大型油浸式電力變壓器過負(fù)荷能力及熱點溫度計算實例

沈勇革，馮旺華

（重慶鋼鐵股份有限公司能控中心，重慶 401220）

大型油浸式電力變壓器過負(fù)荷能力及熱點溫度計算實例

沈勇革，馮旺華

（重慶鋼鐵股份有限公司能控中心，重慶 401220）

通過參照《油浸式電力變壓器負(fù)荷導(dǎo)則》對一臺大型油浸式電力變壓器熱點溫度及允許過負(fù)荷時間進行理論計算，作為變壓器過負(fù)荷運行情況的參考。

變壓器；過負(fù)荷能力；熱點溫度；計算

前言

電力變壓器在運行中，在高溫季節(jié)及大負(fù)荷情況下，變壓器會出現(xiàn)過負(fù)荷運行。從現(xiàn)有變壓器設(shè)計和型式試驗的熱特性數(shù)據(jù)來看，變壓器有一定過負(fù)荷潛力。依據(jù)國家電網(wǎng)電費政策，掛網(wǎng)運行的變壓器按容量收取基本電費，如筆者所在單位220 kV/120 MVA變壓器基本電費約為每月330萬元。

變壓器的絕緣壽命通常為10～20年，變壓器負(fù)荷高或冷卻介質(zhì)溫度高，導(dǎo)致絕緣的溫度高、絕緣老化加速和絕緣壽命縮短。變壓器在運行中，負(fù)荷和冷卻介質(zhì)溫度隨著時間和季節(jié)的變化而波動。特別是負(fù)荷曲線上的高峰時段，有可能出現(xiàn)過負(fù)荷運行。過負(fù)荷運行時間一般較短。所謂正常過負(fù)荷，就是在一個時間周期（通常是24 h）內(nèi)，過負(fù)荷時絕緣壽命的過度損失可由其他負(fù)荷較輕時間來補償，在這種情況下可認(rèn)為是與正常環(huán)境溫度下施加額定負(fù)載時是等效的，變壓器可長期安全運行。

在保證變壓器安全運行及不影響其壽命的情況下，如何充分挖掘變壓器的負(fù)荷能力，對降低用電成本，提高設(shè)備使用壽命意義重大。在本文中，筆者依據(jù)依據(jù)GB/T 15164-94《油浸式電力變壓器負(fù)荷導(dǎo)則》（以下簡稱導(dǎo)則）對本單位的220 kV/120 MVA變壓器進行過負(fù)荷能力及熱點溫度估算，以期對變壓器過負(fù)荷運行提供一定的理論支撐。

1 電力變壓器絕緣的熱點溫度的計算

1.1 電力變壓器熱點溫度的含義

變壓器的絕緣老化是受溫度影響引起，與固體絕緣材料直接接觸的金屬部分最熱點地方的絕緣材料老化速度最快，并最終決定著整個變壓器絕緣的壽命。因此，將絕緣熱點溫度定義為變壓器繞組絕緣最熱區(qū)的溫度，它是直接影響絕緣老化的關(guān)鍵因素，也是限制變壓器過負(fù)荷運行能力的主要條件。

1.2 電力變壓器熱點溫度計算公式

筆者所在單位運行的220 kV/120 MVA變壓器在出廠時未安裝直接測量最熱點溫度的設(shè)備，無法直接測量最熱點的溫度。故需按導(dǎo)則中的相關(guān)規(guī)定以計算的方法估算出最熱點的溫升。對于ON冷卻方式的電力變壓器，在任何負(fù)載下的最熱點溫度等于環(huán)境溫度、頂層油溫升和熱點與頂層油之間的溫度差等三者之和。計算公式如下：

穩(wěn)態(tài)溫度方程式：

1.3 相對熱老化率及運行時間

按導(dǎo)則9.2條規(guī)定：在熱點溫度98℃下相對熱老化率為1，此熱點溫度在與“在環(huán)境溫度為20℃”和熱點溫升為78 K下運行”相對應(yīng)。相對熱老化率公式為：

導(dǎo)則規(guī)定：如果在運行時間內(nèi)的負(fù)載和環(huán)境溫度不變，其壽命的相對損失為V×t（t表示運行時間）。也就是說當(dāng)V越大，變壓器的壽命損失時間會越大。

例如在24 h的運行周期中，當(dāng)V為1，變壓器可安全可靠的持續(xù)運行24 h，但當(dāng)V為2時，變壓器在這一周期內(nèi)只能運行12 h，才能保證變壓器的正常使用壽命。

以24 h為一個周期，計算變壓器允許運行時間：

2 電力變壓器熱點溫度及熱老化率實例計算

2.1 典型熱特性參數(shù)

選用導(dǎo)則中在額定條件下油浸式電力變壓器ONAF（中、大型電力變壓器）的典型熱特性參數(shù)如下：

油的指數(shù) x：0.9；

繞組指數(shù) y：1.6；

損耗比 R：6；

熱點系數(shù)H：1.3；

油時間常數(shù) τ0：2.5 h；

環(huán)境溫度θa：20℃；

熱點溫升 Δθhr：78 K；

繞組平均溫升 Δθwr：63 K；

熱點對繞組頂部油的溫差Hgr：26 K；

油平均溫升 Δθimr：43 K；

繞組頂部油溫升 Δθir：52 K；

底部油溫升 Δθbr：34 K。

對于 ON 冷卻方式，認(rèn)為 Δθir＝Δθor。

2.2 變壓器主要參數(shù)

220 kV/120 MVA電力變壓器參數(shù)如下：

額定容量：120000/120000/60000 kVA；

空載損耗：75 kW；

負(fù)載損耗：高壓－中壓：394.3 kW；

中壓－低壓：94.5 kW；

高壓－低壓：129.1；

冷卻方式：ONAN/ONAF。

2.3 變壓器其他參數(shù)計算

2.3.1 變壓器負(fù)載損耗變壓器負(fù)載損耗

因該變壓器低壓線圈供電負(fù)荷為補償電容器組。且日常運行時電容器一般很少投入三組，故變壓器負(fù)載損耗計算公式簡化為：

2.3.2 變壓器損耗比

2.3.3 負(fù)荷率

3 計算實例

使用式（1）～（3）對變壓器相關(guān)運行參數(shù)的計算結(jié)果。

3.1 計算說明

負(fù)荷計算范圍為：90 MVA至160 MVA；環(huán)境溫度范圍為：25℃至42℃，以每上升2℃制作一個數(shù)據(jù)表。部分計算結(jié)果見表1。

3.2 負(fù)荷與允許運行時間關(guān)系見圖1

圖1 負(fù)荷及環(huán)境溫度與允許運行時間關(guān)系圖

4 變壓器負(fù)荷能力計算數(shù)據(jù)表的意義

從表1及圖1中可以看出環(huán)境溫度的升高與負(fù)荷的增加，變壓器運行時間呈指數(shù)趨勢變化。如變壓器達到額定負(fù)荷（120 MVA），環(huán)境溫度在25℃時，運行時間約為13 h，當(dāng)環(huán)境升至30℃時，運行時間約僅為9 h。

表1 變壓器熱點溫度及允許運行時間計算表（部分）

表1中的計算結(jié)果是根據(jù)導(dǎo)則表2的典型熱特性數(shù)據(jù)計算，需要說明的是，導(dǎo)則因變壓器相關(guān)的熱特性數(shù)據(jù)不全，以及計算方法是理論公式，計算數(shù)據(jù)不一定精準(zhǔn)。但表中的數(shù)據(jù)反映出的變壓器在不同負(fù)荷及環(huán)境溫度情況下的運行時間所表現(xiàn)出來的趨勢，對實際運行有一定的參考價值。表1中的數(shù)據(jù)可作為實際運行的變壓器在相應(yīng)的環(huán)境溫度及負(fù)荷條件下過負(fù)荷運行的時間的參考。

5 結(jié)束語

本文通過參照《油浸式電力變壓器負(fù)荷導(dǎo)則》對一臺電力變壓器熱點溫度及運行時間進行了計算，對變壓器運行有一定的參考價值。新版的《電力變壓器負(fù)荷導(dǎo)則》對熱點溫度的計算方法有所變化，筆者也期待能夠?qū)⑵溆糜谥笇?dǎo)運行。

對于電力系統(tǒng)運行，筆者更傾向于能夠通過專用設(shè)備實時測量準(zhǔn)確掌握包含變壓器在內(nèi)的電力設(shè)備的各類運行參數(shù)。

[1]GB/T 15164-94，油浸式電力變壓器負(fù)荷導(dǎo)則[S].

[2]劉潤.變壓器過負(fù)荷運行研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009，24.

[3]卞超，李軍.大型電力變壓器過負(fù)荷能力計算[J].江蘇電機工程，2005，02.

[4]胡惠然，盧理成.湖北電網(wǎng)110～ 220 kV主要電力變壓器過負(fù)荷能力分析[J].湖北電力，2004，12.

Overload Capacity and Hot Spot Tem perature Calculation of Large Oil-immersed Electricity Transformer

SHEN Yongge，F(xiàn)ENG Wanghua
（Energy Sources Center of Chongqing Iron and Steel Co.Ltd,Chongqing 401220,China）

In this paper,the hot spot temperature and allowable overload time of a large oil-immersed power transformer are theoretically calculated with referring to the load guidance of oil-immersed power transformer,to provide reference for transformer overload operation.

transformer,overload capacity,hot-spot temperature,calculation

TM41

B

1006-6764(2018)01-0007-03

2017－09－15

沈勇革（1963－），男，1985年畢業(yè)于重慶大學(xué)電力工程系，高級工程師，現(xiàn)從事電力技術(shù)研究工作。