Selection of Main Transformer Cooling System in Offshore Substation

海洋大气环境具有高湿度、高盐分的特点，这给海上升压站电气设备的防腐和绝缘带来了巨大挑战^[5]。

海洋大气湿度大，易在钢表面形成水膜；海洋大气盐分多，它们积存在钢表面与水膜一起形成导电良好的液膜电介质，是电化学腐蚀的有利条件，海洋大气相比内陆大气，对钢的腐蚀程度要高4～5倍^[6]。

盐分附着在绝缘件(如绝缘套管)表面并不断积累，使得绝缘件表面的污秽程度增加，从而需要电力设备具有更大的爬电比距。海洋大气环境所对应的污秽等级为IV级，在该污秽等级下，电力设备的爬电比距至少应达到3.1 cm/kV。

为了应对海洋大气对电气设备的影响，一方面需要提高设备的防腐和绝缘性能，如：设备的表面采用海洋重防腐的涂料防腐体系，采用高污秽等级的绝缘设备。另一方面需要将设备布置在封闭的房间内，并对内部空气进行盐雾过滤，以改善电气设备的工作环境。类似的做法在海上石油平台已经得到广泛的应用，例如设置电气设备间，将开关柜、控制设备等布置在房间内，通过通风系统或空调系统实现设备的冷却等。与石油平台中的电气设备相比，海上升压站主变压器的散热量要大得多，采用通风系统对设备进行散热冷却是否仍是最佳方案还有待验证。

本文参考海上石油平台采用的一种闭式海水冷却系统^[7]，提出了海上升压站主变压器水冷技术方案，综合分析了海上升压站采用自冷和水冷两种方案的技术经济差异。

以广东省某200 MW海上风电场为例，海上升压子设两台主变压器，主变参数如下：

1)产品型号：SZ11-110000/110，三相、有载调压、双线圈铜绕组、低损耗、低噪音、自然冷却、油浸变压器。

2)额定容量：110 000 kVA/110 000 kVA。

3)额定电压及其组合：(121±8)×1.25%/35 kV。

4)额定频率：50 Hz。

5)调压方式：高压中性点带负荷调压。

6)联结组别：YN、d11。

7)阻抗电压：U＝10.5%。

8)冷却方式：ONAN(油浸自冷)。

9)耐热等级：A级。

10)空载损耗：< 85 kW，空载电流< 0.34%。

11)负载损耗：< 350 kW。

主变散热功率等于空载损耗加上负载损耗，根据以上主变参数，主变最大散热功率为435 kW。

两台主变分别布置在10 m×10 m×10 m的主变室内，散热器本体布置。主变室采用全封闭型式，每个主变室设一套独立的通风系统，采用自然进风、机械排风方式，实现主变室散热和换气要求。

变压器散热器布置于本体两侧，总的外形尺寸为4 500 mm×2 600 mm×3 600 mm，含油重量约16.5 t，其中油重4.2 t。

在不考虑主变室隔墙散热量的情况下，主变的散热量将全部通过主变室的通风系统排出。通风量按式(1)计算：

式中：G——通风量，kg/h；Q——散热量，W；c_p——空气的定压比热容，kJ/kg℃，取值c_p＝1；α——单位换算系数，取值α＝0.28；t_p——排气温度，℃，对于油浸式变压器，主变室排气温度取t_p＝45℃；t_wf——夏季室外计算温度，℃，按历年最热月最高气温平均值选取，取值t_wf＝35℃^[8]。

将2.1节得到的散热量代入式(1)，经计算，通风量G＝155 357 kg/h。按35℃、101.3 kPa状态的空气密度换算，得到按体积计算的通风量V＝135 093 m³/h。

由于海洋大气中的盐雾会对设备造成腐蚀，因此，在进风系统中增加了盐雾过滤装置，使得送风系统的风阻增大。根据海上石油平台的工程经验，过滤器风阻通常不大于320 Pa^[9]。

排风采用轴流风机，按N＋1原则进行配置，共设5台轴流风机，4用1备。每台风机的风量应不小于135 093/4＝33 773 m³/h，风压按不小于320 Pa选取。

排风机选型为：No. 8机型轴流风机；风量：34 073 m³/h；全压：388 Pa；电机功率：5.5 kW；通风系统总的运行功率：P＝4×5.5 kW＝22 kW。

水冷变压器主要应用于水电站的发电机主变压器，三峡水电站工程采用的即是水冷变压器^[10]。海上平台也有一些采用海水进行设备冷却的案列，例如水冷柴油发电机组。

不管是水电站的水冷变压器、还是海上平台的水冷发电机组，采用的都是开环水冷系统。水冷变压器的冷却水取自上游水库，江水经过滤后流入油水冷却器，与变压器油进行热交换，热水直接排入下游江中。海上大型柴油发电机组通常采用海水冷却的方法，海水经过滤后，直接流过柴油机组，将热量带走，排入大海。

开环水冷系统能够保证冷却效果，但对水质要求较高，需要一套过滤装置，而且需定期排沙除垢、清理管道。海水管道还面临海水腐蚀和海生物侵蚀的问题，对设备和管道在材质和防腐上都有非常高的要求，而且需经常维修和清理，维护成本比较高。

考虑到海水冷却系统的诸多问题及海上平台淡水资源的紧缺，海上升压站主变水冷系统采用闭式循环水冷系统^[11]。闭式循环水冷系统由油水冷却器、油泵、油管、水泵、水管、水箱、及阀门组成，工作原理如图1所示。油水冷却器、潜油泵用油管及阀门与变压器油箱相连，形成油路强迫循环。冷却水与变压器油在油水冷却器中进行热交换。油水冷却器、水泵、水箱与换热器用水管和阀门相连，形成冷却水的闭式循环。冷却水流过置于海水中的换热器，与海水的热交换后返回平台上的水箱。出于可靠性考虑和检修需要，油水冷却器和水泵均采用N＋1原则配置。水箱用以补充因检修或泄漏造成的冷却水损失，而维持水箱有一定的储水量，则可为运维争取时间，避免因冷却水不足造成变压器停用。

Figure 1.  Principle Diagram of Closed Cycle Water Cooling System for Transformer

闭式循环水冷系统相比开环海水冷却系统具有以下优势：

1)使平台上的设备隔绝了海水的侵蚀，使腐蚀、海生物、泥沙冲刷等问题得到根本解决。

2)用淡水作为循环冷却介质，降低了对设备和管道材质的要求，可降低设备造价。

3)变管道内部防腐涂装为换热器和管道外部防腐，降低了涂装的技术难度。

4)降低了海水渗入绝缘油带来的安全风险。

5)无需定期清理过滤装置和管道，降低了维护成本。

两台主变分别配一套型号为YSF-250×3的油水冷却装置，每套装置包含3台油水冷却器，2用1备，最大冷却功率为750 kW，额定冷却功率为500 kW，可满足冷却器维护检修的需要。

单台油水冷却器的技术参数如下：额定冷却容量250 kW；额定水流量28 m³/h；额定油流量80 m³/h；额定入口油温70℃；额定入口水温30℃；油泵电机功率3 kW；单台质量1 120 kg；充油量250 kg。

3台油水冷却器总的外形尺寸为：3 300 mm×1 200 mm×2 670 mm，总质量为4.11 t，其中油质量0.75 t。

冷却水泵的流量按2台油水冷却器总水量设计、扬程按变压器平台与最低潮位间的落差设计。

冷却水泵的参数如下：额定流量60 m³/h；扬程15 m；电机额定功率4 kW。

主变室考虑换气和事故排烟的需要，设两台排风机，一用一备。通风系统同样需要盐雾过滤，排风机风量按主变室每小时换气不小于12次选择。

排风机选型：No.8机型混流式消防高温排烟风机；风量12 657 m³/h；全压342 Pa；电机功率2.2 kW。

整个冷却系统总的运行负荷为：P＝3×2＋4＋2.2＝12.2 kW。

下文将从安全性、冷却效果、可靠性、运行维护、经济性和设备防腐几个方面对两种方案进行对比。

海上变电站的安全性是设计者首先要考虑的问题，特别是对火灾风险的降低。水冷变压器的充油量比自冷变压器要小得多，在发生变压器火灾时，其火灾后果也相对较小。在以往的水冷变压器使用过程中，发生过水冷系统堵塞及泄漏的问题，给变压器的安全运行带来威胁。采用闭式循环水冷系统则很好的解决了这些问题，再辅以水质及油质的监测系统，可以很好的保证其安全性。因此，在安全性方面，闭式循环水冷系统具有很好的优势。

自冷变压器将所有热量散至主变室，通过主变室的通风系统将热量带走，主变室的温度受外部气温的影响较大。水冷变压器大部分热量通过冷却水排至海水中，冷却效果主要受海水温度影响。海水温度的波动比空气温度小，因此，从冷却效果上看，两者都可以满足要求，但水冷方式冷却效果更稳定。

自冷变压器相比水冷变压器结构简单，没有油泵、水泵、换热器和阀门等设备，可靠性高，维护量小，但主变室通风系统需要维护，空气过滤器需定期更换。水冷变压器需要设置至少一台备用的油水冷却器，以保证整体可靠性。闭式循环冷却系统可以从根本上解决海水腐蚀和海生物侵蚀的问题。

海上升压站采用自冷变压器和水冷变压器的经济性对比如下：

水冷方式系统设备固定投资成本比自冷方式更大，但运行费用更低，而且水冷方式可以减少变压器油的使用。值得关注的一点是，水冷方式的尺寸和重量自冷方式相比要小得多，这对于平台结构的影响是比较大的，可以使平台面积减少近5%，重量减少13 t。对于更大容量的变压器，水冷方式在尺寸和重量方面的优势将体现的更加明显。

在设备防腐方面，两种系统都已考虑了主变室通风系统的盐雾过滤，所以变压器防腐效果相差不大。水冷系统有换热器置于海水中，部分水管暴露在含盐空气中，换热器和管道的外壁需作防腐，但技术都已成熟。

自冷变压器本身噪音很小，主要是变压器本体噪音。但主变室通风系统采用了大风量风机，运行噪音很大，单台风机噪音在85 dB左右，而且需多台同时运行。水冷系统油泵、水泵的运行噪音很小，主变室通风系统减少了风机数量和通风量，噪音在75 dB左右。

综上所述，两种冷却方式都能满足变压器的散热需要，水冷变压器在安全性、冷却效果、经济性和环境影响方面要优于自冷变压器，自冷变压器在可靠性和运行维护方面稍具优势，综合技术经济对比，推荐海上升压站主变压器采用水冷方式。

以上对比分析结果是基于变压器全室内布置得出的，如果将散热器室外布置，可以大幅降低主变室的通风量，在冷却效果、经济性和降噪方面会有比较大的提升，但需要考虑散热器防腐、消防、排水(可能含油)等问题。

散热器室外布置与水冷方式的技术经济对比还有待进一步论证。从总体趋势来看，散热量越大，水冷优势越明显。特别是当平台上有多台散热量大的设备，可以统筹考虑这些设备的散热，水冷系统具有更好的经济性，这在海上平台和海上换流站中都有所体现。

本文基于某海上风电项目的主变压器参数，对ONAN和OFWF两种变压器冷却方式进行了分析和计算，提出了一种闭式循环水冷系统，从安全性、冷却效果、可靠性、运行维护、经济性、设备防腐和环境影响方面对两种方案进行了对比，得出水冷变压器比自冷变压器更适合海上升压站的结论。