電力變壓器溫升試驗標準計算方法溯源探討

何東升,唐莉莉,朱天重

(國家中低壓輸配電設備質量監督檢驗中心,廣東 東莞 523325)

電力變壓器溫升試驗標準計算方法溯源探討

何東升,唐莉莉,朱天重

(國家中低壓輸配電設備質量監督檢驗中心,廣東 東莞 523325)

介紹了電力變壓器溫升試驗的基本情況，概述了電力變壓器溫升試驗國內外主要遵循的三個標準，通過方法溯源和公式推導，驗證了國內外三個標準計算方法最終結果的一致性。此研究對電力變壓器溫升試驗標準計算方法及準確判定具有一定的指導意義，且進一步保證了溫升試驗結果的準確性。

標準；變壓器；溫升試驗；計算方法

1 引言

電力變壓器溫升試驗是保證產品安全運行和使用壽命的重要試驗，其目的是檢驗在規定狀態下變壓器油、繞組等有無過熱；主要用來表明設計制造出的變壓器，在帶額定負載長期持續運行中所產生的穩態溫升值，不應超過標準或技術合同中所規定的限值。電力變壓器作為電力系統中主要設備之一，其運行的可靠性直接關系到整個電網系統的安全運行。而大部分電力變壓器的壽命終結是因為絕緣能力喪失，而影響絕緣能力的主要因素為變壓器運行時繞組的熱點溫度，所以，變壓器溫升試驗結果的準確度直接影響變壓器初始設計和日后正常運行。由于各個地域國情不同，變壓器溫升試驗所遵循的標準不同，其試驗方法也稍有區別，同時，在溫升試驗過程中未必施加規定的總損耗值和額定電流，所以必須進行折算，由于在折算或計算過程中，GB(國標)、IEC(International Electrotechnical Commission，國際電工委員會)標準和ANSI(American National Standards Institute，美國國家標準學會)標準校正方法的不一致性，或必導致最終試驗結果的矛盾性或不統一性。

2 電力變壓器溫升試驗簡述

目前，關于油浸式電力變壓器溫升試驗，國內主要遵循標準為GB1094.1-1996《電力變壓器第1部分 總則》和GB1094.2-1996《電力變壓器第2部分 溫升》，分別等效采用對應于IEC標準為IEC60076-1-1993《Power transformers-Part 1:General》和IEC60076-2-1993《Power transformers-Part 2:Temperature rise》，而美國國家標準主要遵循標準為ANSI/IEEE C57.12.00-2006《 Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配電源和調壓變壓器的標準通用要求)》和ANSI/IEEE C57.12.90-1999《Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配電源和調壓變壓器的標準試驗規程)》，由于國標等效采用IEC標準，除溫升限值稍有所不同外，其試驗方法和折算方法都完全一致，在IEC60076-2-1993標準中規定“測定油浸式變壓器的標準方法是短路接線的等效試驗法”，也可按協議采用“相互負載法”。ANSI美國國家標準ANSI/IEEE C57.12.90-1999中，規定可按下列方法之一進行：(1)實際負載；(2)模擬負載(包括短路法和相互負載法)。以上標準所有試驗方法中，以短路法即短路接法的等效試驗法，最為簡單，采用最為廣泛，所以本文將此方法作為研究討論的對象，試驗接線如圖1所示，將試品的一側繞組短路，另一側供電，首先使其輸入功率等于規定總損耗；當溫升穩定后持續3h，再降低電流到額定電流，持續1h即可[1-2]。

圖1 溫升試驗接線圖

3 國內外溫升試驗標準概述

目前，油浸式電力變壓器溫升試驗，國內外主要遵循以上三個標準：GB1094.2-1996《電力變壓器第2部分 溫升》和IEC60076-2-2011《Power transformers-Part 2:Temperature rise for liquid-immersed transformers》(電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升)以及ANSI/IEEE C57.12.90-1999《Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配電源和調壓變壓器的標準試驗規程)》，其中GB1094.2-1996版本即將被GB1094.2-2013《電力變壓器第2部分 液浸式變壓器的溫升》(2013年12月17日發布，2014年12月14日實施)版本代替。

4 電力變壓器溫升計算方法比較

4.1 國標溫升計算方法

4.1.1 繞組平均溫升的確定

依據GB1094.2-1996規定，溫升試驗過程中當施加總損耗P=(P0+PK)，且頂層油溫變化率小于每小時1k時，持續3h，并取3h的最后一小時內讀數的平均值作為變壓器油的平均溫度T1，當持續3h后再施加一個小時由總損耗P降為額定電流Ir時，即僅施加負載損耗PK時，變壓器油的平均溫度變為T2，由此可以推測出，由空載損耗P0所引起的變壓器油的溫升為(T1-T2)，在切斷電源時，繞組的平均溫度通過切斷電源時的電阻值經計算確定為θ1，施加總損耗末了時的環境溫度測定為θ0，則變壓器繞組平均溫升Δθ=θ1-θ0+T1-T2=T1-θ0+θ1-T2=(T1-θ0)+(θ1-T2)，即GB1094.2-1996第5.2.2條款中注釋描述的“在負載變化下計算溫升時，將繞組平均溫升看成兩部分是便利的：即油平均溫升(高于冷卻介質溫度)加上繞組平均溫度與油平均溫度之差[2]”，由于試驗過程中，施加總損耗P′和施加電流I′與規定總損耗P和額定電流Ir存在一定偏差，需要進一步折算到規定總損耗和額定電流下，根據GB1094.2-1996第5.6.1條款公式進行推導校正：

(1)

4.1.2 變壓器頂層油溫升的確定

施加總損耗P=(P0+PK)時，變壓器頂層油的溫度為T3，則變壓器頂層油的溫升為：

Δε′=T3-θ0

(2)

校正到規定總損耗下頂層油溫升為：

(3)

式中：P0—空載損耗；PK—負載損耗；P—規定總損耗；P′—施加總損耗；T1—施加總損耗末了時油的平均溫度；T2—施加額定電流末了時油的平均溫度；θ1—斷電源時繞組的平均溫度；θ0—施加總損耗末了時的環境溫度；Δθ—繞組平均溫升；Δε′—頂層油溫升；Δε—校正的頂層油溫升；x=0.8對配電變壓器(自然冷卻，最大額定容量2500kVA)；x=0.9對ON冷卻方式且額定容量大于2500kVA的變壓器；x=1.0對ON或OF冷卻方式的變壓器;y=1.6對ON或OF冷卻方式的變壓器；y=2.0對OD冷卻方式的變壓器。

4.1.3 繞組熱點溫升的確定

熱點是繞組絕緣系統中任何部位的最高溫度，并假設為代表了變壓器的熱極限狀態，獲得繞組熱點溫升的方法主要有二種：直接測得和溫升估算。

(1)直接測得主要采用光纖傳感器監測繞組熱點溫度，即熱點溫升Δθh計算如下：

Δθh=θh+Δθof-θ0

(4)

式中：θh—電源斷開時繞組熱點瞬間的溫度；

Δθof—在額定電流下1h試驗期間的頂層液體溫度的降低值；

θ0—施加總損耗末了時的環境溫度。

(2)溫升估算即繞組熱點相對于環境空氣或冷卻水的溫升通常以油箱內的頂層液體溫升為基準，按下式確定：

Δε+H×g

(5)

式中：Δε—校正的頂層油溫升；H—熱點系數；g—繞組對油平均溫度梯度；H=1.1，對配電變壓器;H=1.3，對中型變壓器;H=制造商按要求提供數據，對大型變壓器。

4.2 IEC標準溫升計算方法

國標GB1094.2-1996等效采用標準IEC60076-2-1993版本，除溫升限值稍有所不同外，其計算方法和折算方法都完全一致，且與標準IEC60076-2-2011版本計算方法也完全一致，所以不再贅述。

4.3 ANSI標準溫升計算方法

4.3.1 繞組平均溫升的確定

美國國家標準ANSI/IEEE C57.12.90-1999明確規定：繞組的平均溫升可以用頂層油溫升或用平均油溫升計算，當所用電流不是額定電流時，應采用平均油溫升方法來決定繞組平均溫升。①在頂層油溫升方法中，繞組平均溫升等于在總損耗下運行時所測得的頂層油溫升加上一個量值(在切斷電源時的繞組平均溫度減去切斷電源時頂層油溫度)。②在平均油溫升方法中，繞組的平均溫升是在總損耗下運行時所測得的平均油溫升加上一個量值(在切斷電源時的繞組平均溫度減去切斷電源時的平均油溫度)。當在任一被試繞組中流過的電流不等于額定電流時，測出的切斷電源時繞組的平均溫度與切斷電源時的平均油溫度之差，應利用下式校正到額定電流下的繞組平均溫升[8]。

(6)

式中：TC—校正到切斷電源時的繞組平均溫度與切斷電源時平均油溫度之差的校正值;

T0—切斷電源時的繞組平均溫度與切斷電源時平均油溫度之差的實測值;

m—0.8，對于冷卻方式為OA，FA及非導向的FOA和FOW;

m—1.0，對于導向的FOA和FOW。

校正后的繞組平均溫升是在施加總損耗運行時測得的平均油溫升加上式(6)求出的TC。

當實際施加損耗與要求施加損耗之差在20%范圍以內時，進行校正：

(7)

式中：Td—油溫升的校準值，℃；

Tb—油溫升的實測值，℃；

n—0.8，對于冷卻方式為OA；

n—0.9，對于冷卻方式為FA；

n—1.0，對于冷卻方式為FOA和FOW

校正的油溫升=實測油溫升+Td

(8)

由式(6)～式(8)可以推出：

(9)

4.3.2 變壓器頂層油溫升的確定

根據式(8)所示：

(10)

根據以上推導，可以得出：

4.3.3 繞組熱點溫升的確定

美國國家標準ANSI/IEEE C57.12.90-1999關于繞組熱點溫升無詳細敘述，僅提到“除繞組外的各個金屬部件上的溫升應使用熱電偶或合適的溫度計測定”。

5 結論

根據以上的討論分析，對于電力變壓器溫升試驗標準計算方法，GB1094.2-1996和IEC60076-2-2011以及ANSI/IEEE C57.12.90-1999三個標準中，由于區域和國情的不同，所遵循的試驗方法各有遺缺或稍有不同，但大同小異。同時，對于溫升試驗計算方法，根據推導，GB1094.2-1996(等效采用IEC60076-2-1993)對于繞組平均溫升所采用的校正計算公式(1)與ANSI/IEEE C57.12.90-1999所采用的校正計算公式(9)最終完全等同，同樣，GB1094.2-1996(等效采用IEC60076-2-1993)對于頂層油溫升所采用的校正計算公式(2)與ANSI/IEEE C57.12.90-1999所采用的校正計算公式(10)也完全等同。

綜上所述，盡管以上三個標準中，對于計算方法，盡管起始的校正公式不同，但卻殊途同歸，辯證統一，從而確保了電力變壓器溫升試驗在不同標準方法下試驗結果的一致性和準確性。通過以上三個標準的討論研究，對于變壓器生產企業和質檢機構，針對變壓器溫升試驗的方法和計算推導公式具有一定的指導意義。

[1] GB1094.1-1996 電力變壓器第1部分總則[S].1996.

[2] GB1094.2-1996 電力變壓器第2部分溫升[S].1996.

[3] IEC60076-1-1993 Power transformers-Part 1:General[S].1993.

[4] IEC60076-2-1993 Power transformers-Part 2:Temperature rise[S].1993.

[5] IEC60076-2-2011 Power transformers-Part 2:Temperature rise[S].2011.

[6] ANSI/IEEE C57.12.00-2006 Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers[S].IEEE-SA標準委員會，2006.

[7] ANSI/IEEE C57.12.90-1999 Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers[S].IEEE標準委員會,1999.

Discussion on Traceability of Power Transformer Temperature Rise Test Standard Calculation Method

HEDong-sheng,TANGLi-li,ZHUTian-zhong

(China National Quality Supervision and Testing Center for Mid-Low Voltage Transmission and Distribution Equipment,Dongguan 523325,China)

This paper introduces the current situation of power transformer temperature-rise test,and summarizes the power transformer temperature rise test mainly follow three standards,at home and abroad.Through traceability and formula derivation,the consistency of the final result of these three standard calculation methods has been verified.This study has great significance to temperature rise test standard calculation method and accurate judgement,and further ensure the accuracy of the temperature-rise test results.

standard ；transformer；temperature-rise test；calculation method

1004-289X(2015)02-0001-04

TM406

A

2014-12-11

何東升(1978-)，男，工程師，碩士研究生，主要從事能源與動力系統中電力電子及其控制的應用和高低壓電器產品的試驗、認證與研發。