油浸式配电变压器过载能力分析

油浸式配电变压器过载能力分析

张卓贝

广州民能电力工程有限公司广东省广州市510000

摘要：油浸式配电变压器是一种比较“平民化”的用电设备，变压器是高压电路运输过程中必不可少的设备，其需求量比较广泛，油浸式配电变压器不仅价格适中而且性能好使用方法简便，所以深受民营企业和民用建筑的青睐，正因为数量多所以其过载能力对于我国的国家电网安全来说有着非同凡响的意义，和我国大部分国民的用电安全息息相关。本研究主要分析的是采用混合绝缘系统的油浸式配电变压器的过载能力，并根据结果提出优化过载能力的方案。

关键词：油浸式配电变压器；混合绝缘系统；过载能力

引言：因为目前大多都是采用混合绝缘系统的油浸式配电变压器，自然而然它也成为本研究的主要分析对象，长期急救负载和短期积极负责下油浸式配电变压器的运行状态是不相同的，所以用特定的热点模型分别对不同负载状态下的油浸式配电变压器进行过载能力分析能够更好更全面地找到优化油浸式配电变压器过载能力的方法。

1、油浸式配电变压器过载能力评估

数学模型的建造和使用主要取决于试验的思路和目的，目前所存在的热点模型不止一种，本研究就根据本次分析的思路和目的选取了指数方程法来进行评估。

式中，θ1（ｔ）为热点温度；θ2为环境的温度；Δθa为在初始状态下顶层油温升；Δθb为总损耗下顶层油温升；Ｈa为在初始状态下热点与顶层油温度的差量；Ｈb为额定电流下热点与顶层油温度的差量；Ｒ为负载损耗与空载损耗之比；I为负载系数；X为顶层油指数；z为绕组指数。函数g1（ｔ）为反映顶层油温升上升量的时间函数，g2（ｔ）为反映热点对顶层油温度差变化的时间函数，g3（ｔ）为反映顶层油温升降低量的时间函数。

1.1、长期急救负载下油浸式配电变压器过载能力评估

由本研究所选定的温度计算模型可以分析得出，当变压器运行时间t足够长时，g1(t)、g2(t)这两个函数值可以取1，和g3(t)值函数可以取0。我们设定环境温度为正常20摄氏度，热特性参数取值为油指数x为0.8，绕组指数y为1.6，油时间常数τo为180，绕组时间常数τw为4，常数k1为11.0，常数k2为11.0常数k2为22.0，损耗比Ｒ5热点系数为H1.1，总损耗下顶层油温升Δθ2为55，额定电流下热点对顶层油温度梯度H2为23，在过载倍数升高的时候，长期急救负载下变压器热点温度计算公式为θh=20+13.117(1+5K2)0.8+23K1.6，其自变量仅为过载倍数，利用这个计算公式可根据标准规定的热点温度限值确定变压器容许过载倍数。当长期持续1.1倍过载时，变压器热点温为108.263℃，实际寿命缩短为设计寿命的25.91%;长期持续1.2倍过载时，变压器热点温度为120.305℃，实际寿命缩短为设计寿命的5.67%;长期持续1.3倍过载时，变压器热点温度为132.091℃，实际寿命缩短为设计寿命的2.3%;长期持续1.34倍过载时，变压器热点温度为139℃，实际寿命缩短为设计寿命的0.77%。

1.2、短期急救负载下油浸式配电变压器过载能力评估

短期急救负载下油浸式配电变压器的过载能力的测定和长期急救负载下所使用的热点模型是相同的，为了减少其他因素对于试验的干扰，在对短期急救负载下变压器的分析所设定环境温度也是20摄氏度，热特性参数取值为油指数x为0.8，绕组指数y为1.6，油时间常数τo为180，绕组时间常数τw为4，常数k1为11.0，常数k2为11.0常数k2为22.0，损耗比Ｒ5热点系数为H1.1，总损耗下顶层油温升Δθ2为55，额定电流下热点对顶层油温度梯度H2为23，短期急救负载下变压器热点温度计算公式为θh(t)=［13.117(1+5K2)0.］×(1－e－t180)+23K1.6(1－e－t8)，通过试验作出在短期急救负载下过载倍数和热点温度变化的折线图表，根据折线图表所表现的趋势可以分析得出，在短期急救负载下，油浸式配电变压器热点温度和过载时间呈正向关系，但是并非是一次函数关系，更接近指数函数关系，即油浸式配电变压器的温度升高最终会是一个恒定的数值，而并非无线增大，换而言之过载时间对于热点温度的影响是有限制的。同样作出不同过载倍数和热点温度的图表，这个关系图表设定的时间是30min内的运行时间，由图表中的变化趋势可以分析过载倍数和热点温度也是呈正向关系，热点对顶层油温度梯度和顶层温升也是呈正向关系。过载倍数为1.4时，长期过载热点温度稳态值为146℃，运行时间为30min时热点温度不足120℃，寿命损失为3.19h。

2、影响过载能力的因素

2.1、环境温度

从热点模型分析结果热点温度和过载倍数和过载时间有着密切的关系我们可以得知温度对于油浸式配电变压器有着重要的影响力，而环境温度作为最基本的条件其对于变压器应该会影响比较深远。从研究结果可以分析得到，环境温度和油浸式配电变压器在长期急救负载下的过载能力是呈负关系。在试验中将环境温度从20度升高到45度的过程中，其容许过载倍数由1.32倍降至1.12倍，可以计算出来在上升的过程中，其容许过载倍数下降比例约14%，并且随着环境温度的上升，容许过载倍数呈一次函数关系下降。而短期急救负载下油浸式配电变压器受环境温度的影响结果的大致趋势和长期急救负载下的结果是相同的，当环境温度为20℃时油浸式配电变压器1.8倍过载倍数下容许过载时间为80.235min。在保持过载倍数1.8倍不变的情况下，容许过载时间随环境温度变化时在环境温度由20℃上升至40℃时，容许过载时间由78.1min降低至21.3min，即在我们所选定的温度变化区间里，随着环境温度的上升，容许过载时间下降的速度是逐渐变慢的。

2.2、配电变压器绝缘散热

由上述温度对于过载能力的影响可以得知配电变压器的绝缘散热能力和其过载能力理应存在着一定的关系。当变压器的绝缘散热能力比较好的时候，就意味着其温度上升相对缓慢，换一种思维去思考，如果计算这一段时间的平均温度，那么散热比较好的变压器的平均温度就会比较低，则配电变压器过载能力越强。油浸式配电变压器一般采用ONAN散热方式，该种冷却方式适合31500kV·A以下容量和35kV以下电压等级的油浸式变压器。所以要想提高变压器的过载能力就要提高ONAN散热的效率这个思路去进行结构优化。

2.3、其他因素

除了本研究上述分析的因素外，影响油浸式配电变压器的过载能力还有很多因素，但是都是以上述两种因素为主，其他因素对于其过载能力有一定的影响但是影响比较少如符合也会影响变压器的过载能力。其中极限负荷持续时间越长，变压器的损耗也会增大，当冷却系统无法及时将热量散出时，变压器内部温升将急剧升高，从而导致过载能力降低。从该因果关系来看该因素最终都是通过改变温度来改变其过载能力，所以温度才是影响其过载能力的最大因素，其他因素的最终结果大部分都是影响其温度来影响其过载能力。

3、优化过载能力的方法

要想解决问题就要找到问题主要矛盾，要分析该问题矛盾的普遍性和特殊才能够顺利解决该问题。从本研究来的分析和研究来看影响油浸式配电变压器的主要矛盾是温度，那么要想优化其过载能力就要解决温度这个矛盾。用不同的思维方式会有不同的解决办法，例如可以直接改变绝缘绕体耐高温的能力，从而改变温度与过载能力的关系来从本质上改变其过载能力，一般选择成本不太高的采耐高温的DPE绝缘纸取代普通纤维素纸，从上述研究知道绝缘散热能力影响着油浸式配电变压器的过载能力，如果我们采用耐高温的DPE绝缘纸，油浸式配电变压器的的热点极限温度会提高，那么其过载能力就会随着温度的升高能力下降的速度也会减慢。除了从本质上改变其过载能力外，还可以改变其温度。例如缩小散热油道，提高其绝缘散热能力均可以提高其过载能力。

结束语：用电安全问题关系到千千万万的老百姓，电是危险性很高但同时又十分便利的能源，人们对其的依赖性也十分地高。所以油浸式配电变压器的过载问题对于电网安全来说有着非同凡响的意义，通过研究分析只要解决温度的问题就能够很好地优化过载的问题，所以DPE绝缘纸取代普通纤维素纸和控制环境温度是势在必行的。

参考文献

[1]刘睿,张宗喜,蒋伟,刘丹华,刘豫川,赵莉华.油浸式配电变压器过载能力研究.[J].科学技术与工程，2016(36)：166-172

[2]赵莉华,刘丹华,张宗喜,刘睿,蒋伟,王仲.混合绝缘系统油浸式配电变压器过载能力分析及结构优化.[J].水电能源科学，2017(10)：180-183