電力變壓器溫升試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法溯源探討

何東升,唐莉莉,朱天重

(國家中低壓輸配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,廣東 東莞 523325)

電力變壓器溫升試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法溯源探討

何東升,唐莉莉,朱天重

(國家中低壓輸配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,廣東 東莞 523325)

介紹了電力變壓器溫升試驗(yàn)的基本情況，概述了電力變壓器溫升試驗(yàn)國內(nèi)外主要遵循的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，通過方法溯源和公式推導(dǎo)，驗(yàn)證了國內(nèi)外三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法最終結(jié)果的一致性。此研究對電力變壓器溫升試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法及準(zhǔn)確判定具有一定的指導(dǎo)意義，且進(jìn)一步保證了溫升試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

標(biāo)準(zhǔn)；變壓器；溫升試驗(yàn)；計(jì)算方法

1 引言

電力變壓器溫升試驗(yàn)是保證產(chǎn)品安全運(yùn)行和使用壽命的重要試驗(yàn)，其目的是檢驗(yàn)在規(guī)定狀態(tài)下變壓器油、繞組等有無過熱；主要用來表明設(shè)計(jì)制造出的變壓器，在帶額定負(fù)載長期持續(xù)運(yùn)行中所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)溫升值，不應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)合同中所規(guī)定的限值。電力變壓器作為電力系統(tǒng)中主要設(shè)備之一，其運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。而大部分電力變壓器的壽命終結(jié)是因?yàn)榻^緣能力喪失，而影響絕緣能力的主要因素為變壓器運(yùn)行時(shí)繞組的熱點(diǎn)溫度，所以，變壓器溫升試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度直接影響變壓器初始設(shè)計(jì)和日后正常運(yùn)行。由于各個(gè)地域國情不同，變壓器溫升試驗(yàn)所遵循的標(biāo)準(zhǔn)不同，其試驗(yàn)方法也稍有區(qū)別，同時(shí)，在溫升試驗(yàn)過程中未必施加規(guī)定的總損耗值和額定電流，所以必須進(jìn)行折算，由于在折算或計(jì)算過程中，GB(國標(biāo))、IEC(International Electrotechnical Commission，國際電工委員會)標(biāo)準(zhǔn)和ANSI(American National Standards Institute，美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會)標(biāo)準(zhǔn)校正方法的不一致性，或必導(dǎo)致最終試驗(yàn)結(jié)果的矛盾性或不統(tǒng)一性。

2 電力變壓器溫升試驗(yàn)簡述

目前，關(guān)于油浸式電力變壓器溫升試驗(yàn)，國內(nèi)主要遵循標(biāo)準(zhǔn)為GB1094.1-1996《電力變壓器第1部分 總則》和GB1094.2-1996《電力變壓器第2部分 溫升》，分別等效采用對應(yīng)于IEC標(biāo)準(zhǔn)為IEC60076-1-1993《Power transformers-Part 1:General》和IEC60076-2-1993《Power transformers-Part 2:Temperature rise》，而美國國家標(biāo)準(zhǔn)主要遵循標(biāo)準(zhǔn)為ANSI/IEEE C57.12.00-2006《 Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配電源和調(diào)壓變壓器的標(biāo)準(zhǔn)通用要求)》和ANSI/IEEE C57.12.90-1999《Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配電源和調(diào)壓變壓器的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)程)》，由于國標(biāo)等效采用IEC標(biāo)準(zhǔn)，除溫升限值稍有所不同外，其試驗(yàn)方法和折算方法都完全一致，在IEC60076-2-1993標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“測定油浸式變壓器的標(biāo)準(zhǔn)方法是短路接線的等效試驗(yàn)法”，也可按協(xié)議采用“相互負(fù)載法”。ANSI美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/IEEE C57.12.90-1999中，規(guī)定可按下列方法之一進(jìn)行：(1)實(shí)際負(fù)載；(2)模擬負(fù)載(包括短路法和相互負(fù)載法)。以上標(biāo)準(zhǔn)所有試驗(yàn)方法中，以短路法即短路接法的等效試驗(yàn)法，最為簡單，采用最為廣泛，所以本文將此方法作為研究討論的對象，試驗(yàn)接線如圖1所示，將試品的一側(cè)繞組短路，另一側(cè)供電，首先使其輸入功率等于規(guī)定總損耗；當(dāng)溫升穩(wěn)定后持續(xù)3h，再降低電流到額定電流，持續(xù)1h即可[1-2]。

圖1 溫升試驗(yàn)接線圖

3 國內(nèi)外溫升試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)概述

目前，油浸式電力變壓器溫升試驗(yàn)，國內(nèi)外主要遵循以上三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：GB1094.2-1996《電力變壓器第2部分 溫升》和IEC60076-2-2011《Power transformers-Part 2:Temperature rise for liquid-immersed transformers》(電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升)以及ANSI/IEEE C57.12.90-1999《Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配電源和調(diào)壓變壓器的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)程)》，其中GB1094.2-1996版本即將被GB1094.2-2013《電力變壓器第2部分 液浸式變壓器的溫升》(2013年12月17日發(fā)布，2014年12月14日實(shí)施)版本代替。

4 電力變壓器溫升計(jì)算方法比較

4.1 國標(biāo)溫升計(jì)算方法

4.1.1 繞組平均溫升的確定

依據(jù)GB1094.2-1996規(guī)定，溫升試驗(yàn)過程中當(dāng)施加總損耗P=(P0+PK)，且頂層油溫變化率小于每小時(shí)1k時(shí)，持續(xù)3h，并取3h的最后一小時(shí)內(nèi)讀數(shù)的平均值作為變壓器油的平均溫度T1，當(dāng)持續(xù)3h后再施加一個(gè)小時(shí)由總損耗P降為額定電流Ir時(shí)，即僅施加負(fù)載損耗PK時(shí)，變壓器油的平均溫度變?yōu)門2，由此可以推測出，由空載損耗P0所引起的變壓器油的溫升為(T1-T2)，在切斷電源時(shí)，繞組的平均溫度通過切斷電源時(shí)的電阻值經(jīng)計(jì)算確定為θ1，施加總損耗末了時(shí)的環(huán)境溫度測定為θ0，則變壓器繞組平均溫升Δθ=θ1-θ0+T1-T2=T1-θ0+θ1-T2=(T1-θ0)+(θ1-T2)，即GB1094.2-1996第5.2.2條款中注釋描述的“在負(fù)載變化下計(jì)算溫升時(shí)，將繞組平均溫升看成兩部分是便利的：即油平均溫升(高于冷卻介質(zhì)溫度)加上繞組平均溫度與油平均溫度之差[2]”，由于試驗(yàn)過程中，施加總損耗P′和施加電流I′與規(guī)定總損耗P和額定電流Ir存在一定偏差，需要進(jìn)一步折算到規(guī)定總損耗和額定電流下，根據(jù)GB1094.2-1996第5.6.1條款公式進(jìn)行推導(dǎo)校正：

(1)

4.1.2 變壓器頂層油溫升的確定

施加總損耗P=(P0+PK)時(shí)，變壓器頂層油的溫度為T3，則變壓器頂層油的溫升為：

Δε′=T3-θ0

(2)

校正到規(guī)定總損耗下頂層油溫升為：

(3)

式中：P0—空載損耗；PK—負(fù)載損耗；P—規(guī)定總損耗；P′—施加總損耗；T1—施加總損耗末了時(shí)油的平均溫度；T2—施加額定電流末了時(shí)油的平均溫度；θ1—斷電源時(shí)繞組的平均溫度；θ0—施加總損耗末了時(shí)的環(huán)境溫度；Δθ—繞組平均溫升；Δε′—頂層油溫升；Δε—校正的頂層油溫升；x=0.8對配電變壓器(自然冷卻，最大額定容量2500kVA)；x=0.9對ON冷卻方式且額定容量大于2500kVA的變壓器；x=1.0對ON或OF冷卻方式的變壓器;y=1.6對ON或OF冷卻方式的變壓器；y=2.0對OD冷卻方式的變壓器。

4.1.3 繞組熱點(diǎn)溫升的確定

熱點(diǎn)是繞組絕緣系統(tǒng)中任何部位的最高溫度，并假設(shè)為代表了變壓器的熱極限狀態(tài)，獲得繞組熱點(diǎn)溫升的方法主要有二種：直接測得和溫升估算。

(1)直接測得主要采用光纖傳感器監(jiān)測繞組熱點(diǎn)溫度，即熱點(diǎn)溫升Δθh計(jì)算如下：

Δθh=θh+Δθof-θ0

(4)

式中：θh—電源斷開時(shí)繞組熱點(diǎn)瞬間的溫度；

Δθof—在額定電流下1h試驗(yàn)期間的頂層液體溫度的降低值；

θ0—施加總損耗末了時(shí)的環(huán)境溫度。

(2)溫升估算即繞組熱點(diǎn)相對于環(huán)境空氣或冷卻水的溫升通常以油箱內(nèi)的頂層液體溫升為基準(zhǔn)，按下式確定：

Δε+H×g

(5)

式中：Δε—校正的頂層油溫升；H—熱點(diǎn)系數(shù)；g—繞組對油平均溫度梯度；H=1.1，對配電變壓器;H=1.3，對中型變壓器;H=制造商按要求提供數(shù)據(jù)，對大型變壓器。

4.2 IEC標(biāo)準(zhǔn)溫升計(jì)算方法

國標(biāo)GB1094.2-1996等效采用標(biāo)準(zhǔn)IEC60076-2-1993版本，除溫升限值稍有所不同外，其計(jì)算方法和折算方法都完全一致，且與標(biāo)準(zhǔn)IEC60076-2-2011版本計(jì)算方法也完全一致，所以不再贅述。

4.3 ANSI標(biāo)準(zhǔn)溫升計(jì)算方法

4.3.1 繞組平均溫升的確定

美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/IEEE C57.12.90-1999明確規(guī)定：繞組的平均溫升可以用頂層油溫升或用平均油溫升計(jì)算，當(dāng)所用電流不是額定電流時(shí)，應(yīng)采用平均油溫升方法來決定繞組平均溫升。①在頂層油溫升方法中，繞組平均溫升等于在總損耗下運(yùn)行時(shí)所測得的頂層油溫升加上一個(gè)量值(在切斷電源時(shí)的繞組平均溫度減去切斷電源時(shí)頂層油溫度)。②在平均油溫升方法中，繞組的平均溫升是在總損耗下運(yùn)行時(shí)所測得的平均油溫升加上一個(gè)量值(在切斷電源時(shí)的繞組平均溫度減去切斷電源時(shí)的平均油溫度)。當(dāng)在任一被試?yán)@組中流過的電流不等于額定電流時(shí)，測出的切斷電源時(shí)繞組的平均溫度與切斷電源時(shí)的平均油溫度之差，應(yīng)利用下式校正到額定電流下的繞組平均溫升[8]。

(6)

式中：TC—校正到切斷電源時(shí)的繞組平均溫度與切斷電源時(shí)平均油溫度之差的校正值;

T0—切斷電源時(shí)的繞組平均溫度與切斷電源時(shí)平均油溫度之差的實(shí)測值;

m—0.8，對于冷卻方式為OA，F(xiàn)A及非導(dǎo)向的FOA和FOW;

m—1.0，對于導(dǎo)向的FOA和FOW。

校正后的繞組平均溫升是在施加總損耗運(yùn)行時(shí)測得的平均油溫升加上式(6)求出的TC。

當(dāng)實(shí)際施加損耗與要求施加損耗之差在20%范圍以內(nèi)時(shí)，進(jìn)行校正：

(7)

式中：Td—油溫升的校準(zhǔn)值，℃；

Tb—油溫升的實(shí)測值，℃；

n—0.8，對于冷卻方式為OA；

n—0.9，對于冷卻方式為FA；

n—1.0，對于冷卻方式為FOA和FOW

校正的油溫升=實(shí)測油溫升+Td

(8)

由式(6)～式(8)可以推出：

(9)

4.3.2 變壓器頂層油溫升的確定

根據(jù)式(8)所示：

(10)

根據(jù)以上推導(dǎo)，可以得出：

4.3.3 繞組熱點(diǎn)溫升的確定

美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/IEEE C57.12.90-1999關(guān)于繞組熱點(diǎn)溫升無詳細(xì)敘述，僅提到“除繞組外的各個(gè)金屬部件上的溫升應(yīng)使用熱電偶或合適的溫度計(jì)測定”。

5 結(jié)論

根據(jù)以上的討論分析，對于電力變壓器溫升試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法，GB1094.2-1996和IEC60076-2-2011以及ANSI/IEEE C57.12.90-1999三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，由于區(qū)域和國情的不同，所遵循的試驗(yàn)方法各有遺缺或稍有不同，但大同小異。同時(shí)，對于溫升試驗(yàn)計(jì)算方法，根據(jù)推導(dǎo)，GB1094.2-1996(等效采用IEC60076-2-1993)對于繞組平均溫升所采用的校正計(jì)算公式(1)與ANSI/IEEE C57.12.90-1999所采用的校正計(jì)算公式(9)最終完全等同，同樣，GB1094.2-1996(等效采用IEC60076-2-1993)對于頂層油溫升所采用的校正計(jì)算公式(2)與ANSI/IEEE C57.12.90-1999所采用的校正計(jì)算公式(10)也完全等同。

綜上所述，盡管以上三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，對于計(jì)算方法，盡管起始的校正公式不同，但卻殊途同歸，辯證統(tǒng)一，從而確保了電力變壓器溫升試驗(yàn)在不同標(biāo)準(zhǔn)方法下試驗(yàn)結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。通過以上三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的討論研究，對于變壓器生產(chǎn)企業(yè)和質(zhì)檢機(jī)構(gòu)，針對變壓器溫升試驗(yàn)的方法和計(jì)算推導(dǎo)公式具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] GB1094.1-1996 電力變壓器第1部分總則[S].1996.

[2] GB1094.2-1996 電力變壓器第2部分溫升[S].1996.

[3] IEC60076-1-1993 Power transformers-Part 1:General[S].1993.

[4] IEC60076-2-1993 Power transformers-Part 2:Temperature rise[S].1993.

[5] IEC60076-2-2011 Power transformers-Part 2:Temperature rise[S].2011.

[6] ANSI/IEEE C57.12.00-2006 Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers[S].IEEE-SA標(biāo)準(zhǔn)委員會，2006.

[7] ANSI/IEEE C57.12.90-1999 Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers[S].IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會,1999.

Discussion on Traceability of Power Transformer Temperature Rise Test Standard Calculation Method

HEDong-sheng,TANGLi-li,ZHUTian-zhong

(China National Quality Supervision and Testing Center for Mid-Low Voltage Transmission and Distribution Equipment,Dongguan 523325,China)

This paper introduces the current situation of power transformer temperature-rise test,and summarizes the power transformer temperature rise test mainly follow three standards,at home and abroad.Through traceability and formula derivation,the consistency of the final result of these three standard calculation methods has been verified.This study has great significance to temperature rise test standard calculation method and accurate judgement,and further ensure the accuracy of the temperature-rise test results.

standard ；transformer；temperature-rise test；calculation method

1004-289X(2015)02-0001-04

TM406

A

2014-12-11

何東升(1978-)，男，工程師，碩士研究生，主要從事能源與動力系統(tǒng)中電力電子及其控制的應(yīng)用和高低壓電器產(chǎn)品的試驗(yàn)、認(rèn)證與研發(fā)。