金沙水電站主變壓器冷卻方式改造研究

宋建濤 黃小川 汪銳 李西安

摘要：為解決金沙水電站主變壓器運行溫度過高的問題，結(jié)合現(xiàn)場主變運行實況，對幾種主變壓器冷卻方式進(jìn)行對比分析，提出將主變壓器冷卻方式改造成油浸風(fēng)冷式的方法使主變壓器油溫達(dá)到運行要求。通過加裝風(fēng)機增強主變散熱，加裝風(fēng)機后主變在滿負(fù)荷條件下繞組溫度降低至85 ℃以下，主變上層油溫長期在60 ℃～75 ℃，散熱效果良好。采用油浸風(fēng)冷為主變壓器冷卻方式改造兼顧運行及經(jīng)濟效益是最佳方案。

關(guān)鍵詞：主變壓器冷卻; 油浸風(fēng)冷式; 改造效果; 金沙水電站; 攀枝花市

中圖法分類號：TM407 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.017

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0077 - 05

0 引 言

變壓器在運行過程中會產(chǎn)生大量熱量 ， 這些熱量以傳導(dǎo)、對流和輻射的方式向外擴散[1]。要保證變壓器以良好的工況運行，必須及時將熱量轉(zhuǎn)移，以維持變壓器在正常的溫度范圍內(nèi)工作。由于結(jié)構(gòu)和工作原理方面的原因，變壓器運行時不可避免地會產(chǎn)生鐵損、銅損，并轉(zhuǎn)化為熱量使變壓器溫度升高。過高的溫度使變壓器工作能力和效率降低，絕緣老化、使用壽命降低。因此，變壓器冷卻裝置的可靠運行對于變壓器的正常工作異常重要。當(dāng)變壓器長期處于過熱狀態(tài)后，不僅會加大電力系統(tǒng)輸電損耗，導(dǎo)致輸出容量大大低于額定容量，還會造成變壓器絕緣材料的絕緣電阻大大下降，加速絕緣材料老化，降低變壓器的效率和使用壽命，嚴(yán)重時還會引起局部放電，發(fā)生漏電事故，甚至引起整個變壓器的爆炸。所以，變壓器的安全運行直接影響到整個電力系統(tǒng)的安全可靠性[2]。相關(guān)研究表明：變壓器運行時鐵芯繞組發(fā)熱引起的繞組老化問題是加速縮短其使用壽命的直接因素，而這一部分發(fā)熱是無法避免的。根據(jù)6 ℃法則，繞組溫度每升高6 ℃，其絕緣將以2倍的速度加速老化，絕緣材料壽命將變?yōu)樵瓉淼囊话隱3-4]。因此，為提高變壓器的使用壽命，防止不良散熱對變壓器造成的損壞，改善變壓器的散熱方式以及散熱水平十分重要。結(jié)合金沙水電站主變壓器（以下簡稱“主變”）運行繞組溫度最高達(dá)101.5 ℃的運行實況，需對主變冷卻方式進(jìn)行改造。此前，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)曾有過由油浸風(fēng)冷式轉(zhuǎn)為油浸自冷式的案例分析[5-7]，而針對主變冷卻方式由油浸自冷式改為油浸風(fēng)冷式相關(guān)案例記載則較為稀少，因此金沙水電站主變由油浸自冷式改為油浸風(fēng)冷式的案例可為其他同類型水電站提供借鑒。

1 工程概況

大型電力變壓器的損耗很大，按舊標(biāo)準(zhǔn)制造的大型電力變壓器難以采用片式散熱器。隨著科技進(jìn)步和制造工藝的發(fā)展，近年制定了新的電力變壓器制造標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6451—1995《三相油浸電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》[8]。按新標(biāo)準(zhǔn)制造的產(chǎn)品損耗有了大幅度降低，為大型電力變壓器采用片式散熱器提供了極為有利的條件。近年，大型電力變壓器冷卻裝置開始應(yīng)用片式散熱器，取代了傳統(tǒng)的“冷卻器”，最大的優(yōu)點是可以組成自然循環(huán)自然冷卻/自然循環(huán)風(fēng)冷（ONAN/ONAF）的冷卻方式。新型技術(shù)的發(fā)展為金沙水電站主變采用片式散熱油浸自冷提供了有力的理論和技術(shù)支撐。

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，是金沙江中游河段十級水電樞紐的第九個梯級電站，上距觀音巖水電站28.9 km，下距銀江水電站21.3 km。電站正常蓄水位1 022 m，總裝機容量56萬kW（560 MW），多年平均發(fā)電量為21.77億kW·h，共裝設(shè)4臺單機容量為14萬kW（140 MW）軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組。電站主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼有供水、改善城市水域景觀和城市取水條件，以及對觀音巖水電站的反調(diào)節(jié)作用等。電廠電氣主接線采用發(fā)電機-變壓器單元接線方式，經(jīng)主變升壓至220 kV雙母線， 電能由220 kV中西一線、中西二線同塔雙回線路送至西佛寺變電站國家電網(wǎng)。

2 金沙水電站主變壓器

金沙水電站主變壓器型號為S11-160000/242。變壓器冷卻方式為自冷（ONAN）。由長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，上海正泰電氣股份有限公司制造，為半戶內(nèi)布置的三相油浸雙卷銅線圈片式散熱器自然空冷無勵磁調(diào)壓升壓變壓器。變壓器高壓側(cè)采用油/SF6套管與 252 kVGIS相連接;低壓側(cè)采用油/空氣套管與13.8 kV IPB連接。

變壓器主要參數(shù)如下：

額定容量? ? ?160 MVA

相數(shù)? ? ? ? ? ? ?三相

額定頻率? ? ?50 Hz

額定電壓? ? ?（242±2）×2.5% kV（高壓側(cè)），

13.8 kV （低壓側(cè)）

連接組別? ? ?YNd11

阻抗電壓UK的實測值 12%～14%（在額定抽頭下以額定容量為基準(zhǔn)，額定電流、額定頻率下，繞組溫度為75 ℃）

高壓中性點接地方式 ? ?經(jīng)隔離開關(guān)接地

（不直接接地）

高壓出線方式? ? ? ? ? ? ? ? ? ?油/SF6套管

3 主變壓器運行實況

金沙水電站主變采用片式自冷散熱，加之攀枝花常年溫度較高，變壓器自身容量大，空載損耗、負(fù)載損耗產(chǎn)生的大量熱量聚集在半密封的變壓器室內(nèi)，難以通過良好的通風(fēng)路徑排出變壓器室。同時，變壓器距離墻體較近，一定程度上也影響了散熱效果，主變冷卻效果無法達(dá)到預(yù)期。2020年11月30日金沙水電站首臺機組投產(chǎn)發(fā)電以來，主變繞組溫度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示其多次在超過90 ℃條件下運行，最高溫度甚至達(dá)到101.5 ℃。對主變使用壽命及長期安全穩(wěn)定運行造成影響。為保證主變長期安全穩(wěn)定運行，每天定時觀察繞組和油面溫度，并對1號主變油色譜分析數(shù)據(jù)做記錄。通過前期每周對1號主變壓器油進(jìn)行例行取油樣送檢，發(fā)現(xiàn)1號主變壓器油樣色譜氣相試驗乙炔及總烴氣體含量超標(biāo)。根據(jù)送檢數(shù)據(jù)分析，1號主變壓器可能存在瞬間放電現(xiàn)象;放電發(fā)生之后色譜數(shù)據(jù)沒有繼續(xù)增加的趨勢，乙炔及總烴氣體含量已經(jīng)長時間穩(wěn)定，初步可以判斷該放電是一次性的油中放電，放電擊穿后絕緣性能完全恢復(fù)，沒有對1號主變壓器主絕緣系統(tǒng)造成不可恢復(fù)的破壞。但1號主變自投產(chǎn)以來長期于高溫環(huán)境中運行，極可能加速主變油質(zhì)劣化，甚至引發(fā)變壓器運行故障。

4 主變壓器冷卻方式

目前，變壓器的分類方式多種多樣，可按相數(shù)、冷卻方式、用途繞組形式、鐵芯等不同方式進(jìn)行分類[9]。其中，以冷卻方式分類[10]如下。

（1） 油浸自冷式變壓器（ONAN）。繞組浸在變壓器油中，依靠變壓器油的自然熱循環(huán)將熱量帶到油管或散熱片，通過油管或散熱片與外界自然通風(fēng)冷卻。

（2） 油浸風(fēng)冷式變壓器（ONAF）。繞組浸在變壓器油中，依靠油的自然熱循環(huán)將熱量帶到油管散熱器，并由風(fēng)機對其吹風(fēng)冷卻。

（3） 油浸強迫油循環(huán)風(fēng)冷式變壓器（OFAF）。繞組浸在變壓器油中，依靠潛油泵將變壓器絕緣油注入到油管散熱器，并由風(fēng)機對其吹風(fēng)冷卻。

（4） 油浸強迫油循環(huán)水冷式變壓器（OFWF）。用變壓器油泵強迫油循環(huán)，使油流經(jīng)水冷卻器進(jìn)行散熱的冷卻方法。在水冷卻器內(nèi)部通有冷卻水，冷卻水將油的熱量帶走，使熱油得到冷卻。

（5） 強迫油循環(huán)導(dǎo)向風(fēng)冷式變壓器（ODAF）。在繞組等處有特別設(shè)計的導(dǎo)向油道，油泵將冷卻的油送入變壓器后，油先流過油道，使熱量直接由具有一定流速的冷油帶走，降低其最熱點的溫度，而變壓器的上層熱油用油泵抽出，經(jīng)冷卻器，風(fēng)機對其吹風(fēng)冷卻后由油泵送入變壓器下部。

（6） 強迫油循環(huán)導(dǎo)向水冷式變壓器（ODWF）。在繞組等處有特別設(shè)計的導(dǎo)向油道，油泵將冷卻的油送入變壓器后，使油流經(jīng)水冷卻器進(jìn)行散熱的冷卻方法。

（7） 干式變壓器?？梢苑譃樽匀豢諝饫鋮s、強迫空氣冷卻[11]。

5 主要冷卻方式運用效果分析

（1） 油浸自冷式（ONAN）。油浸自冷式變壓器優(yōu)點為使用經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝及維護。但其致命缺點為過于依賴環(huán)境溫度及自然通風(fēng)。初期金沙水電站主變壓器采用此種冷卻方式，由于地處攀枝花為亞熱帶氣候，常年溫度較高，且主變壓器室為半封閉式，導(dǎo)致主變散熱效果不佳。

（2） 油浸風(fēng)冷式（ONAF）。油浸風(fēng)冷式相較于油浸自冷式散熱效果增強，且結(jié)構(gòu)簡單，維護方便。結(jié)合金沙水電站主變實際結(jié)構(gòu)，不用改變散熱片結(jié)構(gòu)的情況下，在主變散熱器位置加裝電力變壓器專用的工業(yè)軸流風(fēng)機對變壓器進(jìn)行冷卻，用吹風(fēng)的方法使散熱器周圍的空氣流動加快，理論上可使對流散熱增加8.5倍，以較低的資金投入有效解決油浸式自冷變壓器過熱的問題。該方案可在主變不停電狀態(tài)下實施改造，改造的技術(shù)難度和風(fēng)險相對較小[12]。

（3） 強迫油循環(huán)風(fēng)冷（OFAF）。相較于油浸風(fēng)冷而言，該方法冷卻效果更佳，該電站主變實際結(jié)構(gòu)若要改造升級，需將散熱片式散熱器更換為帶油泵可循環(huán)的管狀散熱器，另加裝風(fēng)機，此運行方式需重新采購新的散熱器。

（4） 強迫油循環(huán)水冷（OFWF）。強迫油循環(huán)水冷在水冷卻器內(nèi)部通冷卻水，外部流過熱油，冷卻水將油的熱量帶走，然后從排水管內(nèi)排出，使熱油得到冷卻。對比前面幾種冷卻方式，冷卻效果最佳。但結(jié)合金沙主變實況分析發(fā)現(xiàn)要升級此種冷卻方式不太現(xiàn)實。首先由于水冷需要水，但從大壩前池取得不間斷的清潔水源較困難，土建施工前期并未預(yù)埋相應(yīng)的取水管道。其次，需重新采購水冷卻器。因此，不宜采用此種冷卻方式。

（5） 強迫油循環(huán)導(dǎo)向循環(huán)冷卻（ODWF）。無論是強迫油循環(huán)導(dǎo)向循環(huán)風(fēng)冷，還是強迫油循環(huán)導(dǎo)向循環(huán)水冷，雖然散熱效果都很好，但都需要在繞組等處設(shè)計特別的導(dǎo)向油管，根據(jù)主變設(shè)計及其外殼尺寸等構(gòu)造，改造無法實現(xiàn)。如要采用強迫油循環(huán)導(dǎo)向循環(huán)冷卻方式，成本相當(dāng)于重新采購4臺主變設(shè)備，不符合經(jīng)濟運行的概念。

6 主變壓器油浸風(fēng)冷冷卻方式改造方案

6.1 現(xiàn)場實勘

6.1.1 主變壓器室

金沙水電站主變壓器室為半密封空間，僅靠近巡視道路側(cè)無墻，其余各側(cè)面均為防火墻，且墻上無通風(fēng)設(shè)施（設(shè)備）。主變室頂部為密封面，如圖1所示。

6.1.2 主變壓器結(jié)構(gòu)布置

變壓器型號為S11-160000/242。變壓器冷卻方式為ONAN。主變散熱器分布于油箱兩長壁側(cè)，如圖2所示。

6.2 冷卻方式更改溫升對比

通過計算，得出主變冷卻方式更改溫升值如表1所示。

6.3 改造采購產(chǎn)品參數(shù)

變壓器風(fēng)機參數(shù)：

風(fēng)量? ? ? ? ? ? ? ? ? 16 000 m3/h

全壓? ? ? ? ? ? ? ? ? ?80 Pa

葉輪直徑? ? ? ? ? ?900 mm

功率? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.55 kW

轉(zhuǎn)速? ? ? ? ? ? ? ? ? ?430 rpm

額定電流? ? ? ? ? ?2.3 A

電源? ? ? ? ? ? ? ? ? ?380 V/3 P/50 Hz

變壓器冷卻控制柜參數(shù)：

額定電壓? ? ? ? ? ?380 V/3 P/50 Hz

控制電壓? ? ? ? ? ?DC220 V

額定功率? ? ? ? ? ?7.2 kW

6.4 風(fēng)冷啟動方式

項目總計增加9只風(fēng)機，將風(fēng)機分為兩組，Ⅰ組風(fēng)機為1，3，5，7，9，Ⅱ組風(fēng)機為2，4，6，8。

工作方式如下：

（1） 手動方式。手動1啟動Ⅰ組風(fēng)機，手動2啟動Ⅱ組風(fēng)機。

（2） 自動方式。① 工作狀態(tài)1：當(dāng)繞組溫度達(dá)到K1（65 ℃）時，啟動Ⅰ組風(fēng)機。當(dāng)溫度繼續(xù)升高至K2（75 ℃）時，啟動Ⅱ組風(fēng)機，當(dāng)溫度回到K2（75 ℃）時，Ⅱ組風(fēng)機停止，當(dāng)溫度低于K1（65 ℃）時，Ⅰ組風(fēng)機延時1h退出運行。② 工作狀態(tài)2：當(dāng)繞組溫度達(dá)到K1（65 ℃）時，啟動Ⅱ組風(fēng)機。當(dāng)溫度繼續(xù)升高至K2（75 ℃）時，啟動Ⅰ組風(fēng)機，當(dāng)溫度回到K2（75 ℃）時，Ⅰ組風(fēng)機停止，當(dāng)溫度低于K1（65 ℃）時，Ⅱ組風(fēng)機延時1 h退出運行。

6.5 安裝方式

6.5.1 控制柜安裝

控制柜為落地式安裝，需在安裝平面預(yù)埋M16螺栓4只，并通過安裝孔用螺母固定。

6.5.2 風(fēng)機安裝

風(fēng)機掛在散熱器底部，使用每兩組散熱器之間預(yù)留的安裝孔對風(fēng)機進(jìn)行安裝固定。其安裝方式與風(fēng)機布置如圖3所示。

7 改造效果

經(jīng)改造，現(xiàn)金沙水電站已全部投產(chǎn)投運的4臺主變壓器均運行穩(wěn)定，變壓器油面及繞組溫升滿足設(shè)計及運行要求。且主變油溫在機組滿負(fù)荷情況下長期于60 ℃～75 ℃運行，繞組溫度由原本最高101.5 ℃降至基本穩(wěn)定于85 ℃以下，據(jù)6 ℃法則推算，變壓器使用壽命在原基礎(chǔ)上至少延長了近3倍，達(dá)到了更佳的經(jīng)濟運行效果，此外還能避免因油溫過熱而使變壓器發(fā)生運行故障甚至損壞。

8 結(jié) 語

對比幾種冷卻方式效果并結(jié)合金沙水電站主變運行實況得出，油浸風(fēng)冷式能完全滿足電站主變運行對繞組溫度和油面溫度的要求，且經(jīng)濟可靠，維護簡單，具有推廣性和實用性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚春球. 發(fā)電廠電氣部分[M].北京：中國電力出版社 ，2007.

[2] 張昌斌. 電力變壓器新型冷卻器系統(tǒng)的研究[J]，變壓器，2005，42（8）：36-37.

[3] 楊宣濤. 基于狀態(tài)監(jiān)測的變壓器壽命評估[D]. 北京：華北電力大學(xué)，2011.

[4] 李偉英. 主變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)控制裝置設(shè)計[D]. 湖南：湖南大學(xué)，2007.

[5] 成強，王勇. 主變壓器冷卻方式改造及其效果分析[J] 華電技術(shù)，2009，（3）：69-72 .

[6] 董天剛. #2主變改造淺析[J]. 機電工程技術(shù)，2017，46（8）：181-183.

[7] 孫錳. 變壓器強油風(fēng)冷問題與改進(jìn)[J]. 變壓器，2016，53（9）：62-63.

[8] GB/T 6451-1999三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求[S].

[9] 孫守華. 基于紅外熱像技術(shù)的變壓器內(nèi)部故障診斷研究[D].? 武漢：武漢大學(xué)，2004.

[10] 柳澤榮.? 變壓器安裝與運行（7）[J].? 變壓器，2007（9）：66-69.

[11] 杜啟業(yè). 220kV主變壓器冷卻系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2018.

[12] 劉長富，鐘顯，李付勤，等. 油浸式自冷變壓器散熱器風(fēng)冷改造及其效果分析[J]. 石河子科技，2020（5）：51-55.

（編輯：李 晗）

3786501908244