基于强油循环变压器运行工况下的散热器自动清洗装置研究分析

国网江苏省电力有限公司南通分公司 张佳剑 夏海燕 钱聪

1 强油循环变压器的工作组成

该装置可用于变压器油道、变压器油冷却器、油浸式变压器油冷却器和油井内注油系统等各环节。该装置主要由高压空气管道、液压控制柜、驱动机构及控制系统组成，工作原理是通过“机械+液压”复合清洗进行清洗作业。

散热器内的油中含油， 含油量通常在0.5～1.5g/s 范围内，过高会使变压器线圈短路。散热器上积灰、污垢，使散热器的散热能力降低，甚至导致设备损坏。冷却器产生的油雾和水蒸气会使变压器油发生分解反应而造成变压器内部的短路，从而引起变压器跳闸。变压器在运行过程中温度升高，使金属材料发生软化、变形、开裂等严重后果。冷却系统发生故障时，会降低散热能力致使散热管发热甚至烧坏设备。在夏季高温天气下还会因热辐射而造成绝缘损坏。当设备出现严重故障时，变压器极易过载而烧毁设备或引起电网事故[1]。

在对散热器进行定期清洗过程中，由于散热器上的污垢不易清除，污垢沉积过多或时间过长等问题导致设备出现故障。

变压器是电力系统中的主要设备，其性能和质量直接影响电力系统的安全运行，也影响着生产生活用电。随着电力工业的发展，变压器数量越来越多，变压器运行中产生和排出的热量也越来越多。由于变压器内含有大量的油流、灰尘和油泥等杂质，再加上油箱里空气湿度大、温度高、空气中氧气含量低，以及外部环境对变压器散热性能造成各种不良影响。

2 强油循环变压器的工作原理

2.1 变压器的工作条件

强油循环变压器是一种新型的电力变压器，主要是用来满足电力行业中的高电压、大容量、远距离负荷输送的需要，同时还能起到保护高压系统安全可靠运行的作用。变压器工作时，变压器油箱内油位在不断上升，油中溶解了一定数目的杂质和水分，油中杂质随水蒸汽上升至油箱顶盖顶部，水分被排除[2]。

变压器油箱内部是一个大截面的凹腔，凹管内充满油。凹腔内是一个封闭的真空室（真空度为0.012Pa），真空室外部接有空气隔离罩。在油箱内部和与外界相通的油道中通入低压空气（一般为0.2～0.3MPa）或氮气（一般为0.2～0.5MPa），在油道内形成负压，把储存于油箱内的空气抽出，并把油道内壁间残留的油蒸气吸走。同时油道外面也有一根通入真空泵压缩空气的气管将其抽出，在低压空气管与吸油气管间形成一个密闭空间，使油蒸气进入这个密闭空间。

在油中溶解了一定数目（如1～10个）杂质和水分之后，就会有一定量（0.1t/h）压力差迫使油蒸气压上升到一定数值（可达0.13MPa），在与外界相通后压力又有所下降，然后继续升高到0.20MPa。

当散热器上的积灰和杂物在电机的驱动下达到喷嘴时，由于压力的作用将堆积于内壁的杂物吹出。当积灰达到一定程度后，在叶轮和叶片作用下将积灰吹出。此过程重复进行，直到散热器内杂质全部吹尽为止。

该装置主要是针对变压器散热器内部积灰及杂物进行自动清洗，其设计原理和结构简单，清洗效果好，运行效率高。但随着设备的不断更新换代，装置也在不断地进行完善和提高。设备的自动控制性能需要进一步提高，对于内部积灰或杂物比较严重的时候，应增加自动清洗时间，应对装置进行定期维护、保养和试验测试，使其长期保持良好性能。如此反复进行上述过程就会把油箱内壁间存在的杂质和水分排除干净。这样经过一个周期之后，油道内部就形成了与外界相通或密封良好的真空室内腔。

根据强油循环变压器的工作原理和结构特点，建立了散热器内部流场的数学模型，设计了一种新型的自动清洗装置，并完成了其样机的制造与试验。

根据数学模型给出的计算结果，结合实际运行数据进行试验验证后发现，该自动清洗装置能够在清洗后自动排出冷却水中残留下来的油泥和铁锈颗粒。在清洗时进油管路出口流量小于进油管路进口流量时，可通过手动调节控制进油管路出口流量，实现自动清洗，该装置具有多点控制功能。

2.2 变压器的分析结果

利用计算机模拟仿真软件模拟不同工况下该装置各部件运动规律及状态参数。并将分析结果与试验相比较，证明了模拟仿真结果的准确性和可行性。利用所提出的设计原理和结构图，设计制造了“强油循环变压器散热器自动清洗装置”项目样机，样机经过一次试验后在各工况下均能达到预期效果。

根据国家电网公司的《输变电设备安全稳定运行规程》（征求意见稿），对配电变压器在额定容量50%左右时应具有较高的空载损耗，因此，对其进行清洁试验就显得尤为重要[3]。

本文通过对现行变压器清洗方法及存在问题的分析和研究，在此基础上提出了一种新型“机械+液压”复合清洗原理用于变压器油冷却器中散热器自动清洗装置。该装置可以实现在一定程度上减小运行环境对变压器带来的不利影响，同时具有清洁效果好、可靠性高、工作安全等优点。

该设备采用电磁感应原理控制电机运动，由变频器调速，在电机驱动轴上安装电磁换向阀，用来控制电机的转向。由于清洗装置位于变压器外部，又要确保内部安全，因此要求对其结构进行合理设计，使其能与变压器外壳及散热器的尺寸相适应。

3 散热器清洗技术现状及改进方法

由于目前我国各大油田企业大多采用的是重油和轻油锅炉，对于变压器等高压设备一般都采用直接喷射清洗方法进行除锈、防腐工作。然而该方法具有效率低、易损坏机件等缺点，不适合于大容量高压油轮装置的快速除锈清洗，而且也不适合于大容量高压变压器的快速除锈，且直接喷射清洗的方式容易造成对散热器表面的二次腐蚀。

目前国内多数变压器采用常规维护方法进行日常管理和维护，由于这种方法具有工作量大、劳动强度高、维修人员水平低以及维修费用高等问题，同时由于维护人员不熟悉油液循环原理及工作性能、不了解相关安全规定和标准、不熟悉机械设备结构等原因，使一些无法解决的技术问题得不到及时有效解决。

为了解决上述问题，目前国内外已经有很多厂家针对变压器散热器采用了喷淋法、化学法、物理法等不同形式的清洗技术。其中物理法又分为超声波清洗及射流清洗，但均存在着成本高、耗水量大、工作环境恶劣、运行费用高等缺点。

近年来，国内外学者针对散热器内气流运动模型进行大量研究，并取得一定进展。其中以Fluent软件为基础，采用CFD方法对散热器内流场模拟及数值计算结果表明，随着流速增大压力降低速度也减小，流场速度方向随流速增加，流体动能随流速增加而减少，不同流速下速度场呈现出不同特征。

4 技术方案

该技术方案的总体目标是实现一种基于“机械+液压”复合清洗原理的散热器自动清洗装置，其主要特征如下。

变压器油冷却器上设置有高压气口，可通过溢流阀控制进气压力，从而对油箱中的油液进行冲洗。油箱内设有空气管，所述空气管与油箱相连通。液压控制柜可通过手动或自动的方式对压力信号进行调节，当系统压力达到设定压力时可实现对液压阀的控制。装置上设有高压气体排放口，该口由气动接口连接至油液出口阀门，其上设有泄压阀，装置上设有空气管和油箱的连接管道，当空气管接至油箱时该管段内空气被吸入油箱内且无压力后该管段继续扩张直到散热器处。该装置上设有高压气出口阀门和空气进口阀门共两个通道，其中高压气出口阀门通至油箱进气口处，而高压气进口阀门通入油液，以达到清洗油液目的，同时将液压系统信号传送至控制中心以对其进行控制。

当液压系统信号传输至控制中心后，根据操作要求可以通过手动、自动的方式对压力信号进行调节。

5 “机械+液压”复合清洗原理

高压空气系统包含液压控制装置、高压管、油箱、变压器油加热器、高压泵及电机、油泵、油管、阀门等。另有空气压缩机和空压机各一台，压力调节阀2个，流量调节阀1个，连接空气管、油箱和阀门等。液压控制系统主要由高压管（油箱）和液压泵、油管接头）组成，由控制柜通过继电器驱动。油箱采用不锈钢材料制成并作防锈处理，油泵采用抗磨密封圈和耐高温轴承，空气泵采用耐高温密封圈以及耐温密封件，油箱的进出口采用耐温密封圈连接，油箱进出口与空气管道连接，油箱与油管之间也可采用耐温密封件连接。高压管（油箱）的两端连接空气管道，油套管（油管接头）与高压管（油箱）连接，并做好密封工作。液压控制系统由控制柜及液压泵、电机、油泵、阀门等组成。

试验表明，该方式可用于油浸式变压器中散热器外部壁污垢剥离效果不佳以及不易清洗的情况下，该方式对于散热器外表面的污垢剥离效果好，同时对于内部壁内的积垢剥离效果不佳。

目前，我国有部分地区电力企业使用传统的散热器清洗方式对变压器及油道进行清洗，虽然这种方式可以提高变压器的运行效率以及安全性能，但是设备自身存在许多弊端，例如容易造成油箱内壁和内壁面污垢脱落，易造成变压器内环境污染甚至是发生人身伤害事故，难以进行清洁、保养和维护、清洁效果不理想。

6 自动清洗装置原理及设计

该装置主要由储液罐、进油管路、过滤网筒、控制阀门等组成。从结构上看，清洗装置有两个部分组成，一部分是通过在进油管路上安装一套过滤网及过滤网筒形成一个过滤系统，另一部分是通过控制阀门对散热器进行控制，从而形成一个自动清洗系统。

在本方案中设计的清洗系统分为两个阶段，第一阶段为设备运行前状态监测阶段，第二阶段为设备运行中状态监控及数据采集分析阶段。监测过程由信号采集器、信号控制器、数据控制器等组成，其中信号采集器包含数显仪表和数显采集卡两种类型的传感器，信号控制器和数据控制器分别用于对数显仪表的数据采集功能和数据采集卡的控制功能，以满足系统运行过程中对数据进行准确可靠采集分析的需求。

在设备运行前状态监测过程中，由信号采集器根据设定时间间隔内散热器清洗量的多少来自动发出指令来进行清洗动作。在参数采集及数据收集过程中，由信息采集器根据设定的清洗间隔进行清洗动作信号的发送。完成第一阶段后，系统根据指令自动进行第二阶段的工作。

7 结语

该装置在实际运行过程中具有自动、连续清洗散热器的功能，该装置通过设置多点控制实现自动进排水功能以及连续清洗散热器的功能。在实际运行过程中，经试验验证，该装置实现了稳定高效的运行，并能够达到预期效果。现场试验验证，在变压器油箱上加装自动清洗装置，模拟变压器油道及散热器的运行环境。清洁能力验证，首先对变压器油箱中的污垢进行分析，利用清洗装置将油箱内的污垢排出。试验结果汇总与分析，自动清洗装置可满足变压器油冷却器在工作状态下的散热器自动清洗作业要求。

变压器油冷却器是变压器重要的辅助散热装置，主要用于降低变压器油流速，以提高变压器运行时的热稳定性。