500kV強油循環變壓器風冷改造的理論分析與計算

張磊 程智鵬

摘要 通過冀北地區某500千伏變電站3號主變壓器冷卻系統改造工程為實例，從理論分析與計算角度，闡述將以ODAF冷卻方式的變壓器改造成以ONAN/ONAF冷卻方式變壓器的理論可行性，為其現場施工、改造提供技術支持與技術保障，從而提高變壓器的冷卻效率、降低維護成本，并滿足變電站無人值守的要求。

【關鍵詞】變壓器 冷卻系統 改造 理論計算

電力變壓器是電網運行的主設備，電力變壓器在運行過程中，內部的線圈會產生很大的熱量，變壓器油通過油流循環將變壓器內部的熱量，由冷卻器散發到空氣中。強油循環風冷（ ODAF）冷卻方式需要潛油泵與風扇電機長期工作，運行維護角度來看，工作量較大，無法滿足變電站無人值守的要求。設備安全穩定運行角度來看，潛存負壓區的潛油泵的長期運行易導致產生金屬粉末并引發油流帶電的風險;風扇電機的長期運行對風冷系統電源可靠性要求很高，風冷系統電源一旦發生故障，致使風冷電機全停，進而引發主變壓器跳閘的惡性事故。

1 電力變壓器冷卻方式

1.1 電力變壓器冷卻系統模型

油浸式變壓器內部的冷卻介質為礦物油，外部冷卻介質為空氣或者是水。油浸式變壓器外部冷卻介質為空氣時的冷卻方式如表1所示。同時，表1中也指出了變壓器的繞組中冷卻介質（變壓器油）的流動狀態與外部空氣循環方式。

其中，強迫油循環導向風冷（ ODAF）型變壓器實際運行存在以下缺陷：

（1）風冷卻器自冷容量小，輔機的電源必須保證不間斷供電，一旦失去輔機電源，變壓器將發生風冷全停跳閘事故;

（2）散熱管型式大多為鋼.鋁復合扎翅管，層間間隙中因雨水長期侵蝕而生銹且易積塵、積雜，使傳熱的熱阻增加而漸漸降低冷卻容量;

（3）潛油泵運行時產生負壓，潛油泵部位易發生滲漏油現象，負壓會吸入空氣，影響絕緣，進而引起擊穿事故。

1.2 電力變壓器冷卻系統改造的確定

以冀北地區某500千伏變電站3號主變壓器為例，該變壓器型號：ODFPS2-250000/500，冷去口方式為ODAF。

通過表1可以看出，ODAF冷卻方式要優于OFAF冷卻方式，但由于強油冷卻方式下，均無法解決潛油泵、風冷系統全停引發的各類問題，因此，只考慮將冷卻方式改造為ONAN或ONAF冷卻方式。ONAN和ONAF冷卻方式下，變壓器油均為自然流動方式，其油流流速相比改造前使用的ODAF冷卻方式明顯降低，為確保變壓器冷卻效率不會降低，需要增大散熱器的散熱面積。在ONAN冷卻方式下，散熱器外部的空氣介質為自然對流方式，而ONAF冷卻方式下，散熱器外部的空氣介質為強對流方式，能夠獲得較ONAN更好的散熱效果。

通過以上分析，ONAN和ONAF冷卻方式各有優勢，ONAN冷卻方式下沒有輔機損耗，能夠有效提高變壓器冷卻系統的節能降耗水平，ONAF冷卻方式下具有比較良好的冷卻效果，綜上所示，冷卻系統改造可以采用ONAN和ONAF相結合的冷卻方式通過設定恰當的風機啟停溫度值或啟停負載率，實現不同運行工況下冷卻方式的自動調節。

2 冷卻系統改造的理論分析計算

為滿足主變安全運行，改造后片散應能夠及時將變壓器繞組的溫升通過變壓器油傳遞到外部空間，因此需要選取具有足夠散熱面積的散熱器，同時散熱器的數量還需滿足現場空間布局和安全距離的要求。此外，還應盡可能提高散熱器的安裝高度，使散熱器散熱中心與變壓器繞組發熱中心之間的高度差盡可能大。

改造前變壓器出廠時的油面溫升理論計算值如表2所示，為了提高散熱效率，本次改造按照ONAN/ONAF冷卻方式下，油面溫升較ODAF冷卻方式下降低10K為目標值進行理論計算。

2.1 發熱中心/散熱中心比及散熱片高度的確定

變壓器本體高度數據如圖1所示，根據變壓器結構信息可知，其發熱中心的高度為：

Hf= （3750+350） /2-100=1950mm

結合主變壓器檢修便攜性的工作需要，如在散熱器底部進行風扇更換等其他檢修。根據運行經驗，散熱器底部距離地面高度最小為1500mm，因此，散熱器散熱中心的高度為：

Hs= （3750+350+400-1500）/2+1500=3000mm

因此，可得發熱中心/散熱器散熱中心比為：

Hf/Hs=1950/3000=0.65

同時，通過以上分析，可初步確定散熱片片散的高度為：

H=3750+350+400-1500=3000mm

2.2 油面溫升及有效散熱面積的理論計算

（1）線圈表面單位熱負荷。

按照ONAN/ONAF冷卻方式下，選取最優油平均溫升與修正值交點，并綜上理論計算公式，可得到表3所示的計算結果。

由表3可以得出：ONAN/ONAF冷卻方式油面溫升為27.3K，油面溫升較ODAF冷卻方式下降低：38.8-27.3=11.5K，達到理論預計值10K要求。

2.3 冷卻系統散熱器參數的分析與計算

根據《變壓器用片式散熱器》（JB/T5347-1999），片式散熱器有效散熱面積的計算公式如下：

冷卻方式為ONAN時：

綜合考慮現場空間布局及國內產品質量較為優良的成熟散熱器產品，若以PC3000-34/460型散熱器為例。

PC3000-34/460型散熱器的參數如下：片高3000mm，片寬460mm，片間距40mm，單片厚度11mm，其中油道9mm，每組散熱器34片。

根據以上各參數進行計算，散熱器片散數達到22片時，可得到下表所示的計算結果。在ONAN冷卻方式下，其有效散熱面積為936.2m2滿足有效散熱面積不小于905.01m2的要求;在ONAF冷卻方式下，其有效散熱面積為1103.9m2滿足有效散熱面積不小于1052.6m2的要求。見表4。

為了最大限度發揮ONAF冷卻方式下的冷卻效果，風扇布置方式采用上吹式，根據散熱器尺寸大小，在每兩組散熱器下部安裝一臺風扇，共安裝11組風扇。

2.4 變壓器油流流速的分析與計算

為防止變壓器油流流速過快導致油流帶電現象，以下對按照上述改造方式的油流流速進行校核。

根據變壓器改造后的各項參數，將表5所示的數據輸入變壓器油流流速分析軟件。得到如表6所示的變壓器油流流速分析結果。

從計算結果可見，改造后，變壓器水平最大油流流速為7.472cm/s，垂直最大油流流速為62.040cm/s，水平、垂直最大油流流速均未超過50cm/s和75 cm/s的油流流速經驗值，不會引起油流帶電的問題。

根據流體動力學原理，圓管中液體的流動狀態與液體的流速v、管路的內徑d以及油液的運動黏度v有關，液體流動狀態的則是這三個參數所組成的一個無量綱的雷諾數Re，即Re=vd/v，在變壓器油流流速計算過程中，根據經驗值，只要雷諾數不超過2320，就不會發生油流帶電現象，從表6的計算結果可知，線圈的最大雷諾數為1482，遠低于上限值2320，綜上，從油流流速和雷諾數兩個參量進行考慮，改造后的變壓器油流油速均滿足要求，不會發生油流帶電現象。

3 結論

綜合上述分析，冀北地區某500kV 3號主變壓器冷卻系統由強迫油循環風冷（ ODAF）改造為油浸自冷（ONAN）與油浸風冷（ONAF）相結合的方式，理論分析與計算角度可以在保證油流油速安全的前提下，增強冷卻效果，降低油面溫升，并達到預期目標值，提高主變壓器運行可靠性。與此同時，驗證了強油風冷改造的技術理論可能性，為現場進行冷卻系統改造提供了技術支持與技術保障。

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