箱式變電站溫升試驗(yàn)方法研究

郭廷冬

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350002）

1 引言

箱式變電站是一種把高壓開關(guān)設(shè)備、配電變壓器和低壓配電裝置按一定接線方式組裝成一體的預(yù)制、緊湊式的配電設(shè)備。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，具有成套性強(qiáng)、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行安全可靠、維護(hù)方便、送電周期短等特點(diǎn)的箱式變電站在城鄉(xiāng)電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。由于變壓器安裝在戶外的箱體中，戶外太陽的曝曬和變壓器本身產(chǎn)生的熱量能否散出以保證變壓器正常的工作，成為用戶最關(guān)心的問題。所以對(duì)箱式變電站投入運(yùn)行前進(jìn)行溫升試驗(yàn)尤為重要，文中就以箱式變電站的溫升試驗(yàn)過程進(jìn)行探討。

2 溫升試驗(yàn)測(cè)量方法及分析

變壓器的使用壽命取決于其絕緣介質(zhì)的壽命。長期處于高溫會(huì)使絕緣介質(zhì)老化，逐漸喪失其耐電性能。各種絕緣介質(zhì)在某一溫度作用下都有一定的壽命。通常伴隨發(fā)熱的電性能產(chǎn)品，其使用壽命與運(yùn)行時(shí)本體溫度成反比。

如果變壓器的運(yùn)行溫度過高，一方面將影響變壓器的壽命；另一方面，如果要保證變壓器的額定負(fù)荷，其繞組的直流電阻將變大，負(fù)載損耗增加，促使變壓器的溫度進(jìn)一步升高，最終不得不降低負(fù)荷，從而使變壓器的使用效率降低。

對(duì)于箱式變電站的溫升試驗(yàn)，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17467-2010《高壓低壓預(yù)裝式變電站》第6.5條款有明確規(guī)定：溫升試驗(yàn)的目的是校驗(yàn)箱式變電站外殼設(shè)計(jì)的正確性，即能正常運(yùn)行和不縮短站內(nèi)元件的預(yù)期壽命。試驗(yàn)時(shí)必須測(cè)量變壓器液面和繞組（干式變壓器只測(cè)繞組）的溫升和低壓設(shè)備的溫升。試驗(yàn)應(yīng)證明：變壓器在外殼內(nèi)的溫升與同一臺(tái)變壓器在外殼外部測(cè)得的溫升差值△t不大于外殼級(jí)別規(guī)定的數(shù)值，如級(jí)別0（0K）、級(jí)別10（10K）、級(jí)別20（20K）、級(jí)別30K（30K）。

△t≤△t2-△t1

(注： △t2 變壓器在外殼內(nèi)的溫升；△t1變壓器在外殼外部的溫升。)[1]

同時(shí)還需測(cè)量低壓連接線及其端子的溫度及溫升，其數(shù)值應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，箱式變電站進(jìn)行溫升試驗(yàn)，需要三個(gè)步驟：

（1）變壓器在變電站外殼外部進(jìn)行一次變壓器溫升試驗(yàn)；

（2）變壓器在變電站外殼內(nèi)部進(jìn)行一次變壓器溫升試驗(yàn)；

（3）低壓開關(guān)設(shè)備施加變壓器的低壓側(cè)額定電流進(jìn)行一次溫升試驗(yàn)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)箱式變電站溫升試驗(yàn)接線圖

現(xiàn)以一臺(tái)歐式箱式變電站（油浸式）為例，型號(hào)為YBM22-630/10.5進(jìn)行溫升試驗(yàn)如下。

按GB/T 1094.2-2013《電力變壓器第2部分：液浸式變壓器的溫升》進(jìn)行試驗(yàn)，步驟（1）為單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)，步驟（2）、步驟（3）應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。步驟（2）、步驟（3）同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)其變電站溫升試驗(yàn)接線方式如圖1所示。此時(shí)整個(gè)變電站分為兩個(gè)部分，即變壓器部分和低壓開關(guān)設(shè)備部分。如圖1所示整個(gè)變電站需兩處進(jìn)行短接，試驗(yàn)也需兩個(gè)獨(dú)立電源，一個(gè)為變壓器回路通一定足夠的電流來產(chǎn)生變壓器的總損耗，另一個(gè)為低壓開關(guān)設(shè)備部分通一受試變壓器的額定低壓電流。變壓器的低壓側(cè)額定電流較大，則變相對(duì)試驗(yàn)設(shè)備也有一定的要求，即能夠提供大電流的試驗(yàn)設(shè)備，電源線也需有足夠大的截面積等。

基于以上問題，文中提出一種不但能減少試驗(yàn)設(shè)備投入，而且能提高工作效率，同時(shí)還能保證檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的新方法。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的原有溫升試驗(yàn)接線方法上進(jìn)行改變，主要改變?cè)袦厣囼?yàn)步驟（2）和步驟（3）的接線方法。將原本兩個(gè)獨(dú)立供電的試驗(yàn)程序進(jìn)行合理組合，簡化為一個(gè)只需單獨(dú)試驗(yàn)電源供電即可滿足標(biāo)準(zhǔn)溫升試驗(yàn)條件，加上后期對(duì)數(shù)據(jù)的推導(dǎo)換算即可得出準(zhǔn)確的溫升試驗(yàn)的結(jié)果。該試驗(yàn)方法不僅在試驗(yàn)設(shè)備上減少了一個(gè)提供變壓器的低壓側(cè)額定電流這種數(shù)值的大電流試驗(yàn)電源，而且在試驗(yàn)前接線操作上還減少一次三相銅排短接操作。

具體如下：（a）變壓器在變電站外殼外部進(jìn)行一次變壓器溫升試驗(yàn)，此步驟同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；（b）將上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的步驟（2）和步驟（3）合在一起進(jìn)行試驗(yàn)，其變電站溫升試驗(yàn)接線方式如圖2所示。即：將變壓器的低壓側(cè)和低壓開關(guān)設(shè)備串聯(lián)在一起，在低壓開關(guān)設(shè)備的輸出末端進(jìn)行短接，變壓器高壓側(cè)施加額定電流進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)變壓器的變比關(guān)系，此時(shí)變壓器低壓側(cè)及低壓開關(guān)設(shè)備即施加了變壓器的低壓側(cè)額定電流。試驗(yàn)過程按要求記錄相關(guān)部位溫度值及相應(yīng)電參數(shù)值，直到各個(gè)部分達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。熱穩(wěn)定后及時(shí)停機(jī)測(cè)量變壓器高低壓側(cè)繞組熱態(tài)電阻與對(duì)應(yīng)時(shí)間。

圖2 新試驗(yàn)方法箱式變電站溫升試驗(yàn)接線圖

GB/T 1094.2-2013第7.3.1條款中明確規(guī)定可通過協(xié)商，油浸式變壓器的溫升試驗(yàn)在施加總損耗和施加額定電流的兩個(gè)試驗(yàn)階段可合成為一個(gè)步驟，即施加一個(gè)介于負(fù)載損耗和總損耗之間的功率。此步驟最終的頂層液體溫升和繞組溫升應(yīng)按GB/T 1094.2-2013第7.13條款的修正規(guī)則確定。修正的有效范圍是施加的總損耗與規(guī)定的總損耗之差在±20%之內(nèi)，施加的電流與規(guī)定的電流之差在±10%之內(nèi)[2]。變壓器在通以額定電流施加損耗一直到熱穩(wěn)定時(shí)，試驗(yàn)損耗在修正有效范圍內(nèi)。

施加總損耗結(jié)束時(shí)高于外部冷卻介質(zhì)的液體溫升應(yīng)乘：

電源斷開瞬間，高于液體平均溫度的繞組平均溫升應(yīng)乘：

根據(jù)文中所提出的方法在進(jìn)行步驟（b）后，則繞組溫升應(yīng)按公式（1）進(jìn)行修正；頂層油溫升應(yīng)按公式（2）進(jìn)行修正。

繞組溫升修正符合GB/T 1094.2-2013要求，但此過程中電參數(shù)表測(cè)得的損耗不僅僅是變壓器損耗，其中還包含著低壓開關(guān)設(shè)備的損耗等。若按此損耗去修正頂層油溫升，得出的結(jié)果將會(huì)偏離實(shí)際值。因此，需要推算出試驗(yàn)結(jié)束時(shí)變壓器真實(shí)的試驗(yàn)損耗，以修正頂層油溫升值，才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)得的繞組熱態(tài)電阻及對(duì)應(yīng)時(shí)間，從而畫出的熱態(tài)電阻冷卻曲線，使用外推法推算出電源切斷瞬間的繞組平均溫度。

依據(jù)GB/T 1094.1-2013中變壓器負(fù)載損耗的測(cè)量方法，將負(fù)載損耗校正到電源斷開瞬間的繞組平均溫度及試驗(yàn)終了時(shí)變壓器施加的電流值下，此損耗即為斷電瞬間的變壓器損耗。將損耗數(shù)值按公式（1）修正，即可計(jì)算得出所測(cè)變壓器的頂層油溫升，從而得到準(zhǔn)確的頂層油溫升值。

3 試驗(yàn)比對(duì)分析

步驟（1）是對(duì)變壓器在空氣中進(jìn)行溫升試驗(yàn)，步驟（3）是對(duì)低壓開關(guān)設(shè)備施加變壓器的低壓側(cè)額定電流進(jìn)行溫升試驗(yàn)。步驟（1）和步驟（3）在新舊兩種試驗(yàn)方法試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)條件和試驗(yàn)過程均一致，故無需進(jìn)行比對(duì)。兩種試驗(yàn)方法有差異的是步驟（2），即變壓器在變電站外殼中的溫升試驗(yàn)過程。在新試驗(yàn)方法中測(cè)得繞組溫升，試驗(yàn)條件、過程及修正方法符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1094.2-2013的試驗(yàn)要求，故此過程無需進(jìn)行比對(duì)。有差異的是頂層油溫升測(cè)量過程，因新試驗(yàn)方法中修正頂層油溫升用的變壓器損耗無法直接從電參數(shù)表上讀取，而是經(jīng)過一系列的推導(dǎo)換算得出，故需驗(yàn)證其數(shù)值的準(zhǔn)確性。用新舊兩種試驗(yàn)方法對(duì)同一臺(tái)歐式變電站、使用相同的檢測(cè)設(shè)備、相對(duì)一樣的試驗(yàn)環(huán)境的條件下，進(jìn)行變壓器在變電站外殼中的溫升試驗(yàn)，對(duì)兩種試驗(yàn)方法測(cè)出的頂層油溫升結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。

樣品型號(hào)：YBM22-630/10.5，試驗(yàn)樣品主要參數(shù)：630kVA、10500V/400V、50Hz、34.6A/909.3A，銅繞組在參考溫度75℃時(shí)，總損耗為6484.1W，直流電阻及附加損耗見表1。

表1 變壓器冷態(tài)直流電阻及附加損耗

3.1 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法試驗(yàn)結(jié)果

按GB/T1094.2-2013試驗(yàn)方法進(jìn)行溫升試驗(yàn)，溫升試驗(yàn)熱穩(wěn)定時(shí)電參表等測(cè)得相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及頂層油溫升見表2。

把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式（1）得：

3.2 新試驗(yàn)方法試驗(yàn)結(jié)果

用以下方法換算出斷電瞬間變壓器上的實(shí)際損耗值，從而進(jìn)行頂層油溫升的修正。新試驗(yàn)方法溫升試驗(yàn)熱穩(wěn)定時(shí)電參表等測(cè)得相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 兩種試驗(yàn)方法測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)

附加損耗與溫度成反比[3]，附加損耗的修正溫度取高低壓繞組溫度的平均值。

則斷電瞬間變壓器上施加的損耗為：

把以上所有數(shù)據(jù)帶入公式（1）得：

3.3 結(jié)果分析

由上述結(jié)果可見，新試驗(yàn)方法測(cè)得的頂層油溫升值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法測(cè)得頂層油溫升值相差為0.28K。

考慮頂層油溫度和環(huán)境溫度的測(cè)量儀器無紙記錄儀的精度±(0.05%＋0.7℃)，則儀器所引起的最大允許誤差為△θ0誤差=2×(200×0.05%＋0.7)=1.6K。

可見，兩種方法試驗(yàn)結(jié)果誤差在儀器所引起的誤差范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果符合要求。

4 結(jié)語

基于上述兩次試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)分析，證明文中提出的箱式變電站溫升試驗(yàn)新檢測(cè)方法的可行性。文中以筆者的實(shí)際檢測(cè)工作為出發(fā)點(diǎn)，在檢測(cè)工作中提出新想法、新觀點(diǎn)，并以專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)分析求證其可靠性，主要目的是為了與同行共同探討試驗(yàn)技術(shù)方法，加強(qiáng)今后在相關(guān)產(chǎn)品的檢驗(yàn)檢測(cè)能力。