1.1 课题提出的背景和意义
电力系统中变压器是电力传输过程中实现电压变换、用于远距离输电或给用户供给电能的重要设备，按照其冷却装置不同的分类原则，现在电力系统运行的变压器主要有油浸自然冷却式、油浸风冷却式及强迫油循环式等不同种类的变压器。其中，随着国内电网结构的不断变化，呈现出高电压、大容量、低能耗的特点，所以超大型变压器也因为其具有传输能力强、承受负载大、节约耗材、降低损耗以及结构简单等诸多优点，在大容量的主电网中得到广泛应用。目前，220k V 及以上电压等级的电力系统因其具有传输容量大等特点，大多数均采用超大型变压器。这种变压器在运行过程中基本是采用强迫油循环导向风冷却的方式，即冷却方式一方面通过变压器油泵导向强迫加速变压器油在器身内流动循环，另一方面依靠加装在变压器器身周围的风扇换热使变压器油得到迅速冷却。在《国家电网公司 110（66）k V～500 k V 油浸式变压器（电抗器）管理规范》中设备运行维护管理的相关规定，强迫油循环风冷却变压器的最高上层油温一般不得超过 85℃；油浸风冷却和自然冷却变压器上层油温不宜经常超过 85℃，最高一般不得超过 95℃。如果运行变压器的油温太高，会加块变压器油的劣化速度。按照相关运行试验统计分析数据，变压器运行时油温每升高 10℃，变压器中油的劣化速度会相应地增加 1.52 倍，如果变压器由于其在运行中油温升高引发故障、跳闸等事件，就会对正常供电和电网的安全运行带来十分严重的影响，甚至是不堪设想的后果。为此，电力系统中运行的变压器会根据其容量、电压等级及其重要程度，变压器制造厂家必须按照相关规定为其装设良好且可靠的冷却装置，在变压器冷却系统中，起控制作用的冷却系统控制回路则对变压器的运行有直接影响，并且起到关键性的作用、决定其运行水平，所以，设备运行单位十分重视变压器冷却系统的运行维护，避免因控制回路故障对变压器乃至电网稳定运行的影响。在变压器长期运行的实践中，经过对变压器实际运行情况分析统计，由于变压器冷却系统控制回路设计存在缺陷、回路中继电器接点不能正确动作等原因造成的机械卡涩故障、由于风冷控制系统供电扰动、电压波动等原因造成继电器误动作，占到了变压器冷却系统故障的绝大多数。为此，结合设备运行实际不断优化和改进运行变压器冷却控制回路，具有十分重要的意义和经济效益。
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1.2 大容量变压器冷却及控制系统的现状
一般情况下，大容量油浸式变压器的冷却和绝缘媒介均采用纯净的矿物质油，变压器外部冷却媒介一般是大气（空气）或者水。按照电力行业相关国家标准对于变压器温升的规定，当油浸式变压器外部冷却介质是大气（空气）时，其冷却方式如表 1-1 所示。在变压器油浸自然冷却（Oil Natural Air Natural cooling-ONAN）的冷却方式中，变压器油在器身中为自然对流循环的形式，即高度较高的变压器油从油箱顶部逐步流入到变压器的散热器中，变压器绕组、铁芯等发热元件散发出的热量通过变压器热油在散热器的散热元件中逐步对流在周围空气中,这样就会使油的温度逐步降低，同时变压器油的密度变大。在自身重力的作用下继续向下流动，再重新流回到变压器的油箱底部，经过这样不断的循环就形成了变压器油在密闭的器身内自然对流循环流动。在变压器油浸风冷冷却（Oil Natural Air Forced cooling-ONAF）的冷却方式中，通过大功率风扇将变压器外部冷却介质的空气自下而上吹散过散热器，形式冷却空气与变压器热油在散热器表面的强对流，达到降低变压器油温的目的。因为大功率风扇会提高空气流动的速度，就会使散热器周围的放热系数增大进而大幅度增加了变压器对流散热能力，使变压器的热油迅速得到冷却，从而大大提高了变压器油的冷却效果，同样也提高变压器的冷却效率。采用此冷却方式一般采用风机垂直送风和水平送风两种结构。
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第二章 大容量电力变压器的冷却及控制系统
2.1 大容量电力变压器冷却系统结构与油流
电力系统中大型（一般指容量在 50000k VA 及以上）变压器通常均使用强迫油循环风冷冷却方式（ODAF）。其冷却方式的具体原理图如图 2-1 所示，主要冷却原理就是在潜油泵的作用下使运行变压器油经过风冷却器与变压器绕组之间形成大循环。强迫油循环风冷变压器运行中，起绝缘和冷却作用的变压器油基本是在潜油泵的作用下循环通过变压器绕组、铁芯等发热元件，然后进入冷却装置进行循环冷却，当然，也有极少一部分热油会因为油路泄漏，或者是为了在运行中防止变压器绕组中油的流动速度过快而产生油流静电对流进变压器绕组中的热油进行一小部分分流。在分流的这一部分热油中，一方面因为其分流的油量比较小，另一方面油流在变压器绕组与油箱之间的空间比较大，所以油流速度非常缓慢。这种方式下，就会使流进变压器冷却装置的油温基本就是从变压器绕组顶部流出最高温度的热油，因而，就可以通过检测变压器油箱顶部油温基本得到的变压器最高油温。因为强迫油循环导向型冷却方式下变压器绕组中的热油基本都是通过变压器整个器身的油流路径实现大循环，所以，变压器绕组周围的油流速度会比上述几种冷却方式效果均好，这样，变压器绕组中因为油流速度的提高自然会使绕组导线表面的放热系数大大提高。综合上所述，强迫油循环导向型冷却方式不仅冷却效果最高，而且大大降低了绕组平均温升与热点温升间温差，极大改善了变压器内部局部发热的不良运行环境。正是由于对绕组热点温升有效降低，所以，国际电工委员会在 IEC76.2 标准中，将强迫油循环冷却方式运行的变压器绕组平均温升允许值提高到 70K。在强迫油循环风冷冷却的变压器，其冷却介质就是空气。这种方式下，冷却风扇可以根据设备厂家的不同采取吹风或者吸风的方式进行冷却。但是，采取吹风方式存在一定的缺点，即在运行中，会将热风再吹向变压器油箱外壁，不能形成较大的温差，也不利于油箱内、外壁的对流散热，另外，热风受到油箱外壁的阻挡会形成向上及向下自然流动。这样，向下自然流动的热风就会在地面阻挡的条件下逐步向外流动，在有限的时间和空间内，热风就重新被吸入变压器风扇中进行循环，从而使风扇入口温度就会自然升高，自然而然会导致风冷却器的冷却容量大大降低。
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2.2 大容量电力变压器的冷却控制系统
目前，运行的变压器强油风冷系统主要由安装在冷却器下方的分控制箱和变压器周围地面的风冷控制箱两部分组成。分控制箱内主要是由热继电器组成，风冷控制箱内主要是由交流接触器、时间继电器、中间继电器、切换把手、转换开关、控制按钮、指示灯、熔断器、相序继电器等电磁元器件组成。现对强油风冷控系统各主要部分的工作原理介绍如下。电源自动控制部分。按照国家电网公司《十八项电网重大反事故措施》中保证变压器冷却系统可靠运行的要求及国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中防止变压器冷却系统故障的要求，一方面强迫油循环的冷却系统必须配置两个相互独立的电源，并采用自动切换装置，应定期进行切换试验，有关信号装置应齐全可靠。另一方面强迫油循环变压器冷却系统的工作电源应有三相电压监测，任一相故障失电时，应保证自动切换至备用电源供电。在实际运行中，两个相互独立的交流电源是通过切换把手进行控制的，其中一路电源被定义为主电源，那么另一路电源就被定义为备用电源，例如“I 段为工作电源、II 段为备用电源”。变压器在正常运行过程中，一般切换把手会选择 I 段接通工作电源（主电源），II 段断开（备用电源）。如果在运行中发生 I 段电源故障、因其他原因消失或者发生某相缺相时，风冷控制系统就会经过判断后自动将I 段主电源与 380V 系统母线断开，再经一定延时后，自动接通 II 段备用电源来实现主、备用电源的自动切换。同样，“II 段电源工作、I 段电源备用”情况与上述过程一致。
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第三章 内蒙古电网大型电力变压器冷却系统的现状........ 17
3.1 内蒙古电网 500k V 变压器系统情况介绍........17
3.2 内蒙古电网 500k V 运行变压器冷却系统的现状.....20
3.3 目前 500k V 运行强迫油循环变压器风冷系统的控制原理......22
3.4 目前 500k V 强迫油循环运行变压器风冷系统存在的问题......26
3.5 两起因强油风冷控制回路故障引起的主变压器跳闸事件分析...... 28
3.6 本章小结.........34
第四章 内蒙古电网 500k V 变压器强油风冷自动切换系统的改进研究........ 36
4.1 针对目前内蒙古电网运行 500k V 强油风冷二次控制回路改进方案........36
4.2 对于强油风冷二次控制回路改进后的整定....39
4.3 强油风冷二次控制回路改进后的效果分析....40
4.4 本章小结.........41
第五章 结论.......... 43
第四章 内蒙古电网 500k V 变压器强油风冷自动切换系统的改进研究
4.1 针对目前内蒙古电网运行 500k V 强油风冷二次控制回路改进方案
通过对内蒙古电网 500k V 变电站主变压器强迫油循环系统冷却装置、二次控制回路的详细分析及理论研究，特别是针对发生在内蒙古超高压供电局两起因强迫油循环风冷控制回路故障引起的主变压器跳闸事件暴露出风冷控制回路存在的设计缺陷及运行中存在的问题，为了确保强迫油循环风冷系统变压器的安全可靠运行，所以在分析和研究的基础上，提出了具体改造意见，制定了符合现场条件的具体实施方案，并在内蒙古超高压供电局所辖变电站范围内存在问题的运行主变压器进行了现场改进，以保证变压器的可靠运行。强迫油循环变压器冷却装置在运行时，实现工
