電力變壓器負(fù)載能力深度挖掘技術(shù)研究

何文林，邵先軍

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，起到電能轉(zhuǎn)移、電壓變換的作用，其中負(fù)載能力是變壓器的基本要求。影響變壓器負(fù)載能力的主要因素是變壓器的發(fā)熱功率和散熱能力［1-2］，當(dāng)發(fā)熱功率較大而散熱能力較弱時(shí)，變壓器的負(fù)載能力較弱，反之則較強(qiáng)。變壓器在設(shè)計(jì)、制造階段就決定了其負(fù)載能力［1］，但隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)與電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變，電力部門對(duì)某些區(qū)域在運(yùn)變壓器的負(fù)載能力提出了新要求［2-3］，特別是在“雙碳”大背景下，在運(yùn)變壓器負(fù)載能力的深度挖掘已成為電力部門、制造公司的熱門研究方向［4-5］。

變壓器的發(fā)熱功率主要由負(fù)載損耗、空載損耗及太陽(yáng)日照三部分組成［1］。變壓器負(fù)載能力的提升，意味著流經(jīng)變壓器繞組的運(yùn)行電流增大，而負(fù)載損耗與電流幅值的平方成正比［1］，因此變壓器負(fù)載損耗隨著電流的增大而急劇增大。變壓器空載損耗與鐵心性能、鐵心重量、鐵心制作工藝及運(yùn)行電壓有關(guān)，對(duì)在運(yùn)變壓器而言，鐵心性能、鐵心重量、鐵心制作工藝不會(huì)發(fā)生變化，運(yùn)行電壓的變化也非常小，因此通常認(rèn)為變壓器空載損耗是與運(yùn)行電流無關(guān)的恒定值［1］。太陽(yáng)日照引起的變壓器發(fā)熱功率，僅與變壓器箱殼形狀、日照強(qiáng)度及日照時(shí)長(zhǎng)有關(guān)，與變壓器運(yùn)行電流基本無關(guān)。

變壓器的散熱能力與其擁有的散熱裝置有關(guān)，不同冷卻方式的變壓器具有不同的散熱裝置。提升變壓器散熱能力的手段較多，包括增加散熱器、增加潛油泵和增加風(fēng)扇等。對(duì)在運(yùn)變壓器而言，雖然已有增加散熱器成功的案例［6］，但實(shí)施的可操作性比較有限；增加潛油泵可使變壓器內(nèi)部油流速度變大，但存在一定的絕緣風(fēng)險(xiǎn)［7］；提高風(fēng)扇冷卻能力是提升在運(yùn)變壓器散熱能力較有效且易實(shí)施的手段，通常的做法是增加數(shù)量、提高轉(zhuǎn)速及電源的變頻化改造。

變壓器高負(fù)載運(yùn)行時(shí)具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，不宜作為正常的運(yùn)行方式，僅適用于較短時(shí)間的急救負(fù)荷。在高負(fù)載運(yùn)行時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行跟蹤，除常規(guī)的溫度監(jiān)視、滲漏油巡視外，還應(yīng)加強(qiáng)油位監(jiān)視、氣體繼電器監(jiān)視，必要時(shí)開展瓦斯氣體可燃性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

本文以變壓器最熱點(diǎn)溫度不越限為控制目標(biāo)，結(jié)合變壓器運(yùn)行特點(diǎn)，優(yōu)化其負(fù)載能力評(píng)估方法；提出以加裝風(fēng)扇、提高轉(zhuǎn)速及電源的變頻化改造為技術(shù)路線的變壓器負(fù)載能力提升方法；以油位監(jiān)視、瓦斯氣體可燃性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為手段，提升高負(fù)載運(yùn)行變壓器安全管控水平。

1 運(yùn)行變壓器高負(fù)載能力評(píng)估

按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造并經(jīng)檢驗(yàn)合格的任何一臺(tái)電力變壓器，皆具有一定的高負(fù)載能力和額定負(fù)荷下的使用壽命［1］。高負(fù)載運(yùn)行時(shí)制約變壓器安全性的關(guān)鍵參數(shù)是最熱點(diǎn)溫度，對(duì)110 kV 變壓器而言，主要是變壓器本體油頂層的最熱點(diǎn)溫度；對(duì)220 kV 及以上電壓等級(jí)變壓器而言，則是變壓器繞組的最熱點(diǎn)溫度［3］。變壓器額定壽命通常在30年及以上，高負(fù)載不是變壓器的正常運(yùn)行狀態(tài)，而是急救負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，通常運(yùn)行時(shí)間在30 min以內(nèi)，因此變壓器高負(fù)載運(yùn)行，對(duì)變壓器壽命的影響非常有限，基本可忽略。

1.1 高負(fù)載能力評(píng)估流程

根據(jù)設(shè)定的核算邊界條件（環(huán)境溫度、起始負(fù)荷、過載時(shí)間、本體油溫和繞組溫度等），以本體油頂層溫度和繞組最熱點(diǎn)溫度作為控制條件，分別計(jì)算出連續(xù)運(yùn)行30 min 的最大過載倍數(shù)，選取二者過載倍數(shù)較小值作為變壓器的允許高負(fù)載能力結(jié)果。通常選擇環(huán)境溫度40 ℃、起始負(fù)荷80%、本體油頂層溫度105 ℃和繞組最熱點(diǎn)溫度140 ℃作為邊界條件。

變壓器高負(fù)載能力評(píng)估流程如圖1所示。

圖1 變壓器高負(fù)載能力評(píng)估流程

1.2 負(fù)載能力計(jì)算方法

繞組最熱點(diǎn)溫度等于環(huán)境溫度、油箱內(nèi)頂層油溫升、油箱內(nèi)熱點(diǎn)溫度與頂層油溫之間溫差三者之和［9］。

頂層油溫度計(jì)算公式如下：

繞組熱點(diǎn)溫度計(jì)算公式如下：

式中：θa為環(huán)境溫度；Δθoi為開始時(shí)的頂層油（油箱內(nèi)）溫升；Δθor為額定損耗時(shí)頂層油穩(wěn)態(tài)溫升；f1(t)為穩(wěn)態(tài)值為1 時(shí)頂層油溫升的相對(duì)增加量；Δθhi為開始時(shí)熱點(diǎn)溫度對(duì)頂層油溫的梯度；H為熱點(diǎn)系數(shù)；gr為額定電流下繞組平均溫度對(duì)油平均溫度的梯度；R為額定電流下負(fù)載損耗與空載損耗的比值；K為負(fù)載系數(shù)（負(fù)載電流與額定電流的比值）；x為頂層油指數(shù)；y為繞組指數(shù)；f2(t)為穩(wěn)態(tài)電流值為額定電流時(shí)熱點(diǎn)溫度對(duì)頂層油溫度梯度的相對(duì)增加量。

函數(shù)f1(t)表示穩(wěn)態(tài)電流值為額定電流時(shí)頂層油溫升的相對(duì)增加量：

式中：k11為熱模型常數(shù)；τ0為平均油時(shí)間常數(shù)。

函數(shù)f2(t)表示熱點(diǎn)溫度對(duì)頂層油溫度梯度的相對(duì)增加量。

式中：k21和k22均為熱模型常數(shù)；τw為繞組時(shí)間常數(shù)。

常數(shù)k11、k21、k22和常數(shù)τw、τ0都是變壓器的特性參數(shù)，可使用表1 給出的推薦值。Δθoi和Δθhi的初始條件可用t→∞時(shí)f1(t)=1 和f2(t)=1 來確定。

表1 用于指數(shù)方程的熱特性參數(shù)推薦值

式（1）和式（2）是不考慮實(shí)際變壓器運(yùn)行方式的通用公式。由式（1）可知，在負(fù)載系數(shù)K相同的情況下，頂層油溫度θ0與R呈正相關(guān)關(guān)系，R的計(jì)算公式見式（5）；由式（2）可知，在負(fù)載系數(shù)K相同的情況下，繞組熱點(diǎn)溫度θh與R、gr呈正相關(guān)關(guān)系?？紤]到實(shí)際變壓器運(yùn)行方式各不相同，在特定變壓器高負(fù)載能力評(píng)估時(shí)應(yīng)針對(duì)變壓器實(shí)際可能的運(yùn)行方式科學(xué)確定R×K2值和gr值，排除不可能過載繞組參與R×K2、gr的計(jì)算。例如，對(duì)500 kV 降壓自耦變壓器而言，高負(fù)載僅可能發(fā)生在高壓繞組（500 kV電壓等級(jí)）、中壓繞組（220 kV電壓等級(jí)）上，低壓繞組（35 kV 電壓等級(jí)）僅帶無功裝置負(fù)載，與變壓器高負(fù)載運(yùn)行無關(guān)。因此該類變壓器gr值不應(yīng)考慮三次繞組的值，僅選取一、二次繞組的平均溫度對(duì)油平均溫度的梯度的較大值，按式（6）計(jì)算R×K2值。

式中：PK為變壓器總負(fù)載損耗；P0為空載損耗。

式中：PKL為低壓側(cè)負(fù)載損耗；PKH為高壓側(cè)空載損耗；PKM為中壓側(cè)空載損耗。

2 運(yùn)行變壓器負(fù)載能力提升

在變壓器發(fā)熱功率不變的前提下，提升變壓器負(fù)載能力的核心是提高變壓器的散熱能力。無論何種冷卻方式的變壓器，提高周圍空氣流速都是提升在運(yùn)變壓器散熱能力最經(jīng)濟(jì)有效和易于實(shí)現(xiàn)的方式。加裝風(fēng)扇、將低速風(fēng)扇更換成高速風(fēng)扇和通過電源的變頻化改造提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是提高變壓器周圍空氣流速的主要技術(shù)途徑。

2.1 自冷變壓器加裝風(fēng)扇

變壓器的固有散熱面積由變壓器冷卻裝置的幾何尺寸唯一決定，已投運(yùn)變壓器的固有散熱面積是一個(gè)固定值。有效散熱面積SYX與固有散熱面積SGY的關(guān)系如式（7）所示。

式中：Kbm為表面系數(shù)。

表面系數(shù)Kbm與變壓器的冷卻方式有關(guān)，自冷變壓器的Kbm較小，而風(fēng)冷變壓器的Kbm較大［9］，故自冷變壓器加裝風(fēng)扇可提高其散熱能力。

某110 kV 電壓等級(jí)SZ9-40000/110 型自冷變壓器，在散熱器底部加裝6臺(tái)0.55 kW容量的風(fēng)扇后，在相同負(fù)荷情況下，變壓器頂層油溫度下降了10 ℃左右，散熱效果明顯提升。

2.2 低速風(fēng)扇更換成高速風(fēng)扇

運(yùn)行中的風(fēng)冷變壓器，風(fēng)扇的葉輪直徑和轉(zhuǎn)速是影響變壓器冷卻效果的關(guān)鍵指標(biāo)。受變壓器冷卻器尺寸的限制，通過更換葉輪增大風(fēng)扇的葉輪直徑在工程上很難實(shí)施。

風(fēng)冷變壓器風(fēng)扇安裝方式有底吹和側(cè)吹兩種。風(fēng)冷底吹風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速典型值為500 r/min，風(fēng)冷側(cè)吹風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速典型值為600 r/min。在環(huán)境噪音要求不高的場(chǎng)合，可以通過更換電機(jī)選擇更高轉(zhuǎn)速風(fēng)扇的方式提升變壓器的散熱能力［10］。

2.3 風(fēng)扇電源的變頻化改造

變頻是一種非常成熟的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電機(jī)的無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)［11-13］，其中變頻器是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的關(guān)鍵部件。變頻器的輸入量主要包括變壓器的頂層油溫度、負(fù)荷電流，輸出量是隨輸入量變化的電壓頻率。當(dāng)變壓器高負(fù)載運(yùn)行時(shí)，頂層油溫度、負(fù)荷電流變大，通過優(yōu)化算法，變頻器輸出的電壓頻率變高。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速n與電源頻率f的關(guān)系如式（8）所示。

式中：p為風(fēng)扇電機(jī)磁極對(duì)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。

由式（8）可知，隨著電源電壓頻率f的增加，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速n增大，變壓器散熱能力上升，起到提升變壓器負(fù)載能力的作用［14-15］。同時(shí)，變頻調(diào)速還有節(jié)能、調(diào)速平滑、電機(jī)啟動(dòng)電流沖擊小和減低噪音的特點(diǎn)［16］。

3 高負(fù)載變壓器運(yùn)行安全管控

擬高負(fù)載運(yùn)行的變壓器不得有影響負(fù)載能力的基礎(chǔ)缺陷，高負(fù)載運(yùn)行是電力變壓器的急救運(yùn)行狀態(tài)，與正常運(yùn)行狀態(tài)相比具有更大的安全風(fēng)險(xiǎn)［17］。安全風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)在變壓器頂層油溫度異常升高引起變壓器油體積的增加和繞組最熱點(diǎn)溫度異常升高引起變壓器油裂解。變壓器高負(fù)載運(yùn)行期間應(yīng)密切關(guān)注變壓器油枕的油位情況，防止發(fā)生呼吸不暢或高油位報(bào)警情況，必要時(shí)在線監(jiān)視氣體繼電器集氣盒中是否含有可燃?xì)怏w。

3.1 變壓器油溫異常引起油位升高

變壓器油是一種基本不可壓縮的液體，存在一定的熱脹冷縮現(xiàn)象。變壓器油溫升t與油體積的增加值ΔV存在如式（9）所示關(guān)系。

式中：a為油體積膨脹系數(shù)，取0.000 7；Δt為環(huán)境最大溫差值；G為變壓器總油重；g為變壓器油密度，取0.9 kg/L。

由式（9）可知，ΔV與t存在正相關(guān)關(guān)系。正常運(yùn)行的變壓器，油溫升引起的油體積增加，通過變壓器油枕進(jìn)行補(bǔ)償，油枕補(bǔ)償量設(shè)計(jì)時(shí)溫升t選取變壓器額定負(fù)荷時(shí)的油平均溫升［18-19］。變壓器高負(fù)載運(yùn)行時(shí)實(shí)際油溫升可能超過額定溫升，故存在變壓器油枕油位異常升高的可能。

3.2 集氣盒可燃?xì)怏w在線監(jiān)測(cè)

變壓器油是由許多不同分子量的碳?xì)浠衔锓肿咏M成的混合物，原子間包含C-H、C-C、CO 和H-O 4 類不同能量的化學(xué)鍵。變壓器高負(fù)載運(yùn)行時(shí)，在繞組最熱點(diǎn)溫度的影響下，存在產(chǎn)生低溫過熱的可能性［20-21］，低溫過熱形成H2和低分子烴類氣體，這些氣體會(huì)溶解于變壓器油或聚集在瓦斯繼電器的集氣盒中。

變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)可以比較準(zhǔn)確地測(cè)出H2和烴類氣體，被廣泛應(yīng)用于變壓器故障監(jiān)測(cè)，取得了較好的應(yīng)用效果［22-24］。但由于脫氣分析周期長(zhǎng)的原因，不能滿足監(jiān)視變壓器高負(fù)載期間運(yùn)行安全性的要求。

實(shí)時(shí)采集瓦斯繼電器集氣盒中的氣體，僅分析氣體的可燃性，不分析具體的氣體成分及含量，是縮短監(jiān)測(cè)周期、實(shí)現(xiàn)高負(fù)載運(yùn)行變壓器安全管控的有效手段。集氣盒可燃?xì)怏w在線監(jiān)測(cè)原理如圖2所示。

圖2 集氣盒可燃?xì)怏w在線監(jiān)測(cè)原理

采集控制層負(fù)責(zé)變壓器集氣盒氣體匯集及數(shù)據(jù)采集。應(yīng)用智能紅外氣體傳感器和電化學(xué)氧氣傳感器，直接分析可燃?xì)怏w總量的占比。采用Cortex-M4混合信號(hào)MCU（多點(diǎn)控制器），將采集結(jié)果發(fā)送至邊緣計(jì)算層。邊緣計(jì)算層進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集分析，并將結(jié)果通過IEC 61850等協(xié)議傳送給站控層，實(shí)現(xiàn)高負(fù)載運(yùn)行期間變壓器可燃?xì)怏w的在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)視。

4 結(jié)論與建議

通過對(duì)變壓器溫度計(jì)算、冷卻能力提升和安全管控手段的研究，得出以下結(jié)論與建議：

1）在變壓器本體油頂層溫度、繞組熱點(diǎn)溫度經(jīng)典計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合變壓器運(yùn)行特點(diǎn)，以排除不可能過載繞組參與R×K2、gr的計(jì)算為原則，提出了優(yōu)化計(jì)算方法。

2）結(jié)合變壓器的不同冷卻方式，提出加裝風(fēng)扇、更換低速風(fēng)扇和風(fēng)扇電源變頻改造的變壓器冷卻能力提升方法。

3）提出以加強(qiáng)油位監(jiān)視和集氣盒可燃?xì)怏w在線監(jiān)測(cè)為特征的安全管控手段。

如何評(píng)估高負(fù)載運(yùn)行對(duì)變壓器的危害，事關(guān)變壓器高負(fù)載運(yùn)行的接受度，也是下一步變壓器高負(fù)載運(yùn)行的重點(diǎn)研究方向。