劉赟，萬勛，劉興文

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙410007)

電力變壓器被譽為電網(wǎng)的心臟，其安全穩(wěn)定運行關系重大，當冷卻裝置效率不高時，可能會出現(xiàn)油溫過高的情況，并影響到變壓器的運行壽命。因此，國家電網(wǎng)公司十八項反事故措施提出:應及時對冷卻裝置效率進行評估，并根據(jù)評估結(jié)果安排冷卻裝置的清洗。但是，目前冷卻裝置缺少有效的效率評估的手段。為此，本文提出了計算冷卻裝置效率的方法，開發(fā)簡易計算軟件，經(jīng)實例驗證計算結(jié)果準確。

1 基本思路

1.1 冷卻器效率計算

利用變壓器發(fā)熱和散熱平衡原理，由實時負載電流計算變壓器的實時負載損耗，由頂層油溫升確定冷卻器的冷卻容量，由冷卻容量和總損耗確定冷卻器的效率。再通過反推計算，求出任意負荷下的頂層油溫升值〔1〕。

1.2 散熱器效率計算

同樣，利用變壓器發(fā)熱和散熱平衡原理，由實時負載電流計算變壓器的實時負載損耗，在工廠計算法的基礎上，對散熱器效率進行計算。再通過反推計算，可求出任意負荷下的頂層油溫升值〔2〕。

2 計算參數(shù)

表1 所列符號在此統(tǒng)一定義，在下文中將直接采用，不另作備注。

表1 計算參數(shù)表

3 變壓器實時損耗計算

變壓器運行時，導線中流過電流，產(chǎn)生負載損耗。負載損耗由繞組和引線的直流電阻損耗、導線在漏磁場中產(chǎn)生的渦流損耗以及并繞線圈中漏磁場引起的不平衡電流損耗、漏磁場在結(jié)構(gòu)件如鐵芯夾件、壓板、油箱等中引起的渦流損耗以及漏磁場在鐵芯中引起的附加損耗組成。

變壓器銘牌給出了負載損耗值，三線圈變壓器給出了高－中、高－低、中－低3 個繞組負載損耗銘牌值，分別為Phm，Phl，Pml;兩線圈變壓器給出了高－低繞組的銘牌值Phl。

為方便計算〔3－4〕，將繞組的負載損耗換算到高、中、低3 個單獨繞組的損耗，換算公式見式(1):

對于一個給定的負載組合，當高、中、低繞組的實時電流分別為Ih，Im，Il時，每個繞組的負載損耗與偏離參考值的電流平方成正比，負載總損耗Pk為3 個單獨繞組的損耗之和:

3.1 三線圈變壓器實時負載計算

由式(1)，(2)可推導出三線圈和兩線圈變壓器的實時負載計算公式。

三線圈變壓器，高中繞組一般為全容量，低壓繞組一般為50%全容量或其它。對于任意Sh= Sm= nSl時，實時負載損耗pk按下式計算:

3.2 兩線圈變壓器實時負載計算

兩線圈變壓器，高、低繞組容量相等，實時負載損耗pk按下式計算:

變壓器在運行時，電網(wǎng)電壓波動不大，實時空載損耗與額定電壓下測定的空載損耗差別不大，因此，本文將以銘牌上的空載損耗作為實時空載損耗使用。

4 冷卻裝置效率計算

4.1 冷卻器效率計算

采用冷卻器進行冷卻的變壓器主要有2 種:一種是強迫油循環(huán)冷卻(OFAF)，另一種是強迫油循環(huán)導向冷卻(ODAF)。

1)冷卻器效率的計算

假定變壓器冷卻容量與損耗在一段時間內(nèi)相等，可以推導出下式:

2)假定冷卻器的效率已知，任意負荷電流下的頂層油溫升則可通過下式計算:

4.2 散熱器效率計算

采用散熱器進行冷卻的變壓器主要有2 種:一種是自然油循環(huán)冷卻(ONAN)，另一種是自然油循環(huán)風冷(ONAF)。在頂層油溫升工廠計算法的基礎上進行反推計算，可以得到以下公式。

1)自然油循環(huán)冷卻

頂層油溫升、單位面積熱負荷和散熱效率由式(7)確定:

2)自然油循環(huán)風冷

采用自然風冷的變壓器，一般在負荷較低、頂層油溫未達到設定值時，不會開啟風機，此時它的冷卻方式和自然油循環(huán)相同，因此，頂層油溫升、單位面積熱負荷和散熱效率與式(7)相同。

當風機開啟時，頂層油溫升、單位面積熱負荷和散熱效率由式(8)來確定:

式(7)，(8)中，單位面積的有效散熱面積q 按式(9)計算單位為W/m2。

同樣，由式(7)，(8)可知，當效率已知時，通過反推計算，可以求出任意負荷電流下的頂層油溫升。

式(3)—(9)的頂層油溫升和各繞組電流取一段時間內(nèi)的平均值，以24 h 為宜。

5 計算軟件介紹

根據(jù)以上結(jié)論，為方便計算，開發(fā)了一套計算軟件，計算流程見圖1，軟件選擇界面、參數(shù)輸入界面見圖2，3。

圖1 冷卻裝置效率計算流程

從圖1 中所示，1 和2 決定于變壓器的冷卻裝置配置，由冷卻裝置配置確定變壓器額定冷卻容量5;由3 和4 確定實時冷卻容量6;再5 和6 確定7;最后由7 和8 實時負荷來計算頂層油溫升9。

圖2 選擇界面

圖3 參數(shù)輸入界面

計算軟件提供了兩圈變、三圈變2 種類型，以及4 種冷卻方式下的計算模式。從表1 中選用參數(shù)后，可以較快完成計算。

6 實例計算

6.1 冷卻器效率計算

利用計算公式，對3 臺220 kV 強油循環(huán)變壓器冷卻器效率進行了計算，參數(shù)見表2—4。

表2 變壓器運行數(shù)據(jù)

表3 變壓器銘牌參數(shù)

表4 冷卻器參數(shù)

通過計算，3 臺主變的冷卻效率分別為0.916，0.905，0.913。比對變壓器的歷史運行數(shù)據(jù)，計算結(jié)果與實際情況基本相符。

6.2 散熱器效率計算

同樣，對2 臺同型號自然油循環(huán)變壓器散熱器效率進行了計算，已知這2 臺變壓器總有效散熱面積為678 m2，變壓器發(fā)熱中心高度與散熱中心高度比值為0.72，其它計算參數(shù)見表5，6。求出1 號和2 號的散熱效率分別為94%和95%。

表5 變壓器銘牌參數(shù)

表6 變壓器運行數(shù)據(jù)(24 h 平均值)

7 小結(jié)

1)冷卻器效率計算，沒有考慮油溫對變壓器油密度、比熱、流量的影響;冷卻器進口油溫和進口風溫之差由變壓器頂層油溫升近似替代，這對計算結(jié)果有一定影響。

2)計算散熱器效率時，需要獲取有效散熱面積、發(fā)熱中心高度與散熱中心高度比值，這對于老變壓器和資料保存不當?shù)淖儔浩鲿幸欢ɡщy。此時，單位面積熱負荷可取500 W/m2經(jīng)驗值，發(fā)熱中心高度與散熱中心高度現(xiàn)場估測。

3)油溫表的誤差對計算結(jié)果影響較大，應盡量多取數(shù)據(jù)再取平均值。

4)獲取溫度參數(shù)應選在無雨、無大風、日照不強的天氣下進行。

5)負載總損耗(平均值)相同，同一臺變壓器頂層油溫升(平均值)不會有明顯的變化。

6)自冷變壓器油溫越高時，計算結(jié)果越準確。

〔1〕全國變壓器標準化技術委員會． JB/T 8315—2007 變壓器用強迫油循環(huán)風冷卻器〔S〕． 北京:機械工業(yè)出版社，2007．

〔2〕全國變壓器標準化技術委員會． JB/T 5347—2013 變壓器用片式散熱器〔S〕． 北京:中國電力出版社，2014．

〔3〕全國變壓器標準化技術委員會． GB/T 13499—2002 電力變壓器應用導則〔S〕． 北京:中國標準出版社，2002．

〔4〕謝毓城． 電力變壓器手冊〔M〕． 北京:機械工業(yè)出版社，2003．