是確保先進變壓器的溫升不超過50K，最終的拆除方法，是利用變壓器短軸兩側(cè)原主變壓器的輸入輸出線對原5組熱管散熱器進行更新，變壓器短軸壓縮側(cè)的工作集中在28組片式散熱器上。同時，熱管散熱器散熱芯與熱管散熱器芯的絕對高度差為1500mm，集熱器和熱管散熱器出口處的孔為波紋狀，增加變壓器油的總量。

根據(jù)數(shù)值模擬，高層供暖約43.5K，空調(diào)制冷量約34%。按照過熱度維持標準，總油流量約為39.6m3/h，總油流量約為49m3/h。冷卻塔初始體積約為860kW，是目前風冷式標準熱管散熱器約1032kW 的1.2倍。原冷卻塔總油流量約100m3/h，運行時溫差約4.6K。風冷路面總油流量約為49m3/h，運行時溫差約為26.8K?，F(xiàn)有方法散熱能力遠高于原冷卻塔，溫差大，可以充分達到流量和壓力，液壓油可以得到有效的循環(huán)系統(tǒng)軟件，可以得到設(shè)計效果增加。隨著熱管散熱器總數(shù)的增加，相應(yīng)的植物油也隨之增加，油箱柜也需要相應(yīng)的升級。在變壓器正常運行時，根據(jù)油的總輸出量和相應(yīng)的總揚程檢查油是否膨脹。

3.2 冷卻器改造后運行方式選定

在變壓器運行的整個過程中，負載的變化會改變離心風機的啟停。此次改造的解決方案是將前20臺渦輪機分成兩組，并在主要可變負載下運行兩組離心風機的所有資產(chǎn)。散熱的實際效果是為了保護，負載低，運行減少，離心風機減少，減少了離心風機的數(shù)量，降低了離心風機的功耗，離心風機的資本結(jié)構(gòu)和運行標準是在兩組高溫和一組高溫下運行。因此，根據(jù)運行溫度改變資金配置的運行規(guī)范，離心風機同時獨立運行，離心風機運行，避免所有離心風機同時投資。

表1 左右冷卻塔改造前后的技術(shù)參數(shù)

表2 設(shè)置方法

3.3 故障保護信號設(shè)置

所有制冷機組均連接兩個獨立的AC380V 開關(guān)電源。一種是工作開關(guān)電源，另一種是備用電源。如果開關(guān)電源在運行過程中出現(xiàn)問題，系統(tǒng)會自動給嵌入式開關(guān)電源。如果使用的是開關(guān)電源，則內(nèi)置開關(guān)電源在運行過程中會自動關(guān)閉；所有風機電機均配備負載、短路故障、缺相運行維護，確保每臺電機安全運行。

不僅可在現(xiàn)場的變壓器風控箱內(nèi)觀察到，而且在主控室的計算機監(jiān)控系統(tǒng)中也能體現(xiàn)出來，及時通知控制負責人。常見的一般故障數(shù)據(jù)信號電源電路和運行數(shù)據(jù)信號電源電路分為以下幾類：當溫度和負載達到目標值時，即K03和K04閉合時，開關(guān)電源I 組和II 組消失或所有離心風機的機械輸出延遲。K20延時報警0～99分鐘（系統(tǒng)恢復(fù)到60分鐘）；如果在運行過程中備用電源出現(xiàn)問題，將發(fā)送一般問題數(shù)據(jù)信號；如果某組離心風機的配電線路出現(xiàn)問題，會發(fā)出一般問題數(shù)據(jù)信號；如果第一組和第二組離心風機運行，每組數(shù)據(jù)信號將分別傳輸。

4 改造效果分析

冷卻效果分析。變壓器冷卻方式轉(zhuǎn)換后，如果運行溫度相同且接近負載標準，變壓器正常運行時的低位油溫將比轉(zhuǎn)換前低9℃左右，油溫比改造前低10℃。顯然，變壓器冷卻系統(tǒng)改造后，實際冷卻效果會明顯提高。

冷卻系統(tǒng)運行損耗分析。改造變壓器冷卻系統(tǒng)后，對潛水泵進行了小型化，采用了優(yōu)質(zhì)冷卻風扇，重新設(shè)計了風扇控制電路。變壓器和熱保護系統(tǒng)比主體小66.7%。這大大提高并減少了風扇的日常正常運行時間。按全文1.2項的方法（離心風機：11臺、功率0.75kW），改造后變壓器冷卻系統(tǒng)的年運行損耗為0.75×11×200×24×0.5=19800元，這類似于風冷強制油循環(huán)系統(tǒng)。相比之下，變壓器冷卻系統(tǒng)年運行成本超過159012元，年成本可節(jié)省約14萬元。

運行噪音分析。變壓器冷卻系統(tǒng)改造后，減少了潛水排污泵，更換了低噪音冷卻風扇。這樣的低噪音設(shè)計方案能夠更好地展現(xiàn)電網(wǎng)公司的個性，有效保護運營商和鄰居的身心健康。

冷卻系統(tǒng)的運行維護分析。變壓器冷卻系統(tǒng)改造后，拆除并更換了冷卻系統(tǒng)的熱管冷卻、風扇、控制回路等，使變壓器系統(tǒng)軟件更加智能化。新的冷卻系統(tǒng)取消了潛水汽油泵、全自動排油自動繼電器和油蒸餾裝置，減少了冷卻系統(tǒng)的凸起表面，從而將滲水和其他冷卻系統(tǒng)問題的可能性降至最低，保持在限制范圍內(nèi)。制冷設(shè)計的停電控制示意圖降低了變壓器意外停電的風險，并影響了該州網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)無人變電站。

變壓器的過負荷能力和運行壽命分析。網(wǎng)絡(luò)上變壓器繞組的網(wǎng)絡(luò)熱點溫度應(yīng)低于額定電壓6℃，這減少了對額定電流壽命的損害，并使變壓器電纜護套的壽命加倍。升級前后的實時熱點溫升越高，變壓器冷卻系統(tǒng)升級后的實時熱點溫升越高，變壓器繞組的平均溫升越低。

5 結(jié)語

強制油循環(huán)系統(tǒng)風冷變壓器附件的整體運行過程存在變壓器使用壽命、配電設(shè)備質(zhì)量、變壓器穩(wěn)定性三大安全問題。冷修后，拆下更換低噪音冷卻風扇，停止?jié)撍盼郾?，這不僅對實際操作和維護有用，而且還可以減少噪音和平均沖擊造成的損壞。

現(xiàn)階段，中國變壓器制造商和國外公司采用的冷卻方式是風冷或溫度保護。因此，有必要對老變壓器強油循環(huán)系統(tǒng)的風冷系統(tǒng)軟件進行更新，以確保整個變壓器和電網(wǎng)的安全可靠，以及社會經(jīng)濟的發(fā)展。