干式變壓器熱時間常數的計算和試驗方法

單志輝

（順特電氣設備有限公司 廣東 佛山 528300）

干式變壓器熱時間常數的計算和試驗方法

單志輝

（順特電氣設備有限公司 廣東 佛山 528300）

干式變壓器短時過負荷運行能力取決于繞組熱時間常數，故準確計算繞組熱時間常數，對提高干式變壓器設計水平及降低干式變壓器成本起到十分重要的作用，因而受到普遍重視。本文重點討論了干式變壓器熱時間常數的計算和試驗驗證方法。

熱時間常數；溫升試驗

0 概述

變壓器短時過負荷（以下簡稱過載）運行是一種發熱的過渡過程。過載某一時刻的繞組溫升可按下式計算：

式中t——過載時間，min；

θ——過載時間為t所對應的繞組平均溫升，K；

θ0——t=0時繞組平均溫升，即正常運行時繞組初始溫升，K；

θw——過載穩定后繞組的平均溫升，K，與變壓器過載倍數有關；

τ——在過載狀態下的熱時間常數，min。

干式變壓器和油浸變壓器不同的是沒有油，因此在討論干式變壓器短時過負荷能力時僅需考慮干式變壓器高、低壓繞組的短時過負荷能力。由（1）可知，繞組短時過負荷能力的大小取決于繞組的熱時間常數，而熱時間常數和繞組的熱容量、損耗水平以及額定溫升等因素密切相關。

1 熱時間常數的計算

干式變壓器的熱時間常數（理想值）是指干式變壓器在恒定負債條件下，溫升達到變化值的63.2%所需經歷的時間，也等于變壓器從穩定溫升狀態下斷開負載，在自然冷卻狀況下，溫升下降63.2%所需的時間，對于干式變壓器，其高低壓相互獨立，故計算時需分別處理。

根據 IEEE C57.96-1999（R2005）IEEE Guide for Loading Dry-Type Distribution and Power Transformer中A.8.3提供的公式：

式中：τR——額定負載下的熱時間常數，min；

C——比熱容，W·min/K；

Δθr——額定負載下的穩定溫升，K；

θe——鐵心引起的溫升對線圈的影響，對于內線圈，取20K，外線圈，取 0K;

Pr——線圈的負載損耗，W。

對于比熱容C的計算，通常采用以下公式：

式中：Ccon——導體的比熱值，Cu取6.42（W·min）/（kg·K），Al取 14.65（W·min）/（kg·K）；

mcon——導體質量，單位kg；

Cins——絕緣材料的比熱，對于樹脂取24.5（W·min）/（kg·K）；

mins——絕緣材料質量，單位kg。

需要注意的是，在式（3）中的樹脂比熱值取24.5（W·min）/（kg·K）與 IEEE C57.96-1999（R2005）IEEE Guide for Loading Dry-Type Distribution and Power Transformer中選用的6.35（W·min）/（kg·K）是有很大區別的，這是因為，在美國，應用最廣泛的干式變壓器主要還是敞開式的，而不是環氧澆注式的，其絕緣材料和組成也不一樣。根據相關參考資料，環氧樹脂的比熱約 2000J/kg·K=33.3（W·min）/（kg·K）,環氧澆注干式變壓器繞組中的主要填充材料為玻璃纖維的比熱約為800J/kg·K=13.3（W·min）/（kg·K）,繞組中樹脂質量與玻璃纖維質量的比值大于1。因此，樹脂及其它繞組絕緣的比熱應不小于23.3（W·min）/（kg·K），根據實際測量約為 24.5（W·min）/（kg·K），IEEE C57.96-1999（R2005）中給出的 6.35（W·min）/（kg·K）是切實際的。

此外，對于不同的負載條件，變壓器的初始溫升和穩定溫升也各不相同，因此，其熱時間常數取值也不相同，根據IEEE C57.96-1999（R2005）IEEE Guide for Loading Dry-Type Distribution and Power Transformer采用公式（4）進行計算：

式中：m為經驗系數，通常取0.8。

圖1 溫升試驗帶電測溫電路圖

表1 時間常數計算值與試驗值得比較

2 變壓器時間常數測量試驗

變壓器熱時間常數測量試驗，即測量變壓器的平均溫升變化到63.2%所需經歷的時間，其實質是測量變壓器溫度上升過程中的電阻變化情況，其試驗可與變壓器溫升試驗同時進行，其關鍵在于帶電測溫。以相互負載法進行溫升試驗為例，試驗電路圖如圖一所示，具體事項如下：

2.1 按圖1可進行高壓、低壓帶電測溫。

2.2 測低壓熱電阻時：Ty低壓中點引線可作電流回路，T1低壓中點引線可作電壓回路。Tx低壓側中點應引出兩跟線：一為電壓回路，一為電流回路。

2.3 測高壓熱電阻時：Ty高壓中點引線可作電流回路，T2高壓中點引線可作電壓回路。（同理）

2.4 測低壓電阻時：因為電阻很小，應選四端式電橋 （即雙臂電橋），可測 10-6～102Ω,最好是反接法。

2.5 測高壓電阻時，根據三相并聯電阻的預值的大小來選擇電橋接法。若小于100Ω，可采用雙臂電橋，大于100Ω以上用單臂電橋。此圖是雙臂電橋，按正接法。

2.6 送電時，要測（低壓側/高壓側）電壓回路的零序電壓，應小于1V以下，否則檢流計受電流干擾，測不出數。如果有較大電壓，應設法濾波，并在檢流計回路上串聯電感—電容低頻濾波器。

3 計算值與試驗值得比較

表1為我公司800～1600kVA常規干式變壓器額定電流和半額定電流下的時間常數計算值與試驗值的比較。

4 結論

干式變壓器的負載能力取決于繞組熱時間常數。繞組熱時間常數不是固定不變的，它不但取決于繞組本身的熱容、額定損耗和額定溫升，而且還隨初始負載系數和過載系數的大小而變化。本文所提供的熱時間常數計算公式及方法能較準確的計算環氧樹脂澆注式干式變壓器的熱時間常數，并經過試驗驗證時切實可行的。

王洪澤］