变压器本体与散热器上下布置的应用分析
时间：2022-06-14 11:35:01 浏览次数：次
摘 要：文章根据变压器本体与散热器的三种布置方式的特点，通过对变压器油循环方式和散热器冷却方式的组合分析，结合有关制造和运行经验，论证变电站采用变压器本体与散热器上下分体式布置的可行性和优越性。
关键词：变压器；散热器；应用
1 前言
目前主要应用的变压器与散热器布置型式主要有两种，分别是变压器与散热器一体式布置（以下简称一体式布置）、变压器与散热器水平分体式布置（以下简称水平分体式布置）。
由于城市土地资源弥足珍贵，如何合理利用空间资源，优化变压器布置方式，节约变电站占地面积成为变电站建设中一个重点考虑的问题。因此第三种布置方式-变压器与散热器上下分体式布置（以下简称上下分体式布置）应运而生。以下主要就变压器本体与散热器上下分体布置的应用进行分析。
2 变压器本体与散热器的上下分体式布置
上下分体式布置，即变压器本体与散热器分别布置在高度不同的两个位置（如图1）。这种布置方式可以充分利用空间资源、最大限度的节约用地面积，尤其适用于土地资源紧张的地区，在部分户内变电站及地下变电站设计中得以推广应用。其主要特点为：散热器布置于变压器室上方，充分利用了变压器室上方的空间，减少了变电站的占地面积，降低了变电站的综合投资。其次，散热器敞开式布置于屋顶，有效地改善了散热器的通风条件，从而降低变压器室的运行环境温度，保证设备运行及其使用寿命。而且变压器本体布置在户内，能够有效降低噪音，从而满足环保的要求。
图1 变压器上下分体布置平断面图
3 变压器冷却方式的选择
变压器的冷却效果取决于变压器油循环方式和散热器冷却方式。根据油循环的方式，可分为自然油循环（ON）、强迫油循环（OF）和强迫油导向循环（OD）三种方式；根据散热器的冷却方式的不同，又可分为自冷（AN）、风冷（AF）、油水冷却（WF）、油油冷却（OF）等。这几种油循环和散热器的冷却方式之间可形成ONAN、ONAF、OFAF、OFWF、ODAF、ODWF等多种组合。
3.1 变压器油循环方式的选择
3.1.1 变压器油循环的原理
在变压器的封闭油路系统中，变压器油因温度变化引起密度变化，导致浮力变化而自然对流循环。
图2 油浸式变压器的冷却原理示意图
图2的右侧，用直角坐标显示出了变压器油的温度？兹与其几何高度h的关系曲线，图中A、B、C、D各点与左图中相应点对应。在A点油进入绕组等发热元件下部并在绕组的高度区域被连续加热，油的密度连续降低并逐步增大向上的浮力而向上流动，至B点处热油离开绕组。热油经由B与C之间的一段路径流入散热器，热油在这段路径中几乎不被冷却，只是在几何高度上有所增加。热油在散热器中从C到D的路径上，变压器油从绕组等发热元件中带出的热量通过散热器逐步散失在周围空气中而被冷却，油的比重逐渐增加而在重力作用下向下流动，而后经由D与A之间的一段路径从D点回流到A点重新进入绕组等发热元件。如此循环往复，使变压器油在变压器的封闭油路系统中对流循环流动。
图2中，温差△θσ-α是在散热器中逐渐冷却的变压器油与散热器周围被加热的空气之间的对数平均温差，通常称其为油对空气的平均温升；温差△θwo是变压器油进入绕组与离开绕组的温差，也就是变压器油在绕组高度区域被加热的温升值；温差△θco是变压器油进入散热器与离开散热器的温差，一般认为它与△θwo相等。换句话说，根据热平衡原理，在最终的稳定状态下，封闭系统中的变压器油在器身中被发热元件加热的温度必然等于变压器油在散热器中被冷却的温度，从而达到变压器在稳态运行情况下发热与散热的平衡。也就是说，在变压器稳态运行时，在封闭的发热与冷却油路系统中流动的变压器油，沿变压器的油循环系统几何高度的温度分布曲线（即图2中右侧的θ-h关系曲线）成为封闭曲线。
与此同时，散热器除了辐射散热外，包围散热器的空气被散热器所加热也自下而上的对流循环流动，即散热器下部的空气以环境温度进入散热器区域，沿着散热器的高度被逐步加热而从散热器上部流出散热器区域。
3.1.2 变压器油循环方式的选择
（1）不同布置型式变压器发热量比较
变压器运行时，其绕组和铁心中的电能损耗都将转变为热能，因此变压器的发热量是由变压器运行时的损耗决定的。变压器的损耗取决于变压器的容量、铁心与绕组的结构和材质、制造工艺以及变压器运行时的负荷水平，与散热器的布置方式无关。因此变电站上下分体式布置变压器发热量与常规一体式、水平分体式变压器一致。
（2）变压器自然循环时油的流速
在变压器闭合的油路系统中，变压器油因温度变化引起密度变化，导致浮力变化而对流循环。
变压器油的密度？籽θ与其温度θ的关系可以用（1）式表示。
（1）
式中θ-变压器油的温度，℃；
？籽θ-变压器油温度为θ℃时的变压器油密度，kgm-3；
？籽0-变压器油温度为0℃时的变压器油密度，kgm-3；
？茁0-变压器油温度为0℃时的变压器油受热体积膨胀系数，℃-1。
由（1）式可见，油的密度随温度上升而下降。因此，在变压器中，器身中（绕组与铁心等发热元件中）的变压器油受热后向上流动，散热器中的变压器油冷却后向下流动。
如果提高散热器的安装高度（如图3），在器身发热相同的条件下，可增加作用在冷却回路的浮力，相应地顶、底油温差（△θwo=△θco）减小，冷却回路中油的流动速率将提高。
综上所述，抬高散热器的高度后油的流动速率将提高，从而使温差△θwo（△θco）降低，对变压器的冷却效果增强。
（3）小结
综上所述，在变电站中变压器采用上下分体式布置，变压器发热量与常规变压器一致，散热条件好，且采用自然油循环时油流速度较常规一体或水平分体式布置变压器更快，散热效果更好。
3.2 变压器散热器冷却方式的选择
散热器的冷却方式主要有自冷、风冷、油水冷却、油油冷却4种。采用自冷或风冷方式，冷却系统管道不需设置油泵，只需安装管道，安装较为简单方便，散热片尺寸相对较小，占地面积较小（约40m2），造价较低。自冷及风冷方式，冷却装置结构简单，运行维护方便，在散热量满足要求的前提下运行最为安全可靠。
相对自冷而言，风冷方式能加速空气流动，散热效果更好。但是由于增加了风扇，噪音较大，目前在自冷能满足散热要求的情况下，特别是环境环保要求较高的场所，一般不采用风冷的冷却方式。
油水冷却与油油冷却方式，需要在冷却系统中增设水泵或油泵以及热交换器，管道复杂，造价高，占地面积是自冷变压器散热片占地面积三倍以上。采用油水冷却方式需定期清除水垢，且水塔的压力直接作用在油水热交换器，一旦水进入油管，将会引起极大的事故，因此一般用于水源丰富的地方。油油冷却方式与油水冷却方式原理及结构相似，但由于更换了冷却介质，冷却效率将大打折扣。
直接采用自冷（AN）方式是目前最经济安全且噪音最小的方案。目前国内变压器设计水平及制造工艺逐步提高，24万千伏安及及以下变压器一般采用自冷方式。
4 上下分体布置对变压器制造的要求及解决措施
由于上下分体布置散热器及油枕高于变压器本体，变压器本体会承受比常规布置更大的油压，因此变压器箱体及部分组配件与常规变压器有所不同。
4.1 上下分体布置变压器承受的油压计算
根据《油浸式电力变压器技术参数和要求》（GB/T6451-2008），变压器采用一体或水平分体布置时，变压器油箱应承受住真空度为133Pa和正压强为98kPa的机械强度试验，油箱不得有损伤和永久变形。变压器采用上下分体布置时，为了保证安全，应要求变压器在出厂试验时，需对变压器施加正压加上因高差带来的附加压强，24h应无泄露。
例如一方案将主变布置在配电楼一楼，散热片及油枕布置在变压器室楼顶，变压器室层高11.5m，加上油枕与散热片的高差，总体高差约17m。变压器本体压强按17m高差计算：
h=17m，ρ油=0.895×103kg/m3
P油压=ρ油gh=0.895×103×9.8×17=149kPa
因此该方案主变本体及部分组配件应承受住真空度为133Pa和正压强为149kPa的机械强度。变压器在出厂试验时，需对变压器施加149kPa+98kPa=247kPa压力，24h无泄露。
4.2 保证变压器安全运行的措施
4.2.1 防止变压器油箱变形、渗漏的措施
（1）变压器油箱的型式选择
变压器油箱有两种基本形式，平顶油箱和拱顶油箱。平顶油箱为桶式结构，下部主体形状为油桶形，顶部为平面箱盖，而在其间用一钢环（箱沿）和胶条结合成整体；拱顶油箱为钟罩式结构，下底为盘形或槽形，上部为钟形箱罩，其间也用箱沿和胶条结合成整体。
根据《湖南省电力公司输变电设备状态检修导则》，只有状态评估中被评价为“异常状态”或“严重状态”的设备才进行A类或B类检修。由于变压器的生产技术及工艺已成熟，若外部无影响变压器的大冲击（如变压器近区短路、自然灾害等），在全寿命周期内变压器无需A类或B类检修。由于桶式油箱的工艺制造技术、稳定性优于钟罩式油箱，因此按照“安全第一”的原则，本设计变压器油箱拟采用桶式油箱。
油箱按照箱体与箱盖的连接方式，又可以分为螺栓结构和一体化结构。一体化结构就是将箱体与箱盖焊接成一体，不采用螺栓连接，消除了箱体与箱盖连接处的渗漏安全隐患。如变压器需要大修，需将焊缝处切割开，根据变压器厂家提供的资料，全寿命周期内焊缝处可切割三次。综上所述，本设计变压器油箱采用桶式一体化结构油箱。
（2）防止变压器油箱变形、渗漏的措施
按照4.1计算的变压器需承受的压力值，利用专用软件对前面所述各类油箱分别进行了模拟计算。其中桶式一体化结构油箱计算结果如图4、图5所示。
根据计算，将桶式油箱与钟罩式油箱壁厚加强至12mm厚（常规布置同规格变压器油箱壁厚10mm）就能满足上下分体布置的强度要求，完全防止箱体变形，并避免因箱体变形导致的渗漏、其它组配件的损伤等。
4.2.2 保证变压器组配件安全运行的措施
全自冷变压器上下分体布置时，本体内油压增大，其压力同时传递到了与箱体内绝缘油有直接联系的组配件。因此，部分组配件在产品选择及组装时应相应进行加强或调整。主要包括：
（1）因为套管油室与本体油联通，所以套管油室的耐压能力要加强，与升高座连接的法兰处密封性能加强；
（2）瓦斯继电器：瓦斯继电器应安装在油枕的进油口附近，安装位置及其结构应能观察到分解出气体的数量和颜色，且便于取气。
（3）变压器本体密封件耐压能力需根据受压值相应提高并加厚；
（4）互感器接线盒耐压能力需根据压力值相应提高；
（5）压力释放阀整定值相应提高。
（6）由于散热器距变压器距离较远，油管阻力相对较大，选择油管尺寸时在计算值的基础上增大一个规格，以保证油路管径畅通，保证有足够的油流入变压器的器身。
5 结束语
综上所述，上下分体式布置变压器在技术上、产品制造工艺上完全能满足变压器安全运行的要求，一次投资更省，散热和降噪效果更好，且能显著减少变电站占地面积，节约宝贵的土地资源。
参考文献
[1]保定天威保变电气股份有限公司，谢 城，电力变压器手册，2003。
[2]GB/T6451-2008，油浸电力变压器技术参数和要求。
[3]DL/T572-2010，电力变压器运行规程。
作者简介：彭勇（1980.5- ），男，汉族，湖南长沙人，2002年毕业于长沙理工大学，工学学士，现就职于益阳电力勘测设计院有限公司。研究方向：变电站设计的优化。