李双成

（甘肃电投大容电力有限责任公司，兰州 730000）

变压器是一种静止的电气设备，其功能是将发电机的电能从低电压转换成高电压，升高后的电能输送至电网。在实际运行中，变压器上层油温和绕组温度是巡回检查的重要项目。当变压器油温超过规定值，内部变压器油开始劣化，绝缘降低，严重时会产生匝间短路等内部故障，引发保护跳闸从而电力回路中断，所以变压器在电网系统中尤为重要。

1 实施背景

1.1 橙子沟水电站介绍

白龙江橙子沟水电站位于甘肃省陇南市境内，是白龙江干流上水电梯级开发规划的第15 级电站，厂址位于文县临江镇月亮坝乡。厂内安装3 台混流式机组，单机容量38.33 MW，总装机容量115 MW，主变压器3台，单台容量50 MWA，采用一机一变的单元接线方式，主变压器安装于主厂房上游侧户外主变平台，主变安装排列顺序为由南向北依次排列，设备正面方位为西偏北约30°，主变平台太阳照射时间为12 时至18时，其余时间太阳被厂房或山体遮挡。文县的地理环境属亚热带向暖温带过渡区，为亚热带北缘山地气候，年平均气温5～15 ℃，年平均日照数1 200～1 800 h，查询历史气温2022 年当地最高气温为39 ℃。

2022 年7 月6 日16 时，橙子沟水电站3 号主变出现一次设备异常，上位机报“3 号主变本体油位高告警”信号，此时查看3 号主变负荷39 MW，现地查看变压器油枕油位指针在100%，查看温度计上层油温为78 ℃。由此看出在夏季大负荷运行时，主变油温容易温度过高、主变油枕油位高的异常发生。严重者可能会发生主变匝间短路、压力释放等事故。

1.2 设备构造及相关参数

3 号主变额定容量为50 000 kVA，额定电压121/10.5 kV，额定频率50 Hz，相数为3 相，接线组别YN.d11，冷却方式油浸风冷（ONAF），变压器进线端为高压共箱母线进线，出线端为插拔式电缆终端连接高压电缆。变压器散热片型号为PC1900-25/520，实际散热片26 片，共10 组；散热风扇型号为DBF2-8Q10TH，风量6 100 m3/h，防护等级IP55。

1.3 问题分析

为了解3 号运行中变压器在各环境温度下的散热能力，因此需要计算在不同条件下变压器实际发热量和实际散热量。按照环境温度、太阳照射强度2 个条件变量去分析变压器散热效率。

1.3.1 主变压器有效散热器散热面积计算

考虑到各变压器冷却方式不同，散热器单元盒数量不同，散热器的结构、尺寸不同等因素，需要对散热器面积进行计算。

式中：SD为对流散热面积；B0为片宽展开长度；H 为片高度；N 为片数。

式中：SF为辐射散热面积；B 为片宽；d 为片间距。

式中：μ 为片间距修正系数，数据见表1；k 为片数修正系数，数据见表2。

表2 片数修正系数

式（4）中计算结果为1 组散热器的有效散热面积，所以10 组散热器的总有效散热面积为296.48 m2。

1.3.2 不同环境温度下主变压器散热效率对比

在7 月末至8 月初各时期分别测量9：00 和16：00主变散热器进、出油口温度、设备负荷、环境温度等数据，具体数据见表3；为了减小测量误差，在散热器进、出油口处选取3 处地点测量，数据取平均数。

表3 3 号主变各时期实测数据

首先计算出7 月29 日正常环境温度下的散热量，依据以下传热方程得出。

式中：A 为换热面积；K 为换热系数；LMTD 为对数平均温差。

式（5）中K 的展开式如式（6）

式中：hhot和hcold为围护结构两侧的表面对流换热系数；λ 为导热系数；δ 为厚度。

因各表面对流换热系数未知，所以根据对流换热方程实验求解法求出变压器油内部表面对流换热系数hhot，查取变压器油物性参数

λ=0.106 W（/m·K）[2]，c=1.64×103J（/kg·℃）[3]，l=1.9 m=190 cm，

v1=0.059 8 cm2/s=0.059 8×10-6m2/s，p=883.8 kg/m3，g=9.81 m/s，

式中：Pr 为普朗特数；μ 为动力黏滞系数；λ 为热传导系数；cp为定压比热容。

式中：v1为运动黏数；p 为密度。

式中：tm为定性温度；tw为固体表面温度；t∞为流体温度。

式中：Gr 为格拉晓夫数；g 为重力加速度；β为体积变化数，对于理想气体等于绝对温度Tm的倒数；Δt为温度差值；l为长度；v1为运动黏数。

式中：Nu 为努赛特数。

则变压器油侧表面换热系数为851.43 W/（m2·K）。

由于外部空气换热受到风扇影响，换热过程属于受迫对流，因此外部表面对流换热系数hcold可用下列公式描述。

查取物性参数：λ=0.029 6 W/（m·K），Pr=0.71，μ1=0.148 cm2/s，v=863 cm/s，l=1.9 m=190 cm，p=1.29 kg/m3。

式中：Re 为雷诺数；v 为流体流速；p 为流体密度；μ1为运动黏数。

将以上表面对流换热系数带入式（6）中

式（5）中LMTD 的展开式如下所示

式中：ΔA为热流进口与冷流出口温度差；ΔB为热流出口与冷流进口温度差；ln 为自然对数。

将以上计算数据代入式（5）中，得出变压器散热功率

将8 月5 日9：00 高温环境数据代入方程

1.3.3 太阳照射条件下主变压器散热效率对比

相同太阳照射、相同环境温度条件下2 个时间段对比变压器的散热效率（因设备生产原因无法将2 个时段主变负荷统一，该数据仅供参考）。

1.3.4 散热器散热效率对比结果

根据以上2 种计算对比在不同条件下散热器的散热效率。

在没有太阳照射、相同负载条件下，环境温度作为变量条件，2 台主变的散热效率相差31 055.2 W；式（17）（19）中可以看出对数平均温差越大，散热功率就越高，对变压器散热效率就越大，证明了环境温度与散热器散热效率大小有关。

在相同环境温度条件下，太阳照射作为变量条件，式（22）可以看出相较于式（20），受到太阳照射变压器散热量提高了12 603.3 W，即受到太阳照射时段的变压器散热量变大；由表3 可知8 月5 日2 个时段的变压器上层油温同为70 ℃，并且16 时相比9 时的负荷小3.26 MW，表明太阳辐射热量与变压器上层油温上升有关。

2 内涵和主要做法

2.1 主要思路

通过上述问题分析查明了变压器上层油温升高的因素，主要原因是环境温度升高，空气温度与散热器温度差变小，从而散热效率降低。只要人为降低空气进气温度，增大与散热器温度差，就会提高散热能力，通过查阅相关资料了解到一种喷淋降温技术，此系统原理是自来水经过水质过滤器软化，将软化水通过柱塞泵增压到7 MPa，泵送到高压雾化装置，经过喷嘴雾化后水分形成许多微小颗粒，与空气混合后喷向变压器散热片，水雾接触散热片并带走热量，从而达到降温的目的[5]。可以使用相关设备并稍加改造，变成适合本站使用的喷淋系统。

在不改变散热器面积和风扇数量的前提下，假设降低变压器上层油温5 ℃，需要增加多少散热功率？我们需要了解到变压器的散热原理：变压器内部发热热量＝变压器油存储的热量+散热器释放的热量。变压器油作为一个载体，充当能量储存和释放的角色，当散热器效率降低，变压器油会暂时存储热量使油温升高。由此可知，需要计算降低变压器油5 ℃需要释放多少能量，公式为

式中：C 为比热容；M 为质量。

在不考虑其他因素造成误差的情况下，计算喷淋系统用水量。假设：喷淋系统喷射的水滴全部附着到散热片，且蒸发量为20 L/h，计算水用量为

式中：R 为汽化热，为539 kcal/kg[4]。

本系统储水单元设计为储水箱，考虑到水箱水温会受到环境温度影响，所以喷淋系统的用水量为253.7～296 L/h。

2.2 主要做法

每年夏季为高温运行期，喷淋系统使用时间为7月至9 月。如果喷淋喷头安装为永久固定装置，当设备喷头堵塞、损坏等问题需要更换时，会增加维修难度、增加人身伤害概率，所以本系统更改为喷淋移动支架，使用时支架移动到设计位置，避免了在运行变压器旁高空作业误触高压带电设备导致人身触电事故。

支架为钢筋焊接而成，支架上端为喷头安装处，支架高为3.5 m；相较散热器顶端高出0.5 m，喷淋喷头角度为向下45°，这是为了将喷淋面积设计到最大，相较于90°能提高覆兽率约60%[6]，理论喷淋面积为7.361 2 m2。

散热器有效喷淋宽度×散热器长度＝

变压器旁放置6 桶储水桶，总储水量为1 200 L，增压泵安装至水桶一侧，通过6 根水管取水泵送至喷头，增压泵流量选取为420 L/h，最大增压1.1 MPa；喷头选择为流量最大30 L/h 喷嘴，水雾扩散角为50°，按照每组散热器安装一只喷头共使用10 只，喷头串联连接，每只间距60 cm 安装在支架上。喷淋时，散热器下方风扇不会因喷淋水流量过大导致损坏，散热风扇的防护等级为IP55 级，根据国标试验要求：使用喷嘴直径6.3 mm 流量12.5 L/min 的水柱在所有可能的方向向外壳喷水，最少3 min 内水滴无入侵内部[7]。

使用定时器定时开启喷淋系统，根据实际太阳照射时间，定时器设定为每天14：00 至18：00 开启时间共4 h，储水桶每天早上人工添加生活用水。电源取自3 号主变平台动力箱，通过电缆连接增压泵，增压泵表面安装防雨罩，防止雨天损坏设备。

3 实施效果

8 月下旬记录了3 号主变设备运行油温数据，与表3 中8 月5 日的运行变压器上层油温70 ℃进行对比，由图1 所示；在38.21 MW 至38.77 MW 负荷区间中相比，上层油温下降了4、3、3 ℃，可以推算出增加的散热量分别为26.607、19.955、19.955 KW/h，与理论计算值偏差20%、40%、40%。在以上理论计算结果中，数据具有实际参考价值，今后对于研究精确计算散热量提供了良好的基础。

图1 实际温度对比图

4 未来改进和研究方向

本系统采用可拆卸式喷淋装置对变压器散热，使用水箱盛水的做法会增加员工每日工作量，今后可以优化水源选取。其次使用地表水作为散热用水可能会在散热片表面产生水垢，可能会降低散热片功率，今后可以通过软化机软水等先进方式改良水质。

未来喷淋系统会向智能化迈进，根据采集变压器负荷、上层油温、太阳照射强度等数据并通过内部智能算法控制设备启停，精准控制喷淋系统从而将油温控制在理想温度内。这样极大地简化了人工操作流程，减少了操作难度。

太阳照射对变压器运行温度的高低有一定影响，由于环境温度和生产原因等因素，没有展开具体研究，也对此次喷淋系统流量计算缺少部分数据支撑。在以后的工作中可以成为一项专门的研究课题，可以根据太阳照射强度、照射角度等条件进行对比试验，也可以利用计算机建立相关模型模拟出来，这样更方便进行研究。

5 结束语

本文中通过对流换热方程实验求解法计算在不同条件下变压器的散热器效率，根据公式可以得出在某一时段下的散热功率，从而分析变压器散热能力下降的原因。通过对变压器散热器外部影响因素的研究，证明了散热能力大小与环境温度和太阳照射强度有关。

根据上述研究数据可以按照实际生产现场情况配置水冷喷淋系统，对相关变压器进行喷淋降温作业，在一定程度上解决了变压器温度过高的问题，进而减少变压器因温度过高产生的次生危害。