[科普中国]-强油循环水冷变压器

强油循环水冷变压器是采用水冷方式的变压器，油箱上不装散热器，而是在变压器外部加装了一套油/水热交换系统和水/气热交换系统。通常情况下，油/水热交换系统布置在地下主变压器层，水/气热交换系统布置在地面层。

概念随着国内电力系统不断增大和日益广泛的联网，需要研制开发更大型的高压大电流断路器，而在开关试验室直接进行产品的强电流冲击试验，是开发这种产品的必要手段。试验所需的强电流是由冲击发电机在短路瞬间产生的，所以这种电机也称为短路试验发电机，顾名思义，这是一种十分特殊的发电机。常规的发电机一旦出现短路会被视为严重事故，因为巨大的电流往往会不同程度地损伤发电机，但这种发电机正常运行的方式就是频繁的短路，并且要竭力产生尽可能大的电流，因此，如何保证发电机既能产生高达140千安倍的大电流，又能在承受周而复始的巨大冲击后仍然安然无恙，是开发这种产品面临的最大挑战。

哈电机从项目立项开始，到发电机制造完毕，历经了整整10年，经过众多人员的努力，闯过了无数难关。在此过程中，参与产品研制的还有清华大学、哈尔滨理工大学等高校的著名专家，共完成了30多项课题的理论研究和试验验证，制造了两个样机，一个发电机定子端部模型，大量的新结构首次运用到新产品中。开发6500兆伏安冲击发电机所获得的成果，对常规大型汽轮发电机开发和改进也提供了许多宝贵的经验，对提升发电机的技术水平，具有重要意义。

北京电网220kV强油循环水冷变压器分析冷却系统的工作状态对主变压器的安全可靠运行具有重要作用，北京电网220kV地下变电站主变压器采用强油循环水冷变压器，通过对冷却系统的安全运行分析及合理运用风险控制提升主变压器稳定运行水平，延长水冷系统的运行寿命。因此，对水冷系统的运行维护、故障处理、风险预控等方面的研究和分析对北京电网的稳定运行具有重要意义。

水冷变压器冷却系统原理采用水冷方式的变压器，油箱上不装散热器。油/水热交换系统包括油泵、滤油器、油流计和水冷却器等。在水冷却器内部通有冷却水，外部流过变压器热油，冷却水将油的热量带走，使热油得到冷却。变压器的上层热油由油泵抽出，经过水冷器冷却后，从油箱下部流回变压器，去冷却变压器的铁芯和绕组，油受热后温度升高，热油再次流到变压器的顶部并被抽出。

油/水热交换系统包括水泵、水流计、风扇和补水装置等。冷却水吸收变压器热油的热量后，水温升高，循环水泵将冷却水加压上送到地面层，由风扇对冷却水回路进行降温，降温后再返回到地下层参与变压器热油的热量交换。

水冷变压器冷却系统优缺点分析由于水的散热效率比空气高，强迫油循环水冷式与强迫油循环风冷式相比，散出同样的热量所消耗的材料和电能比较少，造价较低，所需冷却器的数量较少，维修工作量大为减少，而且风扇布置远离变压器，没有风扇的噪声，有利于运行中辨别变压器的声音异常。

水/气热交换系统通常布置在地面层，日晒雨淋、定期添加防冻剂、定期补水、清扫等维护工作量较多。另外，水冷系统构成复杂，水泵、油泵长时间满负荷运转，运行中故障情况频发。220kV主变压器的物理寿命可达40年，我国国内变压器的平均运行寿命为20年，而水冷系统整体运行寿命短，还无法实现与变压器同寿命。1

冷却系统安全运行分析及风险控制措施（1）冷却系统工作模式定期轮换

油/水和水/气热交换系统冷却器工作模式分别通过控制手把进行选择。在油/水热交换系统中：正常方式下工作位置的冷却器运行，当变压器顶层油温到达65℃时，辅助位置冷却器自动投入运行，顶层油温到达55℃时返回；当工作位置的冷却器发生故障时，备用位置冷却器自动投入运行。在水/气热交换系统中：正常方式下工作位置的冷却器运行，当冷却水温度到达60℃时，辅助1位置散热器自动投入运行，50℃时返回；当冷却水温度到达70℃时，辅助2位置散热器自动投入运行，60℃时返回。为了确保冷却效果和水冷系统的运行寿命，油/水和水/气热交换系统的工作模式应每季度进行轮换。轮换工作后，应注意检查工作的冷却器、散热器指示灯正常，油泵、水泵、油流、水流、风扇工作正常，必要时应对轮换后的冷却器二次回路进行一次重点测温。

（2）风冷全停

强迫油循环变压器绕组温度在80～140℃范围内，温度每升高6℃，其绝缘老化速度将增加一倍，即温度每升高6℃，其绝缘寿命就降低1/2。当变压器冷却器全停时，变压器温度将迅速上升，并且与主变负载率高度正相关，负荷越重，温升越大。此时若不能及时将变压器退出运行，将会造成变压器绝缘严重损坏。为此，在变压器风冷控制回路中增加了冷却器全停保护，保护变压器绝缘，延长其使用寿命。

水冷变压器运行中，其冷却系统异常报警信号通常包括：油/水冷却器电源故障、油/水冷却器故障、水/气冷却器电源故障、风扇电源故障、风扇故障、冷却器全停、水流异常报警、油流异常报警、水位低报警等信号，其中运行及维护单位尤其应关注冷却器全停迫使变压器跳闸故障并在运行中加强风冷全停故障的风险预控。近年来，北京电网大型变压器运行中出现多起冷却器全停导致变压器跳闸事故，多由于冷却系统电源故障及油/水交换系统机械故障引起。

（3）冷却系统周期性检修工作

冷却系统的正常运行与否对主变压器的安全可靠运行具有重要作用，为保证水冷系统各组件的机械寿命，大型主变压器水冷系统应安排周期性检修，主要工作内容包括冷却装置内部清洗及油水热交换器大修。

采用强迫油循环水冷却方式的变压器正常运行时，冷却水中不得含有对铜铁有害的化学腐蚀剂，因此需要定期对冷却水质进行严格检测。发现冷却液水质异常时，需安排水冷系统大修。

（4）水冷系统排气工作

水冷系统正常运行中，应关注油水热交换器排气工作。当冷却水循环系统内部积聚气体时，水流计挡板感应到水流压力的不稳定会引起水流计指针频繁抖动，严重时将启动冷却器全停保护，导致主变压器跳闸事故。因此要对水冷系统定期排气，防止内部积聚大量气体。

水冷系统排气工作应由专业人员开展，排气周期进行差异化管理。有自动排气阀的水冷装置，宜每半年进行1次排气水位检查；无自动排气阀的水冷装置，宜每季度进行1次排气水位检查工作。根据北京电网水冷变压器实际运行经验，遇有水泵、水流计更换，油水交换器大修，水冷系统冷却装置大修等工作，专业人员应对冷却系统进行多次排气，并至少连续2天排气，直至无气体排出为止。

研究结论城市电网的安全可靠运行既是供电企业的经济效益，也是供电企业的社会责任。城市经济的发展和市容市貌的约束对变电站规划提出了双重挑战，由于水冷变压器运行数量有限、运行经验少，对主变压器水冷系统的研究和分析是一项长期而有意义的工作。2

强油循环水冷变压器水冷器的清洗研究所介绍的水冷却器是强迫油循环水冷式变压器专用设备。特别是以三相矿热炉用变压器配套的变压器油水冷却器为例，介绍了强迫油循环水冷式变压器结构特征以及变压器水冷却器清洗方法。

矿热炉用变压器的特殊性三相矿热炉（如电石炉、铁合金炉、硅化物炉等）系电阻电弧炉，加料出料不停电，负载稳定，不会发生电极间短路；由于炉料电阻变化，要求变压器能多级调压，小型炉用变压器为5 级调压，中型炉用变压器为 8-15 级调压，大型炉用变压器为27级调压，特大型密闭式炉用变压器要求分相有载调压。我国最大的三相电石炉用变压器组，由电炉变压器和自耦调压器及有载切换装置组成，可分相有载调压，调压共分 49 级。三相电弧炉炉体结构简图如图 1所示。由炉壳、炉衬、电极、短网、软导线、电极夹持器、升降、加料等机构构成。

大型炉用变压器铁心为三相五柱式，其优点是由降低铁心总高度，而降低变压器总高度，不仅便于运输，而且有助于减少结构损耗。但是因为增加了旁轭，硅钢片有所增加。三相五柱铁心，磁通按正弦波考虑，其截面为铁柱的 1/3。

炉用变压器外型如图2所示。由图2可见，其特点是高低压绕组出头均在外侧，便于引出。高压绕组引出A-X、B - Y、C - Z，与油箱顶盖 6 个瓷强油循环水冷变压器水冷器的清洗套管连接，有利于改变一次接线方式，当 Y 接时对应开炉低功率运行，连接时则对应正常生产时高功率运行。低压绕组由油箱侧面引出 6 组铜排，以便于与短网连接。

电炉变压器低压侧电压低、电流大，高、低压电压调节范围大。某电石厂三相电石炉用变压器组参数如表1所示。由于损失大，采用强迫油循环水冷方式。配套水冷却器为裂管式，其管内通水，管间通油。变压器发生的热损失，传递给油，油温升高。油中所含热量由冷却水带走，以维持变压器运行温度稳定，且在规定范围以下。3

油冷却器清洗（1）冷却水水质及水垢的形成

我厂炉用变压器油冷却器换热用水，为取自松花江的江水，其水质如表2所示。特别是，随着各种洗涤剂、农药、化肥的过量和不科学的使用，冷却用江水中溶有较多数量的硫酸盐、氯化物、磷酸盐以及钙离子等，水中含盐量达 93.90 mg/L。

冷却器水侧列管中除有硬垢外，还有污垢。污垢是包括水垢在内的固形物的总称。如：沙粒、腐蚀产物、天然有机物、微生物群体、碎屑、氧化铝、磷酸铝、磷酸铁等。本例为敞开式循环冷却水系统，所以虽然污垢很多，但大都是软泥状，比较好清洗。

（2）水清洗工艺

首先将停止运行的冷却器由系统中拆下来，运到检修现场稳固地水平放置在枕木上，然后放出其内的变压器油和冷却水。拆除下水室，检查冷却器管内壁和下水室内部的污垢附着状况，并用水冲洗。如果冷却器管内沉积污垢多而坚硬，则应拆下带潜油泵的冷却器上部罩及上水室端罩。此时用塑料薄膜把罩外所有通向油室的管口封好，以防进入污物及水滴。用水冲洗附着在管板和管内的污垢，然后用螺旋疏通机清除沉积的污垢，并用水冲洗。最后在油腔中通以运行工况条件的热油循环，将热油过滤，既可除去其内的微小杂质，又可除去水分。以保证油冷却器在运行工况下的可靠性。

（3）机械除垢工艺

选择直径小于水冷却器管内径（ 本例管内径∮12mm）的管道疏通机专用螺旋及配套的输通机，一根管一根管的输通。由于专用螺旋在管内旋转前进，能够充分地刮除掉管内积垢。机械除垢后，一根管一根管的用水冲洗，以进一步清除管内残存的污垢。《变压器检修规程》规定严禁用化学清洗，以防酸碱腐蚀铜管。而本例所述的炉用变压器组使用说明书也强调必须水清洗。所以，强油循环水冷式变压器油冷却均用机械除垢及水清洗。

循环清洗循环洗净流程如图3所示。水箱注水并通入冷却水，油箱注油，感应线圈通工频交流电加热 （ 油箱用石棉布保温，并埋入温度计， 测量油箱温度，并一直保持 700C± 50C），当油温达到 650C时，起动潜油泵打开油入、出口阀循环。此时同时起动水泵，打开水入、出口阀循环。如此分别洗净油室水室及冷却水管内，并用除污器分别捕捉油、水系统的污物。循环过程中，油温保持在 65℃。水压整定在2atm，油压整定在 3.5atm。4

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学