电力变压器温升试验标准计算方法溯源探讨

何东升,唐莉莉,朱天重

(国家中低压输配电设备质量监督检验中心,广东 东莞 523325)

电力变压器温升试验标准计算方法溯源探讨

何东升,唐莉莉,朱天重

(国家中低压输配电设备质量监督检验中心,广东 东莞 523325)

介绍了电力变压器温升试验的基本情况，概述了电力变压器温升试验国内外主要遵循的三个标准，通过方法溯源和公式推导，验证了国内外三个标准计算方法最终结果的一致性。此研究对电力变压器温升试验标准计算方法及准确判定具有一定的指导意义，且进一步保证了温升试验结果的准确性。

标准；变压器；温升试验；计算方法

1 引言

电力变压器温升试验是保证产品安全运行和使用寿命的重要试验，其目的是检验在规定状态下变压器油、绕组等有无过热；主要用来表明设计制造出的变压器，在带额定负载长期持续运行中所产生的稳态温升值，不应超过标准或技术合同中所规定的限值。电力变压器作为电力系统中主要设备之一，其运行的可靠性直接关系到整个电网系统的安全运行。而大部分电力变压器的寿命终结是因为绝缘能力丧失，而影响绝缘能力的主要因素为变压器运行时绕组的热点温度，所以，变压器温升试验结果的准确度直接影响变压器初始设计和日后正常运行。由于各个地域国情不同，变压器温升试验所遵循的标准不同，其试验方法也稍有区别，同时，在温升试验过程中未必施加规定的总损耗值和额定电流，所以必须进行折算，由于在折算或计算过程中，GB(国标)、IEC(International Electrotechnical Commission，国际电工委员会)标准和ANSI(American National Standards Institute，美国国家标准学会)标准校正方法的不一致性，或必导致最终试验结果的矛盾性或不统一性。

2 电力变压器温升试验简述

目前，关于油浸式电力变压器温升试验，国内主要遵循标准为GB1094.1-1996《电力变压器第1部分 总则》和GB1094.2-1996《电力变压器第2部分 温升》，分别等效采用对应于IEC标准为IEC60076-1-1993《Power transformers-Part 1:General》和IEC60076-2-1993《Power transformers-Part 2:Temperature rise》，而美国国家标准主要遵循标准为ANSI/IEEE C57.12.00-2006《 Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配电源和调压变压器的标准通用要求)》和ANSI/IEEE C57.12.90-1999《Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配电源和调压变压器的标准试验规程)》，由于国标等效采用IEC标准，除温升限值稍有所不同外，其试验方法和折算方法都完全一致，在IEC60076-2-1993标准中规定“测定油浸式变压器的标准方法是短路接线的等效试验法”，也可按协议采用“相互负载法”。ANSI美国国家标准ANSI/IEEE C57.12.90-1999中，规定可按下列方法之一进行：(1)实际负载；(2)模拟负载(包括短路法和相互负载法)。以上标准所有试验方法中，以短路法即短路接法的等效试验法，最为简单，采用最为广泛，所以本文将此方法作为研究讨论的对象，试验接线如图1所示，将试品的一侧绕组短路，另一侧供电，首先使其输入功率等于规定总损耗；当温升稳定后持续3h，再降低电流到额定电流，持续1h即可[1-2]。

图1 温升试验接线图

3 国内外温升试验标准概述

目前，油浸式电力变压器温升试验，国内外主要遵循以上三个标准：GB1094.2-1996《电力变压器第2部分 温升》和IEC60076-2-2011《Power transformers-Part 2:Temperature rise for liquid-immersed transformers》(电力变压器 第2部分：液浸式变压器的温升)以及ANSI/IEEE C57.12.90-1999《Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配电源和调压变压器的标准试验规程)》，其中GB1094.2-1996版本即将被GB1094.2-2013《电力变压器第2部分 液浸式变压器的温升》(2013年12月17日发布，2014年12月14日实施)版本代替。

4 电力变压器温升计算方法比较

4.1 国标温升计算方法

4.1.1 绕组平均温升的确定

依据GB1094.2-1996规定，温升试验过程中当施加总损耗P=(P0+PK)，且顶层油温变化率小于每小时1k时，持续3h，并取3h的最后一小时内读数的平均值作为变压器油的平均温度T1，当持续3h后再施加一个小时由总损耗P降为额定电流Ir时，即仅施加负载损耗PK时，变压器油的平均温度变为T2，由此可以推测出，由空载损耗P0所引起的变压器油的温升为(T1-T2)，在切断电源时，绕组的平均温度通过切断电源时的电阻值经计算确定为θ1，施加总损耗末了时的环境温度测定为θ0，则变压器绕组平均温升Δθ=θ1-θ0+T1-T2=T1-θ0+θ1-T2=(T1-θ0)+(θ1-T2)，即GB1094.2-1996第5.2.2条款中注释描述的“在负载变化下计算温升时，将绕组平均温升看成两部分是便利的：即油平均温升(高于冷却介质温度)加上绕组平均温度与油平均温度之差[2]”，由于试验过程中，施加总损耗P′和施加电流I′与规定总损耗P和额定电流Ir存在一定偏差，需要进一步折算到规定总损耗和额定电流下，根据GB1094.2-1996第5.6.1条款公式进行推导校正：

(1)

4.1.2 变压器顶层油温升的确定

施加总损耗P=(P0+PK)时，变压器顶层油的温度为T3，则变压器顶层油的温升为：

Δε′=T3-θ0

(2)

校正到规定总损耗下顶层油温升为：

(3)

式中：P0—空载损耗；PK—负载损耗；P—规定总损耗；P′—施加总损耗；T1—施加总损耗末了时油的平均温度；T2—施加额定电流末了时油的平均温度；θ1—断电源时绕组的平均温度；θ0—施加总损耗末了时的环境温度；Δθ—绕组平均温升；Δε′—顶层油温升；Δε—校正的顶层油温升；x=0.8对配电变压器(自然冷却，最大额定容量2500kVA)；x=0.9对ON冷却方式且额定容量大于2500kVA的变压器；x=1.0对ON或OF冷却方式的变压器;y=1.6对ON或OF冷却方式的变压器；y=2.0对OD冷却方式的变压器。

4.1.3 绕组热点温升的确定

热点是绕组绝缘系统中任何部位的最高温度，并假设为代表了变压器的热极限状态，获得绕组热点温升的方法主要有二种：直接测得和温升估算。

(1)直接测得主要采用光纤传感器监测绕组热点温度，即热点温升Δθh计算如下：

Δθh=θh+Δθof-θ0

(4)

式中：θh—电源断开时绕组热点瞬间的温度；

Δθof—在额定电流下1h试验期间的顶层液体温度的降低值；

θ0—施加总损耗末了时的环境温度。

(2)温升估算即绕组热点相对于环境空气或冷却水的温升通常以油箱内的顶层液体温升为基准，按下式确定：

Δε+H×g

(5)

式中：Δε—校正的顶层油温升；H—热点系数；g—绕组对油平均温度梯度；H=1.1，对配电变压器;H=1.3，对中型变压器;H=制造商按要求提供数据，对大型变压器。

4.2 IEC标准温升计算方法

国标GB1094.2-1996等效采用标准IEC60076-2-1993版本，除温升限值稍有所不同外，其计算方法和折算方法都完全一致，且与标准IEC60076-2-2011版本计算方法也完全一致，所以不再赘述。

4.3 ANSI标准温升计算方法

4.3.1 绕组平均温升的确定

美国国家标准ANSI/IEEE C57.12.90-1999明确规定：绕组的平均温升可以用顶层油温升或用平均油温升计算，当所用电流不是额定电流时，应采用平均油温升方法来决定绕组平均温升。①在顶层油温升方法中，绕组平均温升等于在总损耗下运行时所测得的顶层油温升加上一个量值(在切断电源时的绕组平均温度减去切断电源时顶层油温度)。②在平均油温升方法中，绕组的平均温升是在总损耗下运行时所测得的平均油温升加上一个量值(在切断电源时的绕组平均温度减去切断电源时的平均油温度)。当在任一被试绕组中流过的电流不等于额定电流时，测出的切断电源时绕组的平均温度与切断电源时的平均油温度之差，应利用下式校正到额定电流下的绕组平均温升[8]。

(6)

式中：TC—校正到切断电源时的绕组平均温度与切断电源时平均油温度之差的校正值;

T0—切断电源时的绕组平均温度与切断电源时平均油温度之差的实测值;

m—0.8，对于冷却方式为OA，FA及非导向的FOA和FOW;

m—1.0，对于导向的FOA和FOW。

校正后的绕组平均温升是在施加总损耗运行时测得的平均油温升加上式(6)求出的TC。

当实际施加损耗与要求施加损耗之差在20%范围以内时，进行校正：

(7)

式中：Td—油温升的校准值，℃；

Tb—油温升的实测值，℃；

n—0.8，对于冷却方式为OA；

n—0.9，对于冷却方式为FA；

n—1.0，对于冷却方式为FOA和FOW

校正的油温升=实测油温升+Td

(8)

由式(6)～式(8)可以推出：

(9)

4.3.2 变压器顶层油温升的确定

根据式(8)所示：

(10)

根据以上推导，可以得出：

4.3.3 绕组热点温升的确定

美国国家标准ANSI/IEEE C57.12.90-1999关于绕组热点温升无详细叙述，仅提到“除绕组外的各个金属部件上的温升应使用热电偶或合适的温度计测定”。

5 结论

根据以上的讨论分析，对于电力变压器温升试验标准计算方法，GB1094.2-1996和IEC60076-2-2011以及ANSI/IEEE C57.12.90-1999三个标准中，由于区域和国情的不同，所遵循的试验方法各有遗缺或稍有不同，但大同小异。同时，对于温升试验计算方法，根据推导，GB1094.2-1996(等效采用IEC60076-2-1993)对于绕组平均温升所采用的校正计算公式(1)与ANSI/IEEE C57.12.90-1999所采用的校正计算公式(9)最终完全等同，同样，GB1094.2-1996(等效采用IEC60076-2-1993)对于顶层油温升所采用的校正计算公式(2)与ANSI/IEEE C57.12.90-1999所采用的校正计算公式(10)也完全等同。

综上所述，尽管以上三个标准中，对于计算方法，尽管起始的校正公式不同，但却殊途同归，辩证统一，从而确保了电力变压器温升试验在不同标准方法下试验结果的一致性和准确性。通过以上三个标准的讨论研究，对于变压器生产企业和质检机构，针对变压器温升试验的方法和计算推导公式具有一定的指导意义。

[1] GB1094.1-1996 电力变压器第1部分总则[S].1996.

[2] GB1094.2-1996 电力变压器第2部分温升[S].1996.

[3] IEC60076-1-1993 Power transformers-Part 1:General[S].1993.

[4] IEC60076-2-1993 Power transformers-Part 2:Temperature rise[S].1993.

[5] IEC60076-2-2011 Power transformers-Part 2:Temperature rise[S].2011.

[6] ANSI/IEEE C57.12.00-2006 Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers[S].IEEE-SA标准委员会，2006.

[7] ANSI/IEEE C57.12.90-1999 Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers[S].IEEE标准委员会,1999.

Discussion on Traceability of Power Transformer Temperature Rise Test Standard Calculation Method

HEDong-sheng,TANGLi-li,ZHUTian-zhong

(China National Quality Supervision and Testing Center for Mid-Low Voltage Transmission and Distribution Equipment,Dongguan 523325,China)

This paper introduces the current situation of power transformer temperature-rise test,and summarizes the power transformer temperature rise test mainly follow three standards,at home and abroad.Through traceability and formula derivation,the consistency of the final result of these three standard calculation methods has been verified.This study has great significance to temperature rise test standard calculation method and accurate judgement,and further ensure the accuracy of the temperature-rise test results.

standard ；transformer；temperature-rise test；calculation method

1004-289X(2015)02-0001-04

TM406

A

2014-12-11

何东升(1978-)，男，工程师，硕士研究生，主要从事能源与动力系统中电力电子及其控制的应用和高低压电器产品的试验、认证与研发。