極端高溫天氣對(duì)變壓器的影響與冷卻方法述評(píng)

田 越，吳欣燁，劉召杰，趙瑩瑩，司文榮

(1. 華東電力試驗(yàn)研究院有限公司，上海 200437； 2. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司,上海 200122)

變壓器是電力基礎(chǔ)設(shè)施中的關(guān)鍵設(shè)備，變壓器的安全高效運(yùn)行是保障電網(wǎng)運(yùn)行水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。變壓器運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鐵損和銅損，耗損電能的同時(shí)會(huì)釋放大量的熱能，使變壓器的溫度逐漸升高，影響變壓器的效率，同時(shí)也會(huì)損傷絕緣材料壽命，使變壓器的運(yùn)行年限大大縮短。散熱器可以將變壓器的溫升限制在合理水平，及時(shí)將變壓器產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。

近年來極端高溫天氣頻現(xiàn)，對(duì)變壓器散熱器的性能提出了更高的要求。本文從高溫天氣對(duì)變壓器散熱的影響出發(fā)，對(duì)現(xiàn)階段散熱器的研究進(jìn)展進(jìn)行概述總結(jié)，并探討新型散熱設(shè)備的研究思路。

1 高溫天氣對(duì)變壓器的影響

近年來，極端高溫天氣頻現(xiàn)，高溫強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。以上海為例，2022年上海35 ℃以上高溫日超過50天，40 ℃以上高溫日超過12天，最高溫達(dá)41 ℃，最熱月8月平均溫度達(dá)37 ℃。環(huán)境最高溫度、最熱月平均溫度等關(guān)鍵指標(biāo)均大幅超過變壓器運(yùn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

高溫天氣對(duì)變壓器在多方面產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，主要包括負(fù)載狀況、負(fù)荷能力和絕緣等。

1.1 高溫天氣對(duì)變壓器負(fù)載狀況的影響

電力負(fù)荷可分為4個(gè)部分：基本正常負(fù)荷、天氣敏感負(fù)荷、特別事件負(fù)荷和隨機(jī)分量負(fù)荷。天氣敏感負(fù)荷是受氣候變化影響而產(chǎn)生的負(fù)荷，在夏季主要是電力空調(diào)負(fù)荷，天氣敏感負(fù)荷在電力負(fù)荷中占的比重遠(yuǎn)大于特別事件負(fù)荷和隨機(jī)負(fù)荷的總和。文獻(xiàn)[1]研究了天氣敏感負(fù)荷與溫度之間的關(guān)系，通過擬合和實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣溫>35 ℃，空調(diào)負(fù)荷將接近飽和，其占總負(fù)荷的比重將高達(dá)40%以上。

高溫天氣時(shí)，天氣敏感負(fù)荷中的空調(diào)用電量迅猛增加，快速拉升變壓器負(fù)載率，變壓器重載、過載情況頻發(fā)，變壓器過熱損壞風(fēng)險(xiǎn)加大。在變壓器過載危害方面，文獻(xiàn)[2]分析了油浸式電力變壓器過載所造成的長(zhǎng)期危險(xiǎn)性和短期危險(xiǎn)性；文獻(xiàn)[3]提出了變壓器過載運(yùn)行造成的經(jīng)濟(jì)損失及其計(jì)算方法，主要包括過載運(yùn)行導(dǎo)致的絕緣壽命損失和變壓器故障損失。

1.2 高溫天氣對(duì)變壓器負(fù)荷能力的影響

變壓器負(fù)荷能力是指一定時(shí)間內(nèi)變壓器所能輸出的實(shí)際容量，是評(píng)估電網(wǎng)安全裕度和運(yùn)行能力的重要指標(biāo)。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為環(huán)境溫度、負(fù)載曲線的填充系數(shù)及最大負(fù)荷持續(xù)時(shí)間是影響變壓器負(fù)荷能力的主要因素。

文獻(xiàn)[5]提出正常周期性負(fù)荷下變壓器所能承擔(dān)最大平均負(fù)荷率(即一個(gè)周期內(nèi)平均負(fù)荷率)的評(píng)估模型，在環(huán)境溫度分別為 10，20，30，40 ℃及平均單位日照輻射功率為225 W·m-2條件下對(duì)變壓器正常周期性負(fù)荷能力進(jìn)行評(píng)估，研究發(fā)現(xiàn)變壓器長(zhǎng)期急救負(fù)荷能力隨環(huán)境溫度的升高而下降，變壓器相對(duì)壽命損失值隨環(huán)境溫度的升高呈指數(shù)性增長(zhǎng)，短期急救負(fù)荷能力會(huì)隨著環(huán)境溫度的降低而提高。高溫天氣中，變壓器環(huán)境溫度持續(xù)高企，使變壓器的負(fù)荷能力受到嚴(yán)重限制。

1.3 高溫天氣對(duì)變壓器絕緣的影響

變壓器絕緣主要包括變壓器油絕緣和固體絕緣，其中固體絕緣的老化是不可逆的，直接影響變壓器壽命。變壓器油絕緣雖可通過換油保持絕緣水平，但絕緣油的老化對(duì)變壓器運(yùn)行亦會(huì)產(chǎn)生重大安全風(fēng)險(xiǎn)。

在高溫天氣下，一方面會(huì)加速變壓器油中的纖維素裂解產(chǎn)生水分和氧氣；另一方面會(huì)使氧氣與變壓器油的化合反應(yīng)加快,綜合作用使變壓器油絕緣老化。變壓器固體絕緣多為油紙絕緣，其劣化速度主要取決于溫度。高溫會(huì)加速變壓器油紙的熱解、降解反應(yīng)，導(dǎo)致絕緣降低。

溫度是影響變壓器絕緣的關(guān)鍵因素，持續(xù)高溫會(huì)加快變壓器絕緣老化速度，造成變壓器的擊穿損壞。高溫天氣下，變壓器散熱效率降低，易造成變壓器運(yùn)行溫度升高，加速絕緣老化。

1.4 變壓器散熱相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求

在高溫天氣下，為確保變壓器安全高效運(yùn)行，變壓器的冷卻散熱至關(guān)重要。電力系統(tǒng)對(duì)于變壓器的基本運(yùn)行有著嚴(yán)格的要求，并出臺(tái)了散熱冷卻相關(guān)的技術(shù)規(guī)程，對(duì)變壓器安全保護(hù)裝置、冷卻裝置、溫度測(cè)量裝置等作了詳細(xì)規(guī)定。

在環(huán)境溫度方面，GB 10942—2013《電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升》對(duì)在正常使用條件下變壓器周圍環(huán)境的溫度作了規(guī)定，具體如表1所示。

表1 變壓器環(huán)境溫度規(guī)定

在負(fù)荷能力方面，DL/T 5222—2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)規(guī)定》 5.0.3條規(guī)定：當(dāng)電器使用在周圍空氣溫度高于40 ℃時(shí)，周圍空氣溫度每升高1 K，應(yīng)減少額定電流負(fù)荷的1.8%。變壓器需降載運(yùn)行，以保障運(yùn)行安全。此時(shí)提升變壓器的散熱性能，成為兼顧保障供電不限電和變壓器運(yùn)行安全的關(guān)鍵所在。

2 變壓器的冷卻方式

目前電網(wǎng)運(yùn)行的大部分變壓器為油浸式變壓器，油浸式變壓器根據(jù)油的循環(huán)方式可分為自然循環(huán)式和強(qiáng)迫循環(huán)式。根據(jù)油被冷卻的方式又可分為自然風(fēng)冷式、強(qiáng)迫風(fēng)冷式、強(qiáng)迫水冷式[6]。油浸變壓器中80%以上為自然油循環(huán)。對(duì)于容量較小、散熱量少的變壓器，一般采用油浸自冷方式的冷卻方式。容量大的大型變壓器大都采用強(qiáng)油循環(huán)強(qiáng)迫風(fēng)冷卻、強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向冷卻、油浸風(fēng)冷冷卻方式，外加吹風(fēng)裝置、泵機(jī)等其他輔助設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)制換熱。

冷卻方式適用對(duì)象及性能特點(diǎn)如表2所示。

油浸變壓器散熱主要依據(jù)熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射3種方式，其散熱過程如下：變壓器線圈和鐵芯產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)方式傳遞到表面被變壓器油冷卻，然后線圈或鐵芯表面的熱油以熱對(duì)流的方式將熱量傳遞到油箱或散熱器的內(nèi)表面，所有熱量最后均以對(duì)流和輻射的方式散發(fā)到周圍的空氣中。

油浸變壓器的常見散熱類型如圖1所示。

表2 冷卻方式適用對(duì)象及性能特點(diǎn)

圖1 油浸變壓器常見散熱類型

油浸自冷變壓器的基本冷卻原理為：變壓器底部的絕緣油由于鐵芯和線圈的散熱而溫度升高，下部絕緣油密度變小，油在密度差的影響下向上運(yùn)動(dòng)，隨著溫度的繼續(xù)升高，對(duì)于傳統(tǒng)的油浸式變壓器，油到達(dá)頂部后會(huì)沿著散熱片的上端口流進(jìn)散熱片，熱量在片式散熱器中散發(fā)到空氣中。

強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻方式所采用的冷卻器有強(qiáng)油風(fēng)冷和強(qiáng)油水冷。強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式變壓器是用潛油泵將油送入鐵芯中或繞組間的油道中，使其中的熱量直接由具有一定流速的冷油帶走，而變壓器上層的熱油用潛油泵抽出，經(jīng)風(fēng)扇冷卻器冷卻后再送入變壓器油箱底部，強(qiáng)迫變壓器油進(jìn)行油循環(huán)冷卻。強(qiáng)迫油循環(huán)水冷式變壓器跟強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式變壓器差不多，只是冷卻方式不同，用水將進(jìn)入冷卻器的變壓器油進(jìn)行冷卻。

3 變壓器冷卻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

3.1 改進(jìn)散熱片結(jié)構(gòu)

散熱器在控制變壓器油溫的過程中具有至關(guān)重要的作用。變壓器油在油箱內(nèi)部受熱后，高溫變壓器油流入散熱器進(jìn)油口，在散熱器內(nèi)通過熱對(duì)流和熱輻射與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換將熱量散發(fā)出去，冷卻后的變壓器油流回油箱。散熱器長(zhǎng)期運(yùn)行在惡劣環(huán)境中會(huì)在換熱器表面形成“污垢熱阻”，加之高溫天氣下散熱器與環(huán)境溫度差變小，影響散熱器的散熱效率，由此導(dǎo)致變壓器油溫高等問題。

改進(jìn)散熱器結(jié)構(gòu)，以強(qiáng)化散熱器的換熱能力，是控制變壓器油溫、提高變壓器運(yùn)行效能的重要途徑。目前散熱器改進(jìn)方式主要有如下幾種。

(1)調(diào)整片式散熱器布置方法。文獻(xiàn)[7]研究了片式散熱器選型和結(jié)構(gòu)布置對(duì)變壓器散熱效率的影響。發(fā)現(xiàn)在片式散熱器總的有效散熱面積和中心距相同的情況下，適當(dāng)提高片式散熱器的離地高度，即增大片式散熱器散熱中心與變壓器發(fā)熱中心的高度差，有利于提高片式散熱器的散熱效率。

(2)采用整體削肩片式散熱器組。按照一定角度對(duì)片式散熱器進(jìn)行削肩可以看成是將上集油管傾斜一定角度，相比于普通片式散熱器組，其可以充分發(fā)揮每片散熱片的散熱能力。文獻(xiàn)[8]探索了片式散熱器整體削肩角度分別為10°，20°和30°時(shí)對(duì)散熱器散熱性能的影響，指出隨著削肩角度的增大，散熱面積在逐步減小，換熱效果表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，整體削肩改造角度在約20°時(shí)的散熱效果最好。

(3)增加散熱器片數(shù)。文獻(xiàn)[9]利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法研究了不同散熱器片數(shù)對(duì)散熱效率的影響，為合理選擇片式散熱器散熱片數(shù)量提供了指導(dǎo)。散熱片高度增加，可以延長(zhǎng)變壓器油在油道內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間，使油側(cè)對(duì)流換熱的時(shí)間變長(zhǎng)，有利于熱量散出。散熱片間距增大，會(huì)使更多的冷空氣流經(jīng)散熱片，增強(qiáng)散熱片間空氣的擾動(dòng)程度，減小傳熱阻力，使空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)增大，散熱量增加。

(4)增加片式散熱器片高、片間距。文獻(xiàn)[10]通過對(duì)散熱器肋片的高度、長(zhǎng)度和間距的合理調(diào)整，使散熱器的熱阻降低，為設(shè)計(jì)散熱能力強(qiáng)的片式散熱器提供了參考，為進(jìn)行片式散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。

通過改變散熱器布置方法、結(jié)構(gòu)及片數(shù)等方式提升散熱性能，對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)影響小，具有制作較為簡(jiǎn)單、無需額外耗能等優(yōu)點(diǎn)。然而這些方法均屬于主動(dòng)降溫范疇，降溫效率較低，受環(huán)境溫度影響較大，在極端高溫天氣時(shí)環(huán)境溫度與設(shè)備溫度溫差變小，散熱效果會(huì)大幅降低。

3.2 噴霧冷卻

噴霧冷卻技術(shù)利用相變換熱原理，具有換熱能力強(qiáng)、冷卻液流量小、均溫性好、過熱度小、臨界熱流密度高(高達(dá)數(shù)十甚至上百W·cm-2)等優(yōu)點(diǎn)，是高熱流密度冷卻領(lǐng)域最具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一。

噴霧冷卻是通過高壓使得制冷工質(zhì)進(jìn)入噴嘴，從而形成很小的液滴(微米量級(jí))，然后以一定的速度進(jìn)行噴射，沖擊加熱面。在換熱過程中，制冷工質(zhì)不僅通過顯熱帶走熱量，更大一部分熱量通過汽化被帶走。因?yàn)橐旱纬叽绶浅Ｐ。诮佑|到加熱表面的瞬間，大部分液滴就瞬間蒸發(fā)，利用汽化潛熱吸收熱量。噴霧冷卻的效果十分明顯。噴霧冷卻的熱均勻性更好，溫度梯度也更小，能夠使被加熱表面的散熱過程達(dá)到一個(gè)更加穩(wěn)定、均勻的狀態(tài)。

文獻(xiàn)[11]對(duì)噴霧冷卻過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究?；趪娚涓叨鹊挠行Я髁繃婌F冷卻模型，將有效流量G與出口壓力P獨(dú)立出來，分別研究了這兩個(gè)因素對(duì)噴霧冷卻過程的影響。

文獻(xiàn)[12]研究了流量對(duì)于噴霧冷卻換熱效果的影響。通過在試驗(yàn)中改變初始流量的大小，研究了不同流量下噴霧冷卻過程的換熱效果。發(fā)現(xiàn)流量的增大對(duì)噴霧冷卻換熱的作用是正方向的，流量越大，工質(zhì)流速越快，換熱效果越好。

文獻(xiàn)[13]研究了噴射角度對(duì)換熱效果的影響。文獻(xiàn)[14]發(fā)現(xiàn)噴射角為0°時(shí)，制冷效果不理想，臨界熱流密度較小；隨著噴射角度的增大，臨界熱流密度先增大后減小，該試驗(yàn)條件下的最佳角度為30°。

噴霧冷卻具有優(yōu)良的冷卻性能，水經(jīng)霧化后形成微細(xì)水汽霧滴，大大增加了霧滴與散熱片的接觸面積，水霧吸熱蒸發(fā)汽化后帶走熱量，降溫效果明顯，但是霧化裝置造價(jià)較高，且制作較麻煩。

3.3 蒸發(fā)冷卻

變壓器蒸發(fā)冷卻是利用冷卻介質(zhì)的相變吸熱來達(dá)到降溫的效果，主要是以低沸點(diǎn)制冷劑作為介質(zhì)，利用制冷劑在受熱沸騰時(shí)產(chǎn)生的汽化潛熱，將變壓器設(shè)備產(chǎn)生的熱量帶走。目前蒸發(fā)冷卻的具體做法有噴淋式、隔離式和浸潤(rùn)式。

美國(guó)西屋公司在1985年設(shè)計(jì)研制出首臺(tái)噴淋式蒸發(fā)冷卻變壓器[15]，液態(tài)氟碳化合物由泵從底部吸收至上方后，經(jīng)噴嘴噴射在鐵心和繞組表面，液體制冷劑與發(fā)熱面接觸后逐漸吸熱蒸發(fā)，從而降低熱面溫度。蒸發(fā)后的蒸汽進(jìn)入冷凝器凝結(jié)為液體，重新流入箱體底部再次參與循環(huán)工作。

1982年，文獻(xiàn)[16]首次使用氟碳化合物作為冷卻介質(zhì)的浸潤(rùn)式蒸發(fā)冷卻變壓器。變壓器的繞組和鐵心全部浸沒在制冷劑中，冷卻劑吸收二者產(chǎn)生的熱量后汽化吸熱，蒸汽上升進(jìn)入冷凝器冷卻放熱后重新流入箱體內(nèi)部參與循環(huán)。

隔離式蒸發(fā)冷卻可認(rèn)為是對(duì)傳統(tǒng)油浸變壓器的改良，其特點(diǎn)是其冷卻結(jié)構(gòu)與絕緣部件的相互分離。通過絕緣油保證變壓器的絕緣性能，利用制冷劑蒸發(fā)冷卻降溫作用吸收油中的熱量。2012年我國(guó)中科院電工所設(shè)計(jì)制造了內(nèi)置冷卻管的蒸發(fā)冷卻變壓器[17]，箱體內(nèi)利用變壓器油作絕緣介質(zhì)，冷卻結(jié)構(gòu)為插入箱體內(nèi)部、并同外部散熱器相連的翅片管，如圖2所示。其工作過程可以看作為一個(gè)兩步冷卻系統(tǒng)：變壓器油吸收繞組和鐵芯的熱量傳遞給翅片管，制冷劑在管內(nèi)受熱發(fā)生相變使油溫降低，進(jìn)而降低熱源溫度；汽化后的蒸汽進(jìn)入散熱器冷凝為液體重新進(jìn)入循環(huán)。

圖2 蒸發(fā)冷卻示意圖

蒸發(fā)冷卻具有換熱效率高、降溫顯著、冷卻溫度均勻等優(yōu)點(diǎn)，相比傳統(tǒng)變壓器利用冷卻介質(zhì)的單相吸熱，等質(zhì)量下的相變潛熱所吸收的熱量是前者的數(shù)倍。然而，蒸發(fā)冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變壓器制造成本高，運(yùn)維也較為困難；目前冷卻介質(zhì)多為全氟碳化合物氣體，其溫室效應(yīng)是極強(qiáng)的，大規(guī)模采用將帶來較多的碳排放。

4 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有冷卻方式不能滿足變壓器在高溫天氣散熱需求的矛盾，本文介紹了變壓器散熱的基本原理，梳理了變壓器現(xiàn)有冷卻方式和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，比較了提升變壓器冷卻性能的方法和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)不同條件下因地制宜采用相應(yīng)的散熱策略，提升高溫天氣下變壓器的散熱性能具有重要意義。