變壓器冷卻裝置及其存在的問題分析

劉恩同　鮑新仁

摘要：文章介紹了常用變壓器的冷卻方式，包括干式冷卻方式、液體冷卻方式和蒸發(fā)冷卻方式，其中液體冷卻方式又分為油浸自冷式油浸風(fēng)冷式強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻式，進(jìn)一步分析了生產(chǎn)實(shí)踐中變壓器冷卻裝置存在的問題，并介紹了現(xiàn)有研究進(jìn)展和相應(yīng)解決方法。

關(guān)鍵詞：變壓器；冷卻裝置；冷卻方式；電力系統(tǒng)；電力輸送 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM41 文章編號(hào)：1009-2374（2017）08-0184-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.090

變壓器在電力系統(tǒng)中起到提高電壓遠(yuǎn)距離輸送電力的作用，在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和人民生活中起到了重要的作用。變壓器在運(yùn)行時(shí)，特別是長(zhǎng)時(shí)間工作后會(huì)產(chǎn)生大量的熱量（損害線路），加速絕緣老化，燒毀線圈，損壞變壓器，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)事故。因此，為了保證變壓器在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量不影響變壓器的正常工作，需要在變壓器上增加冷卻系統(tǒng)，保證變壓器的工作溫度。本文就變壓器的冷卻裝置進(jìn)行介紹，并討論使用過程中需要注意的問題，分析了可行的解決方法。

1 變壓器冷卻裝置

變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)定律制成的裝置，能夠?qū)㈦妷涸诟唠妷汉偷碗妷褐g轉(zhuǎn)換。由于變壓器在工作中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果不及時(shí)降溫冷卻，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害變壓器，縮短工作壽命。目前變壓器冷卻方式分為以下

三類：

1.1 干式冷卻方式

第一臺(tái)干式變壓器最早于1885年發(fā)明。干式變壓器的鐵芯和繞組不浸漬在絕緣油中，不會(huì)像油浸式變壓器存在滲漏油的問題，也不會(huì)因?yàn)橛蜐B出后導(dǎo)致絕緣裝置老化，減少了維修和維護(hù)的成本。干式變壓器冷卻方式分為自然空氣冷卻（AN）和強(qiáng)迫空氣冷卻（AF）。自然空氣冷卻時(shí)，變壓器可在額定容量下長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。強(qiáng)迫空氣冷卻的風(fēng)機(jī)一般安裝在干式變壓器的下部，強(qiáng)迫空氣冷卻變壓器輸出容量可提高40%～50%。但由于此時(shí)處于過負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)變壓器損耗較大，不能長(zhǎng)時(shí)間使用。

1.2 液體冷卻方式

為了滿足遠(yuǎn)距離電力傳送的要求，生產(chǎn)中必須提高輸電電壓的等級(jí)，這樣對(duì)絕緣介質(zhì)提出了更高的要求，于是礦物油作為電力變壓器的絕緣裝置被廣泛應(yīng)用于電力變壓器中。油浸式變壓器的散熱過程是：變壓器內(nèi)部的鐵芯、繞組產(chǎn)生的熱量先傳遞到油，然后通過油的介導(dǎo)將熱量傳遞到油箱，最后再用油箱和空氣的熱交換，將熱量散發(fā)至空氣中。油浸式變壓器運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大熱量，因此需要額外安裝冷卻裝置，特別是對(duì)于大型變壓器，更需要注意冷卻裝置的配套。目前根據(jù)變壓器的容量大小可以將其冷卻方式分為以下三種類型：

1.2.1 油浸自冷式。油浸自冷式就是將變壓器的鐵芯和繞組在工作過程中產(chǎn)生的熱量以油為冷卻介質(zhì)進(jìn)行散熱，沒有其他特別的冷卻設(shè)備。原理是將油作為冷卻劑和絕緣劑，填充在變壓器中，變壓器工作中產(chǎn)生的熱量傳遞至油，使油溫升高，升高至一定程度后，油會(huì)向上流動(dòng)和揮發(fā)，與油箱壁接觸后，將熱量傳遞給油箱壁，油的溫度再次降低，向下流動(dòng)至油相中。變壓容量小于6300kVA的變壓器采用油浸式變壓器，此類變壓器維護(hù)簡(jiǎn)單。

1.2.2 油浸風(fēng)冷式。油浸風(fēng)冷式與油浸自冷式基本相同，但是在油箱壁加裝風(fēng)扇，利用風(fēng)扇吹出冷風(fēng)加速冷卻劑油的冷卻，因此油浸風(fēng)冷式的冷卻效果優(yōu)于油浸自冷式。研究表明加裝風(fēng)機(jī)后可使變壓器的容量增加30%～40%，此類冷卻方式一般用于中等容量的變壓器或容量大于10000kVA的大型變壓器。

1.2.3 強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻式。強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻式又分為強(qiáng)油風(fēng)冷和強(qiáng)油水冷兩種。原有油浸冷卻式變壓器僅僅利用油進(jìn)行制冷，但是油在溫度升高后會(huì)變得黏稠流動(dòng)性降低，導(dǎo)致冷卻效果變差。強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻式的風(fēng)冷卻器本體為一組帶有螺旋肋片或翅片的金屬管，兩端各有一個(gè)集油室。相比于油浸風(fēng)冷，該方法不僅能夠?qū)ψ儔浩鞅砻胬鋮s，而且還能夠?qū)Υ笕萘孔儔浩魉a(chǎn)生的熱量進(jìn)行冷卻。每臺(tái)風(fēng)冷卻器有分控制箱，散熱能力可達(dá)到10000W/m2。強(qiáng)迫油循環(huán)水冷卻式與強(qiáng)油風(fēng)冷式冷卻方式相比，冷卻介質(zhì)為水，水冷卻循環(huán)安裝在油冷卻循環(huán)的外圍，這一方式適合在50MVA以上的變壓器

使用。

1.2.4 蒸發(fā)冷卻方式。蒸發(fā)冷卻方式是一種新的高效冷卻降溫技術(shù)，它的原理是易蒸發(fā)的冷卻介質(zhì)吸收變壓器的熱量后直接變?yōu)檎羝麕ё邿崃?，?dāng)熱量排出后再次變?yōu)橐后w。該方法與氣冷、液體冷等冷卻降溫方式相比具有更高的安全性和經(jīng)濟(jì)型。目前我國已經(jīng)研制成功多臺(tái)功率10MW以上的蒸發(fā)冷卻水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，并且已經(jīng)有兩臺(tái)400MW蒸發(fā)冷卻水輪機(jī)發(fā)電組已經(jīng)投入長(zhǎng)江三峽中運(yùn)行。有研究報(bào)道使用F-113CF2ClCFCl2作為蒸發(fā)制冷劑，與氣體制冷劑SF6進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，蒸發(fā)制冷劑換熱效率更高，降溫顯著，對(duì)絕緣體損傷更小運(yùn)行時(shí)安全可靠。

2 存在的問題及解決方法

2.1 變壓器冷卻裝置散熱效果不佳

強(qiáng)油水冷卻方式是目前市場(chǎng)上變壓器較為通用的冷卻方式之一。即在變壓器上配置水冷卻裝置，該種方式一般都是用通過鐵芯上環(huán)繞的初級(jí)或者次級(jí)空心線管外的水循環(huán)實(shí)現(xiàn)，水冷卻裝置放在線圈的外部，這種局部冷卻的方式只能冷卻表面的溫度，不能冷卻內(nèi)部的溫度，冷卻裝置與線圈之間的熱交換面積較小，無法實(shí)現(xiàn)良好的散熱冷卻效果。針對(duì)存在的技術(shù)問題，有研究將冷卻管設(shè)置在高壓線圈和低壓線圈之間，同時(shí)對(duì)高壓線圈和低壓線圈散熱，有效增加了冷卻管的冷卻效率。這樣還賦予了冷卻管新的功能，即冷卻管作為隔離層，簡(jiǎn)化了變壓器結(jié)構(gòu)，且不影響變壓器的絕緣性能，降低變壓器成本。還有研究在變壓器散熱片上固定水管，在水管壁上開有若干個(gè)朝向變壓器散熱片的噴嘴，水管的上水口接水泵；在變壓器散熱片四周每個(gè)面擺放一臺(tái)吹風(fēng)機(jī)，朝向變壓器散熱片。該方法利用了物相變化原理，顯著地提高了變壓器散熱器與外界交換熱量的速度，進(jìn)而提高了變壓器的過載能力且裝置的成本低廉。

2.2 變壓器冷卻運(yùn)行裝置的及時(shí)維護(hù)

變壓器在使用過程中會(huì)產(chǎn)生較多熱量，如果不能及時(shí)通過冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱，會(huì)嚴(yán)重影響變壓器的使用壽命和生產(chǎn)安全。常見的冷卻裝置故障有以下幾種：冷卻裝置的散熱故障：風(fēng)扇長(zhǎng)期使用后變形，水冷卻循環(huán)推進(jìn)管道堵塞，平時(shí)檢修中應(yīng)注意故障導(dǎo)致的冷卻效果降低；冷卻裝置的滲油現(xiàn)象：冷卻裝置在使用過程中，密封墊圈經(jīng)過多年的風(fēng)吹日曬，墊圈出現(xiàn)老化，容易發(fā)生漏油現(xiàn)象，容易發(fā)生滲油現(xiàn)象，因此需要注意在檢修過程中對(duì)墊圈的檢查。

2.3 無人值班方式的冷卻裝置電源設(shè)計(jì)無法及時(shí)處理故障

目前大多數(shù)的變電所都采用的是無人值班方式，所采用的是油浸冷卻方式。然而電路連接上常常將冷卻裝置與變壓裝置共同連接，一旦出現(xiàn)了故障，不僅冷卻裝置不能運(yùn)行，變壓器的功能也一起停止。解決的方法：一是將變壓裝置和冷卻裝置電路分開；二是使用計(jì)算機(jī)軟件方法進(jìn)行控制。如以PLC為主控制器件開發(fā)大型變壓器強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷控制裝置。裝置能夠分局變壓器頂層油溫，采用差值投入或切斷閾值進(jìn)行綜合控制。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)故障定位、報(bào)警、顯示位置信息，提高了變壓器運(yùn)行的可靠性。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和人民生活水平的提高，變壓器的使用將會(huì)越來越多。因此在使用過程中需要注意各種變壓器冷卻方式的使用范圍，同時(shí)增加對(duì)變壓器的冷卻裝置的檢修和維護(hù)以及新技術(shù)的改進(jìn)和研發(fā)。

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作者簡(jiǎn)介：劉恩同（1989-），男，東華大學(xué)旭日工商管理學(xué)院碩士研究生；鮑新仁，男，東華大學(xué)旭日工商管理學(xué)院副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：技術(shù)經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)研

究等。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）