諧波對變壓器絕緣老化的影響分析

張 乾,胡雪凱,戎士洋,周 文

(1.國網河北省電力有限公司檢修分公司,河北 石家莊 050070；2.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

變壓器作為必要的變電設備在電力傳輸和供配電中發揮著巨大的作用,其安全經濟運行至關重要[1-3]。變壓器的鐵心以及繞組等部件在運行時會引發損耗產生熱量。

隨著非線性負荷的迅速增長以及電力電子技術的大規模應用,導致電網的諧波問題日趨嚴重[4-7],而變壓器長期在諧波環境下運行時會產生大量的損耗、發熱[8-9],使得變壓器絕緣老化加速,不僅會導致相應的壽命降低,而且會因為絕緣層遭受破壞引發安全事故[10-12]。關于諧波對變壓器損耗、溫升和壽命的研究比較多,但都只是傳統的直接從單方面研究損耗與溫升以及溫升與壽命的關系[13-16],沒有從諧波角度出發,將三者的內在關系聯系在一起,關于諧波對變壓器絕緣耐壓水平影響的研究更是微乎其微。

為避免溫度過高引發事故,在變壓器中會增加冷卻裝置來降低溫度。目前,變壓器的冷卻方式包括自然油循環(簡稱“ON”)、強迫油循環(簡稱“OF”)、強迫油循環導向(簡稱“OD”)等冷卻方式[17-18]。本文針對以上3種冷卻方式的變壓器,結合最熱點溫度與諧波含量的關系,分別研究了其熱老化率、絕緣老化加速因子、剩余壽命與諧波含量的量化關系。

1 最熱點溫度與諧波含量的關系

現場工程中,最熱點溫度與諧波含量的關系可以根據測量數據表達為:

式中:θg為頂層油對空氣的溫升；θg-R為額定條件下頂層油對空氣的溫升；θTO為最熱點導體對頂層油的溫升；θTO-R為額定條件下導體對頂層油的溫升；PLL為某諧波含量下的負載損耗；PNL為空載損耗；PLL-R為額定電流下的負載損耗。

最熱點導體相對空氣溫升為θ=θTO＋θg。

2 最熱點溫度對熱老化率的影響

上面研究了諧波對最熱點溫度的影響,下面從壽命損失來看溫升對變壓器絕緣的影響。溫度對變壓器的絕緣老化速度起很大影響,運行時的溫度越高,氧化反應發展越快,導致絕緣老化的速度加快,對設備的壽命造成的影響越大。由Montesinger公式可以得出相對壽命損失率,即額定負荷條件溫度θCr時的壽命損失率與某一溫度θC時的壽命損失率之比:

通常,額定負荷條件的溫度取值為98℃。將公式(3)中的對數換算為以10為底,得到下式:

于是,變壓器的絕緣壽命絕對損失可以表達為:

式中:V為相對壽命損失率；n為總的時間區間；h i為第i個時間區間下負載的運行時間。

用Montesinger老化壽命公式的倒數表示熱老化率:

式中:const為諸多因素的歸一化影響因子,如纖維制品的內在質量以及環境參數等因數；P為環境變化系數,在實際溫度為80～140℃可取為常數。

相對熱老化率的定義為:

相對熱老化率隨著最熱點溫度的抬升將變得越來越嚴重,其關系曲線成指數上升:若變壓器溫度高于98℃,相對熱老化率將超過1；若溫度達到變壓器運行限值140℃,絕緣相對熱老化率超過120。

3 最熱點溫度對絕緣老化加速因子與剩余壽命的影響

在IEEE Sta C57.19.00[19]中提出了老化加速因子的概念,并定義老化加速因子FAA與最熱點溫度之間的關系為:

老化加速因子更加明確地反映了變壓器絕緣剩余壽命,而最熱點溫度對熱老化率的影響一節是在討論變壓器絕緣的老化速率,對于實際估算變壓器絕緣剩余壽命具有理論指導意義,但仍需要更多的數據與參數。當研究老化加速因子在諧波畸變電流下的影響關系時,直接將最熱點溫度與諧波電流畸變率關系式換算即可(設環境溫度為30℃)。

在IEEE Sta C57.19.00中同時提出了利用老化加速因子來判斷變壓器剩余壽命的計算公式。假設普通變壓器的工作壽命(即絕緣壽命)為30 a,則剩余壽命可表示為:

4 仿真分析

根據最熱點溫度與諧波含量的關系,將最熱點溫度轉換為諧波存在時諧波電流畸變率,在額定負載下,對諧波電流畸變率與變壓器的絕緣相對老化率、老化加速因子和剩余壽命3種關系分別進行仿真。對于ON冷卻方式的變壓器,要考慮配電變壓器和大中型變壓器2種情況。

4.1 諧波電流總畸變率對絕緣相對熱老化率的影響

結合最熱點溫度與諧波含量公式,對ON冷卻方式、OF冷卻方式和OD冷卻方式的變壓器絕緣相對熱老化率與諧波電流總畸變率關系進行仿真,仿真曲線見圖1。

由圖1可知,在ON冷卻方式下,絕緣相對老化率隨著諧波電流總畸變率的上升而增加,由于溫升離限值有一定距離,老化率變化相對平穩,但老化程度依然很大。在OF冷卻方式下,隨著諧波電流總畸變率的增加,絕緣相對老化率也相應增加,且上升幅度相對ON冷卻方式要高。在OD冷卻方式下,絕緣相對老化率隨著諧波電流總畸變率的增加而增加,上升幅度相對ON和OF冷卻方式的變壓器更高。

圖1 變壓器相對熱老化率與諧波電流總畸變率關系

4.2 諧波電流總畸變率對變壓器老化加速因子的影響

結合最熱點溫度與諧波含量公式,在額定負載時,對ON冷卻方式、OF冷卻方式和OD冷卻方式的變壓器老化加速因子與諧波電流總畸變率關系進行仿真,仿真曲線見圖2。

圖2 變壓器絕緣老化加速因子與諧波電流總畸變率關系

由圖2可知,變壓器在ON冷卻方式下,隨著諧波電流含量的增加,老化加速因子也相應變大,諧波總畸變率為20%左右時,老化加速因子達到1。同時,配電變壓器和大中型變壓器的老化加速因子隨著諧波電流總畸變率變化趨勢相同,即對于ON冷卻方式下的變壓器老化加速因子與變壓器容量無關。變壓器在OD以及OF冷卻方式下,隨著諧波電流總畸變率的增加,變壓器的老化加速因子也在增加,而且2種不同冷卻方式下的仿真曲線變化趨勢相同,但OD方式下變壓器老化加速因子明顯要比OF冷卻方式下的變化率大。

4.3 諧波電流總畸變率對變壓器剩余壽命的影響

對不同冷卻方式下變壓器剩余壽命與諧波電流總畸變率的關系進行仿真,仿真曲線見圖3。

圖3 變壓器剩余壽命與諧波電流總畸變率關系

由圖3可知,3種不同冷卻方式下變壓器的剩余壽命與諧波電流含量的變化趨勢相同,剩余壽命隨著諧波電流總畸變率的上升而降低,近似成線性關系。在ON冷卻方式中,同一諧波電流總畸變率下,大中型變壓器剩余壽命相對配電變壓器較短。

5 結論

根據3種不同冷卻方式下絕緣相對熱老化率、老化加速因子、剩余壽命與諧波電流總畸變率的關系分析與仿真,可以發現:相對熱老化率曲線變化規律近似成指數關系,與國家標準中變壓器溫升每上升6℃絕緣相對熱老化率增加1倍的結論相互驗證。隨著諧波電流含量的增加,老化加速因子也相應變大,在諧波總畸變率為20%左右時,老化加速因子將超過1。剩余壽命隨著諧波電流總畸變率的上升而降低,近似成線性關系。