干式變壓器熱時間常數(shù)的計算和試驗方法

單志輝

（順特電氣設(shè)備有限公司 廣東 佛山 528300）

干式變壓器熱時間常數(shù)的計算和試驗方法

單志輝

（順特電氣設(shè)備有限公司 廣東 佛山 528300）

干式變壓器短時過負荷運行能力取決于繞組熱時間常數(shù)，故準確計算繞組熱時間常數(shù)，對提高干式變壓器設(shè)計水平及降低干式變壓器成本起到十分重要的作用，因而受到普遍重視。本文重點討論了干式變壓器熱時間常數(shù)的計算和試驗驗證方法。

熱時間常數(shù)；溫升試驗

0 概述

變壓器短時過負荷（以下簡稱過載）運行是一種發(fā)熱的過渡過程。過載某一時刻的繞組溫升可按下式計算：

式中t——過載時間，min；

θ——過載時間為t所對應(yīng)的繞組平均溫升，K；

θ0——t=0時繞組平均溫升，即正常運行時繞組初始溫升，K；

θw——過載穩(wěn)定后繞組的平均溫升，K，與變壓器過載倍數(shù)有關(guān)；

τ——在過載狀態(tài)下的熱時間常數(shù)，min。

干式變壓器和油浸變壓器不同的是沒有油，因此在討論干式變壓器短時過負荷能力時僅需考慮干式變壓器高、低壓繞組的短時過負荷能力。由（1）可知，繞組短時過負荷能力的大小取決于繞組的熱時間常數(shù)，而熱時間常數(shù)和繞組的熱容量、損耗水平以及額定溫升等因素密切相關(guān)。

1 熱時間常數(shù)的計算

干式變壓器的熱時間常數(shù)（理想值）是指干式變壓器在恒定負債條件下，溫升達到變化值的63.2%所需經(jīng)歷的時間，也等于變壓器從穩(wěn)定溫升狀態(tài)下斷開負載，在自然冷卻狀況下，溫升下降63.2%所需的時間，對于干式變壓器，其高低壓相互獨立，故計算時需分別處理。

根據(jù) IEEE C57.96-1999（R2005）IEEE Guide for Loading Dry-Type Distribution and Power Transformer中A.8.3提供的公式：

式中：τR——額定負載下的熱時間常數(shù)，min；

C——比熱容，W·min/K；

Δθr——額定負載下的穩(wěn)定溫升，K；

θe——鐵心引起的溫升對線圈的影響，對于內(nèi)線圈，取20K，外線圈，取 0K;

Pr——線圈的負載損耗，W。

對于比熱容C的計算，通常采用以下公式：

式中：Ccon——導(dǎo)體的比熱值，Cu取6.42（W·min）/（kg·K），Al取 14.65（W·min）/（kg·K）；

mcon——導(dǎo)體質(zhì)量，單位kg；

Cins——絕緣材料的比熱，對于樹脂取24.5（W·min）/（kg·K）；

mins——絕緣材料質(zhì)量，單位kg。

需要注意的是，在式（3）中的樹脂比熱值取24.5（W·min）/（kg·K）與 IEEE C57.96-1999（R2005）IEEE Guide for Loading Dry-Type Distribution and Power Transformer中選用的6.35（W·min）/（kg·K）是有很大區(qū)別的，這是因為，在美國，應(yīng)用最廣泛的干式變壓器主要還是敞開式的，而不是環(huán)氧澆注式的，其絕緣材料和組成也不一樣。根據(jù)相關(guān)參考資料，環(huán)氧樹脂的比熱約 2000J/kg·K=33.3（W·min）/（kg·K）,環(huán)氧澆注干式變壓器繞組中的主要填充材料為玻璃纖維的比熱約為800J/kg·K=13.3（W·min）/（kg·K）,繞組中樹脂質(zhì)量與玻璃纖維質(zhì)量的比值大于1。因此，樹脂及其它繞組絕緣的比熱應(yīng)不小于23.3（W·min）/（kg·K），根據(jù)實際測量約為 24.5（W·min）/（kg·K），IEEE C57.96-1999（R2005）中給出的 6.35（W·min）/（kg·K）是切實際的。

此外，對于不同的負載條件，變壓器的初始溫升和穩(wěn)定溫升也各不相同，因此，其熱時間常數(shù)取值也不相同，根據(jù)IEEE C57.96-1999（R2005）IEEE Guide for Loading Dry-Type Distribution and Power Transformer采用公式（4）進行計算：

式中：m為經(jīng)驗系數(shù)，通常取0.8。

圖1 溫升試驗帶電測溫電路圖

表1 時間常數(shù)計算值與試驗值得比較

2 變壓器時間常數(shù)測量試驗

變壓器熱時間常數(shù)測量試驗，即測量變壓器的平均溫升變化到63.2%所需經(jīng)歷的時間，其實質(zhì)是測量變壓器溫度上升過程中的電阻變化情況，其試驗可與變壓器溫升試驗同時進行，其關(guān)鍵在于帶電測溫。以相互負載法進行溫升試驗為例，試驗電路圖如圖一所示，具體事項如下：

2.1 按圖1可進行高壓、低壓帶電測溫。

2.2 測低壓熱電阻時：Ty低壓中點引線可作電流回路，T1低壓中點引線可作電壓回路。Tx低壓側(cè)中點應(yīng)引出兩跟線：一為電壓回路，一為電流回路。

2.3 測高壓熱電阻時：Ty高壓中點引線可作電流回路，T2高壓中點引線可作電壓回路。（同理）

2.4 測低壓電阻時：因為電阻很小，應(yīng)選四端式電橋 （即雙臂電橋），可測 10-6～102Ω,最好是反接法。

2.5 測高壓電阻時，根據(jù)三相并聯(lián)電阻的預(yù)值的大小來選擇電橋接法。若小于100Ω，可采用雙臂電橋，大于100Ω以上用單臂電橋。此圖是雙臂電橋，按正接法。

2.6 送電時，要測（低壓側(cè)/高壓側(cè)）電壓回路的零序電壓，應(yīng)小于1V以下，否則檢流計受電流干擾，測不出數(shù)。如果有較大電壓，應(yīng)設(shè)法濾波，并在檢流計回路上串聯(lián)電感—電容低頻濾波器。

3 計算值與試驗值得比較

表1為我公司800～1600kVA常規(guī)干式變壓器額定電流和半額定電流下的時間常數(shù)計算值與試驗值的比較。

4 結(jié)論

干式變壓器的負載能力取決于繞組熱時間常數(shù)。繞組熱時間常數(shù)不是固定不變的，它不但取決于繞組本身的熱容、額定損耗和額定溫升，而且還隨初始負載系數(shù)和過載系數(shù)的大小而變化。本文所提供的熱時間常數(shù)計算公式及方法能較準確的計算環(huán)氧樹脂澆注式干式變壓器的熱時間常數(shù)，并經(jīng)過試驗驗證時切實可行的。

王洪澤］