谐波条件下变压器温升及寿命的计算

马德萍 马海君

（吴忠供电局，宁夏 吴忠 751100）

0 引言

变压器在运行时所产生的空载损耗和负载损耗都转变为热能，从而使变压器发热。所发出的热量通过传导、对流和辐射的方式向周围冷却介质散出。一边发热，一边散热，发热大于散热时变压器各部分温度就升高起来，发热与散热平衡时温度就保持一定数值，不再升高了。这时的稳定温度，就是通常所指的变压器各部分的温度。变压器发热越大（损耗越大）、散热越小，则温度越高，需要足够的冷却装置才能将温度降低到允许值。

1 变压器的发热

变压器的热量主要来源于铁心和绕组，而且只有一定的温度差才能散热，所以变压器各部分温度是不一样的。一般来说，绕组的温度最高，铁心的温度次之。对每一部分来水，温度的高度也不一致，均是自下而上逐渐升高的。但在最高处由于散热好些，所以温度也不是最高。油浸自冷变压器各部分的温度中最重要的是最高温度，即最热点的位置，因为他对变压器的绝缘影响最大。变压器最热点一般是在绕组高度方向的3/4处，宽度向外方向的1/3处。一般只能测量变压器的顶层油温，以及用电阻法测量绕组的平均温度。

2 变压器的温升

变压器的温升,对于空气冷却变压器是指测量部分的温度与冷却空气温度之差；对于水冷却变压器是指测量部分的温度与冷却器入口处水温之差。

变压器运行在海拔高度1000米及以下，而冷却介质温度规定为下列数值时:

油浸式变压器线圈和顶层油温升限值是绕组最热点温度为+98℃得来的。因为A级绝缘在+98℃产生的绝缘损坏为正常损坏，而保证变压器正常寿命的年平均气温是+20℃，线圈最热点与其平均温度之差为13K，所以线圈温升限值为：

油正常运行的最高温度为+95℃，最高气温是+40℃，所以顶层油温升限值为：

当本体内的油不与大气接触时油正常运行最高温度为+100℃。对于冷却方式为强油循环的变压器，为了保证绕组最热点温度不超过+98℃，实际油顶层温升则不应超过40K。根据国际电工委员会推荐的计算方法：

绕组最热点温度＝油顶层温升＋绕组最热点与油顶层的温差＋年平均气温＝40℃+38℃+20℃=98℃

所以强油冷却变压器的油顶层温升已定为40K。强油冷却的变压器油顶层温升若按标准55K控制，绕组最热点温度将会大于+98℃。运行部门如控制油顶层温度是+85℃，基本上可保证绕组最热点的温度是+98℃。

在下列情况下温升限值可以改变：

1）有不燃性合成绝缘液体且所用绝缘材料的耐热等级不是A级的变压器，温升可以增加；

2）冷却空气的温度超过任一规定的环境温度，则线圈、铁心和油的温升限值应予降低。额定容量≥10MVA、超过值≤10℃时，降低值等于超过值；额定容量<10MVA、超过值≤5℃时应降低5K。超过值>5℃且≤10℃时应降低10K；

3）对于在超过1000米的海拔处运行，而正常海拔试验的空气冷却变压器，温升限值应在1000米以上每500米为一级减小2.0%（油浸自冷）、3.0%（油浸风冷或强油风冷）。运行与试验的海拔与上述相反，则所测得的温升应该按上述规定减小。

4）如果变压器高海拔运行地点的环境温度比规定的值有所下降，且每升高1000米降低5℃或更多时，则高海拔的影响已有环境温度的降低所补偿，温升限值不需降低。

3 变压器温升及寿命变化的计算

相对于周围环境的温度，变压器最终的油顶层温升的计算可以表示如下：

其中：θ0F为在非线性负载条件下，相对于环境温度的最终的油顶层温升，℃；θ01为在线性负载条件下，相对于环境温度的最终的油顶层温升，℃；m1为系数，在0.8～1.0之间变化，系数较低值适用于自冷却变压器，系数较高值适用于强制油冷却变压器；PH1为基波条件下的变压器磁滞损耗，W；PHn为谐波条件下的变压器磁滞损耗，W；PF1为基波条件下的变压器涡流损耗，W；PFn为谐波条件下的变压器涡流损耗，W；PJ1为基波条件下的变压器绕组损耗，W；PJn为谐波条件下的变压器绕组损耗，W。

变压器油顶层温度的暂态过程可用下式计算：

其中：θ0为瞬时油顶层温升，℃；T0为热油时间常数，小时；θi0为初始油顶层温升，℃；t为时间，小时。

变压器绕组最热点的最终温升的表达式见下式，这个表达式计算的是相对于最终顶层油温升。

其中：θeF为在非线性负载下的绕组温升，℃；θel为在线性负载下的绕组温升，℃；m2为系数，在0.8～1.0之间变化，系数较低值适用于自冷却变压器，系数较高值适用于强制油冷却变压器。

通过以上表达式可以得到绕组瞬时温度变化的表达式，如下式所示。

其中：θe为绕组瞬时温度，℃；θie为绕组初始温升，℃；Te为绕组热时间常数，小时。

变压器寿命损失和温度的关系，我们可以用一个关于最热点温度的函数来表示：

其中：PV%为相对于正常预期寿命的寿命百分比；θmQ为变压器最热点温度，℃；θa为环境温度，℃；

上式表明变压器最热点的温度越高则变压器的寿命降低的越快，相对于正常寿命的寿命百分比就越低。式中，变压器最热点温度θmQ包括三部分：环境温度、绕组温升、顶层油温升。如设，环境温度为30℃，绕组温升为65℃，顶层油温升为55℃，则此时变压器相对于正常预期寿命的百分比为99.92%。

4 结束语

总之，电力变压器是电力系统中极其重要的主设备之一，变压器在系统中发挥着特殊的作用:联系不同电压等级的系统，是功率传送的中间桥梁，它的安全运行与否，直接关系到电力系统能否连续稳定地工作。特别是由于变压器本身造价昂贵，一旦因故障而遭到损坏，其检修难度大、时间长，将造成巨大的经济损失。近年来，随着电力系统规模的扩大，电压等级的升高，大容量变压器的应用日趋增多，对变压器保护提出了更高的要求。为了保障变压器安全、可靠地运行，电力科研工作者不断深入分析其运行特性，研究新原理、新方法来提高变压器保护的性能，对其理论探讨与装置研制一直在不断进行。

［1］修常鑫，叶倩.“三段式”电价初探[J].吉林电力，2002(04).

［2］陈志业，尹华丽，李鹏.电能质量及其治理新技术[J].电网技术，2002(07).

［3］田莉莉，吴为麟.电能质量的改善及监测[J].能源工程，2002(02).

［4］肖遥，李澍森.开放竞争的电力市场与电能质量[J].华中电力，2001(05)

［5］云瑞军.电力谐波对旋转电机及变压器的影响分析[J].内蒙古石油化工，2001(01).

［6］贾清泉，宋家骅，兰华，等.电能质量及其模糊方法评价[J].电网技术，2000(06).

［7］王军.带分布式发电的配电网谐波研究[D].中国科学院研究生院：电工研究所，2006.

［8］谭子求.基于DSP的电能质量在线监测装置的研究[D].武汉大学，2004.

［9］刘冀春.谐波监测管理系统与谐波治理措施研究[D].重庆大学，20042.