220 kV氣體絕緣變壓器空載過勵(lì)磁能力計(jì)算分析

涂昊曦，劉連興，張喜樂

(1.深圳供電局有限公司，廣州 深圳 518000；2.保定保菱變壓器有限公司，河北 保定 071056；

3.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056)

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220 kV氣體絕緣變壓器空載過勵(lì)磁能力計(jì)算分析

涂昊曦1，劉連興2，張喜樂3

(1.深圳供電局有限公司，廣州 深圳 518000；2.保定保菱變壓器有限公司，河北 保定 071056；

3.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056)

摘要:文中介紹了SF6氣體絕緣變壓器空載過勵(lì)磁能力，給出了220 kV氣體絕緣變壓器空載過勵(lì)磁能力的分析計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：空載過勵(lì)磁能力；平均溫升；鐵心飽和；磁通密度；熱點(diǎn)溫升

隨著大中城市的發(fā)展，人口集中的城市變電站對防火、防爆的安全性要求越來越高，而SF6氣體絕緣變壓器防火、防爆的性能優(yōu)良，城市變電站對SF6氣體絕緣變壓器的需求越來越多。目前，北京、上海、深圳已經(jīng)批量使用了110 kV電壓等級(jí)的氣體絕緣變壓器。為了更好地優(yōu)化變電站設(shè)計(jì)、節(jié)約變電成本，提出了220 kV氣體絕緣變壓器的設(shè)想。本文介紹了該類產(chǎn)品的變壓器空載過勵(lì)磁能力的計(jì)算分析。

1　空載過勵(lì)磁后對變壓器的影響分析

氣體絕緣變壓器的空載過勵(lì)磁能力也可以理解成變壓器過電壓后鐵心內(nèi)部磁通密度升高，甚至使鐵心處于飽和狀態(tài)，針對此問題，首先考慮過勵(lì)磁后鐵心的溫升情況，其次考慮鐵心飽和后線圈的勵(lì)磁電流大幅度增加導(dǎo)致線圈的溫度升高。

對于220 kV氣體絕緣變壓器產(chǎn)品，空載過勵(lì)磁的要求為1.3倍，運(yùn)行5 min。假設(shè)1.3倍過勵(lì)磁后，變壓器鐵心磁通密度為2.117 T，對于高導(dǎo)磁硅鋼片，其飽和磁通密度按2.0 T計(jì)算。以下就該要求進(jìn)行鐵心及繞組溫升的計(jì)算。

1.1　勵(lì)磁電流計(jì)算

在此運(yùn)行條件下，變壓器勵(lì)磁繞組(高壓繞組)的勵(lì)磁電流可分成兩個(gè)部分，一部分為鐵心飽和所需的勵(lì)磁電流，另一部分為氣體中漏磁的勵(lì)磁電流。

變壓器過勵(lì)磁的磁通量導(dǎo)致鐵心高度飽和后，將有一部分進(jìn)入鐵心以外的空間。由于磁場強(qiáng)度的切向分量在相鄰介質(zhì)中是連續(xù)的，因此，可以近似地認(rèn)為鐵心柱中的磁場強(qiáng)度與鐵心柱之外非磁性物質(zhì)空間的磁場強(qiáng)度相同，那么，變壓器總的磁通量為：

(1)

(2)

式中，過激磁后的磁通密度Bm= 2.117 T ；鐵心飽和磁通密度Bc= 2.0 T ；H為勵(lì)磁繞組高度；W為勵(lì)磁繞組匝數(shù)；Sc為鐵心柱截面積；Sδ為磁通所交鏈的非磁性物質(zhì)等值截面積；DA為勵(lì)磁繞組的平均直徑。

將該產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)，可以得出

激磁電流：

1.2　該工況下變壓器氣體溫升計(jì)算

(1) 該工況下的損耗計(jì)算

空載損耗：

負(fù)載損耗：

Wp= 10 815 W

總損耗：

W=W0+Wp=146 185+10 815=157 000 W

式中，k為空載損耗工藝系數(shù)；Ps為硅鋼片單位損耗；G為鐵心用硅鋼片重量。

(2)氣體穩(wěn)態(tài)溫升計(jì)算

氣體穩(wěn)態(tài)溫升計(jì)算可根據(jù)變壓器散熱面積及熱負(fù)荷按氣體絕緣變壓器的溫升計(jì)算方法進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果如下。

氣體穩(wěn)態(tài)平均溫升：

頂層穩(wěn)態(tài)氣體溫升：

(3)運(yùn)行5 min時(shí)的頂層氣體暫態(tài)溫升

過勵(lì)磁前氣體平均溫升為：36.3 K

過勵(lì)磁前頂層氣體溫升為：47.4 K

暫態(tài)氣體平均溫升：

頂層暫態(tài)氣體溫升 ：

1.3　該工況下的繞組溫升

(1) 高壓繞組(勵(lì)磁繞組)溫升

a.繞組熱負(fù)荷計(jì)算

繞組的熱負(fù)荷與繞組導(dǎo)線中單位長度上產(chǎn)生的損耗、線餅散熱面積、導(dǎo)體的渦流損耗系數(shù)等有密切的關(guān)系，計(jì)算方法與同型油浸式變壓器相同，其計(jì)算結(jié)果為。

b.線圈表面的熱傳導(dǎo)

對于線圈表面的熱傳導(dǎo)率，可通過變壓器線圈溫升計(jì)算方法進(jìn)行，在此不列出，只給出相關(guān)的數(shù)據(jù)。

c.線圈穩(wěn)態(tài)平均溫升計(jì)算

銅氣溫差△θc=q/αcoil=1.0

繞組平均溫升θc=△θg+△θc

=26.3 K+1=27.3 K

d.線圈穩(wěn)態(tài)熱點(diǎn)溫升計(jì)算

θcmax=△θg+△θc

=33.5 K+1.3×1 K=34.8 K

注意：熱點(diǎn)系數(shù)按1.3計(jì)算。

e.運(yùn)行5 min后繞組的暫態(tài)熱點(diǎn)溫升

過勵(lì)磁前繞組的熱點(diǎn)溫升為：66.8 K

△θgmax=66.8 K+(34.8-66.8)×(1-e-5/12.9)

=56.5 K

f.運(yùn)行5 min后繞組的暫態(tài)熱點(diǎn)溫度

θgmax=56.5 K+40 K=96.5 K滿足運(yùn)行要求。

注：環(huán)境溫度按40 ℃考慮

(2)低壓繞組溫升

由于低壓繞組不是勵(lì)磁繞組，在空載情況下，低壓繞組不載流，因此，低壓繞組溫升和氣體溫升相當(dāng)，在此不再對低壓繞組的熱點(diǎn)溫升進(jìn)行計(jì)算。

1.4　該情況下的鐵心溫度

(1)鐵心熱負(fù)荷計(jì)算(按飽和磁通密度2.0計(jì)算)

式中，K1為鐵心熱負(fù)荷系數(shù)；Pa為過勵(lì)磁1.3倍時(shí)的鐵心單位損耗；K2為鐵心損耗工藝系數(shù)；G為鐵心重量；S為鐵心散熱面積。

(2)鐵芯對氣體的穩(wěn)態(tài)溫差

由鐵心的溫升計(jì)算中可以得到鐵心的熱傳導(dǎo)率為

Αcoil= 40.62

那么鐵心平均溫升為

△θt=q/αcoil=1 712 K/40.62=42.1 K

(3)鐵心頂部表面穩(wěn)態(tài)溫升

(4) 運(yùn)行5 min時(shí)的鐵心暫態(tài)溫升

過勵(lì)磁前的頂部鐵心溫升62.1 K,其暫態(tài)溫升為

(5)運(yùn)行5min時(shí)鐵心頂部表面溫度

注：環(huán)境溫度按40℃考慮。

2　結(jié)束語

如上所述，對于本文所述的220 kV氣體絕緣變壓器過勵(lì)磁能力計(jì)算，空載過勵(lì)磁1.3倍、5 min后，變壓器繞組熱點(diǎn)溫度為96.5℃，鐵心熱點(diǎn)溫度為102.7℃。由于該類變壓器發(fā)熱位置絕緣件采用的是E級(jí)耐熱絕緣件(不影響壽命的情況長期工作溫度為115 ℃，在外力作用下熱變形溫度約為200 ℃)，其耐熱溫度較高，因此出現(xiàn)短期過勵(lì)磁后只要溫度不高于絕緣件熱變形溫度，變壓器就不會(huì)損壞。對于以上變壓器的計(jì)算分析，由于從變壓器噪聲等其他方面考慮變壓器鐵心的磁通密度取值較低，因此其過勵(lì)磁后鐵心和繞組的熱點(diǎn)溫度的計(jì)算值也較低，變壓器的過勵(lì)磁能力也較強(qiáng)，在變壓器技術(shù)指標(biāo)要求不嚴(yán)格的條件下可以適當(dāng)?shù)靥岣咦儔浩麒F心的磁通密度，使變壓器設(shè)計(jì)更加合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝毓城.電力變壓器手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2003.

[2]陳宗器，丁伯雄.SF6氣體絕緣變壓器綜述(上)[J].變壓器，1999，(7)：133-137.

[3]陳宗器，丁伯雄.SF6氣體絕緣變壓器綜述(下)[J].變壓器，1999，(8)：24-28.

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[5]尹新光，李偉強(qiáng).SF6氣體絕緣變壓器在我國的應(yīng)用前景探討[J].電力設(shè)備，2004(1)：39-41.

劉連興(1968-)，男，河北獻(xiàn)縣人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：變壓器設(shè)計(jì)技術(shù)；

張喜樂(1964-)，男，河北蠡縣人，博士，教授級(jí)高工，研究方向：變壓器設(shè)計(jì)技術(shù)。

運(yùn)營探討

Analysis and Calculation of No-Load Over-Excitation Ability of

220 kV Gas Insulated Transformer

TU Hao-xi1, LIU Lian-xing2, ZHANG Xi-le3

(1.Shenzhen Power Supply Company, Shenzhen 518000, China; 2.Baoding Baoling Transformer Co., Ltd.,

Baoding 071056, China; 3.Baoding Tianwei Group Baobian Electric Co., Ltd., Baoding 071056, China)

Abstract:In this article, no-load over-excitation ability of SF6gas insulated transformer is firstly introduced. Then, the method for analyzing and calculating is presented.

Key words:no-load over-excitation ability; average temperature rise; core saturation; flux density; hot-point temperature rise

中圖分類號(hào)：TM415

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0141-02

作者簡介：涂昊曦(1984-),男,江西景德鎮(zhèn)人，碩士研究生，工程師，研究方向：電網(wǎng)規(guī)劃及輸變電新技術(shù)；