極端高溫天氣對戶外電抗器運行工況的影響及改造

張智泉，俞軍偉

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

某大型水電站電站裝機容量為3 000 MW(6×500 MW），平均海拔3 000 m，具有多年調節能力。該水電站500 kV高壓并聯電抗器（型號：BKD-60000/500）自2021年9月投運，在2022年主汛期期間，該水電站所在地出現極端高溫天氣，電抗器運行環境溫度遠超設計值，導致電抗器運行溫度接近報警值。

1 500 kV高壓并聯電抗器結構參數

該水電站戶外高壓并聯電抗器為單相、油浸、自冷、氣隙鐵心式的產品。電抗器采用單芯柱加兩旁軛的鐵心結構，芯柱帶有氣隙墊塊；線圈采用餅式結構；器身在油箱中合理布置，強力定位；油箱采用桶式結構，整體能耐受全真空和正壓；頂部油枕采用膠囊式式儲油柜；本產品冷卻方式為自然冷卻，散熱器安裝于本體一側[1]。外部配有油面溫控器、繞組溫控器、氣體繼電器、壓力釋放裝置、速動壓力繼電器等保護裝置。

2 極端高溫天氣對戶外電抗器運行工況的影響

該電站地處高原，晝夜溫差大，空氣壓力和密度較低，空氣絕對濕度小，降水量少；日照時間長，太陽輻射照度較高，紫外線強。

表1 高壓并聯電抗器參數信息表

圖1 該電站高壓并聯電抗器外形圖

表2 該電站所處地自然環境條件信息表

該水電站500 kV高壓并聯電抗器為電網及電廠重要運行設備，其型式為戶外油浸式變壓器，冷卻方式為自然冷卻。因其地處高原，日照較強，在白天尤其是夏季日照直射情況下設備所處環境溫度較高。在2022年夏季該出現罕見極端高溫天氣時，電抗器運行環境溫度達40℃以上，電抗器油溫最高達75℃，繞組溫度最高達96℃，而油面溫度高報警定值85℃，繞組溫度高報警定值為100℃，電抗器實際運行溫度較為接近溫度報警限值。若后續出現更加極端高溫的天氣，電抗器運行溫度會進一步升高，將增加設備運行風險。而且電抗器運行溫度過高，會加劇絕緣老化，減少電抗器使用壽命，不利于電抗器長期安全穩定運行[2，3]。

3 戶外電抗器改造增設風機

該水電站高壓電抗器散熱器與本體分開獨立放置。裝設有若干組可拆卸式520型寬片散熱器。電抗器熱油通過油箱頂部管路進入散熱器進行自主散熱；油在散熱器內冷卻后，通過其下部管路進入電抗器油箱底部，再次實現散熱循環。

電抗器在設計階段考慮應對可能出現的極端高溫天氣在散熱器上預留了冷卻風機加裝接口。因此運維人員擬在每相電抗器散熱器底部預留接口上增加3臺底吹式冷卻風機，以增強散熱效果，風機采用自動控制方式，利用溫控器溫度信號進行自動投切。

圖2 2022年7月~8月該電站電抗器繞組溫度變化趨勢圖

圖3 2022年7月~8月該電站電抗器油面溫度變化趨勢圖

圖4 電抗器散熱冷卻原理圖

電抗器每相配置有8組散熱器，結合現場基礎情況，吹風裝置布置在電抗器散熱器下方，風機采用掛裝式安裝方式，將散熱器下方油管做為風機的固定支點，利用U型管夾安裝固定支撐槽鋼，最后將吹風裝置用螺栓連接固定在槽鋼下方。每臺電抗器布置3組風機，三相電抗器共計裝設9臺風機，風機風量20 000 m3/h，風壓80 Pa。

4 冷卻風機冷卻效果計算

并聯電抗器的繞組流過電流時，會產生電阻損耗，大部分的損耗以熱能的方式存在。并聯電抗器的鐵心流過主磁通時，金屬結構件流過漏磁通時，都會產生渦流損耗，也會以熱能的方式存在[4，5]。電阻損耗和渦流損耗構成了并聯電抗器的熱源，這些熱量會以熱傳導的形式擴散到電抗器油中，導致油溫升高，熱油會向上浮動，通過油箱上部蝶閥進入到并聯電抗器的冷卻系統中，待電抗器油冷卻后，冷油通過油箱下部蝶閥回到油箱中。

圖5 單臺風機安裝示意圖

圖6 單相電抗器風機安裝示意圖1

圖7 單相電抗器風機安裝示意圖2

下面分析并聯電抗器溫升的理論計算。

電抗器油溫升計算公式如下：

首先，計算并聯電抗器的熱負載為

其中，k為熱負載系數；Pc為繞組損耗（kW）；PF為鐵心損耗（kW）；Syx為油箱的有效散熱面積（cm2）。

其次，計算電抗器油的平均溫升為

其中，為油平均溫升計算系數。

最后，計算電抗器頂層油溫升為

其中，km為頂層油溫升經驗系數；Δτm為校正值，可根據并聯電抗器繞組、鐵心、冷卻系統的尺寸計算得到。

并聯電抗器繞組溫升計算公式如下：

首先，計算繞組熱負載為

其中，PR為繞組的直流電阻損耗（kW）；Kf為繞組的附加損耗系數；αf為繞組絕緣校正系數；Sqbz為繞組的軸向散熱面積（cm2）；Sqbh為繞組的幅向散熱面積（cm2）。

其次，計算繞組銅油溫差為

其中，kqb為銅油溫差經驗系數；Δτδ為繞組絕緣校正溫差值（K）。

再次，計算繞組平均溫升為

最后，計算繞組熱點溫升為

其中，kw為繞組熱點溫升經驗系數。

該水電站高壓電抗器選用西電配套散熱器（型號PC 2900-24/520），每相共8組,自然風冷散熱面為713.55 mm2。

Un下計算溫升的損耗計算值=117.194 kW（按照國標規定繞組溫升為65 K,年平均溫度為20℃，即繞組溫度按85℃考慮）。油平均及油頂層溫升計算值、繞組平均溫升計算值如下：

油平均溫升θy=31.8（K）；

油頂層溫升θym=42.2（K）；

繞組平均溫升θqb=47.2（K）；

繞組熱點溫升θqbm=62.1（K）。

以上計算結果為1 000 m海拔下，按照國標規定，海拔高于1 000 m時，海拔每上升400 m，溫升需修正1 K，本項目海拔為3 000 m，需修正（3 000-1 000）/400=5 K，即以上計算結果在3 000 m海拔下的溫升需+5 K。換算至3 000 m海拔下無風機自然冷卻時：

油平均溫升θy=36.8（K）；

油頂層溫升θym=47.2（K）；

繞組平均溫升θqb=52.2（K）；

繞組熱點溫升θqbm=67.1（K）。

當增加三組風量20 000 m2/h的風機時（1 000 m海拔下）：

此時，風冷散熱面=1 230.25 mm2；

油平均溫升θy=20.6（K）；

油頂層溫升θym=28.7（K）；

繞組平均溫升θqb=35.9（K）；

繞組熱點溫升θqbm=48.6（K）。

當增加三組風量20 000 m2/h的風機時（3 000 m海拔下）：

油頂層溫升θym=28.7+5=33.7（K）；

繞組平均溫升θqb=35.9+5=40.9（K）；

繞組熱點溫升θqbm=48.6+5=53.6（K）。

表3 該電站3 000 m海拔下溫升計算統計

5 冷卻風機智能控制策略

智能控制策略是電抗器冷卻風機控制系統的核心。只有確定了基本的控制策略后，才能進一步選擇和設計控制系統的硬件和軟件。油浸風冷式電抗器油溫的控制，主要是通過對冷卻器中冷卻風機的投切來實現的，所以對冷卻風機智能投切策略的研究是本節的重點。

電抗器冷卻器控制系統控制過程簡述為：①通過溫度傳感器獲取電抗器相應的部位的溫度，依據相應的控制策略，將啟動停止冷卻風機的數量輸出為電氣控制信號輸出；②電氣控制信號控制相應的風機啟動或停止；③通過對冷卻風機啟動數量的調節，來改變電抗器的散熱量，以此實現對電抗器溫度的控制[5]。

根據電抗器冷卻風機的運行特征，繪制了電抗器風冷自動控制框架圖如圖8所示，控制系統通過對電抗器油面溫度進行監測，采集得到電抗器頂層油溫數據，進而進行電抗器風冷控制系統的投退邏輯判定。

圖8 油溫自動控制系統框圖

冷卻系統投退邏輯判定如下述：油浸風冷式電抗器，其冷卻器的控制策略控制依托于電抗器油面溫度計，簡稱油溫表，油溫表讀取電抗器的頂層油溫，當油溫達到定值時（定值可調），觸發其表計內對應的微動開關，導通控制系統內的相關回路，啟動或切除風機。

該水電站高壓并聯電抗器冷卻風機控制系統是一種非線性控制系統，結合用兩個繼電器的觸點組成“不啟動風機”、“啟動全部風機”兩種輸出狀態。具體實現方法為：當頂層油溫低于設定值50℃時，油溫表內置的微動開關不動作，相關回路都不導通，上、下限繼電器保持斷開狀態，系統進入“不啟動風機”，此時所有散熱風機組均不啟動；當頂層油溫到設定值65℃時，油溫表內置的微動開關動作，繼電器吸合，接通散熱器的電源，系統進入“啟動全部風機”狀態。這種控制方式根據設定的頂層油溫值，利用繼電器的邏輯控制對風機進行整組投切，在達到散熱目的的同時也降低了硬件成本。

其控制邏輯如圖9所示。

圖9 冷卻風機智能邏輯控制圖

6 戶外電抗器增設風機改造施工及效果

該水電站運維人員與2023年1月對電抗器進行加裝風機施工改造，現場共裝設9臺冷卻風機及1臺風機控制柜，可以通過自動控制或手動控制模式實現風機啟停。冷卻器風機自動控制策略如下。

（1）當電抗器處于正常運行狀態，且電抗器頂層油溫小于50℃，不投入風機。

（2）當電抗器頂層油溫高于65℃時，啟動所有風機進行快速降溫。

改造效果如圖10所示。

該水電站對電抗器進行加裝風機施工改造后，降溫效果明顯，2023年7月~8月間電抗器繞組溫度最高87℃，油面溫度最高65℃。改造后2023年7月~8月電抗器繞組溫度及油面溫度變化趨勢圖如下圖所示，較去年同期（見圖11、圖12）溫度下降約10 K，與溫升計算結果基本一致。此次改造工程進一步提升了該水電站高壓電抗器應對極端高溫天氣的能力及運行可靠性。

圖11 2023年7月~8月該電站電抗器繞組溫度變化趨勢圖

圖12 2023年7月~8月該電站電抗器油面溫度變化趨勢圖

7 結論

該水電站運維人員針對極端高溫環境下高壓并聯電抗器運行過程中產生顯著溫升效應的隱患，設計改造了電抗器由片式散熱器油浸自冷系統改為片式散熱器油浸風冷系統的設計方案，并對加裝冷卻風機后的冷卻效率進行了詳細、準確的計算。根據長期的實際操作經驗，將冷卻系統現場改造可能遇到的工藝難題，逐一做出了技術解決方案。改造后的電抗器冷卻系統不僅使電抗器運行更加安全、可靠，還大大減少了運維工作量，大幅節約了檢修成本。隨著國家倡導的節能降耗、安全平穩的方針政策不斷深入，無人值守的智慧型水電站是水電行業發展重中之重。所以，對于該水電站戶外高壓并聯電抗器冷卻系統的改造是十分必要的，本文改造方案對老舊型式戶外高壓并聯電抗器冷卻系統的改造也具有重要的指導意義。