0 引言
電力變壓器運(yùn)行時(shí),鐵心產(chǎn)生的磁損耗?線圈產(chǎn)生的電損耗及結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的附加損耗將轉(zhuǎn)化為熱量,然后經(jīng)作為冷卻介質(zhì)的變壓器油傳遞到油箱箱體和冷卻設(shè)備,與外部冷卻介質(zhì)(水或空氣)通過(guò)熱交換后散發(fā)到周?chē)h(huán)境中?由于自冷式油浸變壓器冷卻系統(tǒng)具有無(wú)輔機(jī)設(shè)備能量消耗?運(yùn)行時(shí)噪音低?日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用及工作量小,且維修更換時(shí)不需要停運(yùn)變壓器等優(yōu)點(diǎn),因此近年來(lái)在我國(guó)220kV及以下電壓等級(jí)的城區(qū)變電站及廠用變電站得到越來(lái)越多地應(yīng)用?由于片式散熱器冷卻效果直接影響到運(yùn)行中的變壓器油及固體絕緣材料的熱老化進(jìn)度,因此片式散熱器的合理選型和科學(xué)布置具有重要的意義?
1 現(xiàn)狀
近年來(lái),隨著投入運(yùn)行的大容量自冷式油浸變壓器的增多,部分自冷式變壓器在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了頂層油溫過(guò)高的現(xiàn)象?而變壓器運(yùn)行溫度直接影響到產(chǎn)品的使用壽命?當(dāng)變壓器熱點(diǎn)溫度超過(guò)98℃時(shí),溫度每升高6℃,產(chǎn)品使用壽命減半;反之則增加1倍?為保證產(chǎn)品具有20年以上的正常使用壽命,測(cè)量頂層油溫的溫度控制器被設(shè)定為當(dāng)頂層油溫超過(guò)80℃或85℃時(shí)發(fā)出高溫報(bào)警?另外,隨著油溫的升高,變壓器油及固體絕緣材料將受熱分解,產(chǎn)生的特征氣體溶解于油中,當(dāng)油中溶解氣體達(dá)到飽和后,將進(jìn)入到氣體繼電器中?當(dāng)氣體繼電器中的氣體容積達(dá)到一定量時(shí),氣體繼電器將發(fā)出輕瓦斯報(bào)警信號(hào)?由此可見(jiàn),頂層油溫過(guò)高將對(duì)變壓器的安全運(yùn)行產(chǎn)生非常不利的影響?從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看,避免由片式散熱器選型或結(jié)構(gòu)布置不合理原因引起的油頂層溫度過(guò)高,對(duì)保證變壓器安全運(yùn)行?延長(zhǎng)變壓器的使用壽命具有重要意義?
2 分析
導(dǎo)致自冷式油浸變壓器出現(xiàn)頂層油溫異常過(guò)高現(xiàn)象的原因主要有以下幾種?
(1)環(huán)境溫度高,用電負(fù)荷大,變壓器本身發(fā)熱量大而冷卻系統(tǒng)散熱能力不足?這種情況有一部分由變壓器廠家缺乏足夠的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)或?yàn)榱斯?jié)省成本而人為刻意造成的冷卻能力不足導(dǎo)致,也有一部分由變壓器周?chē)h(huán)境通風(fēng)不暢等因素引起?
(2)變壓器剛開(kāi)始投運(yùn)的短暫時(shí)間內(nèi),其內(nèi)部發(fā)熱量相對(duì)不大,油循環(huán)速度慢,熱油集中在油箱頂部區(qū)域,造成短時(shí)間內(nèi)油頂層溫度偏高,但是隨著時(shí)間的推移,油循環(huán)逐漸加速,頂層油溫會(huì)緩慢下降?
(3)片式散熱器的選型或結(jié)構(gòu)布置不合理?下面將從設(shè)計(jì)制造角度出發(fā),分析片式散熱器選型和結(jié)構(gòu)布置對(duì)頂層油溫的影響?
為盡可能降低變壓器的造價(jià),變壓器廠家一般會(huì)盡可能提高硅鋼片的用量而減少銅線的使用,因此實(shí)際變壓器產(chǎn)品高度明顯降低?這種變壓器上的片式散熱器常見(jiàn)安裝方式如圖1所示?
圖1 變壓器上的片式散熱器常見(jiàn)安裝方式圖
片散頂端低于油箱頂部布置方式,受變壓器油箱本身高度的限制,可供片式散熱器選擇安裝的高度范圍就相對(duì)較小?在此種情況下,為滿足散熱要求,通常選用的片式散熱器中心距較小?組數(shù)較多,且每組片散的片數(shù)也很多?相關(guān)研究資料表明,變壓器油箱內(nèi)部溫度沿繞組高度方向大致成線性分布,且由箱體下部向上逐漸升高,繞組頂部溫度或油頂層位置溫度最高?在片式散熱器總的有效散熱面相同的情況下,適當(dāng)增加片式散熱器的高度,其內(nèi)部的變壓器油從頂部到達(dá)底部的路徑越長(zhǎng),與外部空氣熱交換越充分,就越能增加片式散熱器進(jìn)出口油溫差,提高散熱器冷卻效率?顯然,這種中心距較小的片式散熱器雖然散熱片的總散熱表面積足夠多,但散熱效果并不理想?
片散頂端低于油箱頂部布置方式的片式散熱器不能滿足散熱要求時(shí),普遍采用鵝頸式片式散熱器?常用的鵝頸式片式散熱器上部集油管中心的高度與其箱壁安裝的進(jìn)油口中心的高度差ΔH在200-600mm?自冷式變壓器內(nèi)部的油流是以變壓器油箱內(nèi)線圈上下端油的密度差為驅(qū)動(dòng)力的?作為主要發(fā)熱體的線圈,其高度方向的尺寸越大,上下部位的油溫差越大,即上下部位油的密度差越大,油流的驅(qū)動(dòng)力也越大,油流速越快,油循環(huán)次數(shù)增加,散熱效率也越高,反之亦然?值得注意的是,采用鵝頸式片式散熱器,進(jìn)油口處油路的阻力和壓力損失也會(huì)增大?變壓器油的穩(wěn)定流速是其驅(qū)動(dòng)力與阻力最終平衡的結(jié)果?
需要說(shuō)明的是,片式散熱器的高度尺寸并不是越高越好,實(shí)際選擇片式散熱器規(guī)格時(shí)要根據(jù)具體項(xiàng)目結(jié)合油流解析計(jì)算?壓力損失計(jì)算?高度空間限制和以往產(chǎn)品溫升數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等因素綜合決定?
3 驗(yàn)證
為驗(yàn)證片式散熱器選型和結(jié)構(gòu)布置對(duì)散熱效率的影響,進(jìn)行如下比較分析?
(1)片式散熱器(尺寸)選型對(duì)散熱效率的影響?以SZ-50MVA/110kV型變壓器為例,用于對(duì)比的兩臺(tái)該類(lèi)型變壓器的片式散熱器均為圖1(a)所示結(jié)構(gòu)型式,其與溫升有關(guān)的技術(shù)參數(shù)及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1?
表1 片式散熱器選型對(duì)散熱效率的影響對(duì)比
由表1可知,雖然產(chǎn)品1的總損耗比產(chǎn)品2高出約16kW,但是產(chǎn)品1采用較高中心距的片式散熱器,使得在幾乎不增加有效散熱面積的情況下,其油頂層溫升與產(chǎn)品2的基本相同?由此可見(jiàn),增加片式散熱器的高度能提高其內(nèi)部的油流速,從而提高散熱效率?
(2)片式散熱器結(jié)構(gòu)布置對(duì)散熱效率的影響?按圖2布置片式散熱器,保持片式散熱器中心距?片數(shù)及組數(shù)和片式散熱器間的間距等不變,改變片式散熱器底部對(duì)地高度(Hx),測(cè)量油溫升并進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果見(jiàn)表2?
圖2 片式散熱器頂端高出油箱圖
表2 片式散熱器結(jié)構(gòu)布置對(duì)散熱效率的影響
由表2可知,片式散熱器底部對(duì)地高度從800mm提高至1100mm,即散熱中心與發(fā)熱中心的高度差從600mm提高至900mm,片式散熱器的散熱能力有較大提升;而片式散熱器底部對(duì)地高度從1100mm提高至1400mm后,片式散熱器的散熱能力雖有提升,但并不明顯?該試驗(yàn)說(shuō)明,適當(dāng)提高片式散熱器的離地高度,即增大片式散熱器散熱中心與變壓器發(fā)熱中心的高度差,有利于提高片式散熱器的散熱功率?當(dāng)然,在產(chǎn)品具體設(shè)計(jì)過(guò)程中,片式散熱器的結(jié)構(gòu)布置受到其它附件布置及絕緣距離等因素的制約,須綜合考慮?
4 結(jié)束語(yǔ)
溫升是變壓器的一項(xiàng)非常重要的考核項(xiàng)目,影響著變壓器的安全運(yùn)行及使用壽命?本文通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證,認(rèn)為對(duì)片式散熱器進(jìn)行合理選型和結(jié)構(gòu)布置,可有效提高其散熱效率,在滿足散熱要求的前提下,可減少片式散熱器及油的用量,從而提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益?
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