高過載配電變壓器設計要點及其經(jīng)濟性能分析

郖冠星 張健飛

摘要：高過載配電變壓器具有節(jié)能環(huán)保、無功損耗低、空載電流小、抗突發(fā)短路能力強等良好性能，在年平均負荷低、負荷季節(jié)性強、負荷波動大的農(nóng)村電網(wǎng)中的應用越來越廣。根據(jù)高過載的性能要求，分析了高過載配電變壓器的設計思路及要點和絕緣材料對高過載性能的影響，基于此試制了樣機，并對其進行過負載曲線溫升計算驗證和過負載能力試驗證其高過載性能。依據(jù)標準中推薦的綜合能效費用的計算方法對高過載配電變壓器進行經(jīng)濟性能分析。結(jié)果表明，提出的高過載配電變壓器的設計思路具有可行性和經(jīng)濟性，為高過載配電變壓器設計和推廣應用提供參考。

關(guān)鍵詞：高過載配電變壓器;絕緣材料;驗證;經(jīng)濟性能

中圖分類號：TM41文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）12-0246-05

Key Technology and Economic Performance Analysis of HighOverload Distribution Transformer

Xuan Guanxing，Zhang Jianfei

（ Pearl Electric Co. ，Ltd. ，Guangzhou 511400，China ）

Abstract：High overload distribution transformers have good performance such as energy saving and environmental protection，low reactive power loss，small no-load current，strong anti-sudden short circuit ability and so on. They have been used more and more widely in rural power grids with low annual average load，strong seasonal load and large load fluctuation. Based on the performance requirements of high overload，thedesign ideas and key points of high overload distribution transformers and the influence of insulation materials on high overload performancewere analyzed，according to the design idea and the selection principle of insulating material，the prototype was tri-manufactured and its high overload performance was verified by the temperature rise calculation of the load curve and the over-load capacity test. According to the calculation method of comprehensiveenergy efficiency cost recommended in thestandard，theeconomicperformanceof thehigh overload distribution transformer was analyzed. The results verify the feasibility and economy of the design idea of high-overload distribution transformers and provide reference for the design and popularization of high-overload distribution transformers.

Key words：high overload distribution transformer;insulation material;verification;economic performance

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，農(nóng)村及偏遠地區(qū)用電設備逐漸多樣化，居民用電量不斷增長，部分地區(qū)用電增長量超過了電網(wǎng)規(guī)劃時的預留容量，形成“過負荷”現(xiàn)象，進而影響農(nóng)村電網(wǎng)的正常供電，使一些地區(qū)在用電高峰時期出現(xiàn)停電現(xiàn)象，嚴重影響居民的正常生活。解決配電變壓器過載運行問題的方法有幾種：一種是單純增加配電變壓器的容量，但這樣不僅造成電網(wǎng)投資成本的提高，且增加了變壓器的空載損耗;另一種是根據(jù)居民用電情況選用調(diào)容變壓器，但這種變壓器的投資成本也很高，所以針對農(nóng)村用電高過載情況，在一定時間段內(nèi)具有較強的負載運行能力的高過載配電變壓器是比較經(jīng)濟和有效[1]。

由于各國的國情和城鎮(zhèn)化建設程度的不同[2]，高過載配電變壓器在國外研究應用較少，國內(nèi)關(guān)于高載配變的研究也是近幾年才開始，實際應用也比較少。為解決農(nóng)村地區(qū)短時段內(nèi)嚴重過載的問題，近年來，國網(wǎng)公司積極開展和推動農(nóng)村地區(qū)配電網(wǎng)高過載能力變壓器的研制，并于2014年頒布Q/GDW11190-2014《農(nóng)網(wǎng)高過載能力配電變壓器技術(shù)導則》以指導農(nóng)村地區(qū)配電網(wǎng)高過載配變的推廣應用。

因此，本文根據(jù)高過載配電變壓器的應用邊界條件和運行特點，從設計思路及要點、材料選用和驗證等關(guān)鍵技術(shù)對其過載性能進行分析，并在基于DL/T985-2012《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟評價導則》推薦的綜合能效費用的計算方法，對高過載配電變壓器的經(jīng)濟性能進行分析，以便更好地在農(nóng)村配電網(wǎng)中推廣該類變壓器的使用。

1 高過載的性能要求

國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準Q/GDW11190-2014對高過載能力配電變壓器的定義為：滿足本標準的過載曲線，且不影響正常使用壽命的配電變壓器。

根據(jù)過載曲線要求[3]，產(chǎn)品在正常溫升試驗要求的基礎(chǔ)上，滿足1. 5倍額定容量6h （負荷上升和下降階段各3h ）、1. 75倍額定容量3 h （負荷上升和下降階段各1. 5 h ）、2. 0倍額定容量1h 階段性連續(xù)運行且不影響變壓器正常使用壽命，溫升試驗施加電流過程曲線如圖1所示。

同時，高過載配電變壓器溫升應滿足絕緣等級限制值，溫升限值如表1所示。

2 高過載配電變壓器的設計思路及要點

為保證高過載配電變壓器的過載能力滿足標準Q/GDW11190-2014的要求，在開展配電變壓器設計和制造時需采取以下設計思路和設計要點。

2. 1 設計思路

高過載配電變壓器其結(jié)構(gòu)和原理與普通變壓器相似，其主要是通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、選用高耐溫絕緣材料和利用散熱原理等進行設計研制，保證配變在高過載運行時，溫升限值滿足所選用絕緣材料耐熱等級標準要求，同時油箱不出現(xiàn)滲、漏油現(xiàn)象，且不會縮短配變的正常使用壽命。

2. 2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

配變高過載運行，為保證其溫升不超過標準溫升限值，需盡量增加高、低壓繞組的油道數(shù)量，增加繞組的散熱面積，以降低繞組對油的溫升;鐵心選用新型優(yōu)質(zhì)高導磁低損耗冷軋取向硅鋼片，必要時選用具有軟磁特性的非晶合金鐵心，以降低產(chǎn)品的空載損耗，提高產(chǎn)品的過載能力;增加油箱散熱片的數(shù)量，可增加油箱的散熱面積，以降低變壓器頂層油對外部空氣的溫升。

3 高過載對絕緣材料選用的影響

當配電變壓器過載運行時，繞組、線夾、引線和變壓器油等絕緣材料的溫度將會升高，由于絕緣系統(tǒng)的老化和壽命時間與溫度有很大的關(guān)系，為得到最佳的變壓器熱性能和經(jīng)濟性能，按GBZ1094. 14-2011《電力變壓器第14部分：采用高溫絕緣材料的液浸式變壓器的設計與應用》的指導要求，可選取B級絕緣的半混合絕緣系統(tǒng)方案，即針對不同的溫度區(qū)域選用耐熱等級不同的絕緣材料。

3. 1 繞組絕緣材料選用

繞組是熱源產(chǎn)生的最主要源頭，滿足高過載運行，與發(fā)熱導線接觸的絕緣均需用高耐熱等級絕緣材料，通過溫升仿真分析如圖2所示，繞組的最熱點并不在繞組的頂部，而是在繞組頂部往下一點的區(qū)域，所以對于導線絕緣、層間絕緣必須采用高耐熱等級絕緣材料，導線絕緣推薦選用耐熱等級為F級的漆包銅導線，層間絕緣推薦選用耐熱全膠紙，而其他絕緣包括端絕緣可選用常規(guī)絕緣材料。

3. 2 器身絕緣材料選用

器身的絕緣分布在不同的溫度區(qū)域，撐板、鐵軛隔板、相間隔板貼近熱源區(qū)域，且散熱條件較差，需選用耐熱等級為B 級及以上的絕緣材料，其他的絕緣材料并沒有貼近熱源區(qū)域，且油的流動性較好，工作區(qū)域溫度不高，可以選用常規(guī)的絕緣材料。

3. 3變壓器油選用

過載運行時變壓器油溫上升，如出現(xiàn)長期周期性過載，若采用礦物油，由于礦物油的耐熱等級為A級，會縮短油紙絕緣系統(tǒng)的壽命，降低供電可靠性，同時存在火災隱患。根據(jù)表2所示的適用于液浸式變壓器的絕緣液體綜合性能參數(shù)，從環(huán)保、安全可靠性能方面分析，F(xiàn)R3植物油具有更優(yōu)異的性能，優(yōu)選采用FR3植物油。

4 高過載對密封性能的影響

變壓器的高過載運行會使油箱的油溫和內(nèi)部壓力升高，長期作用下，會使油箱出現(xiàn)變形，密封件出現(xiàn)發(fā)脆并失去密封作用，嚴重時會出現(xiàn)油箱漏油問題和附件故障甚至是爆炸事故，嚴重影響產(chǎn)品的安全運行[4]。針對上述問題，在產(chǎn)品設計時需采取以下控制措施。

（1）對油箱強度進行加強處理，同時考慮在油面與箱蓋之間增加氣隙或在油箱上部安裝儲油柜，提高油箱的機械強度和油膨脹量。

（2）選用具有高耐溫特性的密封件，如丙烯酸酯橡膠密封件或氟橡膠密封件，保證繞組內(nèi)部運行溫度不會影響密封件的密封性能。

（3）對于有電流參數(shù)要求的附件，如分接開關(guān)、套管等，需按額定容量電流的1. 5倍以上要求選取，以避免在過載運行時附件出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，保證產(chǎn)品安全運行。

5 高過載性能驗證

以絕緣系統(tǒng)耐熱等級為B 級的高過載配電變壓器S13-M （ B ）-630/10 GZ 設計為例，按以上的設計思路和絕緣材料選用原則，將高過載630 kVA 變壓器進行高過載性能驗證，以驗證其過載性能和產(chǎn)品可靠性。產(chǎn)品的具體設計數(shù)據(jù)如表3所示。

5. 1 過負載曲線溫升計算驗證

根據(jù)負載曲線特性，采取暫態(tài)過負載時的熱點溫升計算公式，對產(chǎn)品過載曲線下的溫升進行計算驗證，計算公式：

式中：Δθi 為負載率In 開始時的起始溫升，K;Δθt 為負載變化t時間后的溫升，K;Δθu 為負載率Iu 不發(fā)生變化情況下的最終溫升，K;t 為時間，min;τ為給定負載下繞組的時間常數(shù)，min，對變壓器油一般取150～210 min，保守取值150 min。

計算結(jié)果如表4所示。

根據(jù)上述計算結(jié)果，在全過程的過負載曲線下，油的最高點溫升為58. 8 K，繞組的最高點溫升為71. 1 K，滿足油頂層溫升不大于80 K、繞組溫升不大于85 K 的要求。

5. 2 過負載能力試驗證

對上述設計方案產(chǎn)品進行過負載能力試驗證，試驗樣品如圖3所示，試驗方法采用短路法，在額定分接下，過載能力試驗在變壓器正常溫升試驗后進行，施加總損耗3 h 至溫升穩(wěn)定，接著施加1. 5倍額定電流6 h，再施加1. 75倍額定電流3 h，然后施加2. 0倍額定電流1 h 后，立即切斷電源測量繞組熱態(tài)電阻。

整個試驗過程中壓力釋放閥沒有因過載而動作，油箱無滲漏現(xiàn)象，最終的過負載溫升結(jié)果如表5所示。

2. 0倍額定電流下高低壓繞組平均溫度變化曲線如圖4～5所示。

通過繞組熱點溫升估算公式：

式中：Δθh 為油箱頂層液體溫升，K;g 為繞組對油平均溫度梯度;H 為熱點系數(shù)，這里取1. 1。

求得高低壓繞組熱點溫升估算值，其計算結(jié)果如表6所示。

從以上的驗證結(jié)果可以看出，按以上設計思路設計的高過載配電變壓器，可以滿足標準Q/GDW11190-2014規(guī)定的過載運行性能要求。但通過上述的計算數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，繞組平均溫升試驗值比標準Q/GDW11190-2014規(guī)定的低約9 K，說明產(chǎn)品的設計裕度較大，而通過試驗數(shù)據(jù)估算的繞組熱點溫升比標準Q/GDW11190-2014規(guī)定只低2 K，設計值與試驗結(jié)果基本一致，這是一個矛盾點。從標準GB/T1094. 2規(guī)定的額定容量下的溫升限值可知，繞組的熱點溫升限值與繞組平均溫升限值之差為13 K，而標準Q/GDW11190-2014規(guī)定的高過載繞組熱點溫升限值與繞組平均溫升限值之差為10 K。變壓器在高過載曲線下運行，變壓器的溫升并沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)下的溫升，還在持續(xù)上升過程，油箱頂層液體溫度與底層液體溫度之差應該會比穩(wěn)定狀態(tài)下的要大，所以，從產(chǎn)品的經(jīng)濟性方面考慮，高過載配變的繞組熱點溫升限值可考慮適當放寬。

6 經(jīng)濟性能分析

為了分析高過載配電變壓器的經(jīng)濟性能，以上述設計方案配變S13-M （ B ）-630/10GZ 為例，將其和大容量變壓器作綜合對比，依據(jù)標準DL/T985-2012中工程經(jīng)濟的基本理論，在變壓器整個經(jīng)濟使用期內(nèi)，從變壓器的購置價格、空載運行費用、過負載能力等因素對變壓器經(jīng)濟性的影響，分析高過載配電變壓器的綜合經(jīng)濟性能。

6. 1 初始投資成本

變壓器初始投資成本包括設備采購、安裝、調(diào)試等費用，標準中使用參數(shù)CI 表示[5]。

6. 2 運行過程中空載損耗產(chǎn)生的費用

變壓器經(jīng)濟使用期內(nèi)，每年由于空載損耗產(chǎn)生的費用A ·P0表示，其中：

式中：Ee 為企業(yè)支付的單位電量電費;Ed 為企業(yè)支付的單位容量電費;Hpy 為變壓器年帶電小時數(shù);kpv 為現(xiàn)值系數(shù)。

式中：n 為配電變壓器的經(jīng)濟使用年限;i 為貼現(xiàn)率。

6. 3 運行過程中負載損耗產(chǎn)生的費用

每年由于負載損耗產(chǎn)生的費用B ·Pk 表示，對于同一臺區(qū)，不同方案變壓器因負載損耗產(chǎn)生的費用是相同的。

6. 4 綜合能效費用

變壓器經(jīng)濟試用期內(nèi)的綜合能效費用為：

通過上面綜合能效計算公式，可知變壓器綜合能效費用主要與產(chǎn)品購置費用、空載運行費用相關(guān)，下面將以630 kVA 容量產(chǎn)品為對象，將其與不同方案的變壓器進行綜合分析對比，分析高過載配電變壓器的綜合經(jīng)濟性能。

6. 5 全壽命周期內(nèi)TOC 經(jīng)濟性分析

對于適用高過載能力配電變壓電器的臺區(qū)，為保證其運行的安全性，根據(jù)其過負載情況，將630 kVA高過載配變與1000 kVA 和1250 kVA 普通標準配變進行綜合能效費用計算，3種方案變壓器的基本參數(shù)和購置費用如表7所示。本文中如無特殊說明，其他參數(shù)如貼現(xiàn)率i均取為8%，單位電量電費Ee 取0. 6元/kWh，單位容量電費Ed 取20元/kW，年帶電小時數(shù)Hpy 取8760 h。基于上述假定，分別選取30年、25年20年經(jīng)濟使用期，計算得到的綜合能效費用TOC 如圖6所示。

通過計算結(jié)果可看出，在不同的經(jīng)濟使用期內(nèi)，高過載配電變壓器的經(jīng)濟性能最好。同理，根據(jù)綜合能效計算公式，可得出，在不同的年貼現(xiàn)率下，高過載配電變壓器的經(jīng)濟性能也是最好。

7 結(jié)束語

本文在分析了高過載能力配電變壓器的設計思路及要點、絕緣材料選用對高過載的影響，并進行了樣機試驗證和高過載在全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟性能研究分析，得到的主要結(jié)論如下。

（1）通過樣機試驗證，本文所論述的設計思路及要點、絕緣材料的選用都是合理的，這種變壓器能滿足標準所要求的過負荷運行能力。

（2）從全壽命周期內(nèi)的綜合能效費用計算分析，高過載配電變壓器在標準要求的過負載曲線運行情況下具有較明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，可在農(nóng)村配電網(wǎng)中大力推廣應用。

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第一作者簡介：郖冠星（1985-），男，廣東廣州人，大學本科，研究領(lǐng)域為電力變壓器。

（編輯：王智圣）