諧波條件下變壓器溫升及壽命的計算

馬德萍 馬海君

（吳忠供電局，寧夏 吳忠 751100）

0 引言

變壓器在運行時所產(chǎn)生的空載損耗和負載損耗都轉變?yōu)闊崮?，從而使變壓器發(fā)熱。所發(fā)出的熱量通過傳導、對流和輻射的方式向周圍冷卻介質(zhì)散出。一邊發(fā)熱，一邊散熱，發(fā)熱大于散熱時變壓器各部分溫度就升高起來，發(fā)熱與散熱平衡時溫度就保持一定數(shù)值，不再升高了。這時的穩(wěn)定溫度，就是通常所指的變壓器各部分的溫度。變壓器發(fā)熱越大（損耗越大）、散熱越小，則溫度越高，需要足夠的冷卻裝置才能將溫度降低到允許值。

1 變壓器的發(fā)熱

變壓器的熱量主要來源于鐵心和繞組，而且只有一定的溫度差才能散熱，所以變壓器各部分溫度是不一樣的。一般來說，繞組的溫度最高，鐵心的溫度次之。對每一部分來水，溫度的高度也不一致，均是自下而上逐漸升高的。但在最高處由于散熱好些，所以溫度也不是最高。油浸自冷變壓器各部分的溫度中最重要的是最高溫度，即最熱點的位置，因為他對變壓器的絕緣影響最大。變壓器最熱點一般是在繞組高度方向的3/4處，寬度向外方向的1/3處。一般只能測量變壓器的頂層油溫，以及用電阻法測量繞組的平均溫度。

2 變壓器的溫升

變壓器的溫升,對于空氣冷卻變壓器是指測量部分的溫度與冷卻空氣溫度之差；對于水冷卻變壓器是指測量部分的溫度與冷卻器入口處水溫之差。

變壓器運行在海拔高度1000米及以下，而冷卻介質(zhì)溫度規(guī)定為下列數(shù)值時:

油浸式變壓器線圈和頂層油溫升限值是繞組最熱點溫度為+98℃得來的。因為A級絕緣在+98℃產(chǎn)生的絕緣損壞為正常損壞，而保證變壓器正常壽命的年平均氣溫是+20℃，線圈最熱點與其平均溫度之差為13K，所以線圈溫升限值為：

油正常運行的最高溫度為+95℃，最高氣溫是+40℃，所以頂層油溫升限值為：

當本體內(nèi)的油不與大氣接觸時油正常運行最高溫度為+100℃。對于冷卻方式為強油循環(huán)的變壓器，為了保證繞組最熱點溫度不超過+98℃，實際油頂層溫升則不應超過40K。根據(jù)國際電工委員會推薦的計算方法：

繞組最熱點溫度＝油頂層溫升＋繞組最熱點與油頂層的溫差＋年平均氣溫＝40℃+38℃+20℃=98℃

所以強油冷卻變壓器的油頂層溫升已定為40K。強油冷卻的變壓器油頂層溫升若按標準55K控制，繞組最熱點溫度將會大于+98℃。運行部門如控制油頂層溫度是+85℃，基本上可保證繞組最熱點的溫度是+98℃。

在下列情況下溫升限值可以改變：

1）有不燃性合成絕緣液體且所用絕緣材料的耐熱等級不是A級的變壓器，溫升可以增加；

2）冷卻空氣的溫度超過任一規(guī)定的環(huán)境溫度，則線圈、鐵心和油的溫升限值應予降低。額定容量≥10MVA、超過值≤10℃時，降低值等于超過值；額定容量<10MVA、超過值≤5℃時應降低5K。超過值>5℃且≤10℃時應降低10K；

3）對于在超過1000米的海拔處運行，而正常海拔試驗的空氣冷卻變壓器，溫升限值應在1000米以上每500米為一級減小2.0%（油浸自冷）、3.0%（油浸風冷或強油風冷）。運行與試驗的海拔與上述相反，則所測得的溫升應該按上述規(guī)定減小。

4）如果變壓器高海拔運行地點的環(huán)境溫度比規(guī)定的值有所下降，且每升高1000米降低5℃或更多時，則高海拔的影響已有環(huán)境溫度的降低所補償，溫升限值不需降低。

3 變壓器溫升及壽命變化的計算

相對于周圍環(huán)境的溫度，變壓器最終的油頂層溫升的計算可以表示如下：

其中：θ0F為在非線性負載條件下，相對于環(huán)境溫度的最終的油頂層溫升，℃；θ01為在線性負載條件下，相對于環(huán)境溫度的最終的油頂層溫升，℃；m1為系數(shù)，在0.8～1.0之間變化，系數(shù)較低值適用于自冷卻變壓器，系數(shù)較高值適用于強制油冷卻變壓器；PH1為基波條件下的變壓器磁滯損耗，W；PHn為諧波條件下的變壓器磁滯損耗，W；PF1為基波條件下的變壓器渦流損耗，W；PFn為諧波條件下的變壓器渦流損耗，W；PJ1為基波條件下的變壓器繞組損耗，W；PJn為諧波條件下的變壓器繞組損耗，W。

變壓器油頂層溫度的暫態(tài)過程可用下式計算：

其中：θ0為瞬時油頂層溫升，℃；T0為熱油時間常數(shù)，小時；θi0為初始油頂層溫升，℃；t為時間，小時。

變壓器繞組最熱點的最終溫升的表達式見下式，這個表達式計算的是相對于最終頂層油溫升。

其中：θeF為在非線性負載下的繞組溫升，℃；θel為在線性負載下的繞組溫升，℃；m2為系數(shù)，在0.8～1.0之間變化，系數(shù)較低值適用于自冷卻變壓器，系數(shù)較高值適用于強制油冷卻變壓器。

通過以上表達式可以得到繞組瞬時溫度變化的表達式，如下式所示。

其中：θe為繞組瞬時溫度，℃；θie為繞組初始溫升，℃；Te為繞組熱時間常數(shù)，小時。

變壓器壽命損失和溫度的關系，我們可以用一個關于最熱點溫度的函數(shù)來表示：

其中：PV%為相對于正常預期壽命的壽命百分比；θmQ為變壓器最熱點溫度，℃；θa為環(huán)境溫度，℃；

上式表明變壓器最熱點的溫度越高則變壓器的壽命降低的越快，相對于正常壽命的壽命百分比就越低。式中，變壓器最熱點溫度θmQ包括三部分：環(huán)境溫度、繞組溫升、頂層油溫升。如設，環(huán)境溫度為30℃，繞組溫升為65℃，頂層油溫升為55℃，則此時變壓器相對于正常預期壽命的百分比為99.92%。

4 結束語

總之，電力變壓器是電力系統(tǒng)中極其重要的主設備之一，變壓器在系統(tǒng)中發(fā)揮著特殊的作用:聯(lián)系不同電壓等級的系統(tǒng)，是功率傳送的中間橋梁，它的安全運行與否，直接關系到電力系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定地工作。特別是由于變壓器本身造價昂貴，一旦因故障而遭到損壞，其檢修難度大、時間長，將造成巨大的經(jīng)濟損失。近年來，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大，電壓等級的升高，大容量變壓器的應用日趨增多，對變壓器保護提出了更高的要求。為了保障變壓器安全、可靠地運行，電力科研工作者不斷深入分析其運行特性，研究新原理、新方法來提高變壓器保護的性能，對其理論探討與裝置研制一直在不斷進行。

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