強(qiáng)油風(fēng)冷變壓器冷卻系統(tǒng)改造的探討與實(shí)踐

南春雷　吳繼兵　白永祥　梅紀(jì)東　李文興

摘 要：結(jié)合一例運(yùn)行中大型電力變壓器冷卻系統(tǒng)存在的問題，分析了變壓器冷卻器實(shí)施改造的必要性，介紹了變壓器冷卻器改造原則、總體方案選擇以及冷卻系統(tǒng)設(shè)備的選型，并對變壓器冷卻器改造的現(xiàn)場實(shí)施情況、改造過程和質(zhì)量技術(shù)控制措施進(jìn)行說明，提出了電力變壓器冷卻系統(tǒng)現(xiàn)場改造應(yīng)注意的問題，總結(jié)了電力系變壓器冷卻系統(tǒng)現(xiàn)場改造經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行了冷卻效果、經(jīng)濟(jì)效益分析。

關(guān)鍵詞：變壓器 冷卻器 改造

中圖分類號：TM41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（b）-0025-03

電力變壓器是電網(wǎng)運(yùn)行的主設(shè)備，冷卻系統(tǒng)則是變壓器的重要輔助設(shè)備之一，其運(yùn)行質(zhì)量直接關(guān)系到變壓器的負(fù)載能力和運(yùn)行壽命。運(yùn)行時間超過20年的早期220 kV大型變壓器，一般采用鋼管鋁翅散熱片單循環(huán)式的風(fēng)冷卻器，在長期較為惡劣的運(yùn)行環(huán)境下，鋁翅散熱片與鋼管極可能分離，造成散熱效果嚴(yán)重下降；還有數(shù)量較多的高速潛油泵和老式風(fēng)機(jī)不僅存在安全隱患，而且每年還將產(chǎn)生大量不必要的電能消耗。另外，因冷卻系統(tǒng)老化，運(yùn)行中頻繁出現(xiàn)故障，也造成變壓器運(yùn)行維護(hù)成本逐步加大。為了有效解決這一問題，筆者對220 kV五原變電站#3主變強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)改造進(jìn)行了分析論證和現(xiàn)場實(shí)施，收到了很好的效果，達(dá)到了預(yù)期目的。

1 可研分析和方案設(shè)計

1.1 現(xiàn)狀分析

五#3主變型號為SFPSZ1-120000/220，西安變壓器廠1987年生產(chǎn)，1988年9月投入運(yùn)行。該主變原冷卻系統(tǒng)采用10組YF100-380冷卻器，單組油流量1×20 m3/h，風(fēng)流量4×5 600 m3/h。冷卻器采用鋼管鋁翅散熱片，單循環(huán)式結(jié)構(gòu)。潛油泵為老型號高轉(zhuǎn)速（油泵轉(zhuǎn)速為1 450 r/min），風(fēng)扇電機(jī)噪音大、運(yùn)行故障頻發(fā)，風(fēng)冷控制箱嚴(yán)重老化，冷卻系統(tǒng)管路多處出現(xiàn)滲漏油，因此，進(jìn)行該臺主變的冷卻系統(tǒng)改造是十分必要的。

1.2 冷卻系統(tǒng)改造的總體方案

1.2.1 改造原則

在考慮變壓器冷卻系統(tǒng)整體改造方案時，確定了以下幾個原則：一是首先必須滿足主變壓器的冷卻技術(shù)要求，這是改造所要遵循的最基本的原則。二是盡可能保持原變壓器的管路連接方式，因?yàn)閺?qiáng)油循環(huán)冷卻系統(tǒng)存在與內(nèi)部油路匹配的問題，若改變油路，必須對冷卻效果重新核算；同時，若管路連接方式不變，可減少現(xiàn)場工作量。三是盡可能采用原變壓器廠或主力大型變壓器廠的配套產(chǎn)品，因?yàn)榭梢垣@得較好的技術(shù)支持，同時質(zhì)量和售后服務(wù)也可以得到較好的保證。四是改造時一定要考慮變壓器的運(yùn)行時間和投入產(chǎn)出比，若變壓器運(yùn)行在20年左右，進(jìn)行冷卻系統(tǒng)整體改造較為合理，且宜保持原來的冷卻方式，若變壓器運(yùn)行在10年左右，存在噪音控制要求的，可考慮將強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷改為自冷這一方式。

1.2.2 改造目標(biāo)

根據(jù)五#3主變壓器現(xiàn)場實(shí)際情況，確定冷卻方式不變，冷卻器集中固定在支架上，經(jīng)集油室、匯流母管和導(dǎo)油管與變壓器上下節(jié)油箱連接，潛油泵、風(fēng)機(jī)均更換為低轉(zhuǎn)速、節(jié)能型產(chǎn)品，油流繼電器配套進(jìn)行更換，閥門更換為新型真空蝶閥，風(fēng)控箱更換為集中式控制箱。

1.2.3 改造所采用冷卻器數(shù)量計算

經(jīng)查閱該臺主變總損耗是630 kW，初步考慮選用單組額定容量為250 kW的冷卻器，按照15%的裕度及備用1組考慮，則所需冷卻器數(shù)量為：

n=1.15×變壓器總損耗/單組冷卻容量+1

=1.15×630/250+1

=2.89+1

=3.89

進(jìn)位取整，故n=4（組）。

1.2.4 改造后變壓器的溫升計算

（1）變壓器頂層油溫升計算原理概述。

首先根據(jù)冷卻系統(tǒng)改造布置圖，計算油回路系統(tǒng)的油阻力特性，再根據(jù)變壓器油泵的性能曲線確定流過冷卻器的實(shí)際油流量；然后根據(jù)冷卻器的冷卻容量曲線，確定在此實(shí)際油流量和在環(huán)境溫度40 ℃，油溫升為35 K時（即頂層油溫為75 ℃時）的實(shí)際冷卻容量，再同時計算此時滿負(fù)荷時各個冷卻器分擔(dān)的實(shí)際冷卻功率；最后計算在環(huán)境溫度40 ℃，滿負(fù)荷條件下的油溫升。

（2）平均油溫升計算結(jié)論。

計算方法和計算過程參見參考文獻(xiàn)[4]。計算結(jié)論為：冷卻系統(tǒng)在環(huán)境最高溫度40 ℃，油溫升為35 K時，3只冷卻器的冷卻容量為735 kW，大于變壓器的總損耗630 kW，此時每只冷卻器所承擔(dān)的冷卻容量為630/3=210 kW。在環(huán)境溫度為40 ℃時，主變的平均油溫升為31.5 K，頂層油溫為74.5 ℃。

1.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)備的選型

按照前述改造原則和目標(biāo)，經(jīng)對多個廠家方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定選用西安變壓器附件廠生產(chǎn)的YFZL-250 kW型優(yōu)質(zhì)大容量強(qiáng)油風(fēng)冷卻器，該型大容量冷卻器，除油泵、風(fēng)機(jī)增大外，主要是改變了冷卻器的結(jié)構(gòu)，冷卻管采用鋁管整體軋翅成型，冷卻管材料采用鋁合金材料，防腐耐磨，具有均勻良好的導(dǎo)熱系數(shù)，固定鋁合金管的多孔板內(nèi)有鑲嵌槽，保證管板連接部位不滲漏。冷卻器本體還有調(diào)節(jié)本體熱脹冷縮的裝置，每根冷卻管內(nèi)裝有擾流裝置，促使油流狀態(tài)紊流化，管內(nèi)壁開有梅花槽以增大散熱面積，取得良好的冷卻效果。冷卻油泵采用低轉(zhuǎn)速（900 轉(zhuǎn)/min）、大流量（150 m3/h）、低揚(yáng)程（5 m）的盤式電機(jī)，油泵軸承采用E級優(yōu)質(zhì)盤式泵。風(fēng)機(jī)采用大風(fēng)量、低轉(zhuǎn)速、低噪音的優(yōu)質(zhì)風(fēng)機(jī)。冷卻器蝶閥及油泵蝶閥采用DM型真空蝶閥。總控箱采用不銹鋼磨沙噴漆殼體，控制元件采用中外合資產(chǎn)品，質(zhì)量完全滿足風(fēng)冷系統(tǒng)控制技術(shù)要求。經(jīng)核查該變壓器原始檔案、資料及圖紙，進(jìn)行充分技術(shù)論證，該主變采用4組YFZL8-250kW型大容量強(qiáng)油風(fēng)冷卻器，即可完全滿足變壓器使用。

2 現(xiàn)場實(shí)施

2.1 現(xiàn)場實(shí)施方案

（1）主變停電前提前7 d通知供方做好準(zhǔn)備工作，停電并辦理工作票、現(xiàn)場安全監(jiān)護(hù)等。

（2）提供改造過程中的8 t吊車，提供交流電焊機(jī)及電源線、氧氣、乙炔氣割設(shè)備及常用工器具，按照改造工序步驟，拆裝變壓器三側(cè)引線，關(guān)閉變壓器與原導(dǎo)油架之間的所有閥門，并將原導(dǎo)油架和冷卻器中的油放盡，拆除舊冷卻系統(tǒng)和舊總控柜，連接變壓器與新導(dǎo)油架，安裝框架、蝶閥等，吊裝新冷卻器，清理現(xiàn)場，改造設(shè)備就位。

（3）總控箱就位安裝、總控箱的二次電纜敷設(shè)及安裝接線（含至冷卻器和主控室等），打開閥門，進(jìn)行冷卻系統(tǒng)調(diào)試。

（4）變壓器油務(wù)處理，包括本體和有載分接開關(guān)油過濾。

（5）變壓器停運(yùn)前，在供方代表在場的情況下，由需方進(jìn)行下列試驗(yàn)。

①變壓器油（包括色譜分析）試驗(yàn)。

②冷卻器總工作電流、電壓測試，變壓器改造前每天記錄變壓器負(fù)荷、環(huán)境溫度和主變壓器本體溫度24個點(diǎn)。

③紅外測溫。

④變壓器外觀滲漏檢查。

⑤其他試驗(yàn)項(xiàng)目（必要時）。

（6）變壓器冷卻系統(tǒng)在現(xiàn)場組裝完成后，在供方代表在場的情況下，由需方進(jìn)行下列試驗(yàn)。

①測量繞組連同套管的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ。

②器身真空注油后的變壓器油（包括色譜分析）試驗(yàn)，對比試驗(yàn)。

③風(fēng)冷控制裝置的操作試驗(yàn)。

④額定電壓和額定頻率下聲級測量（有條件時）。

⑤冷卻器總工作電流、電壓測試，變壓器改造后在同等負(fù)荷下及環(huán)境條件下每天記錄變壓器負(fù)荷、環(huán)境溫度和主變壓器本體溫度24個點(diǎn)。

⑥變壓器外觀滲漏檢查。

⑦紅外測溫。

⑧其他試驗(yàn)項(xiàng)目（必要時）。

2.2 質(zhì)量技術(shù)要求

（1）改造后須達(dá)到原變壓器的運(yùn)行技術(shù)要求，具體為冷卻器投三備一，變壓器在連續(xù)額定容量穩(wěn)態(tài)下的溫升不高于改造前值。

（2）冷卻系統(tǒng)及改造后框架、蝶閥、焊點(diǎn)、密封部位等保證無滲漏現(xiàn)象，冷卻器在任何運(yùn)行方式下不會出現(xiàn)油路循環(huán)死角。

（3）改造后同等條件下的變壓器溫升比改造前的變壓器溫升顯著下降。

（4）冷卻系統(tǒng)安裝符合國家及行業(yè)有關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，美觀大方。

（5）冷卻系統(tǒng)各部件運(yùn)行正常。

（6）冷卻系統(tǒng)安裝除符合訂貨技術(shù)條件外尚須符合國家及行業(yè)有關(guān)規(guī)定。

2.3 現(xiàn)場改造的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

（1）由于管路連接大多在現(xiàn)場進(jìn)行焊接，所以，焊裝新冷卻器安裝支架，應(yīng)將新導(dǎo)油架預(yù)裝在支撐上，焊接新連管、閥蘭時應(yīng)平放地上焊接，焊接完畢后用變壓器油沖洗內(nèi)部，避免殘留金屬粉末進(jìn)入變壓器內(nèi)部。

（2）密封件更換一定要選用優(yōu)質(zhì)O形密封墊，均勻壓接，避免滲漏。

（3）鋁合金密封蝶閥更換一定要注意管路連接的合理性，避免蝶閥異常受力而破裂，進(jìn)而造成滲漏。

（4）一定要嚴(yán)格按規(guī)程要求控制變壓器身暴露的時間，注油時一定按照規(guī)程要求真空注油，并按照規(guī)定時間靜置，同時注意檢漏。

（5）投運(yùn)時注意檢查所有閥門在打開狀態(tài)。

3 改造效果的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估

3.1 冷卻效果對比

通過該項(xiàng)技術(shù)改造，圓滿達(dá)到了預(yù)定技術(shù)指標(biāo)，消除了事故隱患，提升冷卻能力，降低了冷卻損耗。在正常運(yùn)行方式下，某時期五3#主變負(fù)荷及變化規(guī)律較為穩(wěn)定，在負(fù)荷、環(huán)境溫度及變化基本一致的情況下，將改造前后某兩日溫度對比曲線繪制圖1所示，其中上部曲線為五3#主變冷卻系統(tǒng)改造前的情況，改造以后，平均降幅在5 K左右。

3.2 改造經(jīng)濟(jì)效益核算

3.2.1 改造前現(xiàn)場實(shí)測

Uab=378.4 V，Ubc=376.6 V，Uca=377 V

平均值為377.3 V

Ia=52.4 A，Ib=51.6 A，Ic=51.4 A

平均值為51.8 A，

其中，功率因數(shù)為0.96，

P1=1.732×377.3×51.8×0.96=32.5（kW）

3.2.2 改造后現(xiàn)場實(shí)測

Uab=378.4 V，Ubc=376.6 V，Uca=377 V

平均值為379.1 V

Ia=33.1 A，Ib=33.1 A，Ic=33.5 A

平均值為33.2 A，

其中，功率因數(shù)為0.96，

P2=1.732×379.1×33.5×0.96=21.1（kW）

3.2.3節(jié)能計算

考慮主變的平均滿負(fù)荷運(yùn)行系數(shù)0.6，

P=0.6×（P1-P2）

=0.6×（32.5-21.1）

=6.84（kW）

每年節(jié)電=6.84×8760=59 918.4（度）。

若按照繼續(xù)運(yùn)行15年考慮，則可節(jié)電898 776度，節(jié)能效果十分明顯。另外，五#3主變冷卻系統(tǒng)缺陷處理平均17次/年，計算電機(jī)修理費(fèi)、材料費(fèi)、汽車臺班和人員差旅費(fèi)等，每年大約可節(jié)約成本14 555元。綜合以上情況，以靜態(tài)估算來看，運(yùn)行7年即可收回改造投資成本，運(yùn)行15年，總計可節(jié)約成本100萬元左右。

4 結(jié)語

變壓器冷卻系統(tǒng)改造主要是確保改造后變壓器在額定容量運(yùn)行時冷卻系統(tǒng)能滿足變壓器的技術(shù)要求，通過上述的探討與實(shí)踐，筆者認(rèn)為強(qiáng)油循環(huán)冷卻變壓器的冷卻系統(tǒng)整體改造，不僅要重視前期方案實(shí)施的可行性研究，而且還要高度關(guān)注現(xiàn)場實(shí)施的計劃性和預(yù)定工序，以及隨時可能出現(xiàn)的特殊情況，只有做到了這一點(diǎn)，才能確保改造的綜合效果，為主變壓器的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T17468-1998，電力變壓器選用導(dǎo)則[S].

[2] GB/T8315-2007，變壓器用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻器[S].

[3] 韓忠民.電力變壓器手冊[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1990.

[4] 廠方關(guān)于五#3主變風(fēng)冷系統(tǒng)改造溫升計算書[Z].