500kV 主变压器ODAF 冷却系统现场改型计算分析及应用

兰志军，武剑灵，戴东，张彦斌，岳永刚

（1.内蒙古超高压供电局，呼和浩特 010080；2.乌海超高压供电局，乌海 016000）

0 引言

目前在运的500kV 变压器风冷系统基本采用强油风冷方式，该类型风冷系统是20 世纪90 年代设计制造的冷却系统，具有工作电源可靠性要求高、冷却系统自冷性能低、检修维护量大、能耗噪音高等特点。而新型油浸式变压器自然冷却/自然油循环风冷冷却系统，具有良好的自冷性能、维护量小、能耗及噪音低等优点，目前新改扩建工程中广泛运用。尤其随着专业化管理的实施，电网调控一体化、变电站实行无人值班等方式的开展，如油浸式变压器强迫油循环风冷系统故障，将会造成变压器过负荷停运，影响电网的安全运行和可靠供电[1-3]。如 2011 年 6 月 1 日凌晨，某 220kV 无人值班变电站变因为380V 低压出线故障，引起变电站的站用电源失压，造成2 台容量为120MW 的强油风冷变压器冷却系统的工作电源全停，变压器跳闸[4]。类似由于站用电源问题或二次电缆故障问题引起强油风冷变压器被迫停运事故很多。同时由于强迫油循环风冷方式下，风扇电机、潜油泵需要频繁启动和切换，导致风扇电机及二次风冷控制系统经常出现故障，也极易发生风冷全停跳闸事故，严重危害着电力系统的安全稳定运行[5-9]。

1 温升的计算

以某变电站1 号主变为改造对象。型号为ODFPS-250000/500，厂家：特变电工沈阳变压器集团有限公司，自耦单相强油风冷变压器，2004 年投入运行，运行15 年；该变压器冷却器型号为：YF2-315，共计3 组，其中1 组备用；油泵型号为：QK37-150-b，功率为：3kW，数量3 台；吹风装置型号为：DBF-9Q6，数量9台；油流继电器数量为3 台。

1.1 OODDAAFF冷却形式下的温升计算

式中：Td，油面温升，P，总损耗，N，冷却器实际运行组数，Sn，冷却器额定容量，TΔ，修正值。

线圈表面单位热负荷：

式中：q，线圈表面单位热负荷，K1，材质温度系数，一般取 21.4；K2，匝绝缘校正系数，一般取 1；K3，线段绝缘校正系数；K4，导线中附加损耗百分数，一般取25；K5，线段的遮盖系数；I，线饼中流过的电流；W，线饼中的匝数；J，线饼中的电流密度；L，线饼外表面周长；qΔ，油道宽度校正系数。

线圈对油的平均温升：Tx=0.113q0.7

式中：TX，线圈对油的平均温升；q，线圈表面单位热负荷；

线圈温升：Tw(K)=Tx+Td

在强油循环风冷条件下计算线圈温升结果如表1所示。

表1 强油循环风冷条件下计算线圈温升

1.2 发热中心与散热中心比值计算

根据实际情况，通过计算，在采用PC3000/480 片散的情况下，本台变压器的发热中心与散热中心比值计算如式（1）所示：

其中，400 为变压器出口连管升高的尺寸。通过发热中心与散热中心的计算比值对比和结合现场实际情况，决定每个单相变压器采用PC3000/480 的片式散热器。

新改造后的片式散热器在变压器高压侧布置14组，在变压器低压侧布置10 组，片式散热器采用挂装的方式分别并联安装在上下汇流管路上，上下汇流管路分别连接变压器上下进出油口，上下汇流管路通过钢制支架就地支撑在预先制作的砼基础墩上。每两组片散下部装有一台CFZ-9Q8 吹风装置，共12 台，吹风采用底吹式。这样改造后变压器结构紧凑，布局美观。

在汇流管与变压器进油口处的弯管，按照低转速、低流量、低噪音油泵的相应尺寸制作，数量为4 个，一旦变压器冷却系统有异常，出现油温过高现象，可以迅速分别关闭弯管两端的蝶阀，更换上4 台油泵。此方案无须停电，以备应急之需。同时在风冷控制柜内安装有相应的电气控制元器件。

2 储油柜柜座及柜脚的受力及变形计算

针对风冷改造后储油柜容量增大及更换，在波纹式储油柜直径不发生变化情况，存在一个问题是储油柜左边支腿近似在储油柜的中心位置，外边悬垂太多，从机械强度考虑，储油柜稳定性无法保证。按照某公司产品尺寸为2360 情况进行计算。

（1）原始数据

材料名称：普通碳钢；

屈服强度：2.20594e+008 N/m2

极限强度：3.99826e+008 N/m2

弹性模量：2.1e+011 N/m2

泊松比：0.28

质量密度：7800 kg/m3

抗剪模量：7.9e+010 N/m2

（2）计算建模

柜座及柜脚的三维模型见图1，针对整个模型施加力以及支撑情况见图2。图2 中，蓝色箭头表示分布在柜座上表面的均布载荷，为80000N；绿色箭头表示柜脚底部为固定支撑点；柜座与柜脚的接触为全局接触。

图1 柜座及柜脚的三维模型

图2 力的施加以及支撑

（3）计算建模

柜座和柜脚的应力云图见图3，从图中可以看出，最大应力发生在右侧柜脚与柜座交界处，数值为1.60289e+008 N/m2（160.289MPa）。柜座和柜脚的变形云图见图4，从图中可以看出，最大变形发生在柜座右端边缘上，计算的数值为14.22mm。

图3 柜座和柜脚的应力云图

图4 柜座和柜脚变形云图

（4）结果分析

根据应力计算结果，最大应力1.60289e+008 N/m2，本材料屈服极限为2.20594e+008 N/m2，安全系数计算如式（2）所示。根据计算应力计算结果所更换油枕应力计算满足运行要求。

3 改造后效果分析

图5 改造前强油风冷与改造后自然冷却效果对比

图6 改造后自然风冷与自然冷却效果对比

（1）选择改造前后运行负载、运行环境温度等运行条件基本相同主变运行工况，对改造前强油风冷模式与改造后自然冷却模式冷却效果进行对比，如图5 所示，改造后的油温和绕组温度有小幅的下降趋势。对改造后自然冷却模式与改造后自然风冷模式冷却效果进行对比，如图6 所示，改造后的油温和绕组温度有大幅度的下降趋势，油面温度最小降低9.1℃，最大10.45℃。

（2）改造后的自然冷却模式相比改造前强油风冷模式散热效果有小幅度的提升，改造后自然风冷方式散热效果相比改造前强油风冷效果明显。比照变压器6 度法则[10]，变压器改造后绝缘寿命获得一定程度延长。

（3）按照主变改造后大量运行工况下，如运行在小负荷、低油温状态，无需启动风机考虑，变压器改造后将节约大量电能损失。

（4）通过现场实际监测数据，变压器改造后的油面、绕组温升满足国标：油面温升≤55K，绕组温升≤60K的要求。该主变冷却系统改造之后运行优于冷改之前的变压器状态，具备实现无人/少人值守运行条件。

4 结语

开展500kV 主变ODAF 冷却系统现场改型研究及应用，对500kV 主变压器ODAF 冷却系统现场改型进行温升计算、新装储油柜柜座及柜脚的受力及变形计算分析，制定针对改造方案，并经现场改造验证，冷却效果满足现场运行要求。