0 引言

电力变压器运行时,铁心产生的磁损耗､线圈产生的电损耗及结构件产生的附加损耗将转化为热量,然后经作为冷却介质的变压器油传递到油箱箱体和冷却设备,与外部冷却介质(水或空气)通过热交换后散发到周围环境中｡由于自冷式油浸变压器冷却系统具有无辅机设备能量消耗､运行时噪音低､日常运行维护费用及工作量小,且维修更换时不需要停运变压器等优点,因此近年来在我国220kV及以下电压等级的城区变电站及厂用变电站得到越来越多地应用｡由于片式散热器冷却效果直接影响到运行中的变压器油及固体绝缘材料的热老化进度,因此片式散热器的合理选型和科学布置具有重要的意义｡

1 现状

近年来,随着投入运行的大容量自冷式油浸变压器的增多,部分自冷式变压器在运行时出现了顶层油温过高的现象｡而变压器运行温度直接影响到产品的使用寿命｡当变压器热点温度超过98℃时,温度每升高6℃,产品使用寿命减半;反之则增加1倍｡为保证产品具有20年以上的正常使用寿命,测量顶层油温的温度控制器被设定为当顶层油温超过80℃或85℃时发出高温报警｡另外,随着油温的升高,变压器油及固体绝缘材料将受热分解,产生的特征气体溶解于油中,当油中溶解气体达到饱和后,将进入到气体继电器中｡当气体继电器中的气体容积达到一定量时,气体继电器将发出轻瓦斯报警信号｡由此可见,顶层油温过高将对变压器的安全运行产生非常不利的影响｡从设计的角度来看,避免由片式散热器选型或结构布置不合理原因引起的油顶层温度过高,对保证变压器安全运行､延长变压器的使用寿命具有重要意义｡

2 分析

导致自冷式油浸变压器出现顶层油温异常过高现象的原因主要有以下几种｡

(1)环境温度高,用电负荷大,变压器本身发热量大而冷却系统散热能力不足｡这种情况有一部分由变压器厂家缺乏足够的设计制造经验或为了节省成本而人为刻意造成的冷却能力不足导致,也有一部分由变压器周围环境通风不畅等因素引起｡

(2)变压器刚开始投运的短暂时间内,其内部发热量相对不大,油循环速度慢,热油集中在油箱顶部区域,造成短时间内油顶层温度偏高,但是随着时间的推移,油循环逐渐加速,顶层油温会缓慢下降｡

(3)片式散热器的选型或结构布置不合理｡下面将从设计制造角度出发,分析片式散热器选型和结构布置对顶层油温的影响｡

为尽可能降低变压器的造价,变压器厂家一般会尽可能提高硅钢片的用量而减少铜线的使用,因此实际变压器产品高度明显降低｡这种变压器上的片式散热器常见安装方式如图1所示｡

图1 变压器上的片式散热器常见安装方式图

片散顶端低于油箱顶部布置方式,受变压器油箱本身高度的限制,可供片式散热器选择安装的高度范围就相对较小｡在此种情况下,为满足散热要求,通常选用的片式散热器中心距较小､组数较多,且每组片散的片数也很多｡相关研究资料表明,变压器油箱内部温度沿绕组高度方向大致成线性分布,且由箱体下部向上逐渐升高,绕组顶部温度或油顶层位置温度最高｡在片式散热器总的有效散热面相同的情况下,适当增加片式散热器的高度,其内部的变压器油从顶部到达底部的路径越长,与外部空气热交换越充分,就越能增加片式散热器进出口油温差,提高散热器冷却效率｡显然,这种中心距较小的片式散热器虽然散热片的总散热表面积足够多,但散热效果并不理想｡

片散顶端低于油箱顶部布置方式的片式散热器不能满足散热要求时,普遍采用鹅颈式片式散热器｡常用的鹅颈式片式散热器上部集油管中心的高度与其箱壁安装的进油口中心的高度差ΔH在200-600mm｡自冷式变压器内部的油流是以变压器油箱内线圈上下端油的密度差为驱动力的｡作为主要发热体的线圈,其高度方向的尺寸越大,上下部位的油温差越大,即上下部位油的密度差越大,油流的驱动力也越大,油流速越快,油循环次数增加,散热效率也越高,反之亦然｡值得注意的是,采用鹅颈式片式散热器,进油口处油路的阻力和压力损失也会增大｡变压器油的稳定流速是其驱动力与阻力最终平衡的结果｡

需要说明的是,片式散热器的高度尺寸并不是越高越好,实际选择片式散热器规格时要根据具体项目结合油流解析计算､压力损失计算､高度空间限制和以往产品温升数据统计等因素综合决定｡

3 验证

为验证片式散热器选型和结构布置对散热效率的影响,进行如下比较分析｡

(1)片式散热器(尺寸)选型对散热效率的影响｡以SZ-50MVA/110kV型变压器为例,用于对比的两台该类型变压器的片式散热器均为图1(a)所示结构型式,其与温升有关的技术参数及测试结果见表1｡

表1 片式散热器选型对散热效率的影响对比

由表1可知,虽然产品1的总损耗比产品2高出约16kW,但是产品1采用较高中心距的片式散热器,使得在几乎不增加有效散热面积的情况下,其油顶层温升与产品2的基本相同｡由此可见,增加片式散热器的高度能提高其内部的油流速,从而提高散热效率｡

(2)片式散热器结构布置对散热效率的影响｡按图2布置片式散热器,保持片式散热器中心距､片数及组数和片式散热器间的间距等不变,改变片式散热器底部对地高度(Hx),测量油温升并进行对比分析,结果见表2｡

图2 片式散热器顶端高出油箱图

表2 片式散热器结构布置对散热效率的影响

由表2可知,片式散热器底部对地高度从800mm提高至1100mm,即散热中心与发热中心的高度差从600mm提高至900mm,片式散热器的散热能力有较大提升;而片式散热器底部对地高度从1100mm提高至1400mm后,片式散热器的散热能力虽有提升,但并不明显｡该试验说明,适当提高片式散热器的离地高度,即增大片式散热器散热中心与变压器发热中心的高度差,有利于提高片式散热器的散热功率｡当然,在产品具体设计过程中,片式散热器的结构布置受到其它附件布置及绝缘距离等因素的制约,须综合考虑｡

4 结束语

温升是变压器的一项非常重要的考核项目,影响着变压器的安全运行及使用寿命｡本文通过数据统计分析及试验验证,认为对片式散热器进行合理选型和结构布置,可有效提高其散热效率,在满足散热要求的前提下,可减少片式散热器及油的用量,从而提高产品市场竞争力和企业经济效益｡

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