第二章—變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)工作原理

1、第2章 變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)的工作原理2.1 電力變壓器發(fā)熱及冷卻原理2.1.1 變壓器發(fā)熱過程電力變壓器運(yùn)行時(shí),由于在鐵芯和線圈上產(chǎn)生損耗，產(chǎn)生的熱量經(jīng)過其所處介質(zhì)散發(fā)到周圍空氣中,這一過程將引起變壓器發(fā)熱，以及變壓器溫度升高。為了保護(hù)變壓器及其元器件的正常運(yùn)行，必須采取有效的冷卻措施限制變壓器的溫升。變壓器運(yùn)行時(shí)，線圈和鐵芯溫度升高,起初，溫度上升速度較快，隨著溫度升高到一定程度，線圈和鐵芯與其周圍的冷卻介質(zhì)形成溫度差,將溫度傳遞給介質(zhì)，介質(zhì)吸收熱量溫度增高,線圈和鐵芯的溫升減緩,在這個(gè)過程中,線圈和鐵芯溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，形成動態(tài)的熱平衡。2.1.2 變壓器冷卻過程變壓器的冷卻過程需要經(jīng)過多重傳

2、熱。包括變壓器油與鐵芯表面?zhèn)鳠幔儔浩饔团c冷卻器箱體內(nèi)表面?zhèn)鳠?，空氣與冷卻器箱體外表面?zhèn)鳠崛齻€(gè)過程。線圈和鐵芯產(chǎn)生的熱量,由內(nèi)部最熱點(diǎn)傳到與油接觸和外表面,熱量傳到表面后,與周圍介質(zhì)油產(chǎn)生溫度差,通過對流作用將部分熱量傳給附近的油,從而使油溫逐漸上升。當(dāng)油溫升高后,熱油向上流動與油箱相接觸將熱量傳導(dǎo)油箱外壁，散熱后的油再向下流動重新流入線圈,形成閉合的對流回路，這一過程中，變壓器油箱外壁溫度逐漸升高。油箱內(nèi)壁吸收熱量后，熱量從壁的內(nèi)側(cè)傳導(dǎo)到外側(cè)(箱壁的內(nèi)外溫差不大,一般不超過3）與周圍環(huán)境形成溫差,通過與空氣對流和輻射,將熱量散發(fā)到周圍空氣中。在強(qiáng)迫油循環(huán)系統(tǒng)中，潛油泵在冷卻器中就是采用施加壓

3、力的作用，加速變壓器油的流動,增強(qiáng)熱對流。變壓器油的熱對流包括兩種形式，即熱傳導(dǎo)和熱輻射，兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行。變壓器箱壁內(nèi)側(cè)的熱量從變壓器油中以熱傳導(dǎo)和熱輻射的形式傳給冷卻器，變壓器箱壁外測熱量從箱壁以熱傳導(dǎo)和熱輻射的形式傳給空氣。冷卻器風(fēng)扇的作用就是加速吹變壓器箱壁外側(cè)的空氣流動,加快變壓器的散熱過程，如圖2-1所示。變壓器的散熱過程示意圖2.2變壓器冷卻方式的選取目前，我國大型電力變壓器冷卻裝置是根據(jù)變壓器容量的大小，配置數(shù)組強(qiáng)油風(fēng)冷卻器，每組風(fēng)冷卻器包括1臺油泵和34臺風(fēng)扇。為滿足變壓器的各種不同的運(yùn)行工況，冷卻器一般有1臺作為備用(故障時(shí)運(yùn)行冷卻器可自動投入運(yùn)行)、1臺輔助(變壓器負(fù)荷電

4、流大于70額定電流或變壓器頂層油溫高于某一定值時(shí)自動投入運(yùn)行)、其余所有冷卻器全部投入運(yùn)行。這樣的的冷卻裝置配置方法也有其不足之處，如SFP7-240000/330型主變壓器裝設(shè)有6臺冷卻容量250KW的風(fēng)冷卻器，當(dāng)遇到夏季高溫的季節(jié)，變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行，變壓器冷卻裝置全部投入，即使如此，其上層油溫仍高達(dá)70左右。在夜間，尤其是在暴雨過后，因負(fù)荷和氣溫驟降，雖然已將變壓器輔助冷卻器停運(yùn)，但變壓器油溫仍在30以下，亦即油溫的變化幅度大于環(huán)境溫度變化。當(dāng)冬季負(fù)荷較低，或天氣特別寒冷，由于油溫過低，必須對變壓器進(jìn)行加油，這樣不利于變壓器的使用壽命和安全運(yùn)行。目前，國內(nèi)外變壓器的冷卻方式主要有四種：自然

5、油循環(huán)自冷散熱、自然油循環(huán)風(fēng)冷散熱、強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷散熱以及強(qiáng)迫油循環(huán)水冷散熱。第一種冷卻方式自然油循環(huán)自冷散熱主要用于小型配電變壓器，不采用風(fēng)冷控制；第四種冷卻方式即強(qiáng)迫油循環(huán)水冷散熱只用于個(gè)別大型變壓器；第二、三種冷卻方式是目前變電站主變應(yīng)用較廣散熱方式，自然油循環(huán)風(fēng)冷散熱方式是利用變壓器繞組及鐵心發(fā)熱后,本體內(nèi)的油形成對流，油流經(jīng)散熱器后由冷卻風(fēng)扇吹出的風(fēng)將熱量帶走,從而達(dá)到散熱的目的，這種冷卻方式主要用于中小型變壓器。強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷散熱方式通過油泵使變壓器內(nèi)的油被迫快速循環(huán)，當(dāng)變壓器油流經(jīng)散熱器時(shí)，由冷卻風(fēng)扇吹出的風(fēng)將熱量帶走,這種冷卻方式主要用于大中型變壓器。強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻器(簡稱風(fēng)

6、冷卻器)與油自然循環(huán)風(fēng)冷卻器的主要區(qū)別是采用潛油泵強(qiáng)迫油進(jìn)行循環(huán),使油流速度加快,提高冷卻效率。2.3電力變壓器運(yùn)行規(guī)程中有關(guān)風(fēng)冷控制的規(guī)定在變壓器冷卻控制裝置的設(shè)計(jì)中參考了電力變壓器運(yùn)行規(guī)程(DL/T 572-95)中關(guān)于強(qiáng)迫油循環(huán)電力變壓器冷卻裝置及運(yùn)行條件的規(guī)定。2.3.1對變壓器的冷卻裝置的要求（1）要求油浸式變壓器本體的冷卻裝置、溫度測量裝置等應(yīng)符合GB6451的要求。（2）按制造廠的規(guī)定安裝全部冷卻裝置。（3）強(qiáng)油循環(huán)的冷卻系統(tǒng)必須有兩個(gè)獨(dú)立的工作電源并能自動切換。當(dāng)工作電源發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)自動投入備用電源并發(fā)出音響或燈光信號。（4）強(qiáng)油循環(huán)變壓器，當(dāng)切除故障冷卻器時(shí)應(yīng)發(fā)出音響或燈光

7、信號，并自動(水冷的可手動)投入備用冷卻器。（5）風(fēng)扇、水泵及油泵的附屬電動機(jī)應(yīng)有過負(fù)荷、短路及斷相保護(hù)；應(yīng)有監(jiān)視油泵電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的裝置。（6）強(qiáng)油循環(huán)冷卻的變壓器，應(yīng)按溫度和(或)負(fù)載控制冷卻器的投切。2.3.2變壓器溫度限值強(qiáng)迫油循環(huán)變壓器頂層油溫一般不應(yīng)超過表3.1的規(guī)定(制造廠有規(guī)定的按制造廠規(guī)定)。當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度較低時(shí)，頂層油溫也相應(yīng)降低。表2.1 油浸式變壓器頂層油溫一般限值冷卻方式冷卻介質(zhì)最高溫度（）最高頂層油溫（）強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷40852.3.3 強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻變壓器的運(yùn)行條件（1）強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻變壓器運(yùn)行時(shí)，必須投入冷卻器。空載和輕載時(shí)不應(yīng)投入過多的冷卻器(空載狀態(tài)下允許短時(shí)

8、不投)。各種負(fù)載下投入冷卻器的相應(yīng)臺數(shù)，應(yīng)按制造廠的規(guī)定。按溫度和(或)負(fù)載投切冷卻器的自動裝置應(yīng)保持正常。（2）強(qiáng)迫油循環(huán)變壓器投運(yùn)時(shí)應(yīng)逐臺投入冷卻器，并按負(fù)載情況控制投入冷卻器的臺數(shù)。（3）強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷變壓器，當(dāng)冷卻系統(tǒng)故障切除全部冷卻器時(shí)，允許帶額定負(fù)載運(yùn)行20分鐘。如20分鐘后變壓器頂層油溫尚未達(dá)到75，則允許上升到75，但這種狀態(tài)下運(yùn)行的最長時(shí)間不得超過1小時(shí)。2.4變壓器強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的工作原理2.4.1 強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)的工作過程如圖22所示。變壓器頂層的高溫油通過潛油泵送入冷卻管，經(jīng)過內(nèi)多次折流,冷卻管壁吸收變壓器油中的熱量，管壁與空氣接觸，向空氣直

9、接釋放熱量。此時(shí),為了加快管壁熱量的散發(fā)，在管壁空氣側(cè)，采用風(fēng)扇強(qiáng)制吹風(fēng)，冷空氣將放出的熱量帶走,使得高溫油加速冷卻；冷卻后的油從冷卻器下端再進(jìn)入變壓器油箱內(nèi)。風(fēng)冷系統(tǒng)主要由冷卻器本體，潛油泵、風(fēng)扇、凈油器、油流繼電器等部件組成；冷卻器本體是由一簇冷卻竹與上、下集油室焊接而成的整體，潛油泵是一種特制的油內(nèi)電動機(jī)型離心泵,電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子浸在油中使油系統(tǒng)構(gòu)成密閉循環(huán)系統(tǒng)，潛油泵強(qiáng)迫變壓器油循環(huán)，提高散熱的效率；風(fēng)扇由軸流式單級葉輪與二相異步電動機(jī)兩部分構(gòu)成，風(fēng)扇吹風(fēng)，加速變壓器油的冷卻；凈油器安裝在冷卻器下面，它是充滿吸附劑(活性氧化鋁)的容器，與下集油室連接，經(jīng)過冷卻器的變壓器油的一部分流經(jīng)

10、凈油器時(shí)與吸附劑接觸,使油中所帶的水分、游離酸和過氧化合物均被吸收,達(dá)到凈化變壓器油的效果。油流繼電器是監(jiān)視強(qiáng)迫油風(fēng)冷系統(tǒng)中油泵正反轉(zhuǎn)，閥門開閉和油流正常與否的保護(hù)裝置。風(fēng)冷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖所示。2.4.2 強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)工作原理風(fēng)冷系統(tǒng)的控制裝置安裝在冷卻器下方，有倆部分組成，一是內(nèi)部裝有接觸器、熱繼電器的控制箱；二是裝有主接觸器、控制開關(guān)、繼電器等的總控制箱。繼電式控制裝置線路如圖2.2所示，風(fēng)冷系統(tǒng)控制線路各部分的工作情況如下：（1）電源自動控制整個(gè)風(fēng)冷控制系統(tǒng)裝有兩個(gè)獨(dú)立電源，其中一個(gè)電源為工作電源，另一個(gè)電源為備用電源，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選定，如“I工作、II備用”，這時(shí)選擇母線接通I

11、電源，母線不接通電源。當(dāng)I電源因某種原因電壓消失或斷相時(shí)，將I電源與系統(tǒng)母線斷開，經(jīng)一定延時(shí)母線接通II電源?！癐I工作、I備用”時(shí)線路工作情況與上述類似。（2）冷卻器控制變壓器投入前，各冷卻器可用控制開關(guān)手柄位置來選擇風(fēng)冷卻器工作狀態(tài)：“工作”、“輔助”或“備用”；油泵投入運(yùn)行后，當(dāng)油流速達(dá)到一定值時(shí)，油流繼電器的動合觸點(diǎn)閉合，動斷觸點(diǎn)打開，點(diǎn)亮信號燈，表示冷卻器投入正常運(yùn)行；當(dāng)冷卻器內(nèi)油速度不正常而低于規(guī)定值時(shí)，油流繼電器動合觸點(diǎn)打開，信號燈熄滅，表示冷卻器內(nèi)部管路發(fā)生故障，同時(shí)控制電路啟動備用冷卻器；當(dāng)潛油泵或風(fēng)扇電動機(jī)發(fā)生故障時(shí)，熱繼電器動作，使主觸點(diǎn)打開從而保護(hù)電動機(jī)，經(jīng)過一定延時(shí)啟動備用冷卻器，并發(fā)出故障信號。備用冷卻器在正常情況下是不投入運(yùn)行的。輔助冷卻器（在“輔助”位置的冷卻器）在負(fù)載較低時(shí)是不投入運(yùn)行的，變壓器繞組溫度（如70）或頂層油溫（如55）達(dá)到規(guī)定值時(shí)，溫度控制器觸點(diǎn)閉合，或負(fù)載電流達(dá)到額定值的70時(shí)，使線圈勵磁，從而使輔助冷卻器投入運(yùn)行。強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)控制流程圖（3）故障回路故障回路能在現(xiàn)場的總控制箱內(nèi)觀察到信號，它有如下4種：（1）當(dāng)兩個(gè)電源都消失而使全部冷卻器停止工作時(shí)，經(jīng)適當(dāng)延時(shí)，使斷路器跳閘將變壓器從網(wǎng)路上切除，發(fā)冷卻器全停信號；（2）當(dāng)電源發(fā)生故障時(shí)發(fā)出故障信號；（3）當(dāng)工作