諧波對(duì)變壓器絕緣老化的影響分析

張 乾,胡雪凱,戎士洋,周 文

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司,河北 石家莊 050070；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

變壓器作為必要的變電設(shè)備在電力傳輸和供配電中發(fā)揮著巨大的作用,其安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要[1-3]。變壓器的鐵心以及繞組等部件在運(yùn)行時(shí)會(huì)引發(fā)損耗產(chǎn)生熱量。

隨著非線性負(fù)荷的迅速增長(zhǎng)以及電力電子技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用,導(dǎo)致電網(wǎng)的諧波問題日趨嚴(yán)重[4-7],而變壓器長(zhǎng)期在諧波環(huán)境下運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的損耗、發(fā)熱[8-9],使得變壓器絕緣老化加速,不僅會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的壽命降低,而且會(huì)因?yàn)榻^緣層遭受破壞引發(fā)安全事故[10-12]。關(guān)于諧波對(duì)變壓器損耗、溫升和壽命的研究比較多,但都只是傳統(tǒng)的直接從單方面研究損耗與溫升以及溫升與壽命的關(guān)系[13-16],沒有從諧波角度出發(fā),將三者的內(nèi)在關(guān)系聯(lián)系在一起,關(guān)于諧波對(duì)變壓器絕緣耐壓水平影響的研究更是微乎其微。

為避免溫度過高引發(fā)事故,在變壓器中會(huì)增加冷卻裝置來降低溫度。目前,變壓器的冷卻方式包括自然油循環(huán)(簡(jiǎn)稱“ON”)、強(qiáng)迫油循環(huán)(簡(jiǎn)稱“OF”)、強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向(簡(jiǎn)稱“OD”)等冷卻方式[17-18]。本文針對(duì)以上3種冷卻方式的變壓器,結(jié)合最熱點(diǎn)溫度與諧波含量的關(guān)系,分別研究了其熱老化率、絕緣老化加速因子、剩余壽命與諧波含量的量化關(guān)系。

1 最熱點(diǎn)溫度與諧波含量的關(guān)系

現(xiàn)場(chǎng)工程中,最熱點(diǎn)溫度與諧波含量的關(guān)系可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)表達(dá)為:

式中:θg為頂層油對(duì)空氣的溫升；θg-R為額定條件下頂層油對(duì)空氣的溫升；θTO為最熱點(diǎn)導(dǎo)體對(duì)頂層油的溫升；θTO-R為額定條件下導(dǎo)體對(duì)頂層油的溫升；PLL為某諧波含量下的負(fù)載損耗；PNL為空載損耗；PLL-R為額定電流下的負(fù)載損耗。

最熱點(diǎn)導(dǎo)體相對(duì)空氣溫升為θ=θTO＋θg。

2 最熱點(diǎn)溫度對(duì)熱老化率的影響

上面研究了諧波對(duì)最熱點(diǎn)溫度的影響,下面從壽命損失來看溫升對(duì)變壓器絕緣的影響。溫度對(duì)變壓器的絕緣老化速度起很大影響,運(yùn)行時(shí)的溫度越高,氧化反應(yīng)發(fā)展越快,導(dǎo)致絕緣老化的速度加快,對(duì)設(shè)備的壽命造成的影響越大。由Montesinger公式可以得出相對(duì)壽命損失率,即額定負(fù)荷條件溫度θCr時(shí)的壽命損失率與某一溫度θC時(shí)的壽命損失率之比:

通常,額定負(fù)荷條件的溫度取值為98℃。將公式(3)中的對(duì)數(shù)換算為以10為底,得到下式:

于是,變壓器的絕緣壽命絕對(duì)損失可以表達(dá)為:

式中:V為相對(duì)壽命損失率；n為總的時(shí)間區(qū)間；h i為第i個(gè)時(shí)間區(qū)間下負(fù)載的運(yùn)行時(shí)間。

用Montesinger老化壽命公式的倒數(shù)表示熱老化率:

式中:const為諸多因素的歸一化影響因子,如纖維制品的內(nèi)在質(zhì)量以及環(huán)境參數(shù)等因數(shù)；P為環(huán)境變化系數(shù),在實(shí)際溫度為80～140℃可取為常數(shù)。

相對(duì)熱老化率的定義為:

相對(duì)熱老化率隨著最熱點(diǎn)溫度的抬升將變得越來越嚴(yán)重,其關(guān)系曲線成指數(shù)上升:若變壓器溫度高于98℃,相對(duì)熱老化率將超過1；若溫度達(dá)到變壓器運(yùn)行限值140℃,絕緣相對(duì)熱老化率超過120。

3 最熱點(diǎn)溫度對(duì)絕緣老化加速因子與剩余壽命的影響

在IEEE Sta C57.19.00[19]中提出了老化加速因子的概念,并定義老化加速因子FAA與最熱點(diǎn)溫度之間的關(guān)系為:

老化加速因子更加明確地反映了變壓器絕緣剩余壽命,而最熱點(diǎn)溫度對(duì)熱老化率的影響一節(jié)是在討論變壓器絕緣的老化速率,對(duì)于實(shí)際估算變壓器絕緣剩余壽命具有理論指導(dǎo)意義,但仍需要更多的數(shù)據(jù)與參數(shù)。當(dāng)研究老化加速因子在諧波畸變電流下的影響關(guān)系時(shí),直接將最熱點(diǎn)溫度與諧波電流畸變率關(guān)系式換算即可(設(shè)環(huán)境溫度為30℃)。

在IEEE Sta C57.19.00中同時(shí)提出了利用老化加速因子來判斷變壓器剩余壽命的計(jì)算公式。假設(shè)普通變壓器的工作壽命(即絕緣壽命)為30 a,則剩余壽命可表示為:

4 仿真分析

根據(jù)最熱點(diǎn)溫度與諧波含量的關(guān)系,將最熱點(diǎn)溫度轉(zhuǎn)換為諧波存在時(shí)諧波電流畸變率,在額定負(fù)載下,對(duì)諧波電流畸變率與變壓器的絕緣相對(duì)老化率、老化加速因子和剩余壽命3種關(guān)系分別進(jìn)行仿真。對(duì)于ON冷卻方式的變壓器,要考慮配電變壓器和大中型變壓器2種情況。

4.1 諧波電流總畸變率對(duì)絕緣相對(duì)熱老化率的影響

結(jié)合最熱點(diǎn)溫度與諧波含量公式,對(duì)ON冷卻方式、OF冷卻方式和OD冷卻方式的變壓器絕緣相對(duì)熱老化率與諧波電流總畸變率關(guān)系進(jìn)行仿真,仿真曲線見圖1。

由圖1可知,在ON冷卻方式下,絕緣相對(duì)老化率隨著諧波電流總畸變率的上升而增加,由于溫升離限值有一定距離,老化率變化相對(duì)平穩(wěn),但老化程度依然很大。在OF冷卻方式下,隨著諧波電流總畸變率的增加,絕緣相對(duì)老化率也相應(yīng)增加,且上升幅度相對(duì)ON冷卻方式要高。在OD冷卻方式下,絕緣相對(duì)老化率隨著諧波電流總畸變率的增加而增加,上升幅度相對(duì)ON和OF冷卻方式的變壓器更高。

圖1 變壓器相對(duì)熱老化率與諧波電流總畸變率關(guān)系

4.2 諧波電流總畸變率對(duì)變壓器老化加速因子的影響

結(jié)合最熱點(diǎn)溫度與諧波含量公式,在額定負(fù)載時(shí),對(duì)ON冷卻方式、OF冷卻方式和OD冷卻方式的變壓器老化加速因子與諧波電流總畸變率關(guān)系進(jìn)行仿真,仿真曲線見圖2。

圖2 變壓器絕緣老化加速因子與諧波電流總畸變率關(guān)系

由圖2可知,變壓器在ON冷卻方式下,隨著諧波電流含量的增加,老化加速因子也相應(yīng)變大,諧波總畸變率為20%左右時(shí),老化加速因子達(dá)到1。同時(shí),配電變壓器和大中型變壓器的老化加速因子隨著諧波電流總畸變率變化趨勢(shì)相同,即對(duì)于ON冷卻方式下的變壓器老化加速因子與變壓器容量無關(guān)。變壓器在OD以及OF冷卻方式下,隨著諧波電流總畸變率的增加,變壓器的老化加速因子也在增加,而且2種不同冷卻方式下的仿真曲線變化趨勢(shì)相同,但OD方式下變壓器老化加速因子明顯要比OF冷卻方式下的變化率大。

4.3 諧波電流總畸變率對(duì)變壓器剩余壽命的影響

對(duì)不同冷卻方式下變壓器剩余壽命與諧波電流總畸變率的關(guān)系進(jìn)行仿真,仿真曲線見圖3。

圖3 變壓器剩余壽命與諧波電流總畸變率關(guān)系

由圖3可知,3種不同冷卻方式下變壓器的剩余壽命與諧波電流含量的變化趨勢(shì)相同,剩余壽命隨著諧波電流總畸變率的上升而降低,近似成線性關(guān)系。在ON冷卻方式中,同一諧波電流總畸變率下,大中型變壓器剩余壽命相對(duì)配電變壓器較短。

5 結(jié)論

根據(jù)3種不同冷卻方式下絕緣相對(duì)熱老化率、老化加速因子、剩余壽命與諧波電流總畸變率的關(guān)系分析與仿真,可以發(fā)現(xiàn):相對(duì)熱老化率曲線變化規(guī)律近似成指數(shù)關(guān)系,與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中變壓器溫升每上升6℃絕緣相對(duì)熱老化率增加1倍的結(jié)論相互驗(yàn)證。隨著諧波電流含量的增加,老化加速因子也相應(yīng)變大,在諧波總畸變率為20%左右時(shí),老化加速因子將超過1。剩余壽命隨著諧波電流總畸變率的上升而降低,近似成線性關(guān)系。