500kV 主變壓器ODAF 冷卻系統現場改型計算分析及應用

蘭志軍，武劍靈，戴東，張彥斌，岳永剛

（1.內蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080；2.烏海超高壓供電局，烏海 016000）

0 引言

目前在運的500kV 變壓器風冷系統基本采用強油風冷方式，該類型風冷系統是20 世紀90 年代設計制造的冷卻系統，具有工作電源可靠性要求高、冷卻系統自冷性能低、檢修維護量大、能耗噪音高等特點。而新型油浸式變壓器自然冷卻/自然油循環風冷冷卻系統，具有良好的自冷性能、維護量小、能耗及噪音低等優點，目前新改擴建工程中廣泛運用。尤其隨著專業化管理的實施，電網調控一體化、變電站實行無人值班等方式的開展，如油浸式變壓器強迫油循環風冷系統故障，將會造成變壓器過負荷停運，影響電網的安全運行和可靠供電[1-3]。如 2011 年 6 月 1 日凌晨，某 220kV 無人值班變電站變因為380V 低壓出線故障，引起變電站的站用電源失壓，造成2 臺容量為120MW 的強油風冷變壓器冷卻系統的工作電源全停，變壓器跳閘[4]。類似由于站用電源問題或二次電纜故障問題引起強油風冷變壓器被迫停運事故很多。同時由于強迫油循環風冷方式下，風扇電機、潛油泵需要頻繁啟動和切換，導致風扇電機及二次風冷控制系統經常出現故障，也極易發生風冷全停跳閘事故，嚴重危害著電力系統的安全穩定運行[5-9]。

1 溫升的計算

以某變電站1 號主變為改造對象。型號為ODFPS-250000/500，廠家：特變電工沈陽變壓器集團有限公司，自耦單相強油風冷變壓器，2004 年投入運行，運行15 年；該變壓器冷卻器型號為：YF2-315，共計3 組，其中1 組備用；油泵型號為：QK37-150-b，功率為：3kW，數量3 臺；吹風裝置型號為：DBF-9Q6，數量9臺；油流繼電器數量為3 臺。

1.1 OODDAAFF冷卻形式下的溫升計算

式中：Td，油面溫升，P，總損耗，N，冷卻器實際運行組數，Sn，冷卻器額定容量，TΔ，修正值。

線圈表面單位熱負荷：

式中：q，線圈表面單位熱負荷，K1，材質溫度系數，一般取 21.4；K2，匝絕緣校正系數，一般取 1；K3，線段絕緣校正系數；K4，導線中附加損耗百分數，一般取25；K5，線段的遮蓋系數；I，線餅中流過的電流；W，線餅中的匝數；J，線餅中的電流密度；L，線餅外表面周長；qΔ，油道寬度校正系數。

線圈對油的平均溫升：Tx=0.113q0.7

式中：TX，線圈對油的平均溫升；q，線圈表面單位熱負荷；

線圈溫升：Tw(K)=Tx+Td

在強油循環風冷條件下計算線圈溫升結果如表1所示。

表1 強油循環風冷條件下計算線圈溫升

1.2 發熱中心與散熱中心比值計算

根據實際情況，通過計算，在采用PC3000/480 片散的情況下，本臺變壓器的發熱中心與散熱中心比值計算如式（1）所示：

其中，400 為變壓器出口連管升高的尺寸。通過發熱中心與散熱中心的計算比值對比和結合現場實際情況，決定每個單相變壓器采用PC3000/480 的片式散熱器。

新改造后的片式散熱器在變壓器高壓側布置14組，在變壓器低壓側布置10 組，片式散熱器采用掛裝的方式分別并聯安裝在上下匯流管路上，上下匯流管路分別連接變壓器上下進出油口，上下匯流管路通過鋼制支架就地支撐在預先制作的砼基礎墩上。每兩組片散下部裝有一臺CFZ-9Q8 吹風裝置，共12 臺，吹風采用底吹式。這樣改造后變壓器結構緊湊，布局美觀。

在匯流管與變壓器進油口處的彎管，按照低轉速、低流量、低噪音油泵的相應尺寸制作，數量為4 個，一旦變壓器冷卻系統有異常，出現油溫過高現象，可以迅速分別關閉彎管兩端的蝶閥，更換上4 臺油泵。此方案無須停電，以備應急之需。同時在風冷控制柜內安裝有相應的電氣控制元器件。

2 儲油柜柜座及柜腳的受力及變形計算

針對風冷改造后儲油柜容量增大及更換，在波紋式儲油柜直徑不發生變化情況，存在一個問題是儲油柜左邊支腿近似在儲油柜的中心位置，外邊懸垂太多，從機械強度考慮，儲油柜穩定性無法保證。按照某公司產品尺寸為2360 情況進行計算。

（1）原始數據

材料名稱：普通碳鋼；

屈服強度：2.20594e+008 N/m2

極限強度：3.99826e+008 N/m2

彈性模量：2.1e+011 N/m2

泊松比：0.28

質量密度：7800 kg/m3

抗剪模量：7.9e+010 N/m2

（2）計算建模

柜座及柜腳的三維模型見圖1，針對整個模型施加力以及支撐情況見圖2。圖2 中，藍色箭頭表示分布在柜座上表面的均布載荷，為80000N；綠色箭頭表示柜腳底部為固定支撐點；柜座與柜腳的接觸為全局接觸。

圖1 柜座及柜腳的三維模型

圖2 力的施加以及支撐

（3）計算建模

柜座和柜腳的應力云圖見圖3，從圖中可以看出，最大應力發生在右側柜腳與柜座交界處，數值為1.60289e+008 N/m2（160.289MPa）。柜座和柜腳的變形云圖見圖4，從圖中可以看出，最大變形發生在柜座右端邊緣上，計算的數值為14.22mm。

圖3 柜座和柜腳的應力云圖

圖4 柜座和柜腳變形云圖

（4）結果分析

根據應力計算結果，最大應力1.60289e+008 N/m2，本材料屈服極限為2.20594e+008 N/m2，安全系數計算如式（2）所示。根據計算應力計算結果所更換油枕應力計算滿足運行要求。

3 改造后效果分析

圖5 改造前強油風冷與改造后自然冷卻效果對比

圖6 改造后自然風冷與自然冷卻效果對比

（1）選擇改造前后運行負載、運行環境溫度等運行條件基本相同主變運行工況，對改造前強油風冷模式與改造后自然冷卻模式冷卻效果進行對比，如圖5 所示，改造后的油溫和繞組溫度有小幅的下降趨勢。對改造后自然冷卻模式與改造后自然風冷模式冷卻效果進行對比，如圖6 所示，改造后的油溫和繞組溫度有大幅度的下降趨勢，油面溫度最小降低9.1℃，最大10.45℃。

（2）改造后的自然冷卻模式相比改造前強油風冷模式散熱效果有小幅度的提升，改造后自然風冷方式散熱效果相比改造前強油風冷效果明顯。比照變壓器6 度法則[10]，變壓器改造后絕緣壽命獲得一定程度延長。

（3）按照主變改造后大量運行工況下，如運行在小負荷、低油溫狀態，無需啟動風機考慮，變壓器改造后將節約大量電能損失。

（4）通過現場實際監測數據，變壓器改造后的油面、繞組溫升滿足國標：油面溫升≤55K，繞組溫升≤60K的要求。該主變冷卻系統改造之后運行優于冷改之前的變壓器狀態，具備實現無人/少人值守運行條件。

4 結語

開展500kV 主變ODAF 冷卻系統現場改型研究及應用，對500kV 主變壓器ODAF 冷卻系統現場改型進行溫升計算、新裝儲油柜柜座及柜腳的受力及變形計算分析，制定針對改造方案，并經現場改造驗證，冷卻效果滿足現場運行要求。