基于歷史負荷趨勢的變壓器動態過負荷能力評估分析

劉宏亮，田 娜，潘 瑾，何 平，冀增華

（1.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；2.國網河北經研院，石家莊 050021；3.保定天威新域科技發展有限公司，河北 保定 071051）

0 引言

隨著國家經濟的發展，電網負荷高速增長，造成變壓器負荷率居高不下。電網運行遵循“N－1”安全標準，2臺及以上并列運行的變壓器，要求在其中1臺變壓器因故障退出運行時，剩余運行的變壓器負載率不應超過其短時過負荷能力。為滿足“N－1”標準，變壓器故障后短時過負荷能力往往成為決定變壓器正常運行允許負載率的關鍵性因素。

目前，電網運行的變壓器故障后短時過倍數通常為1.3～1.5，從而導致變壓器最大運行負載率相對較低。以短時過載倍數為1.3的變壓器為例，當2臺變壓器并列運行時最大負載率僅達到約65%，導致主變壓器負荷率相對較低。另外，這種情況也導致了變電站2臺主變壓器并列運行維持的時間較短。因此，動態的評估變壓器的過負荷能力，挖掘變壓器的過負荷能力就顯示出對變壓器運行的意義。

變壓器的過負荷會造成變壓器的壽命縮短，因為油浸變壓器的繞組多由A 級絕緣材料組成，其耐熱溫度在105℃左右，超過這個溫度，會使絕緣材料老化加劇，長期過負荷運行，會使變壓器出現過熱甚至燒毀現象。因此總結分析目前運行中的各類變壓器，不同冷卻控制方式、不同負荷特性、不同季節和環境溫度下的變壓器油溫變化及對負載能力預測的影響。基于統計學原理找出其與上述各影響因素的關聯關系。結合現有變壓器負載運行導則和冷卻器控制策略，基于提高變壓器運行效率、延長壽命和節能降耗的原則，建立一套根據具體變壓器結構、負荷特點、環境因素參與優化運算的過負荷能力預測的計算模型。

1 變壓器過負荷能力制定依據

變壓器的絕緣老化［1－2］主要是由于溫度、濕度、氧氣和油中的劣化產物化學反應引起的，其中高溫是促成老化的直接原因。運行中絕緣工作溫度越高，化學反應進行的越快，絕緣老化就越快。變壓器的預期壽命或老化程度與繞組熱點溫度成指數比例關系，即高溫時絕緣老化的速度遠遠大于低溫時絕緣老化的速度。

根據GB 1094.7－2008《電力變壓器 第7 部分：油浸式電力變壓器負載導則》設計的變壓器，在額定負載和正常環境溫度下，最熱點溫度的基準值為98 ℃，在此溫度下，變壓器相對老化率為1。為了判斷變壓器在不同負荷下的絕緣老化的情況，可將變壓器在某一段時間間隔內實際損耗的壽命對繞組溫度維持恒定98 ℃時所損耗的壽命，求出其比值，稱為絕緣老化率V。根據參考文獻［3］可知V＞1時，變壓器老化率大于正常老化率，預期壽命將大為縮短；如果V＜1，則變壓器負荷能力未得到充分利用。因此在一定時間間隔內，維持變壓器的老化率接近1，是制定變壓器過負荷能力的主要依據。

2 變壓器過負荷能力分析

變壓器的額定容量，即銘牌容量是在規定的環境溫度下，長期能按這種容量連續運行，并能獲得經濟合理的效率，且具有正常的預期壽命（20～30年）。實際上變壓器的負荷變化很大，不可能固定在額定值運行，在短時間間隔內，有時超出額定容量運行，在另一部分時間間隔內又是欠負荷運行。因此，有必要給出一個短時容許負荷及主變壓器的負荷能力，它不同于額定容量，變壓器的負荷能力指在短時間內所能輸出的功率，在一定條件下，它可能超過額定容量。變壓器過負荷的直接結果是繞組和變壓器油的溫度升高，影響變壓器的壽命。

變壓器負荷能力的大小和持續時間決定于變壓器的電流和溫度不超過規定的限值；在整個運行期間變壓器總的絕緣老化不超過正常值，即過負荷時間絕緣老化多一些，在欠負荷期間絕緣老化要少一些，只要二者可以相互補充，總的損失不超過正常值，能達到正常預期壽命即可。

3 基于歷史負荷趨勢的過負荷能力算法

基于溫度限值的方法是計算變壓器過負荷時間的普遍算法，如式（1）所示：

式中：Δθht為熱點溫度；ΔθOTt為頂層油溫升；K1為變壓器初始負載系數；K2為變壓器負載變化后的負載系數；gr為繞組對油的平均溫升；t為負載系數為K2的運行時間，min；τw為繞組熱時間常數，min。

根據所給參數和熱點溫度，求出時間t，該算法是根據變壓器的實時數據和目標負荷計算出變壓器從當前負荷過負荷到目標負荷后所能堅持的時間。然而該方法只考慮了穩態的負荷，并沒有考慮未來時間內可能動態變化的負荷數據，根據大量試驗結果推算，利用該算法計算出過負荷時間t后，在實際情況下有時會得到運行時間不到t時變壓器就開始出現故障，也就是說變壓器的負荷能力沒那么高；有時又會得出運行時間比t高出好幾倍的結果，這樣會大大浪費變壓器資源，降低運行效率。因此，提出一種基于歷史負荷趨勢的變壓器動態過負荷能力的評估算法。歷史負荷趨勢匹配法的流程示意見圖1。

圖1 歷史負荷趨勢流程

3.1 滑動窗口匹配法

該方法是可以選擇任意1天的負荷趨勢、上周平均負荷趨勢或上1個月的平均負荷趨勢。對于上周平均負荷，要對每1天同一時間段的負荷數據設置權重。同理，對于上個月的平均負荷，要對每1周的負荷數據設置權重，最后得出的都是1天的平均負荷數據。圖2、3分別是周歷史負荷趨勢和月歷史負荷趨勢計算流程圖。

圖2 周歷史負荷趨勢流程

圖3 月歷史負荷趨勢流程

3.2 負荷相似度法

負荷相似度匹配法是自動選擇上個月中和當天負荷趨勢最相似的一天作為歷史負荷趨勢，通常通過比較2天負荷數據的Manhattan距離來計算2天負荷數據的相似度。

3.3 平均值法

平均值法是利用歷史負荷趨勢圖進行負荷能力評估的算法。首先根據當前負荷K和目標負荷，利用基于溫度限值的算法計算出變壓器過負荷時間理論值t，以此為依據，查詢歷史負荷趨勢中當前負荷K1和當前t時間段內平均負荷數據K2，并進行比較。

a.如果負荷沒有變化，即K1＝K2，則基于歷史負荷趨勢的過負荷時間值等于t，說明變壓器過負荷時間沒有變化。

b.如果負荷下降，即K1＞K2，則基于歷史負荷趨勢的過負荷時間值將延長運行時間，目標負荷將改為－（K1－K2），然后根據當前負荷K和目標負荷，利用溫度限值的算法更新過負荷時間。

c.如果負荷上升，即K1＜K2，則基于歷史負荷趨勢的過負荷時間值將縮短運行時間，目標負荷將改為＋（K2－K1），然后根據當前負荷K和目標負荷利用溫度限值的算法更新過負荷時間。

圖4（a）和圖4（b）分別是歷史負荷和當前負荷示意圖，當前負荷為0.8，過負荷到1.1的理論極限時間為t，查看歷史負荷趨勢t時間段內負荷上升率為0.1，則實際計算負荷為0.8到1.2的極限時間t′，因此顯示參考歷史趨勢的1.1 倍過負荷極限時間為實際變壓器1.2倍過負荷的極限時間t′。

圖4 歷史負荷和當前負荷示意

4 實例分析

試驗樣機為1臺三相三繞組180MVA／220kV變壓器，無風扇和潛油泵（ONAN），在各種負荷狀態下的熱平衡和溫度分布歷時3天，獲得了幾萬個測量數據。各種負荷狀態下，在導則規定的時間內，頂層油溫升達到限值且與繞組熱點溫度達到了熱平衡狀態，而繞組熱點溫度并未達到限值。不同負荷狀態下熱點溫度值見圖5。

圖5 不同負荷狀態下熱點溫度值

首先利用滑動窗口匹配法或者負荷相似度匹配法生成歷史負荷趨勢圖，如圖6所示。

圖6 歷史負荷趨勢

變壓器當前數據為損耗比6.4，頂層油溫升32.8 ℃，油平均溫升15.3 ℃，繞組平均溫升1.6℃，環境溫度40℃，絕緣熱點溫度140℃，當前負荷70%，變壓器樣機當前負荷數據如圖7所示。根據當前數據利用平均值法和國際標準算法計算出來的變壓器過負荷時間見表1。

圖7 當前負荷數據

表1 平均值法負荷能力計算結果

由表1中基于歷史負荷趨勢和基于溫度限值2種方法的計算結果可見，在相同環境溫度及起始負荷的條件下，采用前者既能保證變壓器安全穩定運行，又提高了變壓器的資源利用率，挖掘變壓器的實際過負荷能力，滿足實際運行的需要。

5 結論

a.利用光纖測溫技術對220kV 變壓器產品進行了溫度場溫度計算，試驗驗證動態過負荷評估模型，其模型算法優于國標標準算法，結果表明，此模型充分的挖掘變壓器的過負荷能力的潛力。

b.對基于歷史負荷趨勢和基于溫度限值2種方法進行計算及實例比較，論述變壓器動態過載能力評估方法，基于歷史負荷趨勢的計算既能保證變壓器安全穩定運行，又提高了變壓器的資源利用率，值得推薦采納。

c.對于運行中的變壓器，基于溫度限值的算法已經不能滿足實際要求，根據變壓器歷史負荷趨勢計算的過負荷能力更能反映變壓器的實際過負荷水平。

d.對于變壓器的實際過負荷能力，除按照上述算法計算外，還應結合變壓器的實際運行情況考慮變壓器是否適合過負荷運行。例如，當變壓器冷卻裝置異常、油色譜有過熱現象、局部放電異常等。

［1］卞 超，李 軍.大型電力變壓器過負荷能力計算［J］.江蘇電機工程，2005，24（2）：12－14.

［2］劉 潤.變壓器過負荷能力的探討［J］.青海師范大學學報，2010（2）：27－28，37.

［3］GB 1094.7－2008，電力變壓器 第7部分：油浸電力變壓器負載導則［S］.