劉光輝 李金忠 劉 銳 張書琦 湯 浩

1.國家電網(wǎng)公司 北京 100031；2.中國電力科學研究院 北京 100192

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，我國電力工業(yè)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢，近幾年發(fā)展更加迅猛，電力需求和電源建設空間巨大，電網(wǎng)面臨持續(xù)增加輸送能力的艱巨任務。我國能源資源和生產(chǎn)力發(fā)展呈逆向分布，西部地區(qū)資源豐富，東部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，西部能源基地與東部負荷中心距離在800～3000公里左右，使遠距離、大容量特高壓直流輸電成為我國未來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。

換流變壓器作為直流輸電系統(tǒng)中最為重要的設備之一，其絕緣設計與交流電力變壓器絕緣設計有著最顯著的不同。在交流下電場按介電常數(shù)分配，而直流下則按電阻率分配，前者只是倍數(shù)差別，而后者則是數(shù)量級差別。在直流電壓下的電場分布由材料的電阻率決定，且隨溫度變化呈指數(shù)變化，同時水分對紙的電阻率影響很大。

換流變壓器現(xiàn)場安裝的過程中，防止變壓器受潮成了非常重要的一環(huán)。隨著容量的增大，現(xiàn)在的大型電力變壓器的體積及重量越來越大，這將帶來運輸及現(xiàn)場安裝的困難。安裝時間越長，變壓器器身暴露于空氣中的時間越長，也就更加容易受潮。目前，我國的大型換流變壓器現(xiàn)場安裝依然采用傳統(tǒng)方法，對于容量的改變，只是增加熱油循環(huán)時間、抽真空時間及靜放時間，現(xiàn)場處理時間長且效率低下。而且在環(huán)境溫度很低的情況下，受到濾油機加熱能力的限制，熱油循環(huán)中變壓器油只能加熱到較低溫度。在這種情況下，即使延長熱油循環(huán)時間，也難以達到良好的干燥效果。

本文對現(xiàn)場的干燥工藝進行了改進和革新，通過分析推出了短路法加熱措施和加熱裝置，從工程實施角度總結(jié)了短路法的優(yōu)勢。

1 短路法的基本原理和加熱裝置

1）基本原理 將變壓器一側(cè)繞組（通常是閥側(cè)繞組）短路，從另一側(cè)繞組（通常是網(wǎng)側(cè)繞組）施加交流電壓，使繞組內(nèi)流過電流（應控制不超過額定電流），使其內(nèi)部繞組發(fā)熱，從內(nèi)部將器身絕緣均勻加熱到指定溫度，再經(jīng)過抽真空和熱油循環(huán)處理，帶出絕緣內(nèi)的潮氣，從而達到干燥的效果。這樣將大大提高加熱效率，縮短加熱時間。同時，由于這種加熱方式是繞組從器身內(nèi)部發(fā)熱，器身絕緣的干燥效果要大大優(yōu)于普通的熱油循環(huán)方法。

2）加熱裝置 由于短路法加熱時電壓、電流高、容量需求大，不能直接使用換流站內(nèi)現(xiàn)有的電源，因此，研制了短路法加熱裝置，用于特高壓換流變壓器現(xiàn)場加熱。

短路法加熱裝置設計時，需考慮以下問題：

（1）短路法加熱時，要求加熱功率可調(diào)，而加熱功率的調(diào)節(jié)是通過改變網(wǎng)側(cè)繞組施加電壓來實現(xiàn)的，因此，短路法加熱裝置中應配備調(diào)壓器。

（2）短路法加熱時需施加的電壓較高（達到幾十千伏），而換流站內(nèi)最容易獲得的是10kV電源，因此，短路法加熱裝置中應配備中間變壓器以升高電壓。

（3）短路法加熱時，換流變壓器除消耗有功功率外，還會消耗大量的無功功率（變壓器自身容量的10%以上），而換流站站內(nèi)電源無法提供這么大的容量，因此，短路法需配備補償電容器以補償換流變壓器消耗的無功功率。

依據(jù)以上原則，制定的總體實施方案如下：換流變壓器閥側(cè)繞組短路，從網(wǎng)側(cè)施加交流電壓。短路法加熱裝置由調(diào)壓器、中間變壓器、補償電容器組以及相應的測量系統(tǒng)和控制保護系統(tǒng)的短路法加熱裝置組成。

2 加熱能力分析

加熱裝置在加熱時，同時發(fā)生著兩個過程：加熱裝置對變壓器油加熱和變壓器油通過油箱壁和冷卻器向空氣傳熱。

下面以±800kV特高壓直流工程為例進行分析，特高壓直流工程中所用的各級換流變壓器的負載損耗均在600kW以上，閥側(cè)繞組加額定電流時，其負載損耗即是內(nèi)部加熱的功率。分析時按內(nèi)部加熱功率為600kW考慮。

變壓器油向空氣的傳熱過程包括串聯(lián)著的三個環(huán)節(jié)：（1）從熱油到油箱壁高溫側(cè)（內(nèi)側(cè)）的熱量傳遞；（2）從油箱壁（冷卻器）高溫側(cè)（內(nèi)側(cè)）到油箱壁低溫側(cè)（外側(cè)）的熱量傳遞，亦即穿過固體壁的導熱；（3）從油箱壁低溫側(cè)（外側(cè)）到空氣的熱量傳遞。按照穩(wěn)態(tài)過程分析，則通過串聯(lián)著的每個環(huán)節(jié)的熱流量Q應該是相同的。設油箱壁（冷卻器）的表面積為F，參照下圖中的符號，可以分別寫出上述三個環(huán)節(jié)的熱流量表達式：

式中，α1為油的對流換熱系數(shù)，α2為空氣的對流換流系數(shù)，λ為箱壁的傳熱系數(shù)，δ為箱壁厚度。

圖1 傳熱過程示意圖

將以上三式改寫為溫壓的形式：

三式相加，整理后得到：

設t油隨時間的變化關系為t油＝f（t），則有：

式中，P內(nèi)部加熱功率，C油為變壓器油比熱容，m油為油箱內(nèi)變壓器油的總重量。

即：

解微分方程得到：

特高壓直流工程中，各級換流變壓器油箱內(nèi)變壓器油總量約為100噸。變壓器油比熱容與煤油比熱容接近，為2.1kJ/kg·℃。根據(jù)油箱壁和冷卻器散熱面積、一般現(xiàn)場的氣候狀況，F(xiàn)α2為4 kW/℃~6kW/℃之間。根據(jù)實踐經(jīng)驗，閥側(cè)短路，對網(wǎng)側(cè)繞組施加額定電流，可將油紙絕緣加熱至70℃，可以在不損害器身絕緣和變壓器油的情況下，達到很好的干燥效果。因此，此處主要分析將油溫加熱至70℃所需時間。

（1）分析環(huán)境溫度為0℃，將變壓器油從0℃加熱至70℃所需時間

t空氣=0，P=600kW，C油=2.1kJ/kg·℃，m油=100t，取Fα2=4 kW/℃，根據(jù)初始條件：

可求得：k=-150

根據(jù)終了條件：

可求得：t=9.2 h

即取Fα2=4kW/℃時，將油溫從0℃加熱至70℃需要9.2小時。

（2）分析用濾油機進行熱油循環(huán)的加熱能力

目前使用的濾油機中，最大加熱功率為270kW。為防止損壞油質(zhì)，需控制濾油機出口溫度，同時，油在外部管路中循環(huán)時存在散熱損耗，實際的濾油機加熱加熱功率約為180kW。

使用濾油機進行熱油循環(huán)時，不開啟油泵。此時的散熱面積僅為油箱壁表面。根據(jù)油箱壁的表面積以及一般換流站內(nèi)的氣候條件，約為3kW/℃。分析環(huán)境溫度為0℃的情況。

根據(jù)初始條件：

可求出：k=-60

很明顯，當油溫達到60℃時，散熱功率等于加熱功率，油溫不會繼續(xù)上升。

分析濾油機將油溫加熱至55℃所需時間:

根據(jù)終了條件：

可求出：t=48h

油溫升高到55℃以后，繼續(xù)向上升溫的難度極高。

根據(jù)終了條件：

可以求出：將油溫加熱至57℃所需時間t=58h。

可見，使用濾油機進行熱油循環(huán)時，僅將油溫從55℃升至57℃就需要10小時，而且隨著溫度的升高，溫度升高的速度會越來越慢。

對比短路法加熱裝置與濾油機的加熱能力。短路法加熱裝置將油溫從0℃加熱至70℃僅需要9~10小時。濾油機經(jīng)過48小時也只能將油溫從0℃升至55℃，而且繼續(xù)往上升溫的速度會越來越慢，升溫的極限是60℃。很明顯，短路法加熱裝置的加熱能力要大大優(yōu)于濾油機。

3 實際加熱能力分析

為驗證短路法現(xiàn)場加熱能力，選擇了奉賢換流站極2低端Y-Y接線A相換流變壓器 （出廠編號：09B12016）作為被試品，加熱裝置與變壓器連接見圖2。

圖2 加熱裝置與變壓器連接示意圖

按照以上公式估算將變壓器內(nèi)的油從0℃加熱到70℃所需時間約為9~12小時。實際測試為將變壓器油從0℃加熱至70℃所需的時間約為12小時，與估算出的結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

文章分析比較了短路法加熱與濾油機的加熱兩種現(xiàn)場干燥技術，主要結(jié)論如下：

（1）短路法加熱是適用于特高壓換流換流變現(xiàn)場加熱干燥處理的方法。

（2）短路法加熱革新了特高壓換流變壓器現(xiàn)場干燥處理只有熱油循環(huán)處理唯一方法的狀況，增加了現(xiàn)場絕緣處理的有效手段。

（3）應用短路法進行干燥處理的效果顯著，對于保障特高壓換流變壓器的絕緣性能以及投運后的安全運行具有重要意義。

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