大型電抗器現(xiàn)場直流輔油加熱技術(shù)研究

時(shí)東偉，劉 永，楊在葆，韓 凱，馬華輝

（山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

0 引言

變壓器油在運(yùn)輸過程中，容易受到環(huán)境影響而出現(xiàn)受潮現(xiàn)象。因此，一般在進(jìn)行油浸式變壓器或者電抗器的現(xiàn)場交接試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)變壓器油進(jìn)行加熱干燥處理，使得變壓器平均油溫達(dá)到70℃左右。傳統(tǒng)的現(xiàn)場加熱干燥方法是利用濾油機(jī)進(jìn)行熱油循環(huán)，但是此種方法在環(huán)境溫度極低的情況下根本無法滿足試驗(yàn)條件[1-2]。對(duì)大型電力變壓器而言，可以通過短路法輔助熱油循環(huán)進(jìn)行加熱。但是，大型電抗器不同于變壓器，只有一個(gè)線圈，如果直接對(duì)電抗器進(jìn)行交流加熱的話，無論是電壓還是電流現(xiàn)場都無法達(dá)到。在環(huán)境溫度極低的情況下，大型電抗器的現(xiàn)場干燥加熱一直是一個(gè)難題。

直流加熱技術(shù)一種采用直流電流對(duì)電抗器進(jìn)行加熱的技術(shù)，該技術(shù)從電抗器繞組內(nèi)部進(jìn)行加熱，由內(nèi)向外進(jìn)行加熱，加熱均勻，效果顯著。分析大型電抗器直流加熱法的加熱能力，并與傳統(tǒng)濾油機(jī)熱油循環(huán)方法的加熱能力進(jìn)行對(duì)比。由于變壓器油的加熱效果與施加于電抗器內(nèi)部的熱量有直接關(guān)系，采取了直流加熱輔助熱油循環(huán)的方法對(duì)大型電抗器進(jìn)行現(xiàn)場加熱干燥處理。研究成果對(duì)縮短電抗器安裝工期、提高現(xiàn)場干燥效果和保障電抗器安全投運(yùn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 直流加熱法

1.1 直流加熱原理

直流加熱法是對(duì)電抗器繞組直接施加直流電壓，使繞組內(nèi)流過直流電流，利用電抗器繞組直阻損耗產(chǎn)生的熱量對(duì)電抗器進(jìn)行直接加熱的方法。由于電抗器的阻值一般比較大，因此該方法具有很強(qiáng)的加熱能力。當(dāng)采用直流加熱法對(duì)電抗器進(jìn)行加熱時(shí)，不需要保溫材料和磁化線圈，熱量從線圈到內(nèi)部產(chǎn)生，且變壓器油溫度上升比較快。目前，直流加熱法是大型電抗器進(jìn)行加熱干燥的唯一有效方法，可以對(duì)超特高壓電抗器以及其他各種小型電抗器進(jìn)行現(xiàn)場加熱。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

直流加熱法加熱裝置由調(diào)壓器、整流柜、斷路器以及相應(yīng)的測量裝置和控制保護(hù)系統(tǒng)的直流加熱裝置組成。對(duì)電抗器加熱時(shí)，將電抗器串入直流電路中，對(duì)電抗器施加直流電流。

直流加熱法對(duì)大型電抗器進(jìn)行內(nèi)部加熱，即對(duì)繞組施加恒定的直流電流，使其內(nèi)部繞組發(fā)熱。從內(nèi)部將器身絕緣均勻加熱到指定溫度，輔以熱油循環(huán)帶出絕緣內(nèi)的潮氣，從而達(dá)到干燥的效果[3-4]。直流加熱法所需電壓低（380 V即可），可移動(dòng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作。

在對(duì)電抗器進(jìn)行直流加熱試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意施加的直流電流不要超過額定電流值的80%，防止對(duì)鐵芯造成不必要的傷害。同時(shí)，要做好溫度的記錄，每隔0.5 h記錄一次。直流加熱法加熱時(shí)，要求輸入的電流可調(diào)，加熱電流通過調(diào)節(jié)繞組施加電壓來實(shí)現(xiàn)，因此，裝置中需配備調(diào)壓器。

1.3 直流加熱法分析

利用直流加熱法進(jìn)行加熱時(shí)，變壓器油溫隨時(shí)間的變化公式為

式中：X1為繞組對(duì)變壓器油的對(duì)流換熱功率，kW／℃；X4為空氣的對(duì)流換熱功率，kW／℃；k為常數(shù)；I為施加直流電流，A；R75為 75℃時(shí)繞組直阻，Ω；c油為變壓器油比熱，J／（kg·℃）；m油為變壓器油質(zhì)量，kg；T 為變壓器油的加熱時(shí)間，s；t空氣為環(huán)境溫度，℃。

以160 Mvar／1 000 kV電抗為例，采用直流加熱方案對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。已知變壓器油總油重48.6 t，變壓器油的比熱約為 2.1×103（J／kg·℃）。根據(jù)油箱壁的散熱面積和現(xiàn)場試驗(yàn)的氣候情況，X1約8 kW／℃。在加熱時(shí)，在電抗器表面披上棉被可減小散熱系數(shù)，X4約為1 kW／℃。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑碾娮柚礡75=2.74 Ω，則I2R75=111.36 kW。在油紙絕緣加熱至70℃時(shí)，可以在不損害器身絕緣和變壓器油的情況下，達(dá)到很好的干燥效果[5]。因此，主要分析將油溫加熱至70℃時(shí)所需的時(shí)間。

當(dāng)T=0時(shí)，油溫就等于環(huán)境溫度。當(dāng)環(huán)境溫度為-10℃，把各參數(shù)代入式（1），解出k=-135.5。因此，式（1）可以修正為

根據(jù)IEC60076-1-2011、GB 50150—2016規(guī)定，變壓器在交接預(yù)防試驗(yàn)和并網(wǎng)時(shí)，器身溫度要在5℃以上。如圖1所示，通過直流加熱法，大約5.6 h可以達(dá)到平均油溫5℃。但是，當(dāng)變壓器油的溫度從-10℃升到70℃時(shí)，時(shí)間比較長，大約需要42 h。

圖1 直流加熱時(shí)間與油溫關(guān)系

2 熱油循環(huán)法

式中：ρ為變壓器油密度，kg／m3；s為輸油管面積，m2；v 為變壓器油流速，m／s；ρsv 為濾油機(jī)的流量，kg／s；X4為空氣的對(duì)流換熱功率，kW／℃；k為常數(shù)；t入口為變壓器油入口溫度，℃。

在利用濾油機(jī)進(jìn)行熱油循環(huán)時(shí)，為防止損壞油質(zhì)，需控制濾油機(jī)的出口溫度，濾油機(jī)出口溫度不低于50℃[6]。在進(jìn)行熱油循環(huán)時(shí)，采取的是恒溫控制，濾油機(jī)的功率是變化的。

油溫與時(shí)間的表達(dá)式為

圖2 熱油循環(huán)時(shí)間與油溫關(guān)系

假設(shè)濾油機(jī)出口輸出的最高溫度為70℃，環(huán)境溫度為-10℃，當(dāng)T=0時(shí)，k=70，濾油機(jī)的流量是1.666 7 kg／s，X4=1 kJ／℃，則公式（3）可以校準(zhǔn)為

由圖2可知，利用熱油循環(huán)法進(jìn)行干燥加熱試驗(yàn)時(shí)，在開始的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)變壓器油溫上升很快，但是并不能達(dá)到干燥的要求值（70±2）℃。

3 直流輔油加熱法

直流法加熱效率高，可以將變壓器油溫升到干燥所需的溫度，但加熱時(shí)間比較長；熱油循環(huán)法加熱比較快，但是變壓器油加熱溫度較低。因此，可以各取所長，將直流加熱法和熱油循環(huán)法同時(shí)使用，把這種方法稱之為直流輔油加熱法。綜合其公式為

圖3 直流輔油加熱法時(shí)間與油溫關(guān)系

從圖3可以看出，直流輔油加熱技術(shù)結(jié)合了直流加熱和熱油循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)比直流加熱法、熱油循環(huán)法與輔油加熱方法的加熱能力，如圖4所示。直流法加熱裝置將油溫從-10℃ 加熱至（70±2）℃需要42 h。在溫度為-10℃的情況下，最高也只能將油溫從-10℃升至52.2℃，而且繼續(xù)往上升溫的速度會(huì)越來越慢。直流輔油加熱法則可以在15 h內(nèi)，將變壓器油從-10℃升高到（70±2）℃。

圖4 輔油加熱法、直流加熱法和熱油循環(huán)法對(duì)比

在實(shí)際的熱油循環(huán)試驗(yàn)中，濾油機(jī)的出口油溫達(dá)不到70℃，而且在熱油管中也有很大能量損耗。因此，直流輔油加熱法的加熱能力要大大優(yōu)于濾油機(jī)，并能夠滿足在極低溫環(huán)境下進(jìn)行直流加熱干燥的需求，更適合大型電抗器的現(xiàn)場試驗(yàn)。

4 直流輔助加熱在電抗器中的應(yīng)用

對(duì)160 Mvar／1 000 kV電抗器進(jìn)行直流輔油加熱試驗(yàn)，現(xiàn)場環(huán)境溫度為-7℃，具體試驗(yàn)參數(shù)參考以上分析數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場直流輔油加熱技術(shù)需要濾油機(jī)和直流加熱裝置配合使用，現(xiàn)場直流加熱裝置只需對(duì)電抗器送一定大小的直流電流，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)特高壓電抗器的現(xiàn)場加熱。另外，為了減小片散熱量，外加防雨阻燃保溫被，散上下端蝶閥關(guān)閉不開泵，不吹風(fēng)。

采用直流輔油加熱法對(duì)特高壓電抗器進(jìn)行現(xiàn)場加熱干燥的步驟如下。

1）裝置現(xiàn)場安裝及接線。完成現(xiàn)場直流加熱法加熱裝置各組件以及裝置與站內(nèi)電源、裝置與加熱對(duì)象電抗器之間的電氣連接。在電抗器外加防雨阻燃保溫被片散上端蝶閥打開，下端蝶閥關(guān)閉不開泵，不吹風(fēng)。

2）打開濾油機(jī)使得濾油機(jī)出口的溫度保持在70℃左右，同時(shí)對(duì)電抗器進(jìn)行小電流調(diào)試，檢查電流測量回路是否正常，調(diào)壓器和整流柜輸出有無異常，如有異常應(yīng)立即停止試驗(yàn)。

3）現(xiàn)場直流加熱干燥。調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸入，使得整流柜輸出電流達(dá)到80%的額定電流。然后調(diào)節(jié)調(diào)壓器電壓，使得電抗器頂層油溫始終保持在（70±2）℃的波動(dòng)范圍內(nèi) 12 h[6-7]。

在試驗(yàn)結(jié)束后，調(diào)壓器要緩緩降壓到零位。然后，對(duì)電抗器進(jìn)行徹底放電，防止殘余電荷對(duì)試驗(yàn)人員的傷害以及其對(duì)他試驗(yàn)的影響。

在進(jìn)行現(xiàn)場直流加熱試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)注意整流柜輸出電壓波形，對(duì)直流輸出電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如圖5所示，并用萬用表測量整流柜輸出電壓和電流大小。同時(shí)，用紅外線測溫儀檢測熱點(diǎn)溫度，如圖6所示。

選取部分現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為變壓器頂層油溫度和下聯(lián)管油溫度，如表1所示。

圖5 整流柜輸出電壓和電流

圖6 紅外線檢測

表1 電抗器現(xiàn)場直流加熱數(shù)據(jù)

由表1可知，變壓器油溫在很短的時(shí)間內(nèi)就可以升高到70℃左右，驗(yàn)證了直流輔油加熱試驗(yàn)的優(yōu)越性[8]。因此，直流輔油加熱技術(shù)可以有效、快速地將現(xiàn)場電抗器的油溫提高，達(dá)到了預(yù)期的干燥目的。

5 結(jié)語

提出大型電抗器現(xiàn)場直流加熱方法，通過理論分析證明其在現(xiàn)場直流加熱中的可行性，分析電抗器現(xiàn)場直流加熱法、熱油循環(huán)法的優(yōu)缺點(diǎn)，確定直流輔油加熱法是適合大型電抗器現(xiàn)場加熱干燥的有效方法。現(xiàn)場試驗(yàn)表明，直流輔油加熱法干燥效果良好，加熱均勻且效率高，能夠大大縮短干燥處理工期，值得在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行推廣使用。