0 引言
電力變壓器運行時,鐵心產生的磁損耗?線圈產生的電損耗及結構件產生的附加損耗將轉化為熱量,然后經作為冷卻介質的變壓器油傳遞到油箱箱體和冷卻設備,與外部冷卻介質(水或空氣)通過熱交換后散發到周圍環境中?由于自冷式油浸變壓器冷卻系統具有無輔機設備能量消耗?運行時噪音低?日常運行維護費用及工作量小,且維修更換時不需要停運變壓器等優點,因此近年來在我國220kV及以下電壓等級的城區變電站及廠用變電站得到越來越多地應用?由于片式散熱器冷卻效果直接影響到運行中的變壓器油及固體絕緣材料的熱老化進度,因此片式散熱器的合理選型和科學布置具有重要的意義?
1 現狀
近年來,隨著投入運行的大容量自冷式油浸變壓器的增多,部分自冷式變壓器在運行時出現了頂層油溫過高的現象?而變壓器運行溫度直接影響到產品的使用壽命?當變壓器熱點溫度超過98℃時,溫度每升高6℃,產品使用壽命減半;反之則增加1倍?為保證產品具有20年以上的正常使用壽命,測量頂層油溫的溫度控制器被設定為當頂層油溫超過80℃或85℃時發出高溫報警?另外,隨著油溫的升高,變壓器油及固體絕緣材料將受熱分解,產生的特征氣體溶解于油中,當油中溶解氣體達到飽和后,將進入到氣體繼電器中?當氣體繼電器中的氣體容積達到一定量時,氣體繼電器將發出輕瓦斯報警信號?由此可見,頂層油溫過高將對變壓器的安全運行產生非常不利的影響?從設計的角度來看,避免由片式散熱器選型或結構布置不合理原因引起的油頂層溫度過高,對保證變壓器安全運行?延長變壓器的使用壽命具有重要意義?
2 分析
導致自冷式油浸變壓器出現頂層油溫異常過高現象的原因主要有以下幾種?
(1)環境溫度高,用電負荷大,變壓器本身發熱量大而冷卻系統散熱能力不足?這種情況有一部分由變壓器廠家缺乏足夠的設計制造經驗或為了節省成本而人為刻意造成的冷卻能力不足導致,也有一部分由變壓器周圍環境通風不暢等因素引起?
(2)變壓器剛開始投運的短暫時間內,其內部發熱量相對不大,油循環速度慢,熱油集中在油箱頂部區域,造成短時間內油頂層溫度偏高,但是隨著時間的推移,油循環逐漸加速,頂層油溫會緩慢下降?
(3)片式散熱器的選型或結構布置不合理?下面將從設計制造角度出發,分析片式散熱器選型和結構布置對頂層油溫的影響?
為盡可能降低變壓器的造價,變壓器廠家一般會盡可能提高硅鋼片的用量而減少銅線的使用,因此實際變壓器產品高度明顯降低?這種變壓器上的片式散熱器常見安裝方式如圖1所示?
圖1 變壓器上的片式散熱器常見安裝方式圖
片散頂端低于油箱頂部布置方式,受變壓器油箱本身高度的限制,可供片式散熱器選擇安裝的高度范圍就相對較小?在此種情況下,為滿足散熱要求,通常選用的片式散熱器中心距較小?組數較多,且每組片散的片數也很多?相關研究資料表明,變壓器油箱內部溫度沿繞組高度方向大致成線性分布,且由箱體下部向上逐漸升高,繞組頂部溫度或油頂層位置溫度最高?在片式散熱器總的有效散熱面相同的情況下,適當增加片式散熱器的高度,其內部的變壓器油從頂部到達底部的路徑越長,與外部空氣熱交換越充分,就越能增加片式散熱器進出口油溫差,提高散熱器冷卻效率?顯然,這種中心距較小的片式散熱器雖然散熱片的總散熱表面積足夠多,但散熱效果并不理想?
片散頂端低于油箱頂部布置方式的片式散熱器不能滿足散熱要求時,普遍采用鵝頸式片式散熱器?常用的鵝頸式片式散熱器上部集油管中心的高度與其箱壁安裝的進油口中心的高度差ΔH在200-600mm?自冷式變壓器內部的油流是以變壓器油箱內線圈上下端油的密度差為驅動力的?作為主要發熱體的線圈,其高度方向的尺寸越大,上下部位的油溫差越大,即上下部位油的密度差越大,油流的驅動力也越大,油流速越快,油循環次數增加,散熱效率也越高,反之亦然?值得注意的是,采用鵝頸式片式散熱器,進油口處油路的阻力和壓力損失也會增大?變壓器油的穩定流速是其驅動力與阻力最終平衡的結果?
需要說明的是,片式散熱器的高度尺寸并不是越高越好,實際選擇片式散熱器規格時要根據具體項目結合油流解析計算?壓力損失計算?高度空間限制和以往產品溫升數據統計等因素綜合決定?
3 驗證
為驗證片式散熱器選型和結構布置對散熱效率的影響,進行如下比較分析?
(1)片式散熱器(尺寸)選型對散熱效率的影響?以SZ-50MVA/110kV型變壓器為例,用于對比的兩臺該類型變壓器的片式散熱器均為圖1(a)所示結構型式,其與溫升有關的技術參數及測試結果見表1?
表1 片式散熱器選型對散熱效率的影響對比
由表1可知,雖然產品1的總損耗比產品2高出約16kW,但是產品1采用較高中心距的片式散熱器,使得在幾乎不增加有效散熱面積的情況下,其油頂層溫升與產品2的基本相同?由此可見,增加片式散熱器的高度能提高其內部的油流速,從而提高散熱效率?
(2)片式散熱器結構布置對散熱效率的影響?按圖2布置片式散熱器,保持片式散熱器中心距?片數及組數和片式散熱器間的間距等不變,改變片式散熱器底部對地高度(Hx),測量油溫升并進行對比分析,結果見表2?
圖2 片式散熱器頂端高出油箱圖
表2 片式散熱器結構布置對散熱效率的影響
由表2可知,片式散熱器底部對地高度從800mm提高至1100mm,即散熱中心與發熱中心的高度差從600mm提高至900mm,片式散熱器的散熱能力有較大提升;而片式散熱器底部對地高度從1100mm提高至1400mm后,片式散熱器的散熱能力雖有提升,但并不明顯?該試驗說明,適當提高片式散熱器的離地高度,即增大片式散熱器散熱中心與變壓器發熱中心的高度差,有利于提高片式散熱器的散熱功率?當然,在產品具體設計過程中,片式散熱器的結構布置受到其它附件布置及絕緣距離等因素的制約,須綜合考慮?
4 結束語
溫升是變壓器的一項非常重要的考核項目,影響著變壓器的安全運行及使用壽命?本文通過數據統計分析及試驗驗證,認為對片式散熱器進行合理選型和結構布置,可有效提高其散熱效率,在滿足散熱要求的前提下,可減少片式散熱器及油的用量,從而提高產品市場競爭力和企業經濟效益?
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