第三部分：变压器冷却系统改造

一、变压器冷却系统改造浅谈
1 前言
    我国上世纪九十年代及以前生产的变压器中，冷却装置一般采用圆管式散热器和YF-80/380、YF-100/380、YF-120/380多回路强油风冷却器。变压器配置的这些冷却设备存在渗漏油、噪声大、冷却功率衰减严重、站用电能损耗高及维护不便等诸多缺陷和问题。为了满足变压器安全可靠运行和降低运行成本的要求，需对变压器冷却系统实施改造。
2 变压器冷却系统改造中变压器发热和冷却的一些概念及关系
2.1 温度、温差和温升的一般概念
    1）温度
    温度表示物体冷热的程度，其计量单位常用摄氏度（℃）表示。在某些特殊场合下，也用绝对温度（K）表示。
    2）温差
    构成某一个“热系统”中的两个相互有热联系的物体，或者在热系统中同一个物体内的各个部分或各个区域（例如，油浸式变压器中的油顶层和油底层），它们各自温度值的差。
    3）温升
    在变压器工程技术中，温升一词被专门用来表示变压器中某个特定部件、组件的温度值与作为变压器冷却介质的环境温度的差值。由此可知，在变压器工程技术中，温升是温差在特定场合中的专用词。一般的说，温升比温差更常见，温升和温差的计量单位均为K，不再用℃表示。
     在此，须注意油浸式变压器中的绕组温升与绕组对油的温差（温升）的文字表示上的差异。例如，人们常说“绕组温升”一词时，专业人员立即知道，它是指绕组温度与环境大气之间的差值。但当涉及绕组与油之间的温差（温升）时，其文字表达应为“绕组对油的温差或温升”绝不能将“对油的”三个字省略。否则，容易产生误解。
2.2. 油浸式变压器的绕组和油的温升计算

    尽管上图不能准确地表示绕组和油中各处的真实温升值的情况，但却能让人们从定性角度来了解各处温升值的大致分布规律。上图假定绕组和油中各处温升值都是沿绕组高度呈线性方式增加。即是说，表示温升上升的直线彼此平行。但是，图中表示的绕组顶层处的温升值却不等于To1+g，而是To1+H*g，并命名为绕组热点温升。系数H，也因此被称为绕组的热点系数。他反映了绕组顶端部位处因漏磁引起的涡流损耗比较集中的现象；也反映了该端处可能因要求绝缘加强，导致隔热程度增加而使该处的散热能力降低的情况出现。由于这两个原因，使绕组顶部处的温升值额外增加。
2.3 绕组、油、热循环之间的关系
    通过上述分析可知绕组和油之间的温差关系，即：
   （1）绕组温度升高，油温随之升高，热循环加快；
   （2）热循环加快，油温下降，随之绕组温度降低；
   （3）绕组平均温升=绕组对油的温差+油平均温升，即：Tw=g + To；
   （4）强油循环风冷却器改为油浸风冷片式散热器去掉潜油泵，油流速降低，但改造前冷却器温差小，设计改造时需加大片散温差，使单位时间冷却系统带走的热量大于改造前；
   （5）强油循环风冷却器改为油浸风冷片式散热器去掉潜油泵，油流速降低，在负荷不变的前提下，绕组对油的温差升高，设计新冷却系统时需给出足够的散热面积，使油的平均温升降低值大于绕组对油的温差升高值，以保证绕组平均温升的降低。
2.4 负荷、损耗、温升之间的关系
    变压器绕组温升是由空载损耗Po和负载损耗Pk造成的，即P=Po+Pk，变压器的空载损耗已经确定，是不能改变的，变压器所带负荷的变化影响Pk，冷却系统就是要带走变压器两种损耗带来的热量。
    为了保证变压器在任何工况下安全运行，采用变压器油顶层温度与变压器负荷两种控制方式。举例说明，采用ONAN/ONAF/ODAF三种冷却方式的片散热器冷却系统具体如下：
    温度控制：在变压器油顶层温度在45℃以下时，采用片散自冷的方式，冷却方式为ONAN；当温度上升到55℃时，起动风机，冷却方式为ONAF；起动风机后，油顶层温度降低，当下降到45℃时，风机退出运行。当油顶层油温上升到65℃时，油泵起动，冷却方式为ODAF形式，油泵、风机全部工作。
    负荷控制：当变压器的负荷达到额定负荷的75%时，风机起动运行，冷却方式为ONAF；负荷达到额定负荷的90%时，风机、油泵起动运行，冷却方式为ODAF；负荷小于额定负荷的75%时，风机、油泵退出运行，冷却方式为ONAN。
    当变压器负荷在额定负荷之内时，根据公式P=I2R，即：负荷越小，相应的电流就越小，发热量越低，绕组温升越低。负荷小于75%时，电流小于额定电流的75%，负载损耗要小于56%。
2.5 关于热老化计算的数学表达式
    为使计算简化，人们便以变压器在额定负载下的绕组平均温升值65K为基础，绕组热点温升与绕组平均温升之差额为13K和全年平均气温为+20℃的正常环境条件，得到的绕组热点温度θh=65+13+20=98℃值作为计算变压器寿命、寿命损失和老化率的基准温度。由此，还可进一步说，在不是额定负载和（或）不是正常年平均温度+20℃时，只要得到的θh=98℃，则其寿命、寿命损失和老化率值与在额定负载及年平均气温+20℃下的寿命、寿命损失和老化率值相同。
3 变压器的散热方式
    变压器的热量均以传导、对流和辐射的方式传到冷却介质中去。各种散热方式，均有其固有的物理规律。
    变压器内的温度分布如图3-1所示，图3-1a表示沿水平方向的温度分布，在绕组最热点所处部位A1温度最高，由热点到绕组外部A2的热量是靠传导实现的；从绕组将热量散到油中，是依靠对流实现的，温差为A2-A3；热量从油到油箱壁也是靠对流实现的，温差为A3-A4；油箱壁是靠传导实现的，温差为A5-A6，其温度差很小；从油箱壁到冷却空气的温度差占总温度差的60%-70%，依靠对流实现。图3-1b表示温度沿垂直方向的分布，曲线1表示绕组的温度分布，曲线2表示铁芯的温度分布，曲线3表示变压器油的温度分布，曲线4表示油箱的外表面温度分布。从图中可以看出变压器的器身的温度通过温度差从内部传到油箱，再由油箱或散热装置通过对流散到周围的空气中去。

4 变压器的冷却方式

4.1 温度和温升的符号见下表：

4.2 油浸自冷方式

    油浸自冷是变压器油箱内部的变压器油被器身加热，密度降低，在油箱内部油流上升，通过散热装置或油箱壁的传热，将热量传出，温度下降，密度增加，在散热装置或油箱内，变压器油流下降，然后又被器身加热，如此循环。在循环过程中，油的流动完全由密度变化引起的浮力形成的。

    图4-1表示油浸自冷的系统，图4-1a是变压器的冷却系统，图4-1b表示温度和变压器高度的关系，横坐标是温度，纵坐标是高度。在A点油进入绕组并被加热后向上流动，在B点从绕组流出，从B点到C点，油被箱盖和箱壁轻微冷却，从C点进入散热器中；从C点到D点，油被冷却下降，从D点流出的油进入油箱，再到A点油进入绕组。图中Δθo-a是逐渐被冷却的油和被加热的空气间的对数平均温差，Δθwo是进入绕组与离开绕组的油的温差，Δθco是进入散热器与离开散热器的油的温差，其数值与Δθwo相等。

    如果提高散热器的安装高度，如图4-2所示，在器身发热相同的条件下，可增加作用在冷却回路的浮力，相应的Δθwo= Δθco减小，但Δθo-a保持不变，冷却回路中的油的流动速率将提高。

4.3 油浸风冷方式
    油浸风冷是油在油箱内是自然循环的，而冷却空气通过风扇吹向散热器，如图4-3所示。由于空气的流动速率比较高，空气侧的传热增加。与自冷相比较，如果传出相同的热量，在空气侧只需较低的温度降；而油的冷却较快，CD支路更向上弯曲。作为初步近似， Δθwo= Δθco仍保持不变或稍有增加，因为风冷使Δθo-a有所降低，在传热系统中油的粘度提高。通过将自冷变为风冷，在相同的Δθo-a下，可提高冷却效率约2.6倍。

    此时器身的传热仍是自然循环，冷却原理如图4-4所示。器身的传热受油泵的影响很小，在图4-4a中沿路径a，在绕组中被加热的油与顺着油箱壁未被加热的并联油路b的油流混合，由于这种混合，安装在油箱盖上的温度计，不能直接测出从绕组流出的变压器油的温度。流入冷却器的也是这一具有较低温度的油流，因此，被冷却器冷却的变压器油的温度低于油温最大值。由于通过冷却器的油流的温度较低，因此，在损耗相等时，相对通过较高温度的变压器油时，油泵需要使更多的变压器油通过冷却器。

4.5 强迫油循环导向冷却（强油导向）

    在强迫油循环冷却时，器身的冷却基本和自然循环时相同，尽管可以提高空气侧的传热能力，但器身的冷却决定了冷却系统的能力。为进一步提高器身的传热能力，可以采用强迫油循环导向冷却（强油导向）。

    在图4-4中取消并联油路b，让全部油流通过器身如图4-5所示，这样就得到了强迫油循环导向冷却系统。在这一冷却系统中，流入冷却器的油流有温度最大值，由于Δθo-a增加，若要传出相同的热量，只需比图4-4体积更小的冷却系统。随着器身内油流速的增加，绕组内部的传热系数增加，因此，可以在绕组允许温升下，增加了绕组的单位面积的热负荷。当然，绕组内部油的流速也是有一定限度的。流速过高，可以带来危险的油流静电放电现象

5 冷却装置改造采取的主要方式

    1）大功率单回路风冷却器替代原多回路小功率冷却器，冷却器组数减少，冷却方式不变，仍为ODAF。

    2）片式散热器替代原强油风冷却器，冷却方式由ODAF改为ODAF/ONAF/ONAN（100%/80%/60%）。

    3）片式散热器替代原强油风冷却器，冷却方式由ODAF改为ONAF/ONAN（100%/75%）。

    4）片式散热器替代原管式散热器（110KV及以下等级的变压器），冷却方式由ONAF/ONAN改为ONAN。

    5）片式散热器宽度460mm以上的替代原宽度310mm的片式散热器（110KV及以下等级的变压器），冷却方式由ONAF/ONAN改为ONAN。

    应注意的是，由于冷却方式的改变，其绕组对油的温升值是有差异的，不是一个简单的取代关系，要经过严密的计算。

6 不同冷却方式下的绕组温升经典计算公式

6.1 ODAF冷却方式时，内、外绕组对油的平均温升计算公式为：

     Tx=0.113q0.7 （1） 式中Tx—绕组对油的平均温升，K

                   q—绕组表面热负荷，W/㎡

6.2 ONAF冷却方式时，内、外绕组对油的平均温升计算公式为：

     Tx=0.159 q0.7 + TΔj + TΔy （2）

     式中TΔj —绕组绝缘校正温升，TΔj = Kjq

     TΔy—油道校正温升，TΔy=pq/1550

6.3 ONAN冷却方式时，内、外绕组对油的平均温升计算公式为：

    1）外绕组为：Tx=0.358q0.6 + TΔj + TΔy （3）

    2）内绕组为：Tx=0.41q0.6 + TΔj + TΔy （4）

    从式（1）—（4）中可看出，冷却方式不同时，求解绕组对油的平均温升的计算公式也不一样。

7 结论

    我们在由强迫油循环风冷冷却系统方式改造为油浸风冷冷却方式时，已充分考虑了两种运行方式下油流速的不同，在选用片散冷却系统时也考虑了一定的裕度。

    近几年对几十台220KV、上百台110KV变压器的成功改造，使我厂积累了丰富的经验，改造后的变压器经过几年夏季高温的考验，均达到了预期效果，赢得客户的一致认可！

二、110KV变压器冷却系统改造

    原110KV及以下变压器所用冷却器多采用管式冷却器，风机为立式安装的高转速风机。此冷却器冷却功率低，渗漏油严重，风机噪音大，维护工作量重。现在通常用自冷片式散热器替代原管式散热器，无需加装风机，无需改动安装方式，安装方便、简单、可靠，片式散热器冷却功率高，无渗漏油现象，无噪音，免维护。

    （一）、110kv变压器冷却器改造分类：

    1、原管式散热器改为片散油浸自然风冷冷却器

    2、原片散油浸风冷冷却器改为片散油浸自然风冷冷却器

    举例分析：

            原管式散热器改为片散油浸自然风冷冷却器

     洛阳供电公司同乐寨2#变压器型号SFZ7-31500/110，原冷却系统为8组管散，每组管散配2台转速高、噪音大的风机，管散渗漏油严重；散热管散热功率衰减严重，需外配几台风机，加强管散散热。

    改造前现场照片

    改造方案简述：改造采用新型冷却系统配有20组PC1600片式散热器，在变压器高、低压侧两端对称布置，每侧10组，通过上、下集油管路并联在一排，下集油管用支柱支撑在新做的基础上。

    此结构布局合理，安装可靠，美观。

    采用方法：为满足变压器自冷的要求和消除变压器本体死油区，在保证变压器各带电体绝缘距离的情况下，需对变压器出油口重新开孔，根据实际情况抬高变压器出油口100 mm,选用中心距1600 mm的片散，这样抬高了变压器散热中心的高度，使变压器发热中心和散热中心位置比例≤0.65，以促进变压器油的循环。达到在拆除风扇电机的情况下，满足变压器全负荷状态下的安全运行要求。

    对变压器原8个DN80的出油口进行封堵，在变压器高、低压侧原出油口上方垂直距离100 mm处重新开6个DN125的出油口。将变压器高、低压侧原6个DN80的进油口扩为6个DN125的进油口，将变压器西侧的2个DN80进油口封死，变压器高、低压侧最东端重新开的2个出油口和扩孔的2个进油口都向变压器西侧平移100 mm重新开、扩孔。开孔要保证变压器器身不变形、焊接可靠，清渣去毛刺彻底，并用面团清理其它杂物，然后涂变压器专用内壁漆，保证开孔处无渗漏油现象。重新开孔后不影响其它附件的相对位置。

    结构示意图：

    改造后照片：

三、220KV变压器冷却系统改造

220 kv冷却器改造分类：

1、变压器增容改造

2、进口变压器冷却器国产化改造

3、YF-100、YF-120多回路冷却器改造为：单回路大功率冷却器

4、强油循环风冷冷却器改造为：片散油浸风冷冷却方式（ONAF/ONAN）（100%/75%）

5、强油循环风冷冷却器改造为：片散强油循环油浸风冷冷却方式（ONAF/ONAN）（100%/80%/60%）（其散热比例可按用户需要设计）

案例分析： 

1、变压器增容改造

        举例分析： 

                山西阳光发电有限责任公司变压器增容改造

    山西阳光发电有限责任公司#2、#3、#4主变冷却器改造，在原4台YF-315KW/380V的基础上增加1台YF3-360KW/380V冷却器，重而使主变在不改动其它设备的前提下使主变容量由300MW变为330MW，以达到增容的要求。

    改造方案简述：在主变安装冷却器的一侧，利用原来的冷却器地基作为新冷却器的地基，利用冷却器的上下集油管作为新冷却器的进出油管。在主变本体不放油的情况下，将一侧的冷却器上下集油管与本体相连的蝶阀关闭，把原冷却器上下集油管（母管）的油放掉，在上下集油管的中间位置（母管）上焊接冷却器用的连接管接头，接头与新冷却器的进出油管相连，这样新安装的冷却器和原冷却器在同一方向上。

        示意图如下： 

2、进口变压器冷却器国产化改造

    进口变压器冷却系统运行十几年后，冷却器管老化，冷却功率降低，渗油严重。而从原产国进口冷却器成本高、周期长。根据主变冷却系统特点采用国产冷却器替代原冷却器，就显得尤其重要。

        举例分析：

               华能北京热电厂乌克兰变压器冷却系统改造设计方案

    乌克兰变压器厂制造，原配7台YF-180KW冷却器，冷却器挂装在变压器本体上。其中4台180KW冷却器挂装在变压器的低压侧；2台180KW冷却器挂装在变压器的高压侧，1台180KW冷却器挂装在变压器长轴方向的一端。

    改造方案简述：改造采用YF3-280KW/380V高效风冷6组替代原来的7台进口180KW型风冷却器,其中5台工作，1台备用，冷却管为钢铝复合管。冷却器采用集中安装的方式：就是将冷却器的进出油管通过上下集油管并联在一起。采用这种安装方式有三方面优点：①便于维护；②美观；③冷却器散热效果好。

    新型冷却器的特点：YF3-280KW/380V冷却器所采用的冷却管为钢铝复合轧翘片管，与淘汰的多回路钢管绕翅片型相比，管侧风阻系数小，（翘片无褶皱L2铝材）外表不易沉积灰尘杂物。油流内阻小（为单回路）的散热管（内肋无缝管20#），管内装绕流装置（绕流丝），冷却功率高，且安全、便于操作，减少了维护量。目前大型变压器广泛采用此种运行可靠的新型冷却器。

3、YF-100、YF-120多回路冷却器改造为单回路大功率冷却器

        举例分析：

                黄石供电公司新下路220KV变电站#1主变风冷系统改造方案

    黄石供电公司新下路220KV变电站#1主变压器，型号SFPSZB-150000/220， 改造前变压器冷却系统采用10组YF-120KW/380V型冷却器，其中9组工作、1组备用，分别布置在变压器长轴方向的两端，每端5组对称布置。

    改造方案简述：经计算拟采用YF-280KW/380V高效风冷5组替代原来的10组120KW/380V型风冷却器，其中4组工作，1组备用。

    冷却器安装方式：

    采用在变压器长轴的两端集中安装的方式，即在变压器的一侧集中安装2组冷却器，另一侧集中安装3组冷却器。根据现场情况利用原变压器冷却系统地基基础。

        举例分析：

                 周口供电公司淮阳220KV变电站#2主变风冷系统改造方案

    周口供电公司淮阳变电站2#主变压器，型号SFPSZ8-120000/220，是1995年生产的三相三圈有载调压强迫油循环电力变压器，1995年投入运行。变压器冷却系统采用4组YF-315型冷却器，其中3组工作，1组备用。现已运行15年。该冷却器散热管老化严重，且被昆虫和空气中的悬浮物堵塞，大大降低了散热效果，并使风扇和油泵长时间工作，增大了电量损耗，且油泵长时间运行，轴承磨损产生的金属杂质对变压器油的绝缘造成危害。

    冷却系统改造前温升理论计算值如下：

    原变压器出油口：原变压器的出油口在上节油箱的顶部，靠近高压套管一侧开3个φ150的出油孔。开孔处安装蝶阀，分别用一根φ168的油管引出。然后，三根油管共同与冷却系统上集油管相连。

    原变压器进油口：在主变下节油箱，靠高压套管一侧，开有3个φ150的进油口，三根进油管与下集油管相连。

    变压器上下集油管分别与主变两端冷却器的上下集油管相连。4组冷却器在主变两端对称站立。 如图所示：

    改造方案简述：新冷却系统冷却容量的确定：主变在运行中负载损耗为480.24KW，空载损耗为126.40KW，总损耗为606.64KW。为满足主变安全运行，在片散自然冷却的情况下能达到75%的负荷，在片散风冷的情况下能达到100%的负荷，即ONAF/ONAN(100%/75%)方式，经过理论计算和主变在现场实际运行情况，需要PC2600型片散38组。在主变的高低压两侧进行布置。

    新型冷却系统高压侧进出油口的确定：根据现场实际情况，保留高压侧上节油箱3个出油口、下节油箱3个进油口。在高压侧高压中性点与压力释放阀之间，分别在上节油箱和下节油箱重开1个新的主变进、出油口。

    新型冷却系统低压侧进出油口的确定：根据现场实际情况，在主变低压侧上下节油箱适当位置，分别重新开主变的3个出油口和3个进油口。

    对变压器油箱开孔处要焊接可靠、清渣去毛刺彻底并用面团清理其它杂物，然后涂变压器专用内壁漆。

    新型冷却系统分布：

    将38组PC2600片式散热器布置在变压器长轴方向两侧，其中高压侧布置片式散热器22组，同时在每2组片式散热器下面安装1台CFZ-9Q8吹风装置，共11台，吹风采用底吹式。片式散热器的上进油口与片式散热器的下出油口分别并联在上下汇流管路上，上汇流管与主变的出油口相连，下汇流管通过管路与主变的进油口相连，然后通过钢制支架就地支撑。

    低压侧一边布置片式散热器12组，同时在每2组片式散热器下面安装1台CFZ-9Q8吹风装置，共6台，吹风采用底吹式。片式散热器的上进油口与片式散热器的下出油口分别并联在上下汇流管路上，上汇流管与主变新开的出油口相连，下汇流管通过管路与主变新开的进油口相连，然后通过钢制支架就地支撑。

    低压侧靠近储油柜一侧边布置片式散热器4组，同时在每2组片式散热器下面安装1台CFZ-9Q8吹风装置。共安装吹风装置2台，吹风采用底吹式。片式散热器的上进油口与片式散热器的下出油口分别并联在上下汇流管路上，上汇流管与主变新开的出油口相连，下汇流管通过管路与主变新开的进油口相连，然后通过钢制支架就地支撑。

    由于冷却器改造后，增加油重5吨左右，必须更换储油柜以满足变压器在各种工作状态下补油和储油的功能。

    改造后变压器冷却系统结构紧凑、布局合理、对称美观。

    改造后温升计算：

    冷却系统改造后，模拟数据油面温升计算值如下：

5、片散强油风冷冷却方式(ODAF/ ONAF/ONAN /)（100%/80%/60%）

        举列分析：

                临沂供电公司郯城220KV变电站#1主变风冷系统改造方案

    临沂郯城变电站1 #主变压器，型号为SFPS7-150000/220，是三相三圈无载调压强迫油循环电力变压器。采用4组YF5-250/380型冷却器，其中3组工作，1组备用。

    改造方案简述：经查变压器原始设计资料和结合现场实际情况，受变压器结构和现场基础设施的限制，将24组PC2800-28/460片式散热器布置在变压器长轴方向的两端，每端12组，对称布置。散热器并联在上下汇流管路上后，通过钢制支架就地支撑，下汇流管有4台油泵与油箱相连，每两组片散下部装有一台吹风装置，吹风采用底吹式。

    利用变压器原有的部分进油口作为片式散热器的出油口，在变压器上部重新开4个φ150孔作为变压器的出油口即片式散热器的进油口，冷却器改造时变压器需吊罩。

    改造后由原来的强油循环风冷实现为自然风冷却、风冷冷却、强油循环风冷冷却三种冷却方式。

    即ODAF/ONAF/ONAN(100%/80%/60%)

    注：由于冷却器改造后，需增加变压器油，可根据变压器的总油重，确定是否更换储油柜。