摘要：油浸式变压器有自冷式、风冷式、强油风冷或水冷式冷却方式。油浸自冷（ONAN）或油浸风冷（ONAF）的冷却方式，通常称为（ON）冷却方式，即冷却系统中的油是靠自然热对流循环流动。目前电网上运行的主要产品仍是油浸式变压器。本文对油浸式变压器冷却方式进行分析。
关键词：变压器；冷却方式
引言
压器在电力系统中起到提高电压远距离输送电力的作用，在国民经济生产和人民生活中起到了重要的作用。变压器在运行时，特别是长时间工作后会产生大量的热量（损害线路），加速绝缘老化，烧毁线圈，损坏变压器，严重时还会导致生产事故。因此，为了保证变压器在运行时产生的热量不影响变压器的正常工作，需要在变压器上增加冷却系统，保证变压器的工作温度。本文就变压器的冷却装置进行介绍，并讨论使用过程中需要注意的问题，分析了可行的解决方法。
1、变压器冷却装置
变压器是根据电磁感应定律制成的装置，能够将电压在高电压和低电压之间转换。由于变压器在工作中会产生大量热量，如果不及时降温冷却，会严重损害变压器，缩短工作寿命。目前变压器冷却方式分为以下 几类：
1.1 干式冷却方式
第一台干式变压器最早于1885年发明。干式变压器的铁芯和绕组不浸渍在绝缘油中，不会像油浸式变压器存在渗漏油的问题，也不会因为油渗出后导致绝缘装置老化，减少了维修和维护的成本。干式变压器冷却方式分为自然空气冷却（AN）和强迫空气冷却（AF）。自然空气冷却时，变压器可在额定容量下长期连续运行。强迫空气冷却的风机一般安装在干式变压器的下部，强迫空气冷却变压器输出容量可提高40%～50%。但由于此时处于过负荷运行状态，对变压器损耗较大，不能长时间使用。
1.2 液体冷却方式
为了满足远距离电力传送的要求，生产中必须提高输电电压的等级，这样对绝缘介质提出了更高的要求，于是矿物油作为电力变压器的绝缘装置被广泛应用于电力变压器中。油浸式变压器的散热过程是：变压器内部的铁芯、绕组产生的热量先传递到油，然后通过油的介导将热量传递到油箱，最后再用油箱和空气的热交换，将热量散发至空气中。油浸式变压器运行时会产生较大热量，因此需要额外安装冷却装置，特别是对于大型变压器，更需要注意冷却装置的配套。
1.3 空气冷却方式
以空气为介质的冷却方式主要用于干式变压器。1876年世界第一台变压器诞生,采用的是空气冷却。1885年匈牙利成功制造了具有闭合磁路的电力变压器,采用的也是空气冷却。但是当时的变压器的电压等级和绝缘水平很低,其容量也很小。直到1965年,德国T.U公司生产了第一台环氧树脂绝缘干式变压器,以空气为冷却方式的变压器有了质的飞跃。环氧树脂是一种不燃的固体绝缘材料,其绝缘强度高,运行噪音小,无需保养维修,关键是其耐热性高,适应高污秽、高温、潮湿的环境。
干式变压器具有很多优点,但同时其冷却方式的缺点造成了干式变压器的容量和电压等级不能做得很大。目前干式变压器最高电压等级是35kV,最大容量为25MVA。而油浸变压器最大容量可以做到1 000MVA(不考虑运输条件),最高电压等级1 000kV。方家山核电站的主变单相容量就有410MVA,远远超过了干式变压器的设计能力。其主要原因有两点:
1)空气的绝缘性能不如变压器油。空气的绝缘水平受外界环境影响很大,如温度、湿度、浓度、流向、灰尘含量等。
2)空气的冷却性能不如变压器油。空气的热容很小,干式变压器在50℃范围正常运行时如果采用风冷,空气的散热能力不足强迫油循环变压器冷却器散热能力的1/10。此时如果干式变压器的容量设计得很大,即使运行损耗比降低,其实际运行产生的损耗热量也很大,如果冷却系统的散热能力低,变压器的绕组和器身温度会升很高。虽然干式变的最高允许温度可达120℃,但是由于空气冷却能力低,变压器的器身温度会超过120℃而造成主绝缘击穿损坏。
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1.4 SF6冷却方式
以SF6为介质的冷却方式与空气冷却方式相似,其热容比空气相对高一些。由于SF6稳定的化学性质和冷却系统的全封闭设计,其绝缘能力远大于空气,所以SF6变压器最高电压等级可以做到110kV。
SF6的散热能力仍然很差,所以SF6变压器的最大容量只能做到63MVA。有些SF6变压器为提高散热能力,会在冷却器内管道通水进行冷却。这样会有一定效果,但不能克服气体冷却热容小的根本缺陷。即使在箱体内增加散热能力总够大的风扇,其箱体体积也非常庞大,不仅造价高,而且噪音大。
2、存在问题
研究表明：采用ON冷却方式的变压器，由于油是依靠热对流自然循环，油的流动速度一般都相当慢，通常在2cm/s左右，甚至更低。
在强迫油循环的非导向（油泵仅将冷却油流送入油箱）OF冷却方式下，流经绕组稳态的油流量与流经散热器（或冷却器）的稳态的油流量无关。尽管绕组中的油流动仍然按对流方式循环，但油泵造成的压力差可以提高绕组中的油流速度，因此，其冷却效果比ON冷却方式好。
对于强迫油循环的非导向（OF）冷却方式，还没有一种仅依靠在绕组以外的测量方法能够确定OF冷却方式变压器绕组顶部的油温度。因此，对于这种冷却方式变压器的冷却系统设计，是让冷却系统的油泵输送更多温度较低的混合油，使进入绕组下部的油温更低。
采用OF冷却方式的变压器，绕组中的油除靠其受热后密度变化形成浮力循环外，油泵造成的压差增加了油的流动速度，但是其流动速度仍然较慢，通常每秒也仅几个厘米。
强油水冷却方式是目前市场上变压器较为通用的冷却方式之一。即在变压器上配置水冷却装置，该种方式一般都是用通过铁芯上环绕的初级或者次级空心线管外的水循环实现，水冷却装置放在线圈的外部，这种局部冷却的方式只能冷却表面的温度，不能冷却内部的温度，冷却装置与线圈之间的热交换面积较小，无法实现良好的散热冷却效果。
3、解决方法
针对存在的技术问题，有研究将冷却管设置在高压线圈和低压线圈之间，同时对高压线圈和低压线圈散热，有效增加了冷却管的冷却效率。这样还赋予了冷却管新的功能，即冷却管作为隔离层，简化了变压器结构，且不影响变压器的绝缘性能，降低变压器成本。还有研究在变压器散热片上固定水管，在水管壁上开有若干个朝向变压器散热片的喷嘴，水管的上水口接水泵；在变压器散热片四周每个面摆放一台吹风机，朝向变压器散热片。该方法利用了物相变化原理，显著地提高了变压器散热器与外界交换热量的速度，进而提高了变压器的过载能力且装置的成本低廉。
变压器在使用过程中会产生较多热量，如果不能及时通过冷却系统进行散热，会严重影响变压器的使用寿命和生产安全。常见的冷却装置故障有以下几种：冷却装置的散热故障：风扇长期使用后变形，水冷却循环推进管道堵塞，平时检修中应注意故障导致的冷却效果降低；冷却装置的渗油现象：冷却装置在使用过程中，密封垫圈经过多年的风吹日晒，垫圈出现老化，容易发生漏油现象，容易发生渗油现象，因此需要注意在检修过程中对垫圈的检查。
4 结论
随着现代科学技术的发展,一种类似于液氮的冷却剂将会产生,它能将变压器器身温度降低至0℃以下。此时变压器的铜损和铁损会大大降低并逐步替代变压器油作为大型电力变压器的主要冷却介质,随之产生新的冷却系统将具有划时代的意义。如果新的冷却系统的材料和制作工艺成本能够控制在合理范围内,必将对变压器的发展产生深远的影响。
参考文献
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[2]张国强.新型节能环保输变电设备―蒸发冷却变压器的研制与开发.
[3]邹建明，蔡汉升.500kV变压器的冷却方式[J].华中电力，2005，（18）.
基金项目
主变压器冷却器异常处理动画制作（031900KK52180008）。
论文作者:宁雪峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/26
标签：变压器论文; 方式论文; 空气论文; 绕组论文; 装置论文; 热量论文; 电压论文; 《电力设备》2018年第29期论文;