油浸式電力變壓器冷卻裝置效率計(jì)算

劉赟，萬勛，劉興文

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007)

電力變壓器被譽(yù)為電網(wǎng)的心臟，其安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系重大，當(dāng)冷卻裝置效率不高時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)油溫過高的情況，并影響到變壓器的運(yùn)行壽命。因此，國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)反事故措施提出:應(yīng)及時(shí)對冷卻裝置效率進(jìn)行評估，并根據(jù)評估結(jié)果安排冷卻裝置的清洗。但是，目前冷卻裝置缺少有效的效率評估的手段。為此，本文提出了計(jì)算冷卻裝置效率的方法，開發(fā)簡易計(jì)算軟件，經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

1 基本思路

1.1 冷卻器效率計(jì)算

利用變壓器發(fā)熱和散熱平衡原理，由實(shí)時(shí)負(fù)載電流計(jì)算變壓器的實(shí)時(shí)負(fù)載損耗，由頂層油溫升確定冷卻器的冷卻容量，由冷卻容量和總損耗確定冷卻器的效率。再通過反推計(jì)算，求出任意負(fù)荷下的頂層油溫升值〔1〕。

1.2 散熱器效率計(jì)算

同樣，利用變壓器發(fā)熱和散熱平衡原理，由實(shí)時(shí)負(fù)載電流計(jì)算變壓器的實(shí)時(shí)負(fù)載損耗，在工廠計(jì)算法的基礎(chǔ)上，對散熱器效率進(jìn)行計(jì)算。再通過反推計(jì)算，可求出任意負(fù)荷下的頂層油溫升值〔2〕。

2 計(jì)算參數(shù)

表1 所列符號在此統(tǒng)一定義，在下文中將直接采用，不另作備注。

表1 計(jì)算參數(shù)表

3 變壓器實(shí)時(shí)損耗計(jì)算

變壓器運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)線中流過電流，產(chǎn)生負(fù)載損耗。負(fù)載損耗由繞組和引線的直流電阻損耗、導(dǎo)線在漏磁場中產(chǎn)生的渦流損耗以及并繞線圈中漏磁場引起的不平衡電流損耗、漏磁場在結(jié)構(gòu)件如鐵芯夾件、壓板、油箱等中引起的渦流損耗以及漏磁場在鐵芯中引起的附加損耗組成。

變壓器銘牌給出了負(fù)載損耗值，三線圈變壓器給出了高－中、高－低、中－低3 個(gè)繞組負(fù)載損耗銘牌值，分別為Phm，Phl，Pml;兩線圈變壓器給出了高－低繞組的銘牌值Phl。

為方便計(jì)算〔3－4〕，將繞組的負(fù)載損耗換算到高、中、低3 個(gè)單獨(dú)繞組的損耗，換算公式見式(1):

對于一個(gè)給定的負(fù)載組合，當(dāng)高、中、低繞組的實(shí)時(shí)電流分別為Ih，Im，Il時(shí)，每個(gè)繞組的負(fù)載損耗與偏離參考值的電流平方成正比，負(fù)載總損耗Pk為3 個(gè)單獨(dú)繞組的損耗之和:

3.1 三線圈變壓器實(shí)時(shí)負(fù)載計(jì)算

由式(1)，(2)可推導(dǎo)出三線圈和兩線圈變壓器的實(shí)時(shí)負(fù)載計(jì)算公式。

三線圈變壓器，高中繞組一般為全容量，低壓繞組一般為50%全容量或其它。對于任意Sh= Sm= nSl時(shí)，實(shí)時(shí)負(fù)載損耗pk按下式計(jì)算:

3.2 兩線圈變壓器實(shí)時(shí)負(fù)載計(jì)算

兩線圈變壓器，高、低繞組容量相等，實(shí)時(shí)負(fù)載損耗pk按下式計(jì)算:

變壓器在運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓波動(dòng)不大，實(shí)時(shí)空載損耗與額定電壓下測定的空載損耗差別不大，因此，本文將以銘牌上的空載損耗作為實(shí)時(shí)空載損耗使用。

4 冷卻裝置效率計(jì)算

4.1 冷卻器效率計(jì)算

采用冷卻器進(jìn)行冷卻的變壓器主要有2 種:一種是強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻(OFAF)，另一種是強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向冷卻(ODAF)。

1)冷卻器效率的計(jì)算

假定變壓器冷卻容量與損耗在一段時(shí)間內(nèi)相等，可以推導(dǎo)出下式:

2)假定冷卻器的效率已知，任意負(fù)荷電流下的頂層油溫升則可通過下式計(jì)算:

4.2 散熱器效率計(jì)算

采用散熱器進(jìn)行冷卻的變壓器主要有2 種:一種是自然油循環(huán)冷卻(ONAN)，另一種是自然油循環(huán)風(fēng)冷(ONAF)。在頂層油溫升工廠計(jì)算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行反推計(jì)算，可以得到以下公式。

1)自然油循環(huán)冷卻

頂層油溫升、單位面積熱負(fù)荷和散熱效率由式(7)確定:

2)自然油循環(huán)風(fēng)冷

采用自然風(fēng)冷的變壓器，一般在負(fù)荷較低、頂層油溫未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，不會(huì)開啟風(fēng)機(jī)，此時(shí)它的冷卻方式和自然油循環(huán)相同，因此，頂層油溫升、單位面積熱負(fù)荷和散熱效率與式(7)相同。

當(dāng)風(fēng)機(jī)開啟時(shí)，頂層油溫升、單位面積熱負(fù)荷和散熱效率由式(8)來確定:

式(7)，(8)中，單位面積的有效散熱面積q 按式(9)計(jì)算單位為W/m2。

同樣，由式(7)，(8)可知，當(dāng)效率已知時(shí)，通過反推計(jì)算，可以求出任意負(fù)荷電流下的頂層油溫升。

式(3)—(9)的頂層油溫升和各繞組電流取一段時(shí)間內(nèi)的平均值，以24 h 為宜。

5 計(jì)算軟件介紹

根據(jù)以上結(jié)論，為方便計(jì)算，開發(fā)了一套計(jì)算軟件，計(jì)算流程見圖1，軟件選擇界面、參數(shù)輸入界面見圖2，3。

圖1 冷卻裝置效率計(jì)算流程

從圖1 中所示，1 和2 決定于變壓器的冷卻裝置配置，由冷卻裝置配置確定變壓器額定冷卻容量5;由3 和4 確定實(shí)時(shí)冷卻容量6;再5 和6 確定7;最后由7 和8 實(shí)時(shí)負(fù)荷來計(jì)算頂層油溫升9。

圖2 選擇界面

圖3 參數(shù)輸入界面

計(jì)算軟件提供了兩圈變、三圈變2 種類型，以及4 種冷卻方式下的計(jì)算模式。從表1 中選用參數(shù)后，可以較快完成計(jì)算。

6 實(shí)例計(jì)算

6.1 冷卻器效率計(jì)算

利用計(jì)算公式，對3 臺(tái)220 kV 強(qiáng)油循環(huán)變壓器冷卻器效率進(jìn)行了計(jì)算，參數(shù)見表2—4。

表2 變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)

表3 變壓器銘牌參數(shù)

表4 冷卻器參數(shù)

通過計(jì)算，3 臺(tái)主變的冷卻效率分別為0.916，0.905，0.913。比對變壓器的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本相符。

6.2 散熱器效率計(jì)算

同樣，對2 臺(tái)同型號自然油循環(huán)變壓器散熱器效率進(jìn)行了計(jì)算，已知這2 臺(tái)變壓器總有效散熱面積為678 m2，變壓器發(fā)熱中心高度與散熱中心高度比值為0.72，其它計(jì)算參數(shù)見表5，6。求出1 號和2 號的散熱效率分別為94%和95%。

表5 變壓器銘牌參數(shù)

表6 變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)(24 h 平均值)

7 小結(jié)

1)冷卻器效率計(jì)算，沒有考慮油溫對變壓器油密度、比熱、流量的影響;冷卻器進(jìn)口油溫和進(jìn)口風(fēng)溫之差由變壓器頂層油溫升近似替代，這對計(jì)算結(jié)果有一定影響。

2)計(jì)算散熱器效率時(shí)，需要獲取有效散熱面積、發(fā)熱中心高度與散熱中心高度比值，這對于老變壓器和資料保存不當(dāng)?shù)淖儔浩鲿?huì)有一定困難。此時(shí)，單位面積熱負(fù)荷可取500 W/m2經(jīng)驗(yàn)值，發(fā)熱中心高度與散熱中心高度現(xiàn)場估測。

3)油溫表的誤差對計(jì)算結(jié)果影響較大，應(yīng)盡量多取數(shù)據(jù)再取平均值。

4)獲取溫度參數(shù)應(yīng)選在無雨、無大風(fēng)、日照不強(qiáng)的天氣下進(jìn)行。

5)負(fù)載總損耗(平均值)相同，同一臺(tái)變壓器頂層油溫升(平均值)不會(huì)有明顯的變化。

6)自冷變壓器油溫越高時(shí)，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確。

〔1〕全國變壓器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)． JB/T 8315—2007 變壓器用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻器〔S〕． 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

〔2〕全國變壓器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)． JB/T 5347—2013 變壓器用片式散熱器〔S〕． 北京:中國電力出版社，2014．

〔3〕全國變壓器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)． GB/T 13499—2002 電力變壓器應(yīng)用導(dǎo)則〔S〕． 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002．

〔4〕謝毓城． 電力變壓器手冊〔M〕． 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003．