金沙水电站主变压器冷却方式改造研究

宋建涛 黄小川 汪锐 李西安

摘要：为解决金沙水电站主变压器运行温度过高的问题，结合现场主变运行实况，对几种主变压器冷却方式进行对比分析，提出将主变压器冷却方式改造成油浸风冷式的方法使主变压器油温达到运行要求。通过加装风机增强主变散热，加装风机后主变在满负荷条件下绕组温度降低至85 ℃以下，主变上层油温长期在60 ℃～75 ℃，散热效果良好。采用油浸风冷为主变压器冷却方式改造兼顾运行及经济效益是最佳方案。

关键词：主变压器冷却; 油浸风冷式; 改造效果; 金沙水电站; 攀枝花市

中图法分类号：TM407 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.017

文章编号：1006 - 0081（2022）03 - 0077 - 05

0 引 言

变压器在运行过程中会产生大量热量 ， 这些热量以传导、对流和辐射的方式向外扩散[1]。要保证变压器以良好的工况运行，必须及时将热量转移，以维持变压器在正常的温度范围内工作。由于结构和工作原理方面的原因，变压器运行时不可避免地会产生铁损、铜损，并转化为热量使变压器温度升高。过高的温度使变压器工作能力和效率降低，绝缘老化、使用寿命降低。因此，变压器冷却装置的可靠运行对于变压器的正常工作异常重要。当变压器长期处于过热状态后，不仅会加大电力系统输电损耗，导致输出容量大大低于额定容量，还会造成变压器绝缘材料的绝缘电阻大大下降，加速绝缘材料老化，降低变压器的效率和使用寿命，严重时还会引起局部放电，发生漏电事故，甚至引起整个变压器的爆炸。所以，变压器的安全运行直接影响到整个电力系统的安全可靠性[2]。相关研究表明：变压器运行时铁芯绕组发热引起的绕组老化问题是加速缩短其使用寿命的直接因素，而这一部分发热是无法避免的。根据6 ℃法则，绕组温度每升高6 ℃，其绝缘将以2倍的速度加速老化，绝缘材料寿命将变为原来的一半[3-4]。因此，为提高变压器的使用寿命，防止不良散热对变压器造成的损坏，改善变压器的散热方式以及散热水平十分重要。结合金沙水电站主变压器（以下简称“主变”）运行绕组温度最高达101.5 ℃的运行实况，需对主变冷却方式进行改造。此前，通过查阅相关文献，发现曾有过由油浸风冷式转为油浸自冷式的案例分析[5-7]，而针对主变冷却方式由油浸自冷式改为油浸风冷式相关案例记载则较为稀少，因此金沙水电站主变由油浸自冷式改为油浸风冷式的案例可为其他同类型水电站提供借鉴。

1 工程概况

大型电力变压器的损耗很大，按旧标准制造的大型电力变压器难以采用片式散热器。随着科技进步和制造工艺的发展，近年制定了新的电力变压器制造标准GB/T 6451—1995《三相油浸电力变压器技术参数和要求》[8]。按新标准制造的产品损耗有了大幅度降低，为大型电力变压器采用片式散热器提供了极为有利的条件。近年，大型电力变压器冷却装置开始应用片式散热器，取代了传统的“冷却器”，最大的优点是可以组成自然循环自然冷却/自然循环风冷（ONAN/ONAF）的冷却方式。新型技术的发展为金沙水电站主变采用片式散热油浸自冷提供了有力的理论和技术支撑。

金沙水电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级水电枢纽的第九个梯级电站，上距观音岩水电站28.9 km，下距银江水电站21.3 km。电站正常蓄水位1 022 m，总装机容量56万kW（560 MW），多年平均发电量为21.77亿kW·h，共装设4台单机容量为14万kW（140 MW）轴流转桨式水轮发电机组。电站主要开发任务为发电，兼有供水、改善城市水域景观和城市取水条件，以及对观音岩水电站的反调节作用等。电厂电气主接线采用发电机-变压器单元接线方式，经主变升压至220 kV双母线， 电能由220 kV中西一线、中西二线同塔双回线路送至西佛寺变电站国家电网。

2 金沙水电站主变压器

金沙水电站主变压器型号为S11-160000/242。变压器冷却方式为自冷（ONAN）。由长江勘测规划设计研究有限责任公司，上海正泰电气股份有限公司制造，为半户内布置的三相油浸双卷铜线圈片式散热器自然空冷无励磁调压升压变压器。变压器高压侧采用油/SF6套管与 252 kVGIS相连接;低压侧采用油/空气套管与13.8 kV IPB连接。

变压器主要参数如下：

额定容量     160 MVA

相数             三相

额定频率     50 Hz

额定电压     （242±2）×2.5% kV（高压侧），

13.8 kV （低压侧）

连接组别     YNd11

阻抗电压UK的实测值 12%～14%（在额定抽头下以额定容量为基准，额定电流、额定频率下，绕组温度为75 ℃）

高压中性点接地方式    经隔离开关接地

（不直接接地）

高压出线方式                   油/SF6套管

3 主变压器运行实况

金沙水电站主变采用片式自冷散热，加之攀枝花常年温度较高，变压器自身容量大，空载损耗、负载损耗产生的大量热量聚集在半密封的变压器室内，难以通过良好的通风路径排出变压器室。同时，变压器距离墙体较近，一定程度上也影響了散热效果，主变冷却效果无法达到预期。2020年11月30日金沙水电站首台机组投产发电以来，主变绕组温度在线监测数据显示其多次在超过90 ℃条件下运行，最高温度甚至达到101.5 ℃。对主变使用寿命及长期安全稳定运行造成影响。为保证主变长期安全稳定运行，每天定时观察绕组和油面温度，并对1号主变油色谱分析数据做记录。通过前期每周对1号主变压器油进行例行取油样送检，发现1号主变压器油样色谱气相试验乙炔及总烃气体含量超标。根据送检数据分析，1号主变压器可能存在瞬间放电现象;放电发生之后色谱数据没有继续增加的趋势，乙炔及总烃气体含量已经长时间稳定，初步可以判断该放电是一次性的油中放电，放电击穿后绝缘性能完全恢复，没有对1号主变压器主绝缘系统造成不可恢复的破坏。但1号主变自投产以来长期于高温环境中运行，极可能加速主变油质劣化，甚至引发变压器运行故障。

4 主变压器冷却方式

目前，变压器的分类方式多种多样，可按相数、冷却方式、用途绕组形式、铁芯等不同方式进行分类[9]。其中，以冷却方式分类[10]如下。

（1） 油浸自冷式变压器（ONAN）。绕组浸在变压器油中，依靠变压器油的自然热循环将热量带到油管或散热片，通过油管或散热片与外界自然通风冷却。

（2） 油浸风冷式变压器（ONAF）。绕组浸在变压器油中，依靠油的自然热循环将热量带到油管散热器，并由风机对其吹风冷却。

（3） 油浸强迫油循环风冷式变压器（OFAF）。绕组浸在变压器油中，依靠潜油泵将变压器绝缘油注入到油管散热器，并由风机对其吹风冷却。

（4） 油浸强迫油循环水冷式变压器（OFWF）。用变压器油泵强迫油循环，使油流经水冷却器进行散热的冷却方法。在水冷却器内部通有冷却水，冷却水将油的热量带走，使热油得到冷却。

（5） 强迫油循环导向风冷式变压器（ODAF）。在绕组等处有特别设计的导向油道，油泵将冷却的油送入变压器后，油先流过油道，使热量直接由具有一定流速的冷油带走，降低其最热点的温度，而变压器的上层热油用油泵抽出，经冷却器，风机对其吹风冷却后由油泵送入变压器下部。

（6） 强迫油循环导向水冷式变压器（ODWF）。在繞组等处有特别设计的导向油道，油泵将冷却的油送入变压器后，使油流经水冷却器进行散热的冷却方法。

（7） 干式变压器。可以分为自然空气冷却、强迫空气冷却[11]。

5 主要冷却方式运用效果分析

（1） 油浸自冷式（ONAN）。油浸自冷式变压器优点为使用经济、结构简单、便于安装及维护。但其致命缺点为过于依赖环境温度及自然通风。初期金沙水电站主变压器采用此种冷却方式，由于地处攀枝花为亚热带气候，常年温度较高，且主变压器室为半封闭式，导致主变散热效果不佳。

（2） 油浸风冷式（ONAF）。油浸风冷式相较于油浸自冷式散热效果增强，且结构简单，维护方便。结合金沙水电站主变实际结构，不用改变散热片结构的情况下，在主变散热器位置加装电力变压器专用的工业轴流风机对变压器进行冷却，用吹风的方法使散热器周围的空气流动加快，理论上可使对流散热增加8.5倍，以较低的资金投入有效解决油浸式自冷变压器过热的问题。该方案可在主变不停电状态下实施改造，改造的技术难度和风险相对较小[12]。

（3） 强迫油循环风冷（OFAF）。相较于油浸风冷而言，该方法冷却效果更佳，该电站主变实际结构若要改造升级，需将散热片式散热器更换为带油泵可循环的管状散热器，另加装风机，此运行方式需重新采购新的散热器。

（4） 强迫油循环水冷（OFWF）。强迫油循环水冷在水冷却器内部通冷却水，外部流过热油，冷却水将油的热量带走，然后从排水管内排出，使热油得到冷却。对比前面几种冷却方式，冷却效果最佳。但结合金沙主变实况分析发现要升级此种冷却方式不太现实。首先由于水冷需要水，但从大坝前池取得不间断的清洁水源较困难，土建施工前期并未预埋相应的取水管道。其次，需重新采购水冷却器。因此，不宜采用此种冷却方式。

（5） 强迫油循环导向循环冷却（ODWF）。无论是强迫油循环导向循环风冷，还是强迫油循环导向循环水冷，虽然散热效果都很好，但都需要在绕组等处设计特别的导向油管，根据主变设计及其外壳尺寸等构造，改造无法实现。如要采用强迫油循环导向循环冷却方式，成本相当于重新采购4台主变设备，不符合经济运行的概念。

6 主变压器油浸风冷冷却方式改造方案

6.1 现场实勘

6.1.1 主变压器室

金沙水电站主变压器室为半密封空间，仅靠近巡视道路侧无墙，其余各侧面均为防火墙，且墙上无通风设施（设备）。主变室顶部为密封面，如图1所示。

6.1.2 主变压器结构布置

变压器型号为S11-160000/242。变压器冷却方式为ONAN。主变散热器分布于油箱两长壁侧，如图2所示。

6.2 冷却方式更改温升对比

通过计算，得出主变冷却方式更改温升值如表1所示。

6.3 改造采购产品参数

变压器风机参数：

风量                  16 000 m3/h

全压                   80 Pa

叶轮直径           900 mm

功率                   0.55 kW

转速                   430 rpm

额定电流           2.3 A

电源                   380 V/3 P/50 Hz

变压器冷却控制柜参数：

额定电压           380 V/3 P/50 Hz

控制电压           DC220 V

额定功率           7.2 kW

6.4 风冷启动方式

项目总计增加9只风机，将风机分为两组，Ⅰ组风机为1，3，5，7，9，Ⅱ组风机为2，4，6，8。

工作方式如下：

（1） 手动方式。手动1启动Ⅰ组风机，手动2启动Ⅱ组风机。

（2） 自动方式。① 工作状态1：当绕组温度达到K1（65 ℃）时，启动Ⅰ组风机。当温度继续升高至K2（75 ℃）时，启动Ⅱ组风机，当温度回到K2（75 ℃）时，Ⅱ组风机停止，当温度低于K1（65 ℃）时，Ⅰ组风机延时1h退出运行。② 工作状态2：当绕组温度达到K1（65 ℃）时，启动Ⅱ组风机。当温度继续升高至K2（75 ℃）时，启动Ⅰ組风机，当温度回到K2（75 ℃）时，Ⅰ组风机停止，当温度低于K1（65 ℃）时，Ⅱ组风机延时1 h退出运行。

6.5 安装方式

6.5.1 控制柜安装

控制柜为落地式安装，需在安装平面预埋M16螺栓4只，并通过安装孔用螺母固定。

6.5.2 风机安装

风机挂在散热器底部，使用每两组散热器之间预留的安装孔对风机进行安装固定。其安装方式与风机布置如图3所示。

7 改造效果

经改造，现金沙水电站已全部投产投运的4台主变压器均运行稳定，变压器油面及绕组温升满足设计及运行要求。且主变油温在机组满负荷情况下长期于60 ℃～75 ℃运行，绕组温度由原本最高101.5 ℃降至基本稳定于85 ℃以下，据6 ℃法则推算，变压器使用寿命在原基础上至少延长了近3倍，达到了更佳的经济运行效果，此外还能避免因油温过热而使变压器发生运行故障甚至损坏。

8 结 语

对比几种冷却方式效果并结合金沙水电站主变运行实况得出，油浸风冷式能完全满足电站主变运行对绕组温度和油面温度的要求，且经济可靠，维护简单，具有推广性和实用性。

参考文献：

[1] 姚春球. 发电厂电气部分[M].北京：中国电力出版社 ，2007.

[2] 张昌斌. 电力变压器新型冷却器系统的研究[J]，变压器，2005，42（8）：36-37.

[3] 杨宣涛. 基于状态监测的变压器寿命评估[D]. 北京：华北电力大学，2011.

[4] 李伟英. 主变压器风冷系统控制装置设计[D]. 湖南：湖南大学，2007.

[5] 成强，王勇. 主变压器冷却方式改造及其效果分析[J] 华电技术，2009，（3）：69-72 .

[6] 董天刚. #2主变改造浅析[J]. 机电工程技术，2017，46（8）：181-183.

[7] 孙锰. 变压器强油风冷问题与改进[J]. 变压器，2016，53（9）：62-63.

[8] GB/T 6451-1999三相油浸式电力变压器技术参数和要求[S].

[9] 孙守华. 基于红外热像技术的变压器内部故障诊断研究[D].  武汉：武汉大学，2004.

[10] 柳泽荣.  变压器安装与运行（7）[J].  变压器，2007（9）：66-69.

[11] 杜启业. 220kV主变压器冷却系统研究与应用[D]. 广州：华南理工大学，2018.

[12] 刘长富，钟显，李付勤，等. 油浸式自冷变压器散热器风冷改造及其效果分析[J]. 石河子科技，2020（5）：51-55.

（编辑：李 晗）

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