变压器冷却装置控制方式的改进

变压器冷却装置控制方式的改进

周远

大唐国际发电股份有限公司陡河热电分公司 河北省唐山市   063000

摘要：目前不管是安装在发电厂还是运行在变电站的大型电力风冷变压器，其运行中所带负荷随时都在发生变化，尤其是发电厂的升压变压器在调峰运行时，每日所带的负荷在50%-100%之间多次变化，这将使变压器的损耗也随之发生变化，从而造成变压器油温的变化；另外，不管是一年四季环境气温的变化，还是每昼夜气温的变化，也都造成了变压器油温的变化。变压器油温的频繁和大幅度变化，将对变压器的安全、经济运行和使用寿命产生较大的影响。

本次技术论文就是通过利用变频器技术对变压器冷却装置控制方式进行改进，使变压器温升在不同负荷、不同环境温度下，保持在一个相对恒定的范围，有利于节能、延长变压器寿命及其安全运行。

关键词：变压器；冷却方式；变频器

一、变压器的冷却方式

油浸式电力变压器的冷却系统包括两部分：①内部冷却系统，它保证绕组、铁芯的热散入油中；②外部冷却系统，保证油中的热散到变压器外。

按油浸变压器的冷却方式，冷却系统可分为油浸自冷式、油浸风冷式、强迫油循环风冷式、强迫油循环水冷式等几种。

(一)油浸自冷式

    油浸自冷式是变压器油箱内部的变压器被器身加热，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。油浸自冷式冷却系统结构简单、可靠性高，广泛用于容量10，000KVA以下的变压器。

(二) 油浸风冷式

    油浸风冷式冷却系统，也称油自然循环、强制风冷式冷却系统。油浸风冷是油在油箱内自然循环的，而冷却空气通过风扇吹向散热器。它是在变压器油箱的各个散热器旁安装一个至几个风扇，把空气的自然对流作用改变为强制对流作用，以增强散热器的散热能力。它与自冷式系统相比，冷却效果可提高150％～200％，相当于变压器输出能力提高20％～40％。为了提高运行效率。当负载较小时，可停止风扇而使变压器以自冷方式运行；当负载超过某一规定值，例如70％额定负载时，可使风扇自动投入运行。这种冷却方式广泛应用于：10，000KVA以上的中等容量的变压器。

   (三)强迫油循环风冷式

    强迫油循环风冷式冷却系统用于大容量变压器。这种冷却系统是在油浸风冷式的基础上，在油箱主壳体与带风扇的散热器(也称冷却器)的连接管道上装有潜油泵。油泵运转时，强制油箱体内的油从上部吸入散热器，再从变压器的下部进入油箱体内，实现强迫油循环。冷却的效果与油的循环速度有关。

(四)强迫油循环水冷式

强迫油循环水冷式冷却系统由潜油泵、冷油器、油管道、冷却水管道等组成。工作时，变压器上部的热油被油泵吸入后增压，迫使油通过冷油器再进入油箱底部，实现强迫油循环。油通过冷却器时，利用冷却水冷却油。因此，在这种冷却系统中、铁芯和绕组的热先传给油，油中的热又传给冷却水。在冷却器中，油与水是不直接接触的。但设计时和运行中，水压必须低于油压，以防止万一产生泄漏时，水不致进入变压器内而导致绝缘损坏。

二、变压器的冷却器运行方式

    不同的变压器，冷却器的数量可能不同，运行方式也可能不同，但冷却器运行方式考虑的原则是近似的。

(一)根据主变负荷大小手动投入冷却器

1.0％～20％额定负荷。投入一组冷却器。

2.20％～60％额定负荷，投入二组冷却器。

3.60％～80％额定负荷，投入三组冷却器。

4.80％～100％额定负荷，投入四组冷却器。

（二）根据高、低压绕组温度自动投入冷却器

三、对变压器冷却装置控制方式改造的原因

(一)对变压器运行中整体温度变化的原因进行分析，变压器运行中引起整体温度变化的主要原因有变压器的损耗和环境气温的影响。变压器损耗包括变压器的空载损耗和负载损耗，其空载损耗在变压器投运以后就一直存在，负载损耗则随变压器所带负荷的大小而改变，变压器负载越大，则损耗越多，变压器的温升就越高，负载变化越大，变压器的温度变化就越大。

(二)从全国电力负荷市场全年运行变化的实际情况来看，天气越冷或越热，用电负荷增长就越快，变压器的温升就越高，即使在同一天，由于昼夜温度的变化和负荷峰谷差的变化叠加，更是造成变压器温度大幅变化的一个主要因素。由于以上各种因素的影响，造成变压器温度在不断变化，从而影响到变压器的长期安全运行和使用寿命。

(三)在变压器使用寿命上，起决定性作用的是绝缘问题，引起绝缘老化的主要原因是温度，根据多年的运行经验和许多专门的研究结果表明，通常线圈温度连续在98℃的时候，可以保证变压器具有适当的经济性上合理的寿命。

(四)对大型变压器现行的冷却装置配置情况进行分析，变压器出现过全部冷却器投入时上层油温超过70℃的情况，但在夜间尤其是在暴雨过后的夜间，因负荷和气温骤降，虽然也将变压器辅助冷却器停运，但变压器油温也很有可能降得很低，也就是油温的变化幅度超过了环境温度的变化。在冬季负荷较低或特别寒冷的季节，变压器因油温过低，不得不对其加油，这对变压器的安全运行和寿命将是十分不利的，即使日常负荷变化和气温变化没有如此之大，但变压器的温度变化是实际存在的。

以上情况都反映出现行配置的变压器冷却装置存在着设计和使用上的缺陷。另外，运行在“辅助”和“备用”位置的冷却装置投入和退出运行，将造成变压器内的油流量发生变化，同时也将造成变压器内温度的局部差异，这时对变压器的正常运行也有一定的影响。

四、利用变频技术，改进变压器冷却装置控制方式的目的

变频调速器——它将三相工频（50Hz）交流电源（或任意电源）变换成三相电压可调、频率可调的交流电源，有时又将变频调速器称为变压变频装置VVVF。主要用于交流电动机（异步机或同步机）转速的调节。一个交流电动机变频调速系统由变频调速器驱动器交流电动机和控制器三大部分组成。其中关键核心设备是变频调速器，由它来实现电动机电压和频率的平滑变化。

利用变频器拖动电动机，起动电流小，可以实现软起动和无级调速，方便的进行加减速控制，使电动机获得高性能，大幅度地节约电能。此次利用变频技术，对变压器冷却装置控制方式进行改进，目的在于通过合理地控制变压器冷却器的运行方式，使变压器油温长期在较小的范围内变化，以保证变压器运行中的经济性、安全性，并减少运行人员的劳动强度。

五、变压器冷却装置控制方式的改进的具体设想

(一)各组冷却装置中油泵的原控制方式保持不变，即保持变压器内原设计油流特性不变，这样不论变压器的油温变化有多大，但其各总后油温仍是一样的，不会产生温度差。

(二)变压器各组冷却装置中的风扇的控制方式改为变频控制，即用变动的风量来调整冷却装置的输出功率，使其达到与变压器的总损耗相一致，实现变压器的发热与冷却装置期热相平衡，以维持变压器上层油温的恒定。

(三)要改风扇为变频控制，就要为其提供以下3个方面的数据作为控制信号：

1.按照变压器负荷变化控制风扇转速，变压器运行后随着负荷从小到大不断变化，变压器总的损耗也在按一定比例增大，根据这一特点结合风扇转速变化时风量也同时变化的规律，用变压器的负荷电流作为风扇变频器调速的主要信号源。

2.在变压器原上层油测点附近增加一套电阻式温度测量系统，将其温度变化信号提供给变频控制装置，设定的其准温度为原温度范围（44-55℃）的平均值，而变压器原有的远方温度监视系统不变。

3.在变压器本体上方增装一套用于反映环境温度变化的电阻式温度测量系统，并将其温度变化信号提供给变频控制装置。

(四)将变压器原用于启动“辅助”冷却器的电流继电器改为电流变送器，其输出信号作为调节变频器输出的信号源。

(五)将变压器常规风冷控制回路的辅助、备用控制接线，改为由可编程控制器（PLC）加变频器对运行中的油泵进行控制和对风扇通风量进行调节，以达到调节冷却功率的目的。

六、变压器冷却装置实施变频改造后效果

通过对变压器冷却装置实施变频改造后，变压器在运行中油泵能始终保持油流量和方式恒定不变，使之处于最佳的设计状态；而用改变冷却器通风量的方法使变压器在负荷变化、气温变化乃至季节变化时，上层油温保持在一个基本恒定的温度从而改善变压器的运行工况，有利于延长变压器的使用寿命，同时可减少不必要的电能消耗。

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