变压器动态增容节能技术研究

赵镜如++陈黎明

摘要 变压器是电网中传输电力的枢纽设备，由于负荷的日益增大，迫切需要对现有变压器进行节能运行和增容改造。本文围绕变压器节能运行及增容问题，比较研究现有的数值计算法、负载导则推荐算法和热路模型法等的优劣，从中选取并改进为基于平均油温的热路模型法来计算变压器内的热点温度。得到的算法所需参数较少、计算实时性好，并具有较高的准确性和广泛适用性，这是实现变压器动态增容节能系统的基础。本文以改进的热路模型为基础，研究了一套变压器动态增容节能系统。它通过对变压器的实时监测、计算及预测，给出变压器动态增容的合理依据。

关键词 变压器；节能；增容；热路模型

中图分类号 TM4

文献标识码 A

文章编号2095-6363（2015）10-0027-02

1 本文研究背景和意义

随着我国经济的飞速发展，市场对用电量的需求连年加大，必须增大变电站的容量，如果能对变压器当前负荷下的热点温度进行计算预测，即可提高变压器的利用率和容量。所以，对变压器实施节能运行及增容技术，可加强现有电网结构、挖掘现有电网潜力，是现行电网出现的热点难点问题，对其展开研究，具有重大的工程意义。现在国内一般的增容方法是更换变压器，要考虑到原有变压器基础是否可以承载新变压器，另外，国内现在常用的对现有变压器增容改造的方法是降损改造。

变压器结构复杂，由于受工程实际条件的限制，现在大部分使用的测量方法为间接测量法，即估算热点温度。估算的方法有三种，一是数值计算法，二是国标推荐计算法，三是热路模型计算法。本文选取热路模型进行改进。估算时边界条件诸如环境温度、日照辐射、自然风等外界环境因素会对变压器运行产生一定的影响，

2 基于平均油温计算变压器热点温度的热路模型的建立

改进传统的热路模型，建立基于平均油温计算变压器热点温度的热路模型是本文的核心思想。

2.1 各因素影响分析

1）对铁芯与绕组发热的分析。在变压器油循环过程中，铁芯发热不会使绕组热点温度直接升高，因此，在三层热路模型中的最上层计算热点温度的热路模型里，不考虑空载损耗这部分发热所引发的热效应。

2）太阳辐射对变压器热点温度的影响分析。考虑到变压器在室外运行时受到来自太阳的辐射，可以把这部分辐射带来的热量作为电流源加到热路模型中。

3）变压器损耗的计算及修正。运行中的变压器，绕组跟铁芯即为主要热源，损耗等效于热源，通常认为变压器的总损耗为空载损耗和负载损耗之和，即：

其中，g为变压器总损耗、q_fe为变压器空载损耗、q_f，为变压器负载损耗。

4）温度对变压器油密度和油粘度的影响。变压器油的密度则随温度变化较大，在计算热容时必须考虑这部分影响。据传热学理论，变压器油的非线性热阻 由以下公式得出：

油粘度随温度的变化要比油其他物理参数随温度的变化大得多，因此可以将方程（2-2）中除油粘度以外的所有物理参数由常数代替，经过一系列代入转化，则方程可化为其最终形式：

上式便是考虑到温度对变压器油粘度的影响后，求解热路模型的微分方程。

5）绕组平均温度的求取。决定变压器运行容量的主要因素具体是由变压器内部温度来反映的。通常对电力变压器内部温度的监测为顶层油温及热点温度，大多数电力变压器的热点温度都是通过计算而来。

2.2 热路模型中散热热阻的求取

1）变压器箱体对外散热热阻。变压器箱体对外散热方式有三种，散热方式不同，其热阻的计算方法也不同。

（1）箱体辐射散热热阻。

辐射散热热量计算通常按照斯忒藩一玻耳兹曼公式求解：

其中AO为变压器平均油温升，经过数次迭代后即可求得热阻的精确值。

（2）箱体对流散热热阻。

在忽略箱体对外辐射的影响下，整个箱体对流散热热阻即为箱体传导热阻与对流热阻的串联，即：

变压器片式散热器散热热阻。

变压器片散的散热方式通常也有几种，根据不同散热方式热阻的求取也不同。

（1）片散辐射散热热阻。与变压器箱体相同，油浸式电力变压器大多数片式散热器每片片散同样会对外辐射散热，但由于各片片散排列紧密，每片辐射散出的热量又会被相邻的片散吸收，所以在计算每组片散的对外辐射量时，仅需考虑最外层一片的辐射（最右侧一片）。

（2）片散对流散热热阻。片散整体对流散热热阻实际为油流散热热阻、油管传导热阻和片散表面对流散热热阻三者的串联，现分别介绍各部分热阻的求取方法。

①片散内油流冷却热阻的求取。

在ONAN（内部油自然对流冷却方式，即通常所说的油浸自冷式）或ONAF（强迫对流冷却方式）冷却方式变压器中，对于油流散热热阻可分为水平油道和竖直油道分别求取，一组片散外油道内油流散热热阻为：

若一台变压器设有m组片式散热器，则全部片散油流散热热阻为：

②油管传导热阻的求取。片散上油管传导热阻的求取方法同变压器箱体传导热阻，这里不做具体分析。

③片散外表面对流散热热阻的求取。在计算热阻前，仍需对片散作出与变压器箱体类似的假设，根据变压器冷却方式的不同，热阻的求取也略微不同：

a） ONAN冷却方式下片散表面对流散热热阻为：

b） ONAF冷却方式。当变压器外部片散下方装有冷却风扇时，片散外表面对流散热方式在ONAN的基础上还叠加了冷却风扇强迫对流过程。设受风扇影响下的片散数目为 ，不受风扇影响的片散数目为 ，则此种情况下片散表面对流散热的热阻为：

3 模型算法准确性校验

油浸式电力变压器内部油流循环方式通常分为如下三种：ONAN、ONAF、ODAF （ODAF为强迫油循环导向冷却方式）。总的来说，只要设定好额定温升初值，本热路模型对不同油冷却方式有着普遍适用性。虽然本热路模型在大部分冷却方式下均适用，但对于实际情况下外部片散、冷却风扇位置不同等情况，还是需要对模型进行一定的修正。为验证计算得到散热热阻的精确性，用一台西门子公司500kV变压器作为试验数据作为对照，通过对比发现，强迫对流下理论计算热阻值与实测值相差不大，然而自然对流下二者相差较大，计算得到散热能力较小，而实际情况则比较大。基于此，根据计算得到的自然风影响下强迫对流散热热阻RN，油道总热阻 ，由额定温升数据计算得到的试验条件下片散热阻足，叠加合并得到当前环境条件下片散散热热阻：

而自然对流下片散散热热阻可直接通过试验数据求得。结果证明这样的处理是满足精度要求的。

将本热路模型计算结果与几台西门子公司变压器实测温升数据进行对比，计算与实测的一致验证了模型在变压器过负荷下温度计算具有很好的精度。

4 变压器增容（过负荷）运行方法评估

根据GB1094.7电力变压器负载导则，变压器增容运行时内部温度值必须小于限制值，再引入“线一油温差”这个指标，一般设为30℃。把此动态增容系统在三台220kV和两台llOkV运行的变压器上加以试用，对运行数据及环境条件分析后认为，在当天该运行工况下单台变压器至少可以增容60%。增容后其内部温度曲线如图l所示。从图中可以看出，增容60%后本台变压器的顶油和热点温度距离限定值还有一段距离，也就是说本台变压器还具有一定的增容空间。通过计算实例说明，在本动态增容节能系统的监测计算下，变压器完全可以在保证安全的前提下，实现长时间增容运行。

5 结论

本文研究了变压器节能运行及增容技术，并研制了一套变压器动态增容节能系统，并在郑州供电公司得到应用。该项技术研究通过了国网公司鉴定，成为国网公司系统首家采用此项技术的单位。由于客观条件、时间等的限制以及其它方面的原因，所研究的课题还需要进一步的研究和完善。