励磁变采用变频强迫风冷的可行性及效果分析

浙江浙能乐清发电有限责任公司 庞雷

励磁变压器受到容量、安装位置、材料、结构和散热方式等因素的影响，导致此类变压器在夏季机组接近满载工况运行下，绕组及铁芯温度通常≥100℃。虽然励磁变一般为F 级绝缘，绕组最高可承受温度为155℃，但通过实际运行发现，长期高温运行后的变压器，铁芯绝缘漆剥落严重，低压绕组绝缘易出现鼓包现象，容易影响绝缘材料的使用寿命，严重时造成薄弱部位绝缘、击穿。目前主要通过启动散热风扇对变压器绕组进行局部风冷降温。但这种冷却方式存在以下弊端。

一是由于冷却风扇往往安装在底部，吹风时会造成底部迎风面的绕组和铁芯温度很低，而顶部背风面温度高的情况会造成绕组上下温度不均匀。

二是大量未经过滤的冷却风造成绕组风道内积灰严重，从而影响变压器散热效果。

三是风机在变压器内部，如遇故障必须停用变压器更换。

四是风机启停时温度波动大，频繁热胀冷缩影响夹件紧固度和绝缘寿命。

因此，需要探讨如何使励磁变均匀而平稳地散热。

以某电厂发电机组为例，机组容量660MW，励磁变容量7200kVA。同类型励磁变被排查出绕组存在绝缘薄弱的隐患，其原因是局部高温引起，故计划将其进行更换。因此，电厂设备管理人员希望通过使用强迫风冷的形式对励磁变进行持续散热，以达到整体降低温度的目的。

在电厂内，使用强迫风冷的设备并不少，DCS的机柜、变频器等电子设备均采用强迫风冷，但用在励磁变中仍存在以下难点。

一是除进出风道外，变压器必须为全封闭结构，需要定制外壳。

二是冷却风量的调节，需要做到平稳控制温度。

三是冷却风道的布置，需要做到均匀降温。

为解决以上问题并结合电厂实际运行、维护、检修需要，在励磁变招标书中即对励磁变在强迫风冷方面做了一些要求。

新励磁顶部每边各设3台风机，一共6台，底部为进风口，设滤网。

风冷采用上拉风方式，风机装于变压器顶部侧面，可在运行时更换。冷却风通过下部滤网，进入绕组下部，对绕组和铁芯进行冷却。风机出口设有自动百叶，当风机停运时可以自动关闭出风口，防止冷却风倒吸。外置引风机6 台，风机采用3 相380V 电压，并引出相应的电源线接至冷却风机控制箱，电机功率2.38kW。除外部引风机外，变压器内部在绕组底部还需安装6 组风机用于冷却增效。

励磁变于2018年3月运抵电厂，经过一周的安装后开始进入冷态调试阶段，这一阶段主要调试单台和多台的风机启停控制试验，双电源切换试验，风量试验。2018年4月7日机组并网，从23时至次日7时，机组负荷稳定在600MW，励磁变最高温度稳定在76℃。此时风机运行2台。

机组运行半年内，电厂人员在运行中对励磁变风机启动的台数、风机布局、进风口开度、进风角度等参数进行了多次调节。正常运行时，启动2 台风机最宜，尝试仅开1 台的情况，各绕组温升会提高7℃左右。尝试开启3 台风机，因风机出力过大，考虑到外壳承压能力不足，不建议执行。

风机运行以AC 相对角运行最宜。尝试全B 相风机运行，AC相温度有略微升高，B相温度变化不明显。尝试全A 相或全C 相运行，B 相温度上升明显。

加大绕组底部进风量能够明显降低绕组温度。由于出厂时进风口的开口过大，导致部分冷却风直接沿着变压器外壳的内壁流走，未参与内桶低压绕组的冷却，因此，当使用节流板和导流片加大底部的送风后，温度绕组温度明显下降。

开启励磁变底部送风机后（功率90W），绕组温度下降非常明显，但鉴于速率过快只作为后备冷却用，启动定值被设置在95℃，后期需要加入变频控制进行调节。

滤网以2月更换一次为宜，每次更换滤网后绕组温度可下降5℃左右，滤网选择30 目的聚氨酯防尘过滤棉，厚度为1cm。

经过第一阶段的初步条件和试运行，表明励磁变使用强迫风冷的方式可行，夏季高负荷时励磁变B 相温度与负荷曲线如图1所示。2019年8月份，设备投运1年后，机组负荷从12 时～18 时一直处于满发状态，励磁变绕组最高温度可被控制在90℃以内。但从曲线看，绕组温度变化随着负荷变化明显，机组低负荷时绕组温度70℃，高负荷时90℃，均匀性不佳，因此，需要通过变频调节的手段控制风机出力，从而达到绕组温度曲线平缓的效果。

图1 励磁变B相温度与负荷曲线

变频器的控制策略示意图如图2所示。

图2 变频器的控制策略示意图

风机的变频调速是通过变频器将原50Hz 的交流电频率降低或升高，从而达到改变风机转速的效果。变频器的输出大小可通过PID 进行控制，目前市面上大部分变频器均自带PID模块。

变频器上电后，接收来自绕组温度的4～20mA信号，当负荷升高，绕组温度上升至82℃时，唤醒变频器，但此时还未到85℃的目标值，冷却风机处于最小功率输出模式。如温度持续上升，接近85℃时，变频器内的PID 模块会根据温升速率调节输出大小，直至将温度保持在85℃左右。这是一个简单的负反馈控制系统，通过对比绕组温度与设定值的偏差来控制风机转速的高低。

2020年4月，结合机组检修，加装了变频器控制箱，并对原有电气回路进行改进，当处于变频模式下时，顶部和底部风机的动力电源由变频器提供，因此控制回路与动力回路需要单独从双电源装置处获取，以防止控制回路频率改变后接触器无法正常工作，并设置有变频/工频转换开关。

鉴于原风机为非变频专用风机，因此起始的转速不宜过低，通过冷态下的反复调试，认为12%的初始转速可以满足要求，此时电机外壳温度可以被控制在≤50℃。

调试完毕后，励磁变B 相温度与负荷的典型曲线2如图3所示。

图3 励磁变B相温度与负荷曲线2

16h 内机组负荷最高点达到650MW,最低点在327MW，且在后半段存在连续性的负荷摆动。在整个时间段内，励磁变B 相最高温度可控制在77～86℃。在前半段负荷630MW 的稳定期时，温度稳定在86℃，中段负荷先锐减至450MW，最低至330MW，由于发热量的迅速下降，风机转速也同时降低，降至最低转速后，励磁变最低温度被控制在80℃，此时机组负荷经历了2 轮摆动，励磁变温度波动为1℃左右。

20点后，晚高峰来临，期间机组负荷高点达到650MW，并经历了4轮摆动，励磁变温度变化约为1℃。晚高峰结束后机组负荷迅速下降至380MW左右，风机出力随之降低，变压器温度最低至77℃。

自2018年4月，经过4年的运行，励磁变的温度始终能够控制在一个合理的范围内。通过历次调停后对励磁变的检查发现，内部除有少量浮灰外，其他部位依旧如新，各处绝缘漆未见鼓包和剥落现象。特别是第二阶段加入变频器调节风机转速后，绕组温度可以被控制在一个很小的范围内，当负荷在小范围连续变化时，绕组温度的变化仅在1℃左右。因此，励磁变通过变频器进行强迫风冷却运行的方式是可行且成功的。

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