干式变压器外壳设计特征研究苏伟吉

(整期优先)网络出版时间:2019-03-13
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干式变压器外壳设计特征研究苏伟吉

苏伟吉

(明珠电气股份有限公司)

摘要:当今社会,干式变压器超载运行的情况越来越多,这也导致对干式变压器外壳散热要求增高了。但人们在设计中往往忽略开孔面积与有效通风面积的关系,再加上出于成本和电房环境的考虑上,现成的干式变压器外壳有小型化的趋势,造成变压器外壳通风效果不佳,通过研究变压器外壳有效通风面积与外壳开孔面积之间的对比,确定外壳开孔的设计方案,有效的增加外壳的散热能力。

关键词:干式变压器外壳;通风孔;开孔面积;有效通风面积;强制风冷

干式变压器因其防火、安全、可靠、节能、免维护、损耗小、噪音低、寿命长、体积小、质量轻等优点,广泛应用在变电站、工矿企业、医院、住宅小区等场合。它主要有环氧树脂绝缘(简称ORDT)和浸漆式的非包封(简称OVDT)2种主流形式。前者机械强度和耐受短路能力以及防潮、防尘、耐腐蚀性能好,寿命终结后,只能深埋处理。后者绝缘耐压性能、耐热、阻燃性能好,绝缘等级可达到H级,寿命终结后,可降解回收。干式变压器正常都带有外壳,其外壳材质、结构、进出线方式、密封与散热、基础形式等是干式变压器外壳设计必须考虑的重要因素。

1.材质与结构

干式变压器外壳可以有效封闭干式变压器,起到安全防护作用,避免干式变压器上的裸露导电体对人产生伤害,防止蛇、鼠等小动物靠近或攀爬造成短路事故,还能屏蔽电磁辐射、降低噪声对周围环境的影响。所以,目前使用的干式变压器,正常情况下都配备有外壳。

1.1材质

干式变压器外壳普遍采用不锈钢、铝合金、钢板等材料。常用的不锈钢牌号有201(17Cr-4.5Ni-6MnN)和304(18Cr-9Ni)等。201不锈钢抗腐蚀性能稍差,室外环境易生锈;304不锈钢具有很好的抗腐蚀性能,可以用在室外,价格也相对较高;316(17CrNi-12Mo2)不锈钢抗腐蚀性能更好,价格更高,一般应用在特别恶劣的环境中。铝合金导热性能优良,强度稍差。钢板常用冷轧钢板,经喷塑或喷漆处理,能与开关柜颜色一致,强度也比较好,价格低,但制作周期较长。设计时,可根据用户经济情况、使用环境等选用合适材料。

1.2结构

干式变压器外壳常用的结构主要有一体式和组装式2种。早期大多采用前者,其好处是现场无需组装,安装方便,但其最大的问题是运输不方便。如果将其罩在干式变压器上,就不方便把干式变压器固定在运输车辆上,如果将其与干式变压器分别单独固定在车上运输,又会占用比较大的车辆空间,运输成本较高。另外,一体式还会遇到配电室门较窄时无法进入配电室的难题。目前大多选用后者。组装式干式变压器外壳由左、右侧框,前、后门框,顶盖以及连接附件组成,它们可现场组装,运输方便,进入配电室也方便。个别地方的运维人员水平有限,曾出现带电打开干式变压器外壳大门的情况,造成了不该发生的人身伤害事故。所以,设计人员宜在技术协议中明确要求,前后大门均配置行程开关,并加电磁锁。行程开关可以与高压开关柜二次分闸回路连接,一旦大门打开,行程开关动作,启动高压开关柜二次分闸回路动作跳闸,确保操作者安全。即使个别用户未把行程开关与高压开关柜连接,使这层保护失去意义,电磁锁(从变压器上引接220V电源即可)也可以确保在带电情况下大门不能打开,除非紧急解锁。还可以把干式变压器上的高压支柱绝缘子换为传感器,在大门上安装带电显示器,以便直观地看到变压器运行带电状态。

2.干式变压器耐热绝缘等级

干式变压器的安全运行和使用寿命,很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全可靠。绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏,是导致变压器不能正常工作的主要原因之一,因此对变压器的运行温度的监测及其报警控制是十分重要的。一般是利用温控装置,检测变压器绕组温度,自动启停冷却风机并设有故障报警,超温报警和跳闸功能,为干式变压器提供了可靠的过载保护和运行安全。

(1)风机自动控制:变压器负荷增大,运行温度上升,当三相绕组温度中的最高一相温度超温绕组温度达到设定值(110℃)时,系统自动启动风机冷却;当绕组温度低至设定值(90℃)时,系统自动停止风机。

(2)超温报警、跳闸:若变压器绕组温度升高达到超温报警设定值时,系统输出超温报警信号;若温度继续上升达到超温跳闸设定值,向二次保护回路输送变压器超温跳闸信号。干式变压器耐热绝缘等级不用,设定温度值也不同。以耐热绝缘等级为F级的变压器为例,超温报警设定值155℃,超温跳闸设定值170℃。对于指定的绝缘系统,其允许的最热点温度不应使线圈绝缘的电气和机械性能受到损害。不同耐热绝缘等级的变压器,其绝缘系统温度及绕组温升限值如表1所示:

注:①上表第2栏中的字母是表示绝缘材料的温度等级。

②温升是指在额定运行状态下指定部位允许超出标准环境温度之值,温升的单位为开氏(K)。

由上可以看出变压器的耐热绝缘等级越高,其允许运行温度越高,相应的负载能力也越高、运行时间越长。因此设计人员在进行变压器选型时,应标明干式变压器耐热绝缘等级。经笔者了解,近年建成的项目以耐热绝缘等级为F级的变压器应用为最多,从技术发展角度看,建议设计选用耐热绝缘等级为H级的变压器,至少不应低于F级。

3.变压器设计方案

为了适应在机舱内运行时严酷的气候和环境条件,干式变压器应具有抗腐蚀能力强的特点。同时,干式变压器安装在风机机舱内,维护和维修成本高,干式变压器应具有较高可靠性。由于树脂浇注干式变压器在耐环境、耐气候和抗短路能力的性能上更为优越,故首选此类干式变压器。

3.1本体设计方案

铁心叠片采用冷轧取向电工钢带,45°全斜接五级接缝;高压线圈采用分段圆筒式,采用真空浇注工艺;低压线圈采用箔绕,设轴向气道,采用预浸绝缘端部树脂密封固化。由于机舱尺寸的限制以及对载荷的要求,干式变压器外形尺寸不能过大,重量不能过重。通常,采用铜绕组时,变压器尺寸小,重量重;而采用铝绕组时,变压器尺寸大,重量轻。所以在电磁计算阶段,要反复比较,满足用户使用要求。

3.2防腐设计

一般变压器,冷却方式采用自冷或风冷,变压器外壳内部空气与机舱内的空气流通,机舱内的高潮湿高盐雾的空气进入变压器外壳,造成变压器结构件被严重腐蚀。更为严重的是在这种环境下,变压器绝缘表面的污秽物中可溶性物质逐渐溶于水,表面上形成一层导电膜,使绝缘的绝缘水平大大降低,在电力场的作用下容易产生剧烈放点现象,即污闪,这是导致风电机组火灾的主要可能因素之一。

3.3抗振设计

风电机组运行过程中,机舱时刻都在振动,特别是机组偏航迎风过程和制动过程中振动很大。所以,变压器的抗振设计也非常重要。通过一些措施可减小变压器器身变形和紧固件的松动:变压器线圈浇注为一个刚体,使线圈自身具有良好的抗振能力;增加变压器底垫脚的个数及固定螺栓的个数,对变压器起到很好的固定作用;变压器上夹件上安装长螺杆与外壳顶部的支架相连,使变压器与外壳成为一个整体,避免外壳的晃动。此外,变压器上所有的紧固件均采用防松措施,避免变压器部件的脱落和器身倾倒。

结论

干式变压器外壳宜选用不锈钢组装式。进出线方式根据项目现场情况选用。防护等级室内宜选用IP20,室外宜选用IP23。设计人员宜综合考虑干式变压器外壳的外形尺寸,除了保证安全距离外,还要考虑散热性能,并与基础配合准确。

参考文献:

[1]刘振农.88D264电力变压器室布置[J].冶金工业部北京钢铁设计研究总院,1989:119.

[2]韩风.建筑电气设计手册[M].中国建筑工业出版社,1991:164-167.