概念
強油循環水冷變壓器隨著國內電力系統不斷增大和日益廣泛的聯網，需要研製開發更大型的高壓大電流斷路器，而在開關試驗室直接進行產品的強電流衝擊試驗，是開發這種產品的必要手段。試驗所需的強電流是由衝擊發電機在短路瞬間產生的，所以這種電機也稱為短路試驗發電機，顧名思義，這是一種十分特殊的發電機。常規的發電機一旦出現短路會被視為嚴重事故，因為巨大的電流往往會不同程度地損傷發電機，但這種發電機正常運行的方式就是頻繁的短路，並且要竭力產生儘可能大的電流，因此，如何保證發電機既能產生高達140千安倍的大電流，又能在承受周而復始的巨大衝擊後仍然安然無恙，是開發這種產品面臨的最大挑戰。
哈電機從項目立項開始，到發電機製造完畢，歷經了整整10年，經過眾多人員的努力，闖過了無數難關。在此過程中，參與產品研製的還有清華大學、哈爾濱理工大學等高校的著名專家，共完成了30多項課題的理論研究和試驗驗證，製造了兩個樣機，一個發電機定子端部模型，大量的新結構首次運用到新產品中。開發6500兆伏安衝擊發電機所獲得的成果，對常規大型汽輪發電機開發和改進也提供了許多寶貴的經驗，對提升發電機的技術水平，具有重要意義。
北京電網220kV強油循環水冷變壓器分析
冷卻系統的工作狀態對主變壓器的安全可靠運行具有重要作用，北京電網220kV地下變電站主變壓器採用強油循環水冷變壓器，通過對冷卻系統的安全運行分析及合理運用風險控制提升主變壓器穩定運行水平，延長水冷系統的運行壽命。因此，對水冷系統的運行維護、故障處理、風險預控等方面的研究和分析對北京電網的穩定運行具有重要意義。
水冷變壓器冷卻系統原理
採用水冷方式的變壓器，油箱上不裝散熱器。油/水熱交換系統包括油泵、濾油器、油流計和水冷卻器等。在水冷卻器內部通有冷卻水，外部流過變壓器熱油，冷卻水將油的熱量帶走，使熱油得到冷卻。變壓器的上層熱油由油泵抽出，經過水冷器冷卻後，從油箱下部流回變壓器，去冷卻變壓器的鐵芯和繞組，油受熱後溫度升高，熱油再次流到變壓器的頂部並被抽出。
油/水熱交換系統包括水泵、水流計、風扇和補水裝置等。冷卻水吸收變壓器熱油的熱量後，水溫升高，循環水泵將冷卻水加壓上送到地面層，由風扇對冷卻水迴路進行降溫，降溫後再返回到地下層參與變壓器熱油的熱量交換。
水冷變壓器冷卻系統優缺點分析
由於水的散熱效率比空氣高，強迫油循環水冷式與強迫油循環風冷式相比，散出同樣的熱量所消耗的材料和電能比較少，造價較低，所需冷卻器的數量較少，維修工作量大為減少，而且風扇布置遠離變壓器，沒有風扇的噪聲，有利於運行中辨別變壓器的聲音異常。
水/氣熱交換系統通常布置在地面層，日曬雨淋、定期添加防凍劑、定期補水、清掃等維護工作量較多。另外，水冷系統構成複雜，水泵、油泵長時間滿負荷運轉，運行中故障情況頻發。220kV主變壓器的物理壽命可達40年，我國國內變壓器的平均運行壽命為20年，而水冷系統整體運行壽命短，還無法實現與變壓器同壽命。
冷卻系統安全運行分析及風險控制措施
（1）冷卻系統工作模式定期輪換
油/水和水/氣熱交換系統冷卻器工作模式分別通過控制手把進行選擇。在油/水熱交換系統中：正常方式下工作位置的冷卻器運行，當變壓器頂層油溫到達65℃時，輔助位置冷卻器自動投入運行，頂層油溫到達55℃時返回；當工作位置的冷卻器發生故障時，備用位置冷卻器自動投入運行。在水/氣熱交換系統中：正常方式下工作位置的冷卻器運行，當冷卻水溫度到達60℃時，輔助1位置散熱器自動投入運行，50℃時返回；當冷卻水溫度到達70℃時，輔助2位置散熱器自動投入運行，60℃時返回。為了確保冷卻效果和水冷系統的運行壽命，油/水和水/氣熱交換系統的工作模式應每季度進行輪換。輪換工作後，應注意檢查工作的冷卻器、散熱器指示燈正常，油泵、水泵、油流、水流、風扇工作正常，必要時應對輪換後的冷卻器二次迴路進行一次重點測溫。
（2）風冷全停
強迫油循環變壓器繞組溫度在80～140℃範圍內，溫度每升高6℃，其絕緣老化速度將增加一倍，即溫度每升高6℃，其絕緣壽命就降低1/2。當變壓器冷卻器全停時，變壓器溫度將迅速上升，並且與主變負載率高度正相關，負荷越重，溫升越大。此時若不能及時將變壓器退出運行，將會造成變壓器絕緣嚴重損壞。為此，在變壓器風冷控制迴路中增加了冷卻器全停保護，保護變壓器絕緣，延長其使用壽命。
水冷變壓器運行中，其冷卻系統異常報警信號通常包括：油/水冷卻器電源故障、油/水冷卻器故障、水/氣冷卻器電源故障、風扇電源故障、風扇故障、冷卻器全停、水流異常報警、油流異常報警、水位低報警等信號，其中運行及維護單位尤其應關注冷卻器全停迫使變壓器跳閘故障並在運行中加強風冷全停故障的風險預控。近年來，北京電網大型變壓器運行中出現多起冷卻器全停導致變壓器跳閘事故，多由於冷卻系統電源故障及油/水交換系統機械故障引起。
（3）冷卻系統周期性檢修工作
冷卻系統的正常運行與否對主變壓器的安全可靠運行具有重要作用，為保證水冷系統各組件的機械壽命，大型主變壓器水冷系統應安排周期性檢修，主要工作內容包括冷卻裝置內部清洗及油水熱交換器大修。
採用強迫油循環水冷卻方式的變壓器正常運行時，冷卻水中不得含有對銅鐵有害的化學腐蝕劑，因此需要定期對冷卻水質進行嚴格檢測。發現冷卻液水質異常時，需安排水冷系統大修。
（4）水冷系統排氣工作
水冷系統正常運行中，應關注油水熱交換器排氣工作。當冷卻水循環系統內部積聚氣體時，水流計擋板感應到水流壓力的不穩定會引起水流計指針頻繁抖動，嚴重時將啟動冷卻器全停保護，導致主變壓器跳閘事故。因此要對水冷系統定期排氣，防止內部積聚大量氣體。
水冷系統排氣工作應由專業人員開展，排氣周期進行差異化管理。有自動排氣閥的水冷裝置，宜每半年進行1次排氣水位檢查；無自動排氣閥的水冷裝置，宜每季度進行1次排氣水位檢查工作。根據北京電網水冷變壓器實際運行經驗，遇有水泵、水流計更換，油水交換器大修，水冷系統冷卻裝置大修等工作，專業人員應對冷卻系統進行多次排氣，並至少連續2天排氣，直至無氣體排出為止。
研究結論
城市電網的安全可靠運行既是供電企業的經濟效益，也是供電企業的社會責任。城市經濟的發展和市容市貌的約束對變電站規劃提出了雙重挑戰，由於水冷變壓器運行數量有限、運行經驗少，對主變壓器水冷系統的研究和分析是一項長期而有意義的工作。
強油循環水冷變壓器水冷器的清洗
研究所介紹的水冷卻器是強迫油循環水冷式變壓器專用設備。特別是以三相礦熱爐用變壓器配套的變壓器油水冷卻器為例，介紹了強迫油循環水冷式變壓器結構特徵以及變壓器水冷卻器清洗方法。
礦熱爐用變壓器的特殊性
圖1 典型的三相礦熱爐爐體結構及爐用變壓器的配置圖三相礦熱爐（如電石爐、鐵合金爐、矽化物爐等）系電阻電弧爐，加料出料不停電，負載穩定，不會發生電極間短路；由於爐料電阻變化，要求變壓器能多級調壓，小型爐用變壓器為5 級調壓，中型爐用變壓器為 8-15 級調壓，大型爐用變壓器為27級調壓，特大型密閉式爐用變壓器要求分相有載調壓。我國最大的三相電石爐用變壓器組，由電爐變壓器和自耦調壓器及有載切換裝置組成，可分相有載調壓，調壓共分 49 級。三相電弧爐爐體結構簡圖如圖 1所示。由爐殼、爐襯、電極、短網、軟導線、電極夾持器、升降、加料等機構構成。
圖2 爐用變壓器外型圖大型爐用變壓器鐵心為三相五柱式，其優點是由降低鐵心總高度，而降低變壓器總高度，不僅便於運輸，而且有助於減少結構損耗。但是因為增加了旁軛，矽鋼片有所增加。三相五柱鐵心，磁通按正弦波考慮，其截面為鐵柱的 1/3。
爐用變壓器外型如圖2所示。由圖2可見，其特點是高低壓繞組出頭均在外側，便於引出。高壓繞組引出A-X、B - Y、C - Z，與油箱頂蓋 6 個瓷強油循環水冷變壓器水冷器的清洗套管連線，有利於改變一次接線方式，當 Y 接時對應開爐低功率運行，連線時則對應正常生產時高功率運行。低壓繞組由油箱側面引出 6 組銅排，以便於與短網連線。
表1 某電石爐用變壓器組基本參數電爐變壓器低壓側電壓低、電流大，高、低壓電壓調節範圍大。某電石廠三相電石爐用變壓器組參數如表1所示。由於損失大，採用強迫油循環水冷方式。配套水冷卻器為裂管式，其管內通水，管間通油。變壓器發生的熱損失，傳遞給油，油溫升高。油中所含熱量由冷卻水帶走，以維持變壓器運行溫度穩定，且在規定範圍以下。
油冷卻器清洗
（1）冷卻水水質及水垢的形成
表2 松花江水質我廠爐用變壓器油冷卻器換熱用水，為取自松花江的江水，其水質如表2所示。特別是，隨著各種洗滌劑、農藥、化肥的過量和不科學的使用，冷卻用江水中溶有較多數量的硫酸鹽、氯化物、磷酸鹽以及鈣離子等，水中含鹽量達 93.90 mg/L。
冷卻器水側列管中除有硬垢外，還有污垢。污垢是包括水垢在內的固形物的總稱。如：沙粒、腐蝕產物、天然有機物、微生物群體、碎屑、氧化鋁、磷酸鋁、磷酸鐵等。本例為敞開式循環冷卻水系統，所以雖然污垢很多，但大都是軟泥狀，比較好清洗。
（2）水清洗工藝
首先將停止運行的冷卻器由系統中拆下來，運到檢修現場穩固地水平放置在枕木上，然後放出其內的變壓器油和冷卻水。拆除下水室，檢查冷卻器管內壁和下水室內部的污垢附著狀況，並用水沖洗。如果冷卻器管內沉積污垢多而堅硬，則應拆下帶潛油泵的冷卻器上部罩及上水室端罩。此時用塑膠薄膜把罩外所有通向油室的管口封好，以防進入污物及水滴。用水沖洗附著在管板和管內的污垢，然後用螺旋疏通機清除沉積的污垢，並用水沖洗。最後在油腔中通以運行工況條件的熱油循環，將熱油過濾，既可除去其內的微小雜質，又可除去水分。以保證油冷卻器在運行工況下的可靠性。
（3）機械除垢工藝
選擇直徑小於水冷卻器管內徑（ 本例管內徑∮12mm）的管道疏通機專用螺旋及配套的輸通機，一根管一根管的輸通。由於專用螺旋在管內旋轉前進，能夠充分地刮除掉管內積垢。機械除垢後，一根管一根管的用水沖洗，以進一步清除管內殘存的污垢。《變壓器檢修規程》規定嚴禁用化學清洗，以防酸鹼腐蝕銅管。而本例所述的爐用變壓器組使用說明書也強調必須水清洗。所以，強油循環水冷式變壓器油冷卻均用機械除垢及水清洗。
循環清洗
圖3 強油循環水冷變壓器水冷卻器洗淨流程圖循環洗淨流程如圖3所示。水箱注水並通入冷卻水，油箱注油，感應線圈通工頻交流電加熱 （ 油箱用石棉布保溫，並埋入溫度計， 測量油箱溫度，並一直保持 700C± 50C），當油溫達到 650C時，起動潛油泵打開油入、出口閥循環。此時同時起動水泵，打開水入、出口閥循環。如此分別洗淨油室水室及冷卻水管內，並用除污器分別捕捉油、水系統的污物。循環過程中，油溫保持在 65℃。水壓整定在2atm，油壓整定在 3.5atm。
