高海拔電力變壓器結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)的差異分析

Differential Analysis of Structure and Test of High Altitude Power Transformer

WEI Xiuxiu* WANG Shuailong LIU Jia WANG Xianlei （Shandong Institute for Product Quality Inspection）

Abstract： Highaltitude power transformer isan important partofpower transmission.This paperanalyzes its structure andtest differences，which is of great significance for energy development and construction.Through analyzing the characteristics of high-altitude environment， this paper introduces the infuence on the internal structure and shapeof power transformer intheaspects of the air gapand insulator ininsulation factors，andfuel tank size，cooling method and cooling method of heat disspation factors.It analyzes the differences between high altitude power transformers used in national standards such as GB/T1094.2-2013，GB/T1094.3-2017and GB/T1094.1-2022 and those used under normal conditions in temperature rise test，outer insulation air gap and outer application withstand voltage.

Keywords：power transformer;solar;wind; insulation;cooling

0 引言

能源作為整個世界發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長的最基本動力。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各國對能源的需求量也越來越大。傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣等化石能源，帶來了環(huán)境污染和能源枯竭的現(xiàn)實(shí)壓力。這使得全世界開始關(guān)注和發(fā)展太陽能、風(fēng)能等綠色能源。高原地區(qū)太陽輻射強(qiáng)、風(fēng)力大，具有豐富的太陽能和風(fēng)能資源。高海拔用電力變壓器是電力傳輸?shù)闹匾M成部分。本文通過對其結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)差異的分析，對能源開發(fā)和建設(shè)具有重要意義。

1 高海拔環(huán)境的特點(diǎn)及對電力變壓器結(jié)構(gòu)的影響

1.1定義

電力變壓器正常使用條件為海拔不超過1000m^[1] 。高海拔地區(qū)為海拔高于 1000m 的區(qū)域。為適應(yīng)高海拔環(huán)境設(shè)計(jì)和使用的電力變壓器稱為高海拔用電力變壓器

1.2高海拔環(huán)境的特點(diǎn)

隨著海拔的增加，環(huán)境條件呈現(xiàn)出空氣稀薄、氣壓低、氣溫低、氣溫日變化大和太陽輻射強(qiáng)等特點(diǎn)，這會給電力變壓器帶來以下影響：（1）電暈，交流電暈起始電壓降低使得電暈現(xiàn)象比平原地區(qū)嚴(yán)重，電暈會增加電能損耗，使絕緣老化和金屬腐蝕加速；（2）絕緣強(qiáng)度，受空氣介電強(qiáng)度、空氣冷卻效應(yīng)和弧隙空氣介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度降低的影響，產(chǎn)品空氣絕緣耐壓降低；（3）溫升，產(chǎn)品散熱困難，會使電力變壓器溫升增加，同時，太陽輻射對物體加熱的作用也會引起較大的附加溫升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海拔 5000m 的最大太陽輻射是平原地區(qū)相應(yīng)值的1.25倍[2]。電暈和絕緣強(qiáng)度是從絕緣方面對電力變壓器的影響，溫升是從散熱方面對電力變壓器的影響。

1.3絕緣和散熱對電力變壓器結(jié)構(gòu)的影響

絕緣和散熱是影響電力變壓器在高海拔地區(qū)正常運(yùn)行的兩大重要因素。

（1）絕緣。外絕緣為空氣絕緣及設(shè)備固體絕緣的外露表面，它承受電壓作用并直接受大氣和其他外部條件的影響3。電力變壓器的外絕緣由空氣間隙和套管（絕緣子）構(gòu)成。經(jīng)前面分析可知，隨著海拔增加，空氣逐漸稀薄，空氣密度下降，外絕緣放電電壓也會相應(yīng)降低。為了增大空氣間隙，電力變壓器中的不同電壓等級的繞組之間，繞組對油箱、繞組對鐵心以及異相繞組之間，由于要承受較高的運(yùn)行電壓，要增大它們之間的距離。繞組內(nèi)部的匝間絕緣、油道絕緣、層間絕緣、繞組端部間的絕緣和鐵軛的絕緣也要相應(yīng)的增大增強(qiáng)。為了保證電力變壓器在高海拔地區(qū)使用時有足夠的耐擊穿能力，高海拔地區(qū)使用的套管需要增大干弧距離和爬電距離。干弧距離見下文油浸式電力變壓器外絕緣空氣間隙中最小空氣間隙分析。

爬電距離會隨海拔的增加而進(jìn)行修正，按式（1）和式（2）計(jì)算：

λ^′=λ（1+K）

式中： λ^′ 一高海拔地區(qū)統(tǒng)一爬電比距，套管爬電距離與套管兩端最高運(yùn)行電壓有效值的比值；λ-1000m 以下地區(qū)統(tǒng)一爬電比距，單位為 mm/ kV ： K 一特征指數(shù)，海拔每增加 500m ，增加 3%^∣ 4]

式中： L₀ 一套管的幾何爬電距離， mm ： U 一套管兩端承受的最高運(yùn)行電壓， kV K_e —套管爬電距離的有效系數(shù)， K_e=1 。

（2）散熱。隨著電力變壓器主絕緣、縱絕緣、端絕緣5和套管尺寸的增加，電力變壓器的油箱尺寸也會相應(yīng)增加，而且會隨海拔的升高而加大。電力變壓器油箱尺寸的增大，應(yīng)采取有效的冷卻措施。高海拔電力變壓器在運(yùn)行過程中，內(nèi)部鐵芯、繞組和鋼結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生損耗，這些損耗將轉(zhuǎn)化為熱能使變壓器產(chǎn)生內(nèi)在的溫升。由上文分析可知，太陽輻射會引起較大的外在附加溫升，同時空氣稀薄導(dǎo)致產(chǎn)品散熱困難，散熱問題顯得尤為重要。普通環(huán)境使用的電力變壓器，一般靠油箱散熱即可滿足要求，而高海拔地區(qū)使用的電力變壓器則應(yīng)改變冷卻方法和冷卻方式。較小容量的電力變壓器，采用波紋油箱或在油箱上焊散熱片即可滿足散熱需求；較大容量的電力變壓器采用片式散熱器，通過增加片式散熱器的尺寸、組數(shù)和片數(shù)的方式來加強(qiáng)散熱；在變壓器安裝風(fēng)扇或油泵類冷卻設(shè)備，使流經(jīng)冷卻設(shè)備和繞組內(nèi)部的液體流動由自然的熱對流循環(huán)（ON）轉(zhuǎn)換為強(qiáng)迫導(dǎo)向循環(huán)（OF或OD），外部冷卻介質(zhì)的循環(huán)方式由自然熱對流（AN）變成強(qiáng)迫循環(huán)（AF）。

2 高海拔電力變壓器試驗(yàn)差異

普通電力變壓器進(jìn)行例行試驗(yàn)、型式試驗(yàn)和特殊試驗(yàn)組合的全項(xiàng)試驗(yàn)，技術(shù)參數(shù)和限值按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。油浸式電力變壓器和干式電力變壓器在外形結(jié)構(gòu)、冷卻方式和絕緣類型等方面不同，高海拔環(huán)境對兩類變壓器影響的試驗(yàn)項(xiàng)目也不同。高海拔電力變壓器試驗(yàn)中溫升試驗(yàn)、外絕緣空氣間隙測量和外施耐受電壓試驗(yàn)限值需進(jìn)行補(bǔ)充和相應(yīng)的修正。

2.1溫升試驗(yàn)

溫升試驗(yàn)影響的是溫升限值，需對其進(jìn)行修正。主要受安裝場所、試驗(yàn)場所和變壓器外部冷卻介質(zhì)循環(huán)方式的影響。（1）對于油浸式電力變壓器：如果安裝場所的海拔高于 1000m ，而試驗(yàn)場所的海拔低于 1000m 時，則試驗(yàn)時按GB/T1094.2—2013允許的溫升限值進(jìn)行如下修正：1）對于自然熱對流循環(huán)冷卻方式的變壓器，頂層液體溫升、繞組平均溫升和繞組熱點(diǎn)溫升限值應(yīng)按安裝場所的海拔高于 1000m 的部分，每增加 400m 時降低1K；2）對于強(qiáng)迫循環(huán)冷卻方式的變壓器，則應(yīng)按安裝場所的海拔高于 1000m 的部分，每增加 250m 時降低1 K^[6] 。一臺型號為SZ20-10000/35油浸式電力變壓器，安裝場所海拔大于 1000m ，在低于 1000m 試驗(yàn)場所進(jìn)行試驗(yàn)，自然熱對流循環(huán)冷卻方式。對其溫升限值進(jìn)行修正：標(biāo)準(zhǔn)限值-（安裝場所海拔- -1000m ）） /400m= 修正后限值。

（2）對于干式電力變壓器，當(dāng)所設(shè)計(jì)的變壓器是在海拔大于 1000m 處運(yùn)行，而其試驗(yàn)卻在正常海拔處進(jìn)行時，則GB/T1094.11—2022標(biāo)準(zhǔn)給出的限值應(yīng)根據(jù)運(yùn)行地點(diǎn)的海拔超過 1000m 的部分，以每100m 為一級，按不同冷卻方式進(jìn)行修正：1）對于自然熱對流循環(huán)冷卻方式的變壓器為降低 0.5% ，2）對于強(qiáng)迫循環(huán)冷卻方式的變壓器為降低 1% 。一臺型號為SC18-5000/35干式電力變壓器，自然熱對流循環(huán)冷卻方式，安裝場所海拔大于 1000m ，在低于 1000m 試驗(yàn)場所進(jìn)行試驗(yàn)。對其溫升限值進(jìn)行修正：標(biāo)準(zhǔn)限值-（安裝場所高度 -1000m ）/100m× （標(biāo)準(zhǔn)限值 ×0.5% ）） Σ=Σ 修正后限值。

對于兩類電力變壓器，如果試驗(yàn)場所的海拔大于 1000m ，而安裝場所的海拔低于 1000m 時，則進(jìn)行相應(yīng)的逆修正。受此影響做的修正限值，應(yīng)取最接近溫升的整數(shù)。

2.2外絕緣空氣間隙測量

對于油浸式電力變壓器，GB/T1094.3—2017標(biāo)準(zhǔn)對于絕緣試驗(yàn)要求僅適用于內(nèi)絕緣。如果沒有特別要求，高海拔油浸式電力變壓器進(jìn)行全項(xiàng)試驗(yàn)時僅可補(bǔ)充外絕緣空氣間隙測量。按GB/T1094.3—2017標(biāo)準(zhǔn)中第16章外絕緣空氣間隙執(zhí)行。外絕緣空氣間隙是指套管端子金屬部件之間及其與變壓器部件之間的不穿過套管絕緣子的最短直線距離[。當(dāng)油浸式電力變壓器是在海拔高于 1000m 的地區(qū)運(yùn)行，則所需的最小空氣間隙應(yīng)按每增加 100m （大于 1000m 海拔的部分），增加正常海拔下的空氣間隙值的 1% 。一臺額定電壓為 35kV 油浸式電力變壓器，安裝場所海拔 ?3000m ，對其外絕緣空氣間隙限值進(jìn)行修正：標(biāo)準(zhǔn)最小空氣間隙 + （安裝場所海拔 -1000m ） /100m× （標(biāo)準(zhǔn)最小空氣間隙 ×1% ） Σ=Σ 修正后限值。對于干式電力變壓器，僅需進(jìn)行修正限值后的外施耐受電壓試驗(yàn)，無需此項(xiàng)目。

2.3外施耐受電壓試驗(yàn)

對于干式電力變壓器，當(dāng)變壓器被規(guī)定在海拔為 1000m～4500m 運(yùn)行，但試驗(yàn)在另一個海拔處進(jìn)行時，試驗(yàn)電壓值應(yīng)乘以系數(shù) T_ef （試驗(yàn)地點(diǎn)海拔修正系數(shù)與安裝地點(diǎn)海拔修正系數(shù)的比值）[8]。對于油浸式電力變壓器，此項(xiàng)目則無需修正。

3結(jié)語

通過對當(dāng)前大環(huán)境的分析，結(jié)合工作中對高海拔用電力變壓器結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)的研究，本研究詳細(xì)介紹了高海拔環(huán)境對電力變壓器結(jié)構(gòu)的影響和試驗(yàn)中的差異。本研究仍存在一些局限性和不足之處，需進(jìn)一步改進(jìn)和完善。希望在日后能為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新貢獻(xiàn)更多的理論和實(shí)踐成果。

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作者簡介

魏秀秀，通信作者，本科，工程師，研究方向?yàn)殡姎猱a(chǎn)品質(zhì)量與檢驗(yàn)。

（責(zé)任編輯：袁文靜）