主变呼吸器管路过热分析处理

韦志鹏，王世怀，徐南红，李水先

(湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000)

水布垭电厂主变压器为户外单相双线圈铜芯强迫油循环风冷升压变压器，变压器高压侧采用油/SF6套管与GIS相连接；低压侧采用油/空气套管与IPB连接；高压侧中性点采用油/空气套管引出[1]，3台单相变压器的中性点相连接后直接接地或经小电抗器接地，其主要铭牌参数如表1所示。

表1 主变压器主要铭牌参数表

2016-05-03日，经红外测温仪330T测温发现，水布垭电厂12台主变压器低压侧呼吸器管路均有明显发热现象，其最高温度达135℃，温升高达101℃。

1 呼吸器管路过热危害

1)呼吸器管路法兰连接处密封材质为丁腈橡胶，受高温易受损，导致密封不严；而潮湿空气经呼吸器管路进入油嚢中，易使绝缘油含水量增加，对安全生产存在较大隐患[2]。

2)局部高温促进绝缘油裂解，呼吸器中的油雾经高温裂解后进入油嚢，将影响绝缘油纯度[3]，且产生杂质可能在绕组、围屏等形成导电桥，使绝缘油电解产生更多杂质，严重影响变压器安全运行[4]。

2 呼吸器管路过热原理分析

变压器呼吸器管路位于低压侧母线筒附近，而变压器正常运行时，低压侧母线筒通过的电流如下：

ia=imsinωtib=imsin(ωt-2π/3)ic=imsin(ωt+2π/3)

(1)

其中，im为电流峰值。

而主变压器为3台单向变压器，低压侧为三角形联结，高压侧为星型联结[5]，呼吸器管路与母线筒在空间上是垂直方向，其呼吸器管路方向与母线筒磁场如图1所示。

图1 磁场分布图

母线筒内部为油/空气套管与IPB连接，故可将空间模型简化建立如图2所示。

图2 空间简化模型图

令单位面积为

ds=dx·dz

(2)

由于涉及复杂空间及磁场计算，为简化模型，可令单位面积ds处的磁场强度约为

H≈ia/2πr+ib/2π(L-r)

(3)

单位面积ds处的感应电势为

e=dφ/dt=d(Bds)/dt=dzdxμFedH/dt

(4)

通过ds的磁通量为

φ=Bds

(5)

通过ds的磁感应强度为

B=μFeH

(6)

μFe为材料的导磁率，将式(3)代入式(4)得

e=dzdxμFed[ia/2πr+ib/2π(L-r)]dt

(7)

将式(1)代入式(7)得

(8)

涡流在单位截面小块上形成的热功率为

P=e2/R=e2dxdz/dyρR=e2ds/dyρR

(9)

将式(8)代入式(9)得

(10)

若截面为单位截面ds，厚度为E的导体内涡流损耗为

(11)

若厚度为单位厚度dy的小块，截面面积为F的导体内涡流损耗为

(12)

由式(10)、式(11)及式(12)推论如下：

由式(10)可知，当单位截面小块与两个母线筒的相对空间位置一定时(即r为定值)单位截面小块上形成的热功率随着导体的导磁率μFe、母线筒电流的幅值im、母线筒电流的频率f=ω/2π的增大而增大，随着导体的电阻率ρR的增大而减小。

由式(11)可知，当导体材质一定、母线筒电流一定时，截面为单位截面ds，厚度为E的导体内涡流损耗PE，随着厚度E的增大而增大。

由式(12)可知，当导体材质一定、母线筒电流一定时，厚度为单位厚度dy，截面面积为F的导体内涡流损耗PF，随着截面面积F的增大而增大。

综上所述：为了减小呼吸器管路的发热状况，由于变压器结构及机械强度设计原因，其所在的空间位置、长度、管径截面等均无法改变，而将呼吸器管路的材质由导磁材质更换为不导磁材质，降低其导磁率μFe，是可以有效改善管路的发热情况。

3 试验及实际验证

试验器材如表2所示。

表2 试验器材表

将铁管和不锈钢管用扎带固定在主变压器管路下方，如图3(a)所示，经机组460 MW满负荷发电12 h后，红外测温如图3(b)所示。

图3 红外测温情况

环境温度为28℃，铁管温升为117.2℃，而不锈钢管温升为16℃，经对比验证更换材质的有效性。

经过呼吸器管路改造后，对比改造前后变压器满发期间呼吸器管路红外测温如图4所示。

图4 改造前后红外测温

通过对比发现，改造前呼吸器管路为导磁材料，温升为88.2℃(测试时环境温度为28℃)；改造后呼吸器管路为不导磁材料，温升为18.1℃(测试时环境温度为25℃)，验证了更换呼吸器管路材质会使管路发热量减小的有效性。

综上所述：在进行变压器设计时，其母线筒周边的管路，如呼吸器管路、油枕排油管等的设计应尽量选用不导磁材料，可以有效防止涡流发热现象，减小相关密封的老化速率，提高变压器安全运行的可靠性。