變壓器冷卻器控制策略改進(jìn)探析

武威 方純蓓 楊東方 范浩然 郭志召

摘 要：分析了溫度對變壓器油紙絕緣以及油流帶電的影響，闡述了控制油溫對確保變壓器使用壽命和運行可靠性的積極意義。結(jié)合長期運行維護(hù)的實際情況，指出了傳統(tǒng)變壓器冷卻器控制策略的弊端，并對其提出了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，為今后進(jìn)行變壓器冷卻器控制策略的改變提供理論依據(jù)和具體思路。

關(guān)鍵詞：變壓器；溫度；冷卻器；控制策略

電力變壓器是電力系統(tǒng)不可或缺的關(guān)鍵性設(shè)備，直接關(guān)系著電力系統(tǒng)安全運行和電網(wǎng)供電的可靠性。變壓器繞組的溫度會隨著電力負(fù)載的增大而顯著提高，從而傳導(dǎo)到變壓器油，對電力變壓器的油紙絕緣等特性帶來深刻影響，危害電力變壓器的設(shè)備安全，縮減其使用壽命。變壓器冷卻器是有效改善變壓器內(nèi)部環(huán)境溫度的重要裝置，對變壓器冷卻器控制策略的相關(guān)研究具有重大的現(xiàn)實意義。

1 溫度對變壓器的影響

溫度可以深刻影響變壓器油紙絕緣老化的熱老化進(jìn)程，并與變壓器油流帶電現(xiàn)象的產(chǎn)生存在一定關(guān)聯(lián)性，影響變壓器的經(jīng)濟(jì)運行。

1.1 溫度對變壓器油紙絕緣的影響

熱老化、電老化、環(huán)境老化和機械老化等共同構(gòu)成了變壓器的油紙絕緣老化進(jìn)程，而對變壓器油紙絕緣老化起決定性作用的是熱老化[ 1 ]。文獻(xiàn)[ 2 ]指出影響變壓器絕緣老化的因素主要有：溫度、電場、水分、氧氣、酸以及光、機械應(yīng)力、微生物等，溫度通過作用于熱老化的化學(xué)反應(yīng)速率影響油紙絕緣熱老化的進(jìn)程。一般熱老化的化學(xué)反應(yīng)速率越高，由熱老化決定的絕緣壽命越低。相關(guān)研究表明，針對各種類型的絕緣，溫度每升高8～12℃將會導(dǎo)致絕緣壽命縮短一半[ 3 ]。

另外，溫度的升高會影響變壓器油的氧化速率，導(dǎo)致變壓器油PH值減小，沉淀物增多，危害變壓器的正常運行[ 4 ]。有研究表明，溫度升高還可能導(dǎo)致變壓器油和絕緣紙板的電導(dǎo)電流增加[ 5 ]，降低其介電特性和絕緣水平。

1.2 溫度對油流帶電的影響

對于采用強迫油循環(huán)冷卻方式的電力變壓器，絕緣油既作為絕緣介質(zhì)，又充當(dāng)冷卻介質(zhì)，其循環(huán)流動過程中會造成油紙絕緣表面電荷分離、積聚的現(xiàn)象，即為油流帶電[ 6 ]。

油流帶電不僅會對變壓器油道的絕緣性能造成損害，還會導(dǎo)致存在于變壓器油中的游離電荷的泄放能力降低[ 7 ]，對變壓器安全、穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利影響，危害供電系統(tǒng)供電的可靠性。

相關(guān)研究表明，變壓器油溫是影響變壓器油流帶電的主要因素之一，適當(dāng)控制變壓器油溫是抑制油流帶電的重要措施[ 8-9 ]。

由此可見，改善變壓器內(nèi)部環(huán)境溫度變化情況，對變壓器運行安全所具有的積極意義。本文闡述了傳統(tǒng)的強迫油循環(huán)風(fēng)冷變壓器的基本控制方法，提出了其缺點并對此進(jìn)行改進(jìn)，以期使其控制策略更為合理。

2 傳統(tǒng)變壓器冷卻器控制策略

現(xiàn)在運行的變壓器冷卻器的基本控制策略如下：

根據(jù)設(shè)備使用方實際情況，設(shè)置一定數(shù)量的冷卻器充當(dāng)工作組、輔助組和備用組，工作組冷卻器長期處于運行狀態(tài)，輔助組冷卻器在變壓器油溫或者變壓器負(fù)荷電流達(dá)到某個限度值時啟動。當(dāng)溫度或負(fù)荷電流降回到相應(yīng)數(shù)值時，冷卻器工作一段時間后停止工作，輔助組也可以酌情劃分為第一輔助組、第二輔助組等。備用組是為了防止某個控制模塊或者冷卻器出現(xiàn)故障時，影響變壓器的冷卻而設(shè)置的。

為實現(xiàn)上述控制邏輯，設(shè)備制造商通常只考慮各變壓器冷卻器的均衡工作，即每隔一定的時間間隔對各冷卻器的工作時間按工作時間由少到多的順序進(jìn)行排序，按照順序分別安排下一周期的工作組、輔助組和備用組。

這種控制策略確實可以保證設(shè)備的均衡利用，延長冷卻器的使用壽命。但同時也存在較多不足：

2.1 環(huán)境溫度權(quán)衡不足

在我國的大部分區(qū)域，四季變換帶來的環(huán)境溫差很大，尤其是寒冷的冬季，環(huán)境溫度本身對變壓器降溫具有較好的作用。而驅(qū)動冷卻器工作的核心參考是變壓器油面溫度和環(huán)境溫度的相對值，傳統(tǒng)的控制策略不能根據(jù)季節(jié)的變化做出一定的調(diào)整，造成大量的能源浪費。

2.2 降溫欠均衡

傳統(tǒng)的變壓器冷卻器控制策略由于各種原因往往不能保證降溫的均衡性，往往出現(xiàn)變壓器一邊運行冷卻器組數(shù)小于另一邊的情形。這對變壓器油的使用壽命是不利的。

2.3 油泵和風(fēng)機不能實現(xiàn)無極調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)變壓器冷卻器的基本控制邏輯只涉及風(fēng)機和油泵的起停，對于其轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)幾乎沒有考慮，導(dǎo)致冷卻器運行、退出過程階梯性強，油流擾動大，調(diào)節(jié)性能差。

3 變壓器冷卻器控制策略改進(jìn)探討

針對傳統(tǒng)變壓器冷卻器控制過程中環(huán)境溫度權(quán)衡不足以及降溫欠均衡的缺點，對其冷卻器控制策略做出相應(yīng)改進(jìn)，如下：

1）根據(jù)外界環(huán)境溫度的差異將冷卻器工作模式分為3種：春秋季模式、夏季模式和冬季模式。并對不同工作模式下的相應(yīng)溫度控制策略做出調(diào)整，工作模式的具體劃分情況見表1。

2）增加變壓器降溫均衡控制邏輯，確保變壓器兩側(cè)運行冷卻器數(shù)目相同，使變壓器內(nèi)部溫度降溫更加均衡。同時對每臺風(fēng)扇和油泵實施獨立驅(qū)動，改變冷卻器成組運行的做法，使控制精度提高。控制方法更趨靈活，并節(jié)約電能，延緩變壓器油更換時間。

3）對冷卻器的風(fēng)機和油泵實施變頻調(diào)速，利用變頻器實現(xiàn)對風(fēng)機和油泵輸出的線性調(diào)節(jié)，從而使風(fēng)機和油泵實現(xiàn)無極調(diào)速，減小對變壓器內(nèi)部油流擾動的影響。

改進(jìn)的變壓器冷卻器控制策略實施過程如圖1所示。

4 結(jié)論

合理控制變壓器油溫，可以更好地保護(hù)變壓器油紙絕緣特性及其電導(dǎo)特性，延緩變壓器油更換頻率，對維護(hù)變壓器正常的使用壽命具有極大的積極意義。傳統(tǒng)變壓器冷卻器的控制策略具有諸多的缺點，通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)可以提高其冷卻性能，并節(jié)約能源。但改進(jìn)的方法還有待進(jìn)一步實際運行驗證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廖瑞金，楊麗君，鄭含博，汪可，馬志欽.電力變壓器油紙絕緣熱老化研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012，27（5）：1-12.

[2] 馮運.電力變壓器油紙絕緣老化特性及機理研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

[3] 楊麗君.變壓器油紙絕緣老化特征量與壽命評估方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[4] 陳星宇.高溫運行對變壓器油穩(wěn)定性的影響[J].變壓器，2014，51（4）：74-77.

[5] 周遠(yuǎn)翔，沙彥超，陳維江，盧理成，聶德鑫，伍志榮，鄧建鋼.變壓器油與絕緣紙板電導(dǎo)特性研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（9）：2527-2533.

[6] 張燕秉，鄭勁，聶定珍.大型換流變壓器油流帶電問題的分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（23）：6-10.

[7] 李川，張賢明，顧宏，徐君，余成洲.變壓器油流帶電現(xiàn)象及其影響因素分析[J].變壓器，2008，45（2）：29-32.

[8] 王菊芬，孟浩龍.變壓器油流帶電現(xiàn)象[J].高電壓技術(shù)，2008，34（5）：878-882.

[9] 李忠全，許鵬.1000kV特高壓變壓器油流帶電分析及抑制對策[J].高電壓技術(shù)，2010，36（4）：907-911.

作者簡介：武威（1988-），男，工程師，大客戶經(jīng)理班班長，主要從事高壓業(yè)擴報裝、用電業(yè)務(wù)變更、用戶變電站用電檢查等工作。