變壓器動態增容節能技術研究

趙鏡如++陳黎明

摘要 變壓器是電網中傳輸電力的樞紐設備，由于負荷的日益增大，迫切需要對現有變壓器進行節能運行和增容改造。本文圍繞變壓器節能運行及增容問題，比較研究現有的數值計算法、負載導則推薦算法和熱路模型法等的優劣，從中選取并改進為基于平均油溫的熱路模型法來計算變壓器內的熱點溫度。得到的算法所需參數較少、計算實時性好，并具有較高的準確性和廣泛適用性，這是實現變壓器動態增容節能系統的基礎。本文以改進的熱路模型為基礎，研究了一套變壓器動態增容節能系統。它通過對變壓器的實時監測、計算及預測，給出變壓器動態增容的合理依據。

關鍵詞 變壓器；節能；增容；熱路模型

中圖分類號 TM4

文獻標識碼 A

文章編號2095-6363（2015）10-0027-02

1 本文研究背景和意義

隨著我國經濟的飛速發展，市場對用電量的需求連年加大，必須增大變電站的容量，如果能對變壓器當前負荷下的熱點溫度進行計算預測，即可提高變壓器的利用率和容量。所以，對變壓器實施節能運行及增容技術，可加強現有電網結構、挖掘現有電網潛力，是現行電網出現的熱點難點問題，對其展開研究，具有重大的工程意義。現在國內一般的增容方法是更換變壓器，要考慮到原有變壓器基礎是否可以承載新變壓器，另外，國內現在常用的對現有變壓器增容改造的方法是降損改造。

變壓器結構復雜，由于受工程實際條件的限制，現在大部分使用的測量方法為間接測量法，即估算熱點溫度。估算的方法有三種，一是數值計算法，二是國標推薦計算法，三是熱路模型計算法。本文選取熱路模型進行改進。估算時邊界條件諸如環境溫度、日照輻射、自然風等外界環境因素會對變壓器運行產生一定的影響，

2 基于平均油溫計算變壓器熱點溫度的熱路模型的建立

改進傳統的熱路模型，建立基于平均油溫計算變壓器熱點溫度的熱路模型是本文的核心思想。

2.1 各因素影響分析

1）對鐵芯與繞組發熱的分析。在變壓器油循環過程中，鐵芯發熱不會使繞組熱點溫度直接升高，因此，在三層熱路模型中的最上層計算熱點溫度的熱路模型里，不考慮空載損耗這部分發熱所引發的熱效應。

2）太陽輻射對變壓器熱點溫度的影響分析。考慮到變壓器在室外運行時受到來自太陽的輻射，可以把這部分輻射帶來的熱量作為電流源加到熱路模型中。

3）變壓器損耗的計算及修正。運行中的變壓器，繞組跟鐵芯即為主要熱源，損耗等效于熱源，通常認為變壓器的總損耗為空載損耗和負載損耗之和，即：

其中，g為變壓器總損耗、q_fe為變壓器空載損耗、q_f，為變壓器負載損耗。

4）溫度對變壓器油密度和油粘度的影響。變壓器油的密度則隨溫度變化較大，在計算熱容時必須考慮這部分影響。據傳熱學理論，變壓器油的非線性熱阻 由以下公式得出：

油粘度隨溫度的變化要比油其他物理參數隨溫度的變化大得多，因此可以將方程（2-2）中除油粘度以外的所有物理參數由常數代替，經過一系列代入轉化，則方程可化為其最終形式：

上式便是考慮到溫度對變壓器油粘度的影響后，求解熱路模型的微分方程。

5）繞組平均溫度的求取。決定變壓器運行容量的主要因素具體是由變壓器內部溫度來反映的。通常對電力變壓器內部溫度的監測為頂層油溫及熱點溫度，大多數電力變壓器的熱點溫度都是通過計算而來。

2.2 熱路模型中散熱熱阻的求取

1）變壓器箱體對外散熱熱阻。變壓器箱體對外散熱方式有三種，散熱方式不同，其熱阻的計算方法也不同。

（1）箱體輻射散熱熱阻。

輻射散熱熱量計算通常按照斯忒藩一玻耳茲曼公式求解：

其中AO為變壓器平均油溫升，經過數次迭代后即可求得熱阻的精確值。

（2）箱體對流散熱熱阻。

在忽略箱體對外輻射的影響下，整個箱體對流散熱熱阻即為箱體傳導熱阻與對流熱阻的串聯，即：

變壓器片式散熱器散熱熱阻。

變壓器片散的散熱方式通常也有幾種，根據不同散熱方式熱阻的求取也不同。

（1）片散輻射散熱熱阻。與變壓器箱體相同，油浸式電力變壓器大多數片式散熱器每片片散同樣會對外輻射散熱，但由于各片片散排列緊密，每片輻射散出的熱量又會被相鄰的片散吸收，所以在計算每組片散的對外輻射量時，僅需考慮最外層一片的輻射（最右側一片）。

（2）片散對流散熱熱阻。片散整體對流散熱熱阻實際為油流散熱熱阻、油管傳導熱阻和片散表面對流散熱熱阻三者的串聯，現分別介紹各部分熱阻的求取方法。

①片散內油流冷卻熱阻的求取。

在ONAN（內部油自然對流冷卻方式，即通常所說的油浸自冷式）或ONAF（強迫對流冷卻方式）冷卻方式變壓器中，對于油流散熱熱阻可分為水平油道和豎直油道分別求取，一組片散外油道內油流散熱熱阻為：

若一臺變壓器設有m組片式散熱器，則全部片散油流散熱熱阻為：

②油管傳導熱阻的求取。片散上油管傳導熱阻的求取方法同變壓器箱體傳導熱阻，這里不做具體分析。

③片散外表面對流散熱熱阻的求取。在計算熱阻前，仍需對片散作出與變壓器箱體類似的假設，根據變壓器冷卻方式的不同，熱阻的求取也略微不同：

a） ONAN冷卻方式下片散表面對流散熱熱阻為：

b） ONAF冷卻方式。當變壓器外部片散下方裝有冷卻風扇時，片散外表面對流散熱方式在ONAN的基礎上還疊加了冷卻風扇強迫對流過程。設受風扇影響下的片散數目為 ，不受風扇影響的片散數目為 ，則此種情況下片散表面對流散熱的熱阻為：

3 模型算法準確性校驗

油浸式電力變壓器內部油流循環方式通常分為如下三種：ONAN、ONAF、ODAF （ODAF為強迫油循環導向冷卻方式）。總的來說，只要設定好額定溫升初值，本熱路模型對不同油冷卻方式有著普遍適用性。雖然本熱路模型在大部分冷卻方式下均適用，但對于實際情況下外部片散、冷卻風扇位置不同等情況，還是需要對模型進行一定的修正。為驗證計算得到散熱熱阻的精確性，用一臺西門子公司500kV變壓器作為試驗數據作為對照，通過對比發現，強迫對流下理論計算熱阻值與實測值相差不大，然而自然對流下二者相差較大，計算得到散熱能力較小，而實際情況則比較大。基于此，根據計算得到的自然風影響下強迫對流散熱熱阻RN，油道總熱阻 ，由額定溫升數據計算得到的試驗條件下片散熱阻足，疊加合并得到當前環境條件下片散散熱熱阻：

而自然對流下片散散熱熱阻可直接通過試驗數據求得。結果證明這樣的處理是滿足精度要求的。

將本熱路模型計算結果與幾臺西門子公司變壓器實測溫升數據進行對比，計算與實測的一致驗證了模型在變壓器過負荷下溫度計算具有很好的精度。

4 變壓器增容（過負荷）運行方法評估

根據GB1094.7電力變壓器負載導則，變壓器增容運行時內部溫度值必須小于限制值，再引入“線一油溫差”這個指標，一般設為30℃。把此動態增容系統在三臺220kV和兩臺llOkV運行的變壓器上加以試用，對運行數據及環境條件分析后認為，在當天該運行工況下單臺變壓器至少可以增容60%。增容后其內部溫度曲線如圖l所示。從圖中可以看出，增容60%后本臺變壓器的頂油和熱點溫度距離限定值還有一段距離，也就是說本臺變壓器還具有一定的增容空間。通過計算實例說明，在本動態增容節能系統的監測計算下，變壓器完全可以在保證安全的前提下，實現長時間增容運行。

5 結論

本文研究了變壓器節能運行及增容技術，并研制了一套變壓器動態增容節能系統，并在鄭州供電公司得到應用。該項技術研究通過了國網公司鑒定，成為國網公司系統首家采用此項技術的單位。由于客觀條件、時間等的限制以及其它方面的原因，所研究的課題還需要進一步的研究和完善。