油浸式配電變壓器不平衡運(yùn)行條件下的溫升實(shí)驗(yàn)研究

徐肖偉，付驍，董濤，項(xiàng)恩新

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655700）

0 前言

配電變壓器三相負(fù)載分配不均的情況時(shí)有發(fā)生，三相不平衡運(yùn)行工況難以避免。不平衡運(yùn)行會(huì)增加變壓器的損耗，加速絕緣老化，影響變壓器的壽命甚至引發(fā)變壓器燒毀事故[1-2]。為避免變壓器內(nèi)部嚴(yán)重過熱情況的發(fā)生需要研究不平衡運(yùn)行工況下變壓器內(nèi)部溫度分布特性。

熱點(diǎn)溫度是表征變壓器內(nèi)部熱狀態(tài)的重要參數(shù)，也是變壓器負(fù)載最關(guān)鍵的限制因素，獲取變壓器運(yùn)行時(shí)內(nèi)部熱點(diǎn)的溫度及位置對(duì)于變壓器的安全運(yùn)行至關(guān)重要[3]。在運(yùn)用熱路模型法等方法計(jì)算變壓器熱點(diǎn)溫度時(shí)需要結(jié)合溫升實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)[4-5]。研究不平衡運(yùn)行工況下配電變壓器內(nèi)部熱狀態(tài)、計(jì)算熱點(diǎn)溫度時(shí)，同樣需要借助溫升實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，因而不平衡溫升實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1094.2-2013《電力變壓器第2部分：液浸式變壓器的溫升》中給出了變壓器溫升實(shí)驗(yàn)的推薦方法，但該方法僅限用于平衡運(yùn)行狀態(tài)下的溫升實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者對(duì)變壓器在不平衡運(yùn)行狀態(tài)下的溫升實(shí)驗(yàn)鮮有研究，制約了不平衡運(yùn)行工況下變壓器內(nèi)部熱狀態(tài)研究的發(fā)展。本文以通用的Dyn11型配電變壓器為例，介紹了一種易于實(shí)現(xiàn)的變壓器不平衡溫升實(shí)驗(yàn)的方法。應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了50 kVA立體卷鐵心變壓器與315 kVA、400 kVA柱式變壓器的不平衡溫升實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。該實(shí)驗(yàn)方法能為配電變壓器不平衡運(yùn)行工況下的內(nèi)部溫度場(chǎng)研究提供參考，實(shí)驗(yàn)得到的繞組溫度計(jì)算的半經(jīng)驗(yàn)公式可應(yīng)用于不平衡運(yùn)行條件下熱點(diǎn)溫度預(yù)測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)方法介紹

進(jìn)行不平衡溫升實(shí)驗(yàn)時(shí)不僅需要對(duì)繞組溫度進(jìn)行測(cè)量，也需要準(zhǔn)確獲取各相繞組的電流大小，從而計(jì)算損耗值。配電變壓器多為Dyn11型聯(lián)結(jié)，在不平衡運(yùn)行條件下，二次側(cè)存在零序電流，一次側(cè)為三角形連接，零序電流可在繞組內(nèi)形成環(huán)流，因此可通過變壓器變比求得高壓側(cè)繞組的電流大小?；诖?，針對(duì)Dyn11型變壓器，本文提出如圖1所示的溫升實(shí)驗(yàn)接線圖。

如圖1所示，溫升實(shí)驗(yàn)中將B、C相高壓側(cè)接入電源，A相高壓側(cè)開路，三相低壓側(cè)對(duì)地短接。B，C相高壓側(cè)施加的電流滿足IB=IC，變壓器的高低壓電阻近似滿足RAB=RBC=RCA，Rab=Rbc=Rca，由此可得式（1）。

式（1）中：IAB，IBC，ICA為高壓側(cè)的線電流，A；Ia，Ib，Ic為低壓側(cè)的相電流，A。對(duì)于Dyn11型變壓器上式表示B相繞組的電流為A，C相繞組電流的兩倍，滿足不平衡運(yùn)行條件，同時(shí)A，C相繞組的發(fā)熱、散熱情況基本相同，繞組內(nèi)部溫度分布情況相同，便于分析。

實(shí)驗(yàn)時(shí)改變B、C相間的輸入電壓，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，獲得多組溫升數(shù)據(jù)；在變壓器內(nèi)部預(yù)埋若干溫度傳感器，實(shí)驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)不同位置的繞組溫度和頂層油溫，溫升實(shí)驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行直至溫度趨于穩(wěn)定[6]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熱點(diǎn)位置探究

基于上述方案，本文進(jìn)行了容量為50 kVA的立體卷鐵心變壓器與容量為315 kVA，400 kVA的柱式變壓器的不平衡溫升實(shí)驗(yàn)。變壓器相關(guān)參數(shù)如表1所示。

為準(zhǔn)確獲取繞組溫度需在變壓器內(nèi)部預(yù)埋溫度傳感器。配電變壓器多為層式繞組結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中將傳感器預(yù)埋在繞組層間油道內(nèi)或主空道油道內(nèi)。

圖1 溫升實(shí)驗(yàn)接線圖

表1 變壓器相關(guān)參數(shù)

圖2 穩(wěn)態(tài)溫升值隨電流變化曲線

為了在預(yù)埋溫度傳感器個(gè)數(shù)較少的情況下準(zhǔn)確獲取油道內(nèi)最熱點(diǎn)溫度，本文對(duì)變壓器繞組內(nèi)部溫度分布規(guī)律進(jìn)行了探究，即在變壓器內(nèi)部預(yù)埋多個(gè)溫度傳感器，在額定運(yùn)行條件下測(cè)量不同位置的溫度，總結(jié)溫度分布規(guī)律。

立體卷鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)較為緊湊，三相繞組高度對(duì)稱，油道僅存在于主空道內(nèi)，不同位置處油道內(nèi)的油流溫度差異必然較小。而柱式變壓器的高低壓繞組層間存在多個(gè)油道，且有抽頭側(cè)繞組與無抽頭側(cè)繞組的散熱結(jié)構(gòu)存在差異，結(jié)構(gòu)的整體對(duì)稱性不高，不同位置處油道內(nèi)的油流溫度差異情況未知，因而溫度分布規(guī)律探究實(shí)驗(yàn)僅針對(duì)柱式變壓器。通過實(shí)驗(yàn)可得到以下結(jié)論：

1）同一相對(duì)位置，有抽頭一側(cè)繞組油道內(nèi)的溫度較低；

2）就縱向位置而言，80%高度處油道內(nèi)油的溫度較高；

3）A、C相發(fā)熱與散熱情況相同，繞組內(nèi)部溫度分布狀況基本一致。

不平衡溫升實(shí)驗(yàn)中溫度傳感器在柱式變壓器內(nèi)預(yù)埋位置以上述結(jié)論為依據(jù)，即溫度傳感器預(yù)埋在B、C相無抽頭側(cè)繞組層間油道的80%高度處。同時(shí)通過溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂層油溫。

2.2 溫升實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)溫度修正

進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)是為了準(zhǔn)確獲取變壓器繞組的溫度，而溫升實(shí)驗(yàn)中實(shí)際測(cè)得的是繞組層間油道內(nèi)的溫度，需對(duì)溫升實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行修正。

從理論上來說，層間油道的厚度較小可以看作一個(gè)夾層，夾層內(nèi)流體的定性溫度為其兩側(cè)固體的溫度平均值，即油道內(nèi)油流的平均溫度近似等于其兩側(cè)繞組溫度的平均值。為對(duì)上述理論分析結(jié)果加以驗(yàn)證，本文進(jìn)行了315 kVA與400 kVA柱式變壓器在額定運(yùn)行狀態(tài)下的溫升實(shí)驗(yàn)，即在變壓器高壓側(cè)施加額定電壓，低壓側(cè)短接，預(yù)埋溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量變壓器內(nèi)部溫度，圖3為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的315 kVA變壓器溫升曲線。

圖3中TB-l1，TB-l2分別代表B相繞組低壓側(cè)第一，第二油道內(nèi)的溫度；TB-h1，TB-h2，TB-h3分別代表B相繞組高壓側(cè)第一，第二，第三油道內(nèi)的溫度；TC-l1，TC-l2分別代表C相繞組低壓側(cè)第一，第二油道內(nèi)的溫度；TC-h1，TC-h2分別代表C相繞組高壓側(cè)第一，第二油道內(nèi)的溫度。低壓側(cè)第一油道即為低壓側(cè)最靠近鐵心的油道，高壓側(cè)第一油道即為高壓側(cè)最靠近低壓繞組的油道。

將額定運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)測(cè)得的高低壓繞組層間油道內(nèi)溫升最大值與測(cè)得的高低壓繞組平均溫升值進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出高低壓繞組的平均溫升與其油道內(nèi)油流溫升最大值的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。因此，結(jié)合上述理論分析與實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可以得出結(jié)論：在一定的誤差范圍內(nèi)，可以將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的高低壓繞組油道內(nèi)油流溫度最大值等同于油道兩側(cè)繞組溫度平均值。

圖3 315 kVA變壓器溫升曲線

表2 油道內(nèi)溫升最大值與繞組平均溫升值對(duì)比

2.3 溫升實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)溫度

圖4為50 kVA立體卷鐵心變壓器在不平衡運(yùn)行條件下的溫升曲線，變壓器高壓側(cè)額定電流為2.88 A，溫升實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置B、C相高壓側(cè)線電流為 1.8 A，2.1 A，2.5 A，2.88 A，四組實(shí)驗(yàn)中環(huán)境溫度基本一致，圖中給出了輸入電流為1.8 A與2.88 A的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖例中TA，TB，TC分別代表三相油道內(nèi)的80%高度處的實(shí)測(cè)溫度；TB1與TC1分別代表B，C相油道內(nèi)60%高度處溫度。從圖中可以看出A，C相油道內(nèi)溫度基本相同；80%高度處油流溫度較高；在不同輸入電流下油道內(nèi)的油流溫度隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

315 kVA柱式變壓器的高壓側(cè)額定電流為18.2 A，本文進(jìn)行了四組不平衡溫升實(shí)驗(yàn)，分別設(shè)置B、C相高壓側(cè)線電流為10 A，13 A，16 A，18 A，四組實(shí)驗(yàn)中環(huán)境溫度基本一致。實(shí)測(cè)的最高溫度出現(xiàn)在高壓繞組第一油道內(nèi)，圖5為不同輸入電流下實(shí)測(cè)油道內(nèi)油流溫升最大值隨時(shí)間變化關(guān)系圖。

圖4 50 kVA立體卷鐵心變壓器溫升曲線

圖6為400 kVA柱式變壓器在不同輸入電流下實(shí)測(cè)油道內(nèi)油流溫升最大值隨時(shí)間變化關(guān)系圖，該溫升最大值同樣出現(xiàn)在高壓側(cè)第一油道內(nèi)。變壓器高壓側(cè)額定電流為23.2 A，溫升實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置B、C相線電流為9 A，11.5 A，21 A，23 A，四組實(shí)驗(yàn)中環(huán)境溫度基本一致。從圖5、圖6中可以看出不同輸入電流下繞組溫度變化趨勢(shì)一致；B相繞組溫度明顯高于C相。

圖5 315 kVA變壓器油道內(nèi)油溫最大值隨時(shí)間變化關(guān)系圖

圖6 400 kVA變壓器油道內(nèi)油溫最大值隨時(shí)間變化關(guān)系圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)實(shí)測(cè)溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得到穩(wěn)態(tài)溫升值。圖7為400 kVA變壓器在輸入電流為23A時(shí)B，C相油道內(nèi)最高溫度的擬合曲線。擬合函數(shù)為雙指數(shù)函數(shù)，如式（2）所示。

國標(biāo)中指出在負(fù)荷和（或）冷卻條件變化的條件下，繞組和油的溫度將經(jīng)過一段時(shí)延而隨著變化，通常用兩個(gè)時(shí)間常數(shù)來描述[6]。實(shí)驗(yàn)條件下外施電壓保持不變但相間存在熱量交換，即任意一相繞組的溫度受其他兩相繞組損耗的影響，且該影響與相間溫差大小有關(guān)。實(shí)驗(yàn)條件下相間溫差隨時(shí)間先增大后穩(wěn)定，變壓器總的損耗不變，但每相等效負(fù)荷是時(shí)變的，因而每相的繞組溫度變化需要兩個(gè)時(shí)間常數(shù)來描述。由式（2）可知繞組溫升的擬合結(jié)果與理論分析相一致。

圖7 溫升曲線擬合圖

表3 不同輸入電流下繞組穩(wěn)態(tài)溫升值

式（2）中的常數(shù)項(xiàng)為穩(wěn)態(tài)溫升值，指數(shù)項(xiàng)中較大的時(shí)間常數(shù)反應(yīng)了油的熱容量，其系數(shù)即為油的穩(wěn)態(tài)溫升值；指數(shù)項(xiàng)中較小的時(shí)間常數(shù)反應(yīng)了繞組與油間的溫差隨時(shí)間變化過程，其系數(shù)即為繞組溫度與油溫的穩(wěn)態(tài)差值。從B、C相繞組溫度擬合結(jié)果中得出的油溫穩(wěn)態(tài)值及相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)都是近似相等的，進(jìn)一步說明了分析的準(zhǔn)確性。

本文對(duì)50 kVA立體卷鐵心變壓器與315 kVA，400 kVA柱式變壓器在不同輸入電流下的溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都進(jìn)行了擬合，擬合公式的形式與規(guī)律都與式（2）相一致。表3給出了從擬合公式中提取出的平均油溫升及B、C相繞組熱點(diǎn)溫升值。

同一型號(hào)變壓器的散熱結(jié)構(gòu)是一定的，在環(huán)境溫度保持一致的情況下，油流及繞組的穩(wěn)態(tài)溫升值只與電流大小相關(guān)，且當(dāng)電流為0A時(shí)，穩(wěn)態(tài)溫升值應(yīng)為 0℃。50 kVA，315 kVA及400 kVA變壓器的擬合公式分別為式（3）、式（4）、式（5）。

由擬合結(jié)果可知，不同容量變壓器的平均油溫升與繞組熱點(diǎn)溫升的穩(wěn)態(tài)值都與電流的k次方成正比例關(guān)系，k的取值范圍在1.3～1.5之間。利用該擬合公式可對(duì)不平衡運(yùn)行條件下繞組的熱點(diǎn)溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。需要注意的是擬合公式中的比例系數(shù)與環(huán)境溫度相關(guān)，在使用該公式進(jìn)行繞組溫度預(yù)測(cè)時(shí)需保持環(huán)境溫度的一致性。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種Dyn11型油浸式配電變壓器在不平衡運(yùn)行工況下內(nèi)部溫度分布的溫升實(shí)驗(yàn)方法。并應(yīng)用該方法進(jìn)行了50 kVA立體卷鐵心變壓器與315 kVA，400 kVA柱式變壓器的不平衡溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

1）不平衡運(yùn)行條件下繞組溫度隨時(shí)間的變化可用兩個(gè)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行描述，較大的時(shí)間常數(shù)代表油的熱容量，其系數(shù)即為油的穩(wěn)態(tài)溫升值；較小的時(shí)間常數(shù)反應(yīng)了繞組與油間的溫差隨時(shí)間變化過程，其系數(shù)即為繞組溫度與油溫的穩(wěn)態(tài)差值。

2）穩(wěn)態(tài)油溫升與繞組溫升都與輸入電流的k次方成正比例關(guān)系，k范圍在1.3到1.5之間，比例系數(shù)與環(huán)境溫度相關(guān)。