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［摘 要］对220kV主变压器的发热和冷却方式进行了分析，探讨了大型变压器在现场将强迫油导向循环的风冷却改造为自然冷却的温升、热点温度及在改造中应采取的措施，给出了较为合理的冷却系统更新方法。
［关键词］变压器 发热与冷却 冷却方式 分析 改造
1 概述
广州供电局茶山变电站的2台主变是1995年12月投运的，型号都为SFPSZ7-180000／220的变压器，冷却装置原配套由6台YF-200强油风冷却器组成的，冷却方式为ODAF，存在的主要问题是当时所有连接管路都为法兰硬连接，运行后由于导油管路较长法兰连接处渗漏油，油泵转速为1450r／min的高速油泵。法兰连接处渗漏油对高速离心泵运转后形成的巨大负压向变压器内微量进气，是变压器绝缘降低的致命危害，高速油泵运转后产生的金属颗粒又是影响变压器安全运行的一大隐患，基于以上缺陷。按25项反措经过对原变压器的油循环结构进行进行分析论证，在现场进行取消强油风冷却装置改造为自然风冷却装置，冷却方式改为ONAN／ONAN，根据茶山变的冷却方式改变，要对冷却装置的导油结构的也要进行改变，对强油风冷改造为自然冷却改造前的变压器发热及冷却过程细节的问题进行整理、分类，分析原因，并总结了冷却装置改造全过程的注意事项及现场安全施工工艺措施，供同行参考并进行更深入的探讨与分析。
2 关于变压器的发热和冷却过程
2．1 变压器的发热与冷却
变压器在运行时有一部分电磁能量转化为热量，无论油浸式变压器或是干式变压器，它们在运行的过程中，由于有铁耗与铜耗的存在，这些损耗都将转换成热能而向外发散，从而引起变压器不断发热和温度升高。
变压器的冷却装置是将变压器在运行中由损耗所产生的热量散发出去，保证变压器安全运行的重要装置之一。由于变压器的损耗的增加与容量的3／4次方成比例，而冷却表面的增加只与容量的1／2次方成比例，因此像我局的180MVA这样大容量的三线圈有载调压变压器必须采用专用的冷却装置，本次现场将2台180MVA主变的强油导向风冷却改造为自然冷却在结构上进行可行性的分析与探讨。
变压器的冷却介质为变压器油，冷却器出力依靠油的循环量和循环速度与散热风机的风量来实现。铁心和绕组运行后温度升高的热量传到周围的介质中去，从而使周围的介质温度升高，此时，通过潜油泵的工作将介质通过冷却器的散热风机将介质的温度降低后回到变压器，故本身温度上升的速度将逐渐减慢，经过一段时间后，绕组及铁心温度最终达到稳定状态，而不再升高，存在的缺陷是当强油风冷却器故障时，不论是潜油泵还是风机全停时，此时的介质温度无法降低，必须停主变，不符合现在无人值守站的要求。
2．2 主变的强油循环改造为自然循环冷却的可行性分析
本次改造的茶山站SFPSZ-180000／220主变在绕组结构形式上原设计为强油循环冷却的高、中、低压的绕组类型为饼式绕组的四面散热结构，而我们国家标准要求目前的自然循环冷却结构的绕组也是这种结构。从变压器冷却系统的油循环结构上其不同的是有两个方面：
(1)油箱带导向油道，我们这次现场将导向油道改造为自然循环油道。
(2)绕组的下部为防止循环油短路加了档油隔板，我们按照自然循环结构现场改造。
(3)当绕组及铁芯附近的油被加热之后，就会自动向上流动，而冷却后的冷油则向下流动，这就是油的对流作用(油的热传导性能很差，主要靠对流)，从而使整个变压器油箱中的油温升高。依据热油总向上流动，冷油向下流动的道理，我们通过以往对150MVA变压器改造后的运行数据，结合本次180EVA主变的可行性分析将原变压器的冷却方式和冷却装置改造是可行的。
3 将强油风冷装置改造为自然冷却装置的分析与探讨
3．1 两种冷却方式的温升计算
将强油循环风冷却系统改造为由片式散热器组成的自然冷却系统，改造后主变的型号为：SFSZ7—180000／220，取消ODAF这种冷却方式，改造后的冷却方式为ONAN／ONAF。以ONAF(180MVA)及ONAN(126／63MVA)这两种冷却方式长期运行时温升计算如下。
(1)本产品选用PC-2800×26片式散热器30只，其中2只备用。散热面积(吹风)：44.62×28＋37.29×2=1323.94m2(不考虑油箱散热面)
75℃时变压器最大损耗(17分接，高、中运行)：
145600＋578800=724400W
热负荷：q=724400／1323.94=547.16W／m2
绕组表面的油平均温升：τ1=kqnμ0.25=0.16×547.160.8=24.81K(若油温超过60-70℃时，可忽略油的绝对黏度“的影响)
油顶层温升：τ3=1.2τ1＋τc=1.2×24.81＋5=34.77K＜55K
绕组对空气温升：τ2=τ1＋τy=24.81＋25=49.81K＜65K
通过调取变压器的原设计数据按照30组片式散热器组成的新冷却系统进行计算，计算改造后的油浸式变压器在额定负载下，绕组的平均温升为49-8loC，按照计算机模拟计算最热点温升为63.4℃，平均环境温度20℃，则最热点温度为83.6℃，小于A级绝缘变压器最热点温度98℃的规定，从理论计算得到了肯定。
(2)冷却装置改为自然冷却取消潜油泵，必须保证的是器身内的热油循环与原来有导向结构的时间一致，其二是油的循环量比原来大保证绕组表面热负荷与自然冷却装置的散热面积匹配来交换冷却，其三油的循环路径越短越好，因此对油箱的改造要有温升和油膨缩来计算，其四考虑外绝缘距离和美观安全。
散热器上、下部的主导油集油管选用φ200mm的Q235-B钢管用于增加油流量、加快热交换量，支导油管采用φ150mm的Q235-B钢管24根均匀分布变压器的上、下部，根据原变压器结构的特点以提供最短的油循环路径，确保无死油区。支架选用可拆式的，根据主变的原始设计数据，采用安装在变压器本体的结构，由沈变根据原来的油箱结构进行设计，保证强度、安装尺寸、外绝缘距离和美观(参见图1)。
3．2 新老冷却器的性能对比
更换YF1-200冷却器为新型片式散热器，新、老冷却器的性能对比如下：
PC-2800×26型膨缩式散热器30组，PC型散热器是由1mm厚特种拉伸钢板的波形冲片，借助于上下集油盒(管)经焊接组装而成，它比圆管散热器省料、重量轻，还可节省变压器油，为了增加散热效果，采用底吹风结构，它的空气流动阻力最小，具有很高的强度和优良的防腐性能。翅片整齐美观、风阻小、导热性能好，片 型设置强化传热装置，传热效率高，辅机损耗低。它的结构为单程流路，具有结构简单、效率高、阻力小、噪音低、相对重量轻、体积小、耐腐蚀、无负压等优点。
(1)PC型散热器的实际冷却容量为(温升40K)44kW，风机采用8极电机、转数750r／min，可采用自冷、风冷两种方式。而YF1-200冷却器的实际冷却容量为(温升40K)200kW，扬程7m，油流量100 m3／h，风流量533m3／min，油泵采用4极电机、转数1450r／min铁泵单回路冷却器。因此对于强油导向的变压器更换后的冷却装置，由于结构改变循环油流量大，冷却容量大，而油流速低于原变压器油流速，所以冷却效果要好于原来的冷却效果。
(2)PC型散热器采用自冷时运行无噪音，采用风冷运行时噪音为58dB，而YF1-200冷却器运行噪音83-3dB，因此更换冷却器后可有效地降低变压器运行时的噪音。
(3)原6台YF1-200冷却器同时运行时，冷却器的总损耗为36kW。改造后15台散热风机同时运行时，冷却器的总损耗为26.6kW。如按年平均运行7200小时，则每年可节电(36-26.6)×7200=67680kWh。
(4)一台YF1-200冷却器使用2台BF-9Q6风机，由冷却器至主导油管共有12个密封面，6台冷却器共有72个密封面，12台风机。一套PC型散热器共使用15台风机，由散热器至主导油管共有2个密封面，30组散热器共有60个密封面。因此，改造后减少了6台潜油泵、6台油流继电器、12个密封面，减少了渗油点，减少了检修工人的劳动强度，降低了附件的故障率。
4 冷却系统的现场改造的工艺要求
本次改造计划停电15天，因此在改造项目确定前施工方已在沈变组件厂，按照设计要求完成风冷却装置的整体制造及预装工作，尤其是改造过程的细节落实必须按照设计进行，外部导油管路与变压器上部连接部分的焊接及清理都比较容易。而下部导向油槽的瓶颈进口处开φ200mm的孔并焊接连接管头工艺就比较复杂了，吊罩后将下节油箱导向油槽中的油全部排净，每个进口处要用5kg左右的面粉团将导向槽与进油口进行第一道封堵，第二道封堵材料采用石棉部浸泡后风吹至半干进行封堵，切割枪采用专用的工具进行，切割后清理进油口后。重复进行封堵后焊接管头，整个过程必须执行严格的现场工艺才能保证安全。
其次，最重要的是将强油冷却的绕组挡油隔板改为自然冷却的散热形式，保证自然循环的油道畅通。盛泰沈变公司采用改制了的钻铣刀、旋转挫等专用工具在改造过程中，通过现场经验丰富的大修技术人员严格按照制定的工艺路线施工，仅用3h就完成了器身的改造，实现了在8h内扣回变压器钟罩的合同约定(参见图2)。
5 结束语
现场对冷却系统的导油管路和器身整体改造，改造仅用15天就重新投入运行，不仅现场的工期段，相对于返厂改造节约了大笔资金，而新的风冷却系统实现了自动控制，实现了噪音低符合环保要求，辅机损耗低实现了节能的要求，免维护，热交换介质的变压器油采用自然循环，无须油泵循环，不用担心油泵扫膛、油流指示不准确等故障，可以带电冲洗散热器，无后顾之忧，消除一大隐患，潜油泵的运行在变压器的冷却介质中，一旦发生扫膛或短路缺相对变压器油的污染，散热风机根据负荷和油温进行启动，工作时间短。保证了主变的安全运行。也减少了运行工人的劳动强度，实现了220kV变电站无人值守的要求，改造后完全满足该主变的设计要求和长期安全运行。
建议同行在改造时一定要经过对改造的工艺细节问题进行逐项落实，每个都拿出可行性论证数据和工艺措施，现场改造应找有专业、有经验的变压器修理队伍才会收到好的改造效果。
［关键词］变压器 发热与冷却 冷却方式 分析 改造
1 概述
广州供电局茶山变电站的2台主变是1995年12月投运的，型号都为SFPSZ7-180000／220的变压器，冷却装置原配套由6台YF-200强油风冷却器组成的，冷却方式为ODAF，存在的主要问题是当时所有连接管路都为法兰硬连接，运行后由于导油管路较长法兰连接处渗漏油，油泵转速为1450r／min的高速油泵。法兰连接处渗漏油对高速离心泵运转后形成的巨大负压向变压器内微量进气，是变压器绝缘降低的致命危害，高速油泵运转后产生的金属颗粒又是影响变压器安全运行的一大隐患，基于以上缺陷。按25项反措经过对原变压器的油循环结构进行进行分析论证，在现场进行取消强油风冷却装置改造为自然风冷却装置，冷却方式改为ONAN／ONAN，根据茶山变的冷却方式改变，要对冷却装置的导油结构的也要进行改变，对强油风冷改造为自然冷却改造前的变压器发热及冷却过程细节的问题进行整理、分类，分析原因，并总结了冷却装置改造全过程的注意事项及现场安全施工工艺措施，供同行参考并进行更深入的探讨与分析。
2 关于变压器的发热和冷却过程
2．1 变压器的发热与冷却
变压器在运行时有一部分电磁能量转化为热量，无论油浸式变压器或是干式变压器，它们在运行的过程中，由于有铁耗与铜耗的存在，这些损耗都将转换成热能而向外发散，从而引起变压器不断发热和温度升高。
变压器的冷却装置是将变压器在运行中由损耗所产生的热量散发出去，保证变压器安全运行的重要装置之一。由于变压器的损耗的增加与容量的3／4次方成比例，而冷却表面的增加只与容量的1／2次方成比例，因此像我局的180MVA这样大容量的三线圈有载调压变压器必须采用专用的冷却装置，本次现场将2台180MVA主变的强油导向风冷却改造为自然冷却在结构上进行可行性的分析与探讨。
变压器的冷却介质为变压器油，冷却器出力依靠油的循环量和循环速度与散热风机的风量来实现。铁心和绕组运行后温度升高的热量传到周围的介质中去，从而使周围的介质温度升高，此时，通过潜油泵的工作将介质通过冷却器的散热风机将介质的温度降低后回到变压器，故本身温度上升的速度将逐渐减慢，经过一段时间后，绕组及铁心温度最终达到稳定状态，而不再升高，存在的缺陷是当强油风冷却器故障时，不论是潜油泵还是风机全停时，此时的介质温度无法降低，必须停主变，不符合现在无人值守站的要求。
2．2 主变的强油循环改造为自然循环冷却的可行性分析
本次改造的茶山站SFPSZ-180000／220主变在绕组结构形式上原设计为强油循环冷却的高、中、低压的绕组类型为饼式绕组的四面散热结构，而我们国家标准要求目前的自然循环冷却结构的绕组也是这种结构。从变压器冷却系统的油循环结构上其不同的是有两个方面：
(1)油箱带导向油道，我们这次现场将导向油道改造为自然循环油道。
(2)绕组的下部为防止循环油短路加了档油隔板，我们按照自然循环结构现场改造。
(3)当绕组及铁芯附近的油被加热之后，就会自动向上流动，而冷却后的冷油则向下流动，这就是油的对流作用(油的热传导性能很差，主要靠对流)，从而使整个变压器油箱中的油温升高。依据热油总向上流动，冷油向下流动的道理，我们通过以往对150MVA变压器改造后的运行数据，结合本次180EVA主变的可行性分析将原变压器的冷却方式和冷却装置改造是可行的。
3 将强油风冷装置改造为自然冷却装置的分析与探讨
3．1 两种冷却方式的温升计算
将强油循环风冷却系统改造为由片式散热器组成的自然冷却系统，改造后主变的型号为：SFSZ7—180000／220，取消ODAF这种冷却方式，改造后的冷却方式为ONAN／ONAF。以ONAF(180MVA)及ONAN(126／63MVA)这两种冷却方式长期运行时温升计算如下。
(1)本产品选用PC-2800×26片式散热器30只，其中2只备用。散热面积(吹风)：44.62×28＋37.29×2=1323.94m2(不考虑油箱散热面)
75℃时变压器最大损耗(17分接，高、中运行)：
145600＋578800=724400W
热负荷：q=724400／1323.94=547.16W／m2
绕组表面的油平均温升：τ1=kqnμ0.25=0.16×547.160.8=24.81K(若油温超过60-70℃时，可忽略油的绝对黏度“的影响)
油顶层温升：τ3=1.2τ1＋τc=1.2×24.81＋5=34.77K＜55K
绕组对空气温升：τ2=τ1＋τy=24.81＋25=49.81K＜65K
通过调取变压器的原设计数据按照30组片式散热器组成的新冷却系统进行计算，计算改造后的油浸式变压器在额定负载下，绕组的平均温升为49-8loC，按照计算机模拟计算最热点温升为63.4℃，平均环境温度20℃，则最热点温度为83.6℃，小于A级绝缘变压器最热点温度98℃的规定，从理论计算得到了肯定。
(2)冷却装置改为自然冷却取消潜油泵，必须保证的是器身内的热油循环与原来有导向结构的时间一致，其二是油的循环量比原来大保证绕组表面热负荷与自然冷却装置的散热面积匹配来交换冷却，其三油的循环路径越短越好，因此对油箱的改造要有温升和油膨缩来计算，其四考虑外绝缘距离和美观安全。
散热器上、下部的主导油集油管选用φ200mm的Q235-B钢管用于增加油流量、加快热交换量，支导油管采用φ150mm的Q235-B钢管24根均匀分布变压器的上、下部，根据原变压器结构的特点以提供最短的油循环路径，确保无死油区。支架选用可拆式的，根据主变的原始设计数据，采用安装在变压器本体的结构，由沈变根据原来的油箱结构进行设计，保证强度、安装尺寸、外绝缘距离和美观(参见图1)。
3．2 新老冷却器的性能对比
更换YF1-200冷却器为新型片式散热器，新、老冷却器的性能对比如下：
PC-2800×26型膨缩式散热器30组，PC型散热器是由1mm厚特种拉伸钢板的波形冲片，借助于上下集油盒(管)经焊接组装而成，它比圆管散热器省料、重量轻，还可节省变压器油，为了增加散热效果，采用底吹风结构，它的空气流动阻力最小，具有很高的强度和优良的防腐性能。翅片整齐美观、风阻小、导热性能好，片 型设置强化传热装置，传热效率高，辅机损耗低。它的结构为单程流路，具有结构简单、效率高、阻力小、噪音低、相对重量轻、体积小、耐腐蚀、无负压等优点。
(1)PC型散热器的实际冷却容量为(温升40K)44kW，风机采用8极电机、转数750r／min，可采用自冷、风冷两种方式。而YF1-200冷却器的实际冷却容量为(温升40K)200kW，扬程7m，油流量100 m3／h，风流量533m3／min，油泵采用4极电机、转数1450r／min铁泵单回路冷却器。因此对于强油导向的变压器更换后的冷却装置，由于结构改变循环油流量大，冷却容量大，而油流速低于原变压器油流速，所以冷却效果要好于原来的冷却效果。
(2)PC型散热器采用自冷时运行无噪音，采用风冷运行时噪音为58dB，而YF1-200冷却器运行噪音83-3dB，因此更换冷却器后可有效地降低变压器运行时的噪音。
(3)原6台YF1-200冷却器同时运行时，冷却器的总损耗为36kW。改造后15台散热风机同时运行时，冷却器的总损耗为26.6kW。如按年平均运行7200小时，则每年可节电(36-26.6)×7200=67680kWh。
(4)一台YF1-200冷却器使用2台BF-9Q6风机，由冷却器至主导油管共有12个密封面，6台冷却器共有72个密封面，12台风机。一套PC型散热器共使用15台风机，由散热器至主导油管共有2个密封面，30组散热器共有60个密封面。因此，改造后减少了6台潜油泵、6台油流继电器、12个密封面，减少了渗油点，减少了检修工人的劳动强度，降低了附件的故障率。
4 冷却系统的现场改造的工艺要求
本次改造计划停电15天，因此在改造项目确定前施工方已在沈变组件厂，按照设计要求完成风冷却装置的整体制造及预装工作，尤其是改造过程的细节落实必须按照设计进行，外部导油管路与变压器上部连接部分的焊接及清理都比较容易。而下部导向油槽的瓶颈进口处开φ200mm的孔并焊接连接管头工艺就比较复杂了，吊罩后将下节油箱导向油槽中的油全部排净，每个进口处要用5kg左右的面粉团将导向槽与进油口进行第一道封堵，第二道封堵材料采用石棉部浸泡后风吹至半干进行封堵，切割枪采用专用的工具进行，切割后清理进油口后。重复进行封堵后焊接管头，整个过程必须执行严格的现场工艺才能保证安全。
其次，最重要的是将强油冷却的绕组挡油隔板改为自然冷却的散热形式，保证自然循环的油道畅通。盛泰沈变公司采用改制了的钻铣刀、旋转挫等专用工具在改造过程中，通过现场经验丰富的大修技术人员严格按照制定的工艺路线施工，仅用3h就完成了器身的改造，实现了在8h内扣回变压器钟罩的合同约定(参见图2)。
5 结束语
现场对冷却系统的导油管路和器身整体改造，改造仅用15天就重新投入运行，不仅现场的工期段，相对于返厂改造节约了大笔资金，而新的风冷却系统实现了自动控制，实现了噪音低符合环保要求，辅机损耗低实现了节能的要求，免维护，热交换介质的变压器油采用自然循环，无须油泵循环，不用担心油泵扫膛、油流指示不准确等故障，可以带电冲洗散热器，无后顾之忧，消除一大隐患，潜油泵的运行在变压器的冷却介质中，一旦发生扫膛或短路缺相对变压器油的污染，散热风机根据负荷和油温进行启动，工作时间短。保证了主变的安全运行。也减少了运行工人的劳动强度，实现了220kV变电站无人值守的要求，改造后完全满足该主变的设计要求和长期安全运行。
建议同行在改造时一定要经过对改造的工艺细节问题进行逐项落实，每个都拿出可行性论证数据和工艺措施，现场改造应找有专业、有经验的变压器修理队伍才会收到好的改造效果。