变电站主变压器余热利用型式分析

李香波

摘要：随着我国科学技术的发展，电变电站主变压器被广泛应用于各大领域。由于我国各大领域用电量日益增长，变电站主变压器的发展和应用成了我国社会需要重点关注的问题，其能有效减少电力能源的整体消耗，避免电力资源浪费。对可能适于变电站主变余热利用需求的几种主变冷却方式的工作原理和优缺点分析；设计一种主变余热制热系统，并对其经济性进行分析。对主变余热利用的型式进行展望，结合经济性分析，提出适于采用主变余热利用的工程类型。

关键词：主变压器；冷却方式；余热利用；闭式冷却塔

引言

近年来建设绿色低碳现代能源系统的推进，对变电站节能降耗提出了更高的要求。主变压器是变电站中损耗最集中的设备，对于油浸式变压器而言，运行时内部由于铁损和铜损产生的热量通过变压器的散热器，常规是以自冷、风冷和水冷的形式散发到空气中。这部分热量的散失，本身是一种能量的损失，同时也造成了空气的热污染。

1变电站变压器保护的重要性分析

变电站变压器保护，是以变电站变压器等电力设备的正常工作和运行维持为主要目的，通过对电厂的重要电力设备安全与稳定工作运行的有效维持，来确保电力系统在生产与运行中的正常电力输出，从而实现整个电网供电运行的安全性和可靠性支持。此外，变电站变压器保护具有较为突出的安全性、灵敏性、可靠性、选择性与快速性特征，能够在变电站变压器生产运行中根据发电机的工作运行状态，在发电机出现故障的情况下，通过保护装置在最短时间内实现故障机组的快速切断和处理，从而对周围线路以及变电站变压器保护机组的正常运行进行支持，为电力生产和运行提供支持。其中，变电站变压器保护装置在对故障发电机进行运行切断，并对故障情况进行有效处理与恢复后，还能够在变电站变压器保护运行中进行运行使用，对电厂生产和运行的经济效益以及社会效益提升提供有利的保障。由此可见，变电站变压器保护不仅能够对变电站变压器等重要电力设备的正常运行进行维持，而且在实现周围线路以及电力设备的安全运行以及确保电力系统的电力正常输出等方面，均具有十分重要的作用和意义，应引起重视。

2变电站主变压器存在的故障

这是变电站主变压器常见的一种故障类型，通常情况下，绝缘体处于正常工作状态下需要保持在一定温度范围之内。但是由于运行时间比较长，再加上设备散热性能减弱，导致绝缘体的温度会越来越高，超过了可以承受的极限，绝缘体就无法正常工作，故障也就发生了。除了温度原因外，机械外力作用也会对变压器运行产生不利影响，在使用过程中，会受到外部环境影响，例如遭遇大风、暴雪天气时，变压器会受潮。如果工作人员没有及时进行检修，情况会变得越来越严重，最终对绝缘管的密封程度和主变压器稳定性造成破坏，处于这种情况时，发生故障的几率就会大大提升。

3主变冷却方式分析

3.1强油水冷闭式冷却塔方式

闭式冷却塔水冷方式是指在主变压器本体和闭式冷却塔间设置油-水热交换器，变压器本体采用油循环，闭式冷却塔侧采用水循环。系统中油侧主变压器的热量经油-水热交换器传递至水侧，通过闭式冷却塔将热量带走。此方式为目前采用以水为冷却介质的主流技术。

3.2强油水冷风机冷却方式

强油水冷风机冷却方式除了采用闭式冷却塔冷却以外，还有风机冷却方式，该方式需要把冷却设备布置在户外，以达到散热效果。主变室与户外的冷却器，其水路是闭式循环，通过管道连接，热交换器里的水带走油的热量，温度上升，通过水泵，水进入到散热器管程之后，温度下降后再流回主变室的水冷却器以循环工作。户内部分与闭式冷却塔方式基本一致，主要需配置油-水交换器。交换器结构采用双重管形式，管内介质为水，管外介质为变压器油，通过水来冷却油，此类结构可以对渗漏进行有效报警。户外部分采用风冷却器（散热器），管程走水，芯组外部安装风机，通过风机吹风来冷却水。此类冷却方式由于水路是闭式循环，运行中补水量较少，相比于闭式冷却塔方式耗水量相对较少。不过此方式散热器占地面积较大，且由于地上户外散热器需配置风机进行冷却，风机噪声对周围环境的影响较难控制。

3.3冷却方式分析结论

分析可见，强油水冷闭式冷却塔、强油水冷风机冷却方式及强油油冷却方式均有成熟产品投入实际运行中。强油水冷闭式冷却塔为目前采用以水为冷却介质的主流技术，体积小、重量轻，噪声相对易控制；强油水冷风机冷却方式布置于户外的散热器占地面积较大，由于需要采用风机对散热器进行冷却，噪音较高，对周围环境的影响较难控制；强油油冷却方式户外散热器占地面积适中，且自冷散热方式噪音较小，但目前油-油热交换器由于生产厂家极少，费用较高，经济性较低。综合考虑实用性和经济性，在主变余热利用系统设计时，选取强油水冷闭式冷却塔方式作为主变的常规冷却方式。

4主变余热利用系统型式

利用主变压器余热进行冬季采暖首先在保证变压器安全运行的前提条件下，既要稳定运行又能利用主变压器余热。通过油-水热交换器，将主变设备内部的绝缘油中热量交换至水侧，利用常规的水-水热交换器制成满足末端用热设备需求的热水。考虑到系统安全性，同时设置备用的水冷闭式冷却塔。冬季采暖所需的热水供应，一般为45℃进水，40℃回水，因此对于主变余热利用，可以考虑为周边房间提供制热用热水。若需提供45℃的热水，不考虑采取水温二次提升措施，则要求主变油温至少达到47℃。而油温又与负载率及室外温度有关，本文选取北方某地，查询相关规范可知，冬季通风室外计算温度约-3.2℃，在此情况下考虑主变30%负载和50%负载工况，油温温升分别约35K和45K，即正常运行时主变循环油温度约32℃和42℃。因此需要主动提升主变循环油的温度，控制出口油温不低于47℃。根据与油-水热交换器厂家沟通，目前常规水冷设备出口油温可以控制在62℃，回油温度约53℃，在此工况下主变可以正常运行，因此主变余热制热时，适当提升主变循环油温度是可行的，不会对主变正常运行产生影响，且主变油温越高，系统热交换的效率也越高。按照主变出口油温62℃计算，制成45℃的热水直接给周边提供制热用热水，系统效率可达85%~90%。

5主变余热利用型式展望

针对220kV地上户内变电站的布置型式，如采用主变余热利用系统，需将原自冷型的片式油散热器换成油-水热交换器及水冷闭式冷却塔等设备，主变余热利用存在系统初投资过高，总体收益较低，投资回收期过长的问题，因此不建议在此类工程中采用上述系统。目前某地区的500kV及220kV地下变电站，均为主变与散热器分体布置，且散热器采用水冷闭式冷却塔，冷却塔均结合地面建筑综合布置。即：不考虑主变余热利用的条件下，上述工程建设的实际需求，要求主变散热器采用水冷布置，并已考虑设置油-水交换器与冷却塔设备。在上述基础上，考虑对主变余热进行回收利用，将存在较高的可行性。

结束语

通过主变冷却方式选择及主变余热利用的系统型式开展分析，得出以下结论：1）针对目前常规220kV地上户内变电站的实际布置，主变余热利用存在系统初投资过高，总体收益较低，投资回收期过长，因此不建议在此类工程中采用上述系统。2）当220kV及以上的地下变电站考虑与地面建筑结合设计，主变需要采用水冷闭式冷却塔方式散热时，建议考虑引入主变余热利用系统，将具有较高的经济性。

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