第三部分：變壓器冷卻系統改造

一、變壓器冷卻系統改造淺談
1 前言
    我國上世紀九十年代及以前生產的變壓器中，冷卻裝置一般采用圓管式散熱器和YF-80/380、YF-100/380、YF-120/380多回路強油風冷卻器。變壓器配置的這些冷卻設備存在滲漏油、噪聲大、冷卻功率衰減嚴重、站用電能損耗高及維護不便等諸多缺陷和問題。為了滿足變壓器安全可靠運行和降低運行成本的要求，需對變壓器冷卻系統實施改造。
2 變壓器冷卻系統改造中變壓器發熱和冷卻的一些概念及關系
2.1 溫度、溫差和溫升的一般概念
    1）溫度
    溫度表示物體冷熱的程度，其計量單位常用攝氏度（℃）表示。在某些特殊場合下，也用絕對溫度（K）表示。
    2）溫差
    構成某一個“熱系統”中的兩個相互有熱聯系的物體，或者在熱系統中同一個物體內的各個部分或各個區域（例如，油浸式變壓器中的油頂層和油底層），它們各自溫度值的差。
    3）溫升
    在變壓器工程技術中，溫升一詞被專門用來表示變壓器中某個特定部件、組件的溫度值與作為變壓器冷卻介質的環境溫度的差值。由此可知，在變壓器工程技術中，溫升是溫差在特定場合中的專用詞。一般的說，溫升比溫差更常見，溫升和溫差的計量單位均為K，不再用℃表示。
     在此，須注意油浸式變壓器中的繞組溫升與繞組對油的溫差（溫升）的文字表示上的差異。例如，人們常說“繞組溫升”一詞時，專業人員立即知道，它是指繞組溫度與環境大氣之間的差值。但當涉及繞組與油之間的溫差（溫升）時，其文字表達應為“繞組對油的溫差或溫升”絕不能將“對油的”三個字省略。否則，容易產生誤解。
2.2. 油浸式變壓器的繞組和油的溫升計算

    盡管上圖不能準確地表示繞組和油中各處的真實溫升值的情況，但卻能讓人們從定性角度來了解各處溫升值的大致分布規律。上圖假定繞組和油中各處溫升值都是沿繞組高度呈線性方式增加。即是說，表示溫升上升的直線彼此平行。但是，圖中表示的繞組頂層處的溫升值卻不等于To1+g，而是To1+H*g，并命名為繞組熱點溫升。系數H，也因此被稱為繞組的熱點系數。他反映了繞組頂端部位處因漏磁引起的渦流損耗比較集中的現象；也反映了該端處可能因要求絕緣加強，導致隔熱程度增加而使該處的散熱能力降低的情況出現。由于這兩個原因，使繞組頂部處的溫升值額外增加。
2.3 繞組、油、熱循環之間的關系
    通過上述分析可知繞組和油之間的溫差關系，即：
   （1）繞組溫度升高，油溫隨之升高，熱循環加快；
   （2）熱循環加快，油溫下降，隨之繞組溫度降低；
   （3）繞組平均溫升=繞組對油的溫差+油平均溫升，即：Tw=g + To；
   （4）強油循環風冷卻器改為油浸風冷片式散熱器去掉潛油泵，油流速降低，但改造前冷卻器溫差小，設計改造時需加大片散溫差，使單位時間冷卻系統帶走的熱量大于改造前；
   （5）強油循環風冷卻器改為油浸風冷片式散熱器去掉潛油泵，油流速降低，在負荷不變的前提下，繞組對油的溫差升高，設計新冷卻系統時需給出足夠的散熱面積，使油的平均溫升降低值大于繞組對油的溫差升高值，以保證繞組平均溫升的降低。
2.4 負荷、損耗、溫升之間的關系
    變壓器繞組溫升是由空載損耗Po和負載損耗Pk造成的，即P=Po+Pk，變壓器的空載損耗已經確定，是不能改變的，變壓器所帶負荷的變化影響Pk，冷卻系統就是要帶走變壓器兩種損耗帶來的熱量。
    為了保證變壓器在任何工況下安全運行，采用變壓器油頂層溫度與變壓器負荷兩種控制方式。舉例說明，采用ONAN/ONAF/ODAF三種冷卻方式的片散熱器冷卻系統具體如下：
    溫度控制：在變壓器油頂層溫度在45℃以下時，采用片散自冷的方式，冷卻方式為ONAN；當溫度上升到55℃時，起動風機，冷卻方式為ONAF；起動風機后，油頂層溫度降低，當下降到45℃時，風機退出運行。當油頂層油溫上升到65℃時，油泵起動，冷卻方式為ODAF形式，油泵、風機全部工作。
    負荷控制：當變壓器的負荷達到額定負荷的75%時，風機起動運行，冷卻方式為ONAF；負荷達到額定負荷的90%時，風機、油泵起動運行，冷卻方式為ODAF；負荷小于額定負荷的75%時，風機、油泵退出運行，冷卻方式為ONAN。
    當變壓器負荷在額定負荷之內時，根據公式P=I2R，即：負荷越小，相應的電流就越小，發熱量越低，繞組溫升越低。負荷小于75%時，電流小于額定電流的75%，負載損耗要小于56%。
2.5 關于熱老化計算的數學表達式
    為使計算簡化，人們便以變壓器在額定負載下的繞組平均溫升值65K為基礎，繞組熱點溫升與繞組平均溫升之差額為13K和全年平均氣溫為+20℃的正常環境條件，得到的繞組熱點溫度θh=65+13+20=98℃值作為計算變壓器壽命、壽命損失和老化率的基準溫度。由此，還可進一步說，在不是額定負載和（或）不是正常年平均溫度+20℃時，只要得到的θh=98℃，則其壽命、壽命損失和老化率值與在額定負載及年平均氣溫+20℃下的壽命、壽命損失和老化率值相同。
3 變壓器的散熱方式
    變壓器的熱量均以傳導、對流和輻射的方式傳到冷卻介質中去。各種散熱方式，均有其固有的物理規律。
    變壓器內的溫度分布如圖3-1所示，圖3-1a表示沿水平方向的溫度分布，在繞組最熱點所處部位A1溫度最高，由熱點到繞組外部A2的熱量是靠傳導實現的；從繞組將熱量散到油中，是依靠對流實現的，溫差為A2-A3；熱量從油到油箱壁也是靠對流實現的，溫差為A3-A4；油箱壁是靠傳導實現的，溫差為A5-A6，其溫度差很��；從油箱壁到冷卻空氣的溫度差占總溫度差的60%-70%，依靠對流實現。圖3-1b表示溫度沿垂直方向的分布，曲線1表示繞組的溫度分布，曲線2表示鐵芯的溫度分布，曲線3表示變壓器油的溫度分布，曲線4表示油箱的外表面溫度分布。從圖中可以看出變壓器的器身的溫度通過溫度差從內部傳到油箱，再由油箱或散熱裝置通過對流散到周圍的空氣中去。

4 變壓器的冷卻方式

4.1 溫度和溫升的符號見下表：

4.2 油浸自冷方式

    油浸自冷是變壓器油箱內部的變壓器油被器身加熱，密度降低，在油箱內部油流上升，通過散熱裝置或油箱壁的傳熱，將熱量傳出，溫度下降，密度增加，在散熱裝置或油箱內，變壓器油流下降，然后又被器身加熱，如此循環。在循環過程中，油的流動完全由密度變化引起的浮力形成的。

    圖4-1表示油浸自冷的系統，圖4-1a是變壓器的冷卻系統，圖4-1b表示溫度和變壓器高度的關系，橫坐標是溫度，縱坐標是高度。在A點油進入繞組并被加熱后向上流動，在B點從繞組流出，從B點到C點，油被箱蓋和箱壁輕微冷卻，從C點進入散熱器中；從C點到D點，油被冷卻下降，從D點流出的油進入油箱，再到A點油進入繞組。圖中Δθo-a是逐漸被冷卻的油和被加熱的空氣間的對數平均溫差，Δθwo是進入繞組與離開繞組的油的溫差，Δθco是進入散熱器與離開散熱器的油的溫差，其數值與Δθwo相等。

    如果提高散熱器的安裝高度，如圖4-2所示，在器身發熱相同的條件下，可增加作用在冷卻回路的浮力，相應的Δθwo= Δθco減小，但Δθo-a保持不變，冷卻回路中的油的流動速率將提高。

4.3 油浸風冷方式
    油浸風冷是油在油箱內是自然循環的，而冷卻空氣通過風扇吹向散熱器，如圖4-3所示。由于空氣的流動速率比較高，空氣側的傳熱增加。與自冷相比較，如果傳出相同的熱量，在空氣側只需較低的溫度降；而油的冷卻較快，CD支路更向上彎曲。作為初步近似， Δθwo= Δθco仍保持不變或稍有增加，因為風冷使Δθo-a有所降低，在傳熱系統中油的粘度提高。通過將自冷變為風冷，在相同的Δθo-a下，可提高冷卻效率約2.6倍。

    此時器身的傳熱仍是自然循環，冷卻原理如圖4-4所示。器身的傳熱受油泵的影響很小，在圖4-4a中沿路徑a，在繞組中被加熱的油與順著油箱壁未被加熱的并聯油路b的油流混合，由于這種混合，安裝在油箱蓋上的溫度計，不能直接測出從繞組流出的變壓器油的溫度。流入冷卻器的也是這一具有較低溫度的油流，因此，被冷卻器冷卻的變壓器油的溫度低于油溫最大值。由于通過冷卻器的油流的溫度較低，因此，在損耗相等時，相對通過較高溫度的變壓器油時，油泵需要使更多的變壓器油通過冷卻器。

4.5 強迫油循環導向冷卻（強油導向）

    在強迫油循環冷卻時，器身的冷卻基本和自然循環時相同，盡管可以提高空氣側的傳熱能力，但器身的冷卻決定了冷卻系統的能力。為進一步提高器身的傳熱能力，可以采用強迫油循環導向冷卻（強油導向）。

    在圖4-4中取消并聯油路b，讓全部油流通過器身如圖4-5所示，這樣就得到了強迫油循環導向冷卻系統。在這一冷卻系統中，流入冷卻器的油流有溫度最大值，由于Δθo-a增加，若要傳出相同的熱量，只需比圖4-4體積更小的冷卻系統。隨著器身內油流速的增加，繞組內部的傳熱系數增加，因此，可以在繞組允許溫升下，增加了繞組的單位面積的熱負荷。當然，繞組內部油的流速也是有一定限度的。流速過高，可以帶來危險的油流靜電放電現象

5 冷卻裝置改造采取的主要方式

    1）大功率單回路風冷卻器替代原多回路小功率冷卻器，冷卻器組數減少，冷卻方式不變，仍為ODAF。

    2）片式散熱器替代原強油風冷卻器，冷卻方式由ODAF改為ODAF/ONAF/ONAN（100%/80%/60%）。

    3）片式散熱器替代原強油風冷卻器，冷卻方式由ODAF改為ONAF/ONAN（100%/75%）。

    4）片式散熱器替代原管式散熱器（110KV及以下等級的變壓器），冷卻方式由ONAF/ONAN改為ONAN。

    5）片式散熱器寬度460mm以上的替代原寬度310mm的片式散熱器（110KV及以下等級的變壓器），冷卻方式由ONAF/ONAN改為ONAN。

    應注意的是，由于冷卻方式的改變，其繞組對油的溫升值是有差異的，不是一個簡單的取代關系，要經過嚴密的計算。

6 不同冷卻方式下的繞組溫升經典計算公式

6.1 ODAF冷卻方式時，內、外繞組對油的平均溫升計算公式為：

     Tx=0.113q0.7 （1） 式中Tx—繞組對油的平均溫升，K

                   q—繞組表面熱負荷，W/㎡

6.2 ONAF冷卻方式時，內、外繞組對油的平均溫升計算公式為：

     Tx=0.159 q0.7 + TΔj + TΔy （2）

     式中TΔj —繞組絕緣校正溫升，TΔj = Kjq

     TΔy—油道校正溫升，TΔy=pq/1550

6.3 ONAN冷卻方式時，內、外繞組對油的平均溫升計算公式為：

    1）外繞組為：Tx=0.358q0.6 + TΔj + TΔy （3）

    2）內繞組為：Tx=0.41q0.6 + TΔj + TΔy （4）

    從式（1）—（4）中可看出，冷卻方式不同時，求解繞組對油的平均溫升的計算公式也不一樣。

7 結論

    我們在由強迫油循環風冷冷卻系統方式改造為油浸風冷冷卻方式時，已充分考慮了兩種運行方式下油流速的不同，在選用片散冷卻系統時也考慮了一定的裕度。

    近幾年對幾十臺220KV、上百臺110KV變壓器的成功改造，使我廠積累了豐富的經驗，改造后的變壓器經過幾年夏季高溫的考驗，均達到了預期效果，贏得客戶的一致認可！

二、110KV變壓器冷卻系統改造

    原110KV及以下變壓器所用冷卻器多采用管式冷卻器，風機為立式安裝的高轉速風機。此冷卻器冷卻功率低，滲漏油嚴重，風機噪音大，維護工作量重�，F在通常用自冷片式散熱器替代原管式散熱器，無需加裝風機，無需改動安裝方式，安裝方便、簡單、可靠，片式散熱器冷卻功率高，無滲漏油現象，無噪音，免維護。

    （一）、110kv變壓器冷卻器改造分類：

    1、原管式散熱器改為片散油浸自然風冷冷卻器

    2、原片散油浸風冷冷卻器改為片散油浸自然風冷冷卻器

    舉例分析：

            原管式散熱器改為片散油浸自然風冷冷卻器

     洛陽供電公司同樂寨2#變壓器型號SFZ7-31500/110，原冷卻系統為8組管散，每組管散配2臺轉速高、噪音大的風機，管散滲漏油嚴重；散熱管散熱功率衰減嚴重，需外配幾臺風機，加強管散散熱。

    改造前現場照片

    改造方案簡述：改造采用新型冷卻系統配有20組PC1600片式散熱器，在變壓器高、低壓側兩端對稱布置，每側10組，通過上、下集油管路并聯在一排，下集油管用支柱支撐在新做的基礎上。

    此結構布局合理，安裝可靠，美觀。

    采用方法：為滿足變壓器自冷的要求和消除變壓器本體死油區，在保證變壓器各帶電體絕緣距離的情況下，需對變壓器出油口重新開孔，根據實際情況抬高變壓器出油口100 mm,選用中心距1600 mm的片散，這樣抬高了變壓器散熱中心的高度，使變壓器發熱中心和散熱中心位置比例≤0.65，以促進變壓器油的循環。達到在拆除風扇電機的情況下，滿足變壓器全負荷狀態下的安全運行要求。

    對變壓器原8個DN80的出油口進行封堵，在變壓器高、低壓側原出油口上方垂直距離100 mm處重新開6個DN125的出油口。將變壓器高、低壓側原6個DN80的進油口擴為6個DN125的進油口，將變壓器西側的2個DN80進油口封死，變壓器高、低壓側最東端重新開的2個出油口和擴孔的2個進油口都向變壓器西側平移100 mm重新開、擴孔。開孔要保證變壓器器身不變形、焊接可靠，清渣去毛刺徹底，并用面團清理其它雜物，然后涂變壓器專用內壁漆，保證開孔處無滲漏油現象。重新開孔后不影響其它附件的相對位置。

    結構示意圖：

    改造后照片：

三、220KV變壓器冷卻系統改造

220 kv冷卻器改造分類：

1、變壓器增容改造

2、進口變壓器冷卻器國產化改造

3、YF-100、YF-120多回路冷卻器改造為：單回路大功率冷卻器

4、強油循環風冷冷卻器改造為：片散油浸風冷冷卻方式（ONAF/ONAN）（100%/75%）

5、強油循環風冷冷卻器改造為：片散強油循環油浸風冷冷卻方式（ONAF/ONAN）（100%/80%/60%）（其散熱比例可按用戶需要設計）

案例分析： 

1、變壓器增容改造

        舉例分析： 

                山西陽光發電有限責任公司變壓器增容改造

    山西陽光發電有限責任公司#2、#3、#4主變冷卻器改造，在原4臺YF-315KW/380V的基礎上增加1臺YF3-360KW/380V冷卻器，重而使主變在不改動其它設備的前提下使主變容量由300MW變為330MW，以達到增容的要求。

    改造方案簡述：在主變安裝冷卻器的一側，利用原來的冷卻器地基作為新冷卻器的地基，利用冷卻器的上下集油管作為新冷卻器的進出油管。在主變本體不放油的情況下，將一側的冷卻器上下集油管與本體相連的蝶閥關閉，把原冷卻器上下集油管（母管）的油放掉，在上下集油管的中間位置（母管）上焊接冷卻器用的連接管接頭，接頭與新冷卻器的進出油管相連，這樣新安裝的冷卻器和原冷卻器在同一方向上。

        示意圖如下： 

2、進口變壓器冷卻器國產化改造

    進口變壓器冷卻系統運行十幾年后，冷卻器管老化，冷卻功率降低，滲油嚴重。而從原產國進口冷卻器成本高、周期長。根據主變冷卻系統特點采用國產冷卻器替代原冷卻器，就顯得尤其重要。

        舉例分析：

               華能北京熱電廠烏克蘭變壓器冷卻系統改造設計方案

    烏克蘭變壓器廠制造，原配7臺YF-180KW冷卻器，冷卻器掛裝在變壓器本體上。其中4臺180KW冷卻器掛裝在變壓器的低壓側；2臺180KW冷卻器掛裝在變壓器的高壓側，1臺180KW冷卻器掛裝在變壓器長軸方向的一端。

    改造方案簡述：改造采用YF3-280KW/380V高效風冷6組替代原來的7臺進口180KW型風冷卻器,其中5臺工作，1臺備用，冷卻管為鋼鋁復合管。冷卻器采用集中安裝的方式：就是將冷卻器的進出油管通過上下集油管并聯在一起。采用這種安裝方式有三方面優點：①便于維護；②美觀；③冷卻器散熱效果好。

    新型冷卻器的特點：YF3-280KW/380V冷卻器所采用的冷卻管為鋼鋁復合軋翹片管，與淘汰的多回路鋼管繞翅片型相比，管側風阻系數小，（翹片無褶皺L2鋁材）外表不易沉積灰塵雜物。油流內阻�。�為單回路）的散熱管（內肋無縫管20#），管內裝繞流裝置（繞流絲），冷卻功率高，且安全、便于操作，減少了維護量。目前大型變壓器廣泛采用此種運行可靠的新型冷卻器。

3、YF-100、YF-120多回路冷卻器改造為單回路大功率冷卻器

        舉例分析：

                黃石供電公司新下路220KV變電站#1主變風冷系統改造方案

    黃石供電公司新下路220KV變電站#1主變壓器，型號SFPSZB-150000/220， 改造前變壓器冷卻系統采用10組YF-120KW/380V型冷卻器，其中9組工作、1組備用，分別布置在變壓器長軸方向的兩端，每端5組對稱布置。

    改造方案簡述：經計算擬采用YF-280KW/380V高效風冷5組替代原來的10組120KW/380V型風冷卻器，其中4組工作，1組備用。

    冷卻器安裝方式：

    采用在變壓器長軸的兩端集中安裝的方式，即在變壓器的一側集中安裝2組冷卻器，另一側集中安裝3組冷卻器。根據現場情況利用原變壓器冷卻系統地基基礎。

        舉例分析：

                 周口供電公司淮陽220KV變電站#2主變風冷系統改造方案

    周口供電公司淮陽變電站2#主變壓器，型號SFPSZ8-120000/220，是1995年生產的三相三圈有載調壓強迫油循環電力變壓器，1995年投入運行。變壓器冷卻系統采用4組YF-315型冷卻器，其中3組工作，1組備用�，F已運行15年。該冷卻器散熱管老化嚴重，且被昆蟲和空氣中的懸浮物堵塞，大大降低了散熱效果，并使風扇和油泵長時間工作，增大了電量損耗，且油泵長時間運行，軸承磨損產生的金屬雜質對變壓器油的絕緣造成危害。

    冷卻系統改造前溫升理論計算值如下：

    原變壓器出油口：原變壓器的出油口在上節油箱的頂部，靠近高壓套管一側開3個φ150的出油孔。開孔處安裝蝶閥，分別用一根φ168的油管引出。然后，三根油管共同與冷卻系統上集油管相連。

    原變壓器進油口：在主變下節油箱，靠高壓套管一側，開有3個φ150的進油口，三根進油管與下集油管相連。

    變壓器上下集油管分別與主變兩端冷卻器的上下集油管相連。4組冷卻器在主變兩端對稱站立。 如圖所示：

    改造方案簡述：新冷卻系統冷卻容量的確定：主變在運行中負載損耗為480.24KW，空載損耗為126.40KW，總損耗為606.64KW。為滿足主變安全運行，在片散自然冷卻的情況下能達到75%的負荷，在片散風冷的情況下能達到100%的負荷，即ONAF/ONAN(100%/75%)方式，經過理論計算和主變在現場實際運行情況，需要PC2600型片散38組。在主變的高低壓兩側進行布置。

    新型冷卻系統高壓側進出油口的確定：根據現場實際情況，保留高壓側上節油箱3個出油口、下節油箱3個進油口。在高壓側高壓中性點與壓力釋放閥之間，分別在上節油箱和下節油箱重開1個新的主變進、出油口。

    新型冷卻系統低壓側進出油口的確定：根據現場實際情況，在主變低壓側上下節油箱適當位置，分別重新開主變的3個出油口和3個進油口。

    對變壓器油箱開孔處要焊接可靠、清渣去毛刺徹底并用面團清理其它雜物，然后涂變壓器專用內壁漆。

    新型冷卻系統分布：

    將38組PC2600片式散熱器布置在變壓器長軸方向兩側，其中高壓側布置片式散熱器22組，同時在每2組片式散熱器下面安裝1臺CFZ-9Q8吹風裝置，共11臺，吹風采用底吹式。片式散熱器的上進油口與片式散熱器的下出油口分別并聯在上下匯流管路上，上匯流管與主變的出油口相連，下匯流管通過管路與主變的進油口相連，然后通過鋼制支架就地支撐。

    低壓側一邊布置片式散熱器12組，同時在每2組片式散熱器下面安裝1臺CFZ-9Q8吹風裝置，共6臺，吹風采用底吹式。片式散熱器的上進油口與片式散熱器的下出油口分別并聯在上下匯流管路上，上匯流管與主變新開的出油口相連，下匯流管通過管路與主變新開的進油口相連，然后通過鋼制支架就地支撐。

    低壓側靠近儲油柜一側邊布置片式散熱器4組，同時在每2組片式散熱器下面安裝1臺CFZ-9Q8吹風裝置。共安裝吹風裝置2臺，吹風采用底吹式。片式散熱器的上進油口與片式散熱器的下出油口分別并聯在上下匯流管路上，上匯流管與主變新開的出油口相連，下匯流管通過管路與主變新開的進油口相連，然后通過鋼制支架就地支撐。

    由于冷卻器改造后，增加油重5噸左右，必須更換儲油柜以滿足變壓器在各種工作狀態下補油和儲油的功能。

    改造后變壓器冷卻系統結構緊湊、布局合理、對稱美觀。

    改造后溫升計算：

    冷卻系統改造后，模擬數據油面溫升計算值如下：

5、片散強油風冷冷卻方式(ODAF/ ONAF/ONAN /)（100%/80%/60%）

        舉列分析：

                臨沂供電公司郯城220KV變電站#1主變風冷系統改造方案

    臨沂郯城變電站1 #主變壓器，型號為SFPS7-150000/220，是三相三圈無載調壓強迫油循環電力變壓器。采用4組YF5-250/380型冷卻器，其中3組工作，1組備用。

    改造方案簡述：經查變壓器原始設計資料和結合現場實際情況，受變壓器結構和現場基礎設施的限制，將24組PC2800-28/460片式散熱器布置在變壓器長軸方向的兩端，每端12組，對稱布置。散熱器并聯在上下匯流管路上后，通過鋼制支架就地支撐，下匯流管有4臺油泵與油箱相連，每兩組片散下部裝有一臺吹風裝置，吹風采用底吹式。

    利用變壓器原有的部分進油口作為片式散熱器的出油口，在變壓器上部重新開4個φ150孔作為變壓器的出油口即片式散熱器的進油口，冷卻器改造時變壓器需吊罩。

    改造后由原來的強油循環風冷實現為自然風冷卻、風冷冷卻、強油循環風冷冷卻三種冷卻方式。

    即ODAF/ONAF/ONAN(100%/80%/60%)

    注：由于冷卻器改造后，需增加變壓器油，可根據變壓器的總油重，確定是否更換儲油柜。