電力變壓器過載能力評估

陳德

【摘 要】文章針對電力變壓器過載運行現(xiàn)象，分析對電力變壓器進行過載能力評估的重要性，并介紹了電力變壓器過載能力評估方法。

【關鍵詞】電力變壓器；過載能力

目前，在部分城市電網(wǎng)中，由于土地資源緊張，征地、拆遷的難度大，變電站選址和線路走廊的落實等電網(wǎng)建設中的難點問題，導致城市中心區(qū)域變電容量長期不足，電力變壓器負荷率居高不下。因此，電力變壓器的過載運行就成為短時間內(nèi)解決變電容量不足、緩解供電缺口的有效措施。但由于不同變壓器廠家的設計結構、所用材料不同，電力變壓器的過載運行能力不同，對于無法承受過載或過載能力不足的電力變壓器而進行過載運行存在很大安全運行風險。

1 電力變壓器過載能力評估的重要性

1.1 電力變壓器過載運行的影響

按照《GBT--1094.7-2008電力變壓器 第7部分：油浸式電力變壓器負載導則》，變壓器在不同運行狀態(tài)下，超銘牌額定值運行的限值規(guī)定如下：

變壓器的超銘牌額定值運行，即使在正常周期性負載下仍會帶來如下影響：

（1）繞組、線夾、引線、絕緣及變壓器油的溫度將會升高，且有可能達到不可接受的程度。

（2）鐵心漏磁通密度將增加，從而使與此漏磁通相耦合的金屬部件由于渦流效應而局部過熱。

（3）隨著溫度變化，絕緣和油中的水分和氣體含量將會發(fā)生變化。

（4）套管、電流互感器等附件也將受到較高的應力，從而使其結構和使用安全裕度受到影響。

（5）隨著溫度變化，變壓器油因膨脹可能會出現(xiàn)油位過高，甚至可能會引起溢油現(xiàn)場。

（6）在繞組熱點溫度突然升高超過臨界溫度時，絕緣紙和絕緣油（分解）會出現(xiàn)氣泡，使變壓器絕緣強度降低，引起故障。

由此可見，過載變壓器隨著電流和溫度的升高，增加了變壓器過早損壞的危險性，并且可能加快其老化的速度[1]。

1.2 電力變壓器過載能力評估的重要性

變壓器溫升滿足國家相關標準要求，是大型變壓器冷卻系統(tǒng)設計及改造的基本要求。變壓器的繞組溫升（或者溫度），是涉及變壓器絕緣熱老化壽命的關鍵，也影響了變壓器的過負載能力。繞組熱點溫度，是變壓器負載最關鍵的限制因素。但目前，隨著制造主材，特別是銅材、絕緣件的價格以及生產(chǎn)制造的成本大幅上漲，而變壓器總體價格還不斷下降的情況下，各生產(chǎn)廠家都在設計結構和設計裕度上做了調(diào)整，減少材料的使用，以適應新的生產(chǎn)成本。雖然大部分產(chǎn)品都能通過出廠試驗和型式試驗，但由于變壓器過載能力并不能在上述試驗中的得到考驗，因此變壓器廠家的設計調(diào)整影響到變壓器過載能力存在很大的可能性。

從掌握的數(shù)據(jù)來看，很多廠家標稱的繞組溫升都趨于臨界值，銅油溫差高達二十幾度，按照《GBT--1094.7-2008電力變壓器 第7部分：油浸式電力變壓器負載導則》規(guī)定：

熱點溫度=1.3倍銅油溫差+頂層油溫升+環(huán)境溫度[1]

按以上公式計算，意味著在迎峰度夏階段，在外部環(huán)境溫度達到40度左右，變壓器處于過載狀態(tài)時，繞組上部的熱點溫度極有可能會超過140℃，超過變壓器長期急救負載的繞組熱點溫度限值，引起故障。另外由于長期高溫，對絕緣造成累積性老化損壞，大大降低變壓器壽命，也給變壓器安全運行帶來很大風險。因此，對于需要過載運行的變壓器，必須進行過載能力評估。

2 電力變壓器過載能力評估方法

電力變壓器過載運行能力評估，除了要通過測算各項參數(shù)計算推導，還需要通過試驗手段加以驗證，驗證主要從溫升試驗和分析絕緣老化程度方面入手。

2.1 變壓器溫升試驗方法

參照溫升試驗方法，分別將額定負載和長期急救負載的電流加入變壓器相應的時間，證實在起始負載系數(shù)1.0，過負載系數(shù)1.3，環(huán)境溫度30℃，頂層油溫不超過115℃，熱點溫度不超過140℃的狀態(tài)下，主變超銘牌額定值負載運行時間， 通過測量熱點溫度來驗證評估變壓器過載能力。

溫升試驗采用短路法進行，試驗原理接線圖如圖1所示。將試品的低壓側繞組短路，高壓側供電。采用電容補償電源容量不足。在高低側散熱器各加裝一段溫度取樣管，測量油箱出口溫度。在主變四周設置不少于三個的環(huán)溫取樣點，其熱時間常數(shù)應接近主變本體，以盡量抵消環(huán)溫波動的影響。

第一階段：按常規(guī)溫升程序進行，輸入功率等于總損耗，在頂層油溫升穩(wěn)定后，轉為按額定電流輸入，保持一小時，利用繞組溫度計測量繞組熱點溫度。并采用紅外測溫裝置監(jiān)控油箱外部金屬件因附加渦流引起的過熱情況。

第二階段：按1.3倍額定電流輸入，利用繞組溫度計測量繞組熱點溫度，記錄溫度變化情況，監(jiān)控頂層油溫是否超過115℃， 監(jiān)控繞組熱點溫度是否超過140℃（環(huán)境溫度30℃）。并采用紅外測溫裝置監(jiān)控油箱外部金屬件因附加渦流引起的過熱情況。

2.2 變壓器的絕緣老化程度分析

油紙絕緣的老化也會提高水分含量，即便是沒有呼吸過程的變壓器，水分也可能達到一個危險水平。水分進入油-紙絕緣會產(chǎn)生三種危險后果：降低絕緣強度，加速纖維老化（去聚合）并在高溫下釋放出氣泡?！禝EC 60422-2013？？電氣設備中的礦物絕緣油.監(jiān)督和維護指南》中將 6% 以上的潮濕飽和度歸類為“中度潮濕”，相當于大約 2.2% 水含量。在這樣含水量下的水分子開始變得更活躍，導致被測變壓器處于危險的濕度條件下。若絕緣含水量達到2%，變壓器在超銘牌額定值的負載運行，熱點溫度達到140℃時，在高場強區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)氣泡，使絕緣強度下降，危及變壓器運行安全[2]。因此評估電力變壓器的過載能力，必須分析變壓器的絕緣老化程度。

目前變壓器絕緣老化程度的檢測方法有多種，有：氣相色譜法、糠醛含量分析法、聚合度分析法等。在實際應用中可根據(jù)自身條件，適當選擇來操作，一般情況下，通過多種方法獲得檢測數(shù)據(jù)，然后綜合分析，所得結論更為準確。endprint

2.2.1 氣相色譜法（DGA）

利用氣相色譜法分析油中CO、CO2含量，根據(jù)CO、CO2的數(shù)值大小及變化趨勢來判斷變壓器內(nèi)部固體絕緣老化程度。當油樣中CO、CO2含量與初始數(shù)值相比較有快速增長時，往往預示著變壓器內(nèi)部可能存在故障，其中一種情況就是固體絕緣老化。絕緣老化程度越高，變壓器油中CO、CO2值越高。變壓器油中CO、CO2注意值如表2所示。

表2 變壓器油中CO、CO2注意值（N為運行年數(shù)）

《T7252-2001變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》推薦的三比值法，是建立在DGA數(shù)據(jù)基礎上的，可用來判斷變壓器內(nèi)部故障的性質。當變壓器故障涉及固體絕緣材料時，有CO和CO2 產(chǎn)生。在絕緣老化診斷中，將CO、CO2作為特征氣體，其含量在一定程度上反映了變壓器絕緣老化的狀況?！秾t》指出：當懷疑變壓器固體材料老化時，一般CO2/CO的比值>7；當懷疑故障涉及固體絕緣材料時（>200～C），CO2/CO比值<3。[4]

但是，變壓器油中CO、CO2的產(chǎn)生原因眾多，除絕緣紙老化外，絕緣油老化、有機漆料、水分、氧氣等也不同程度地影響變壓器油中CO、CO2含量。因此，直接采用CO、CO2含量判斷變壓器固體絕緣老化程度不確定性較高，一般只作為參考。

2.2.2 糠醛含量分析法

20世紀80年代初，Buron等人在分析兩臺主變事故原因時，發(fā)現(xiàn)油中溶解了以糠醛為主的呋喃類化合物[5]，其分子式為C5H4O2。由于變壓器油中糠醛的產(chǎn)生僅僅來自于纖維素材料的老化分解，而且根據(jù)實驗分析結果表明，油中糠醛含量與變壓器絕緣紙聚合度的大小呈線性反比關系[3]，故而常用油中糠醛含量的高低和變化趨勢來評估反映變壓器固體絕緣老化程度?！禗L593—96電力設備預防性試驗規(guī)程》中規(guī)定了依據(jù)糠醛含量判斷變壓器絕緣老化的相關標準，詳見表3[6]。

IEC標準規(guī)定：油中糠醛含量≥4.0mg/L可判斷變壓器內(nèi)部固體絕緣嚴重老化。油中糠醛含量≥1.0mg/L可作為變壓器絕緣紙嚴重老化的注意值。一般來講，油中糠醛含量達到0.5mg/L時，變壓器整體絕緣程度處于中度老化。

2.2.3 聚合度分析法（DP）[7]

變壓器絕緣紙（板）的聚合度是絕緣老化程度最準確、可靠、有效的判據(jù)之一。聚合度的測定過程如下：取樣后，首先將紙中的油脂、金屬離子及其它充添劑提抽干凈，然后粉碎、消化，使之溶解于乙酸乙脂溶劑中，利用烏別洛得粘度計測定紙溶液的粘度，求得紙的聚合度。

由于變壓器絕緣紙聚合度隨老化時間的延長而降低，纖維素材料的韌性和強度也隨之下降。為此，絕緣紙老化壽命的判別標準大致定為：當平均聚合度下降到500時，變壓器整體絕緣處于老化中期；當平均聚合度下降到250時，認為變壓器完全老化，壽命已終止；聚合度下降到150時，絕緣紙的機械強度幾乎為零。對一臺變壓器而言，取紙樣部位不同，其聚合度的數(shù)值也不同。正因為聚合度具有一定的分散性，所以要求在變壓器上、下部多個點分別取樣，以獲得平均聚合度，或者每次在代表性部位取樣，取樣數(shù)要統(tǒng)一，以具有可比性、同比性。

考慮到對于運行中的變壓器，如果要測定紙樣就必須對變壓器進行停運吊芯，存在諸多不便，近年來，推廣應用了高性能液相色譜分析。該方法可以在變壓器不停運情況下，取油樣，然后測出油中糠醛含量，再依據(jù)糠醛含量與聚合度的線性關系，得到聚合度的值。這樣可從糠醛含量、聚合度兩個角度來分析、判斷絕緣老化問題。糠醛含量與聚合度之間存在對應關系，如圖2所示，其對應關系式：log（Furan）=1.5 1-0.O035DP（式中Furan： 糠醛含量，mg/L，DP：聚合度）?？啡┖颗c聚合度兩者間相關系數(shù)為0.9657，所以借助于糠醛分析可近似地估算絕緣紙的平均聚合度。

2.3 變壓器過載能力評估

通過分析溫升試驗的熱點溫度是否超越規(guī)定限值或超越限值時所的運行時間，再綜合變壓器的絕緣老化程度，來評估認證電力變壓器的過載能力、過載倍數(shù)和過載時間。

3 結束語

通過對電力變壓器進行過載能力評估，為電力變壓器運行單位提供可靠的過載運行依據(jù)，既保障了電力變壓器安全可靠運行，又緩解了部分城市電網(wǎng)容量需求矛盾。因此電力變壓器過載能力評估對電網(wǎng)的安全運行和城市電網(wǎng)建設具有一定的實用意義。

【參考文獻】

[1]GB/T 1094.7-2008，電力變壓器第7部分：油浸式電力變壓器負載導則[S].

[2]IEC 60422-2013，電氣設備中的礦物絕緣油.監(jiān)督和維護指南[S].

[3]閔捷，鄭作添，周年榮.變壓器內(nèi)部固體絕緣老化監(jiān)測技術及其應用[J].云南電力技術，2002，30（4）.

[4]T7252-2001，變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則[S].

[5]Burton P J.Recent development by CEGB to improve the prediction and monitoring of transformer performance[C].Paris：1984.

[6]DL593—96，電力設備預防性試驗規(guī)程[S].

[7]楊啟平，薛五德，藍之達.變壓器絕緣老化的診斷與壽命評估[J].變壓器，2004，41（2）.

[責任編輯：朱麗娜]endprint