蘭志軍，武劍靈，戴東，張彥斌，岳永剛

（1.內(nèi)蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080；2.烏海超高壓供電局，烏海 016000）

0 引言

目前在運(yùn)的500kV 變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)基本采用強(qiáng)油風(fēng)冷方式，該類(lèi)型風(fēng)冷系統(tǒng)是20 世紀(jì)90 年代設(shè)計(jì)制造的冷卻系統(tǒng)，具有工作電源可靠性要求高、冷卻系統(tǒng)自冷性能低、檢修維護(hù)量大、能耗噪音高等特點(diǎn)。而新型油浸式變壓器自然冷卻/自然油循環(huán)風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)，具有良好的自冷性能、維護(hù)量小、能耗及噪音低等優(yōu)點(diǎn)，目前新改擴(kuò)建工程中廣泛運(yùn)用。尤其隨著專(zhuān)業(yè)化管理的實(shí)施，電網(wǎng)調(diào)控一體化、變電站實(shí)行無(wú)人值班等方式的開(kāi)展，如油浸式變壓器強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)故障，將會(huì)造成變壓器過(guò)負(fù)荷停運(yùn)，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行和可靠供電[1-3]。如 2011 年 6 月 1 日凌晨，某 220kV 無(wú)人值班變電站變因?yàn)?80V 低壓出線故障，引起變電站的站用電源失壓，造成2 臺(tái)容量為120MW 的強(qiáng)油風(fēng)冷變壓器冷卻系統(tǒng)的工作電源全停，變壓器跳閘[4]。類(lèi)似由于站用電源問(wèn)題或二次電纜故障問(wèn)題引起強(qiáng)油風(fēng)冷變壓器被迫停運(yùn)事故很多。同時(shí)由于強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷方式下，風(fēng)扇電機(jī)、潛油泵需要頻繁啟動(dòng)和切換，導(dǎo)致風(fēng)扇電機(jī)及二次風(fēng)冷控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障，也極易發(fā)生風(fēng)冷全停跳閘事故，嚴(yán)重危害著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[5-9]。

1 溫升的計(jì)算

以某變電站1 號(hào)主變?yōu)楦脑鞂?duì)象。型號(hào)為ODFPS-250000/500，廠家：特變電工沈陽(yáng)變壓器集團(tuán)有限公司，自耦單相強(qiáng)油風(fēng)冷變壓器，2004 年投入運(yùn)行，運(yùn)行15 年；該變壓器冷卻器型號(hào)為：YF2-315，共計(jì)3 組，其中1 組備用；油泵型號(hào)為：QK37-150-b，功率為：3kW，數(shù)量3 臺(tái)；吹風(fēng)裝置型號(hào)為：DBF-9Q6，數(shù)量9臺(tái)；油流繼電器數(shù)量為3 臺(tái)。

1.1 OODDAAFF冷卻形式下的溫升計(jì)算

式中：Td，油面溫升，P，總損耗，N，冷卻器實(shí)際運(yùn)行組數(shù)，Sn，冷卻器額定容量，TΔ，修正值。

線圈表面單位熱負(fù)荷：

式中：q，線圈表面單位熱負(fù)荷，K1，材質(zhì)溫度系數(shù)，一般取 21.4；K2，匝絕緣校正系數(shù)，一般取 1；K3，線段絕緣校正系數(shù)；K4，導(dǎo)線中附加損耗百分?jǐn)?shù)，一般取25；K5，線段的遮蓋系數(shù)；I，線餅中流過(guò)的電流；W，線餅中的匝數(shù)；J，線餅中的電流密度；L，線餅外表面周長(zhǎng)；qΔ，油道寬度校正系數(shù)。

線圈對(duì)油的平均溫升：Tx=0.113q0.7

式中：TX，線圈對(duì)油的平均溫升；q，線圈表面單位熱負(fù)荷；

線圈溫升：Tw(K)=Tx+Td

在強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷條件下計(jì)算線圈溫升結(jié)果如表1所示。

表1 強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷條件下計(jì)算線圈溫升

1.2 發(fā)熱中心與散熱中心比值計(jì)算

根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)計(jì)算，在采用PC3000/480 片散的情況下，本臺(tái)變壓器的發(fā)熱中心與散熱中心比值計(jì)算如式（1）所示：

其中，400 為變壓器出口連管升高的尺寸。通過(guò)發(fā)熱中心與散熱中心的計(jì)算比值對(duì)比和結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定每個(gè)單相變壓器采用PC3000/480 的片式散熱器。

新改造后的片式散熱器在變壓器高壓側(cè)布置14組，在變壓器低壓側(cè)布置10 組，片式散熱器采用掛裝的方式分別并聯(lián)安裝在上下匯流管路上，上下匯流管路分別連接變壓器上下進(jìn)出油口，上下匯流管路通過(guò)鋼制支架就地支撐在預(yù)先制作的砼基礎(chǔ)墩上。每?jī)山M片散下部裝有一臺(tái)CFZ-9Q8 吹風(fēng)裝置，共12 臺(tái)，吹風(fēng)采用底吹式。這樣改造后變壓器結(jié)構(gòu)緊湊，布局美觀。

在匯流管與變壓器進(jìn)油口處的彎管，按照低轉(zhuǎn)速、低流量、低噪音油泵的相應(yīng)尺寸制作，數(shù)量為4 個(gè)，一旦變壓器冷卻系統(tǒng)有異常，出現(xiàn)油溫過(guò)高現(xiàn)象，可以迅速分別關(guān)閉彎管兩端的蝶閥，更換上4 臺(tái)油泵。此方案無(wú)須停電，以備應(yīng)急之需。同時(shí)在風(fēng)冷控制柜內(nèi)安裝有相應(yīng)的電氣控制元器件。

2 儲(chǔ)油柜柜座及柜腳的受力及變形計(jì)算

針對(duì)風(fēng)冷改造后儲(chǔ)油柜容量增大及更換，在波紋式儲(chǔ)油柜直徑不發(fā)生變化情況，存在一個(gè)問(wèn)題是儲(chǔ)油柜左邊支腿近似在儲(chǔ)油柜的中心位置，外邊懸垂太多，從機(jī)械強(qiáng)度考慮，儲(chǔ)油柜穩(wěn)定性無(wú)法保證。按照某公司產(chǎn)品尺寸為2360 情況進(jìn)行計(jì)算。

（1）原始數(shù)據(jù)

材料名稱：普通碳鋼；

屈服強(qiáng)度：2.20594e+008 N/m2

極限強(qiáng)度：3.99826e+008 N/m2

彈性模量：2.1e+011 N/m2

泊松比：0.28

質(zhì)量密度：7800 kg/m3

抗剪模量：7.9e+010 N/m2

（2）計(jì)算建模

柜座及柜腳的三維模型見(jiàn)圖1，針對(duì)整個(gè)模型施加力以及支撐情況見(jiàn)圖2。圖2 中，藍(lán)色箭頭表示分布在柜座上表面的均布載荷，為80000N；綠色箭頭表示柜腳底部為固定支撐點(diǎn)；柜座與柜腳的接觸為全局接觸。

圖1 柜座及柜腳的三維模型

圖2 力的施加以及支撐

（3）計(jì)算建模

柜座和柜腳的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3，從圖中可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在右側(cè)柜腳與柜座交界處，數(shù)值為1.60289e+008 N/m2（160.289MPa）。柜座和柜腳的變形云圖見(jiàn)圖4，從圖中可以看出，最大變形發(fā)生在柜座右端邊緣上，計(jì)算的數(shù)值為14.22mm。

圖3 柜座和柜腳的應(yīng)力云圖

圖4 柜座和柜腳變形云圖

（4）結(jié)果分析

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，最大應(yīng)力1.60289e+008 N/m2，本材料屈服極限為2.20594e+008 N/m2，安全系數(shù)計(jì)算如式（2）所示。根據(jù)計(jì)算應(yīng)力計(jì)算結(jié)果所更換油枕應(yīng)力計(jì)算滿足運(yùn)行要求。

3 改造后效果分析

圖5 改造前強(qiáng)油風(fēng)冷與改造后自然冷卻效果對(duì)比

圖6 改造后自然風(fēng)冷與自然冷卻效果對(duì)比

（1）選擇改造前后運(yùn)行負(fù)載、運(yùn)行環(huán)境溫度等運(yùn)行條件基本相同主變運(yùn)行工況，對(duì)改造前強(qiáng)油風(fēng)冷模式與改造后自然冷卻模式冷卻效果進(jìn)行對(duì)比，如圖5 所示，改造后的油溫和繞組溫度有小幅的下降趨勢(shì)。對(duì)改造后自然冷卻模式與改造后自然風(fēng)冷模式冷卻效果進(jìn)行對(duì)比，如圖6 所示，改造后的油溫和繞組溫度有大幅度的下降趨勢(shì)，油面溫度最小降低9.1℃，最大10.45℃。

（2）改造后的自然冷卻模式相比改造前強(qiáng)油風(fēng)冷模式散熱效果有小幅度的提升，改造后自然風(fēng)冷方式散熱效果相比改造前強(qiáng)油風(fēng)冷效果明顯。比照變壓器6 度法則[10]，變壓器改造后絕緣壽命獲得一定程度延長(zhǎng)。

（3）按照主變改造后大量運(yùn)行工況下，如運(yùn)行在小負(fù)荷、低油溫狀態(tài)，無(wú)需啟動(dòng)風(fēng)機(jī)考慮，變壓器改造后將節(jié)約大量電能損失。

（4）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，變壓器改造后的油面、繞組溫升滿足國(guó)標(biāo)：油面溫升≤55K，繞組溫升≤60K的要求。該主變冷卻系統(tǒng)改造之后運(yùn)行優(yōu)于冷改之前的變壓器狀態(tài)，具備實(shí)現(xiàn)無(wú)人/少人值守運(yùn)行條件。

4 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展500kV 主變ODAF 冷卻系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)改型研究及應(yīng)用，對(duì)500kV 主變壓器ODAF 冷卻系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)改型進(jìn)行溫升計(jì)算、新裝儲(chǔ)油柜柜座及柜腳的受力及變形計(jì)算分析，制定針對(duì)改造方案，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)改造驗(yàn)證，冷卻效果滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求。