油浸电力变压器过载能力核算模型参数敏感性研究

郭志红马 强陈玉峰王 辉陈敬德

（1. 国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250002；2. 国网山东省电力公司电力调度控制中心，济南 250000；3. 上海交通大学电气工程系，上海 200240）



油浸电力变压器过载能力核算模型参数敏感性研究

郭志红1马 强2陈玉峰1王 辉1陈敬德3

（1. 国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250002；2. 国网山东省电力公司电力调度控制中心，济南 250000；3. 上海交通大学电气工程系，上海 200240）

传统的变压器过载能力研究中，缺乏核算模型参数的敏感性及量化分析，使得参数的选取导致计算结果的不精确，因此，本文研究了过载能力影响因素及参数的敏感性，分析各个参数对过载能力的影响，为过载能力核算提供科学的参数选择依据。首先，研究环境温度、起始负荷率与各类过载关系，分析表明，环境温度的增加导致变压器短期急救负载过载时间的非线性减少，导致长期急救负载的过载倍数近似线性减少；起始负荷率的增加导致变压器短期急救负载过载时间的减少。其次，通过对比计算模型中各个参数的敏感程度，表明额定负载下顶层油温升、油指数、冷却方式参数值的可靠程度与核算模型计算结果的准确性息息相关。最后，结合算例对本文研究进行验证，数据结果充分证明了本文结论。

变压器；过载能力；影响因素；参数敏感性

国民经济的发展，人民生活水平的提高，增加了生产生活对电能的需求。然而电网建设的相对落后，变压器故障N-1情况等造成变压器的负荷率处于较高的水平。变压器作为电网中重要的大型变电设备，其正常稳定运行也决定了电力系统的稳定安全运行。同时，变压器过载一段时间，可以增加电能的销售，提高电网的收入；在变电站建设中，变压器的适度过载，可以推迟新一台变压器的购入，使得建设资金可以合理运转。因此，研究变压器过载能力对电网的稳定运行，解决负荷增长与电网建设相对滞后的矛盾，保证生产生活的正常运行等都有着重要的意义。

文献［1］通过分析变压器的过载能力，使变压器适度过载，可以减少投资的变压器容量，提高变压器容量使用率，减少了电动汽车充电站的变压器投资，使得充电站能够得到合理的经济的投资。文献［2］通过使用IEC 354—1991《油浸式电力变压器负载导则》，对浙江电网正在运行的 220kV电力变压器共计317台进行了过载能力的计算，指导变压器运行限额的制定，提高设备的负荷率。文献［3］使GB/T 1094.7—2008《电力变压器 第7部分：油浸式电力变压器负载导则》中的绕组热点等的计算公式，对500kV的大型电力变压器过载能力进行核算，对变压器的过载运行提供指导。文献［4］分析了变压器顶层油温预测模型的热辐射影响因素。文章将代表太阳辐射的修正项引入顶层油温预测热模型。改进后的热模型能够较好地预测变压器顶层油温。文献［5］考虑到随着变压器运行过程中油温变化引起的油粘度变化，从而造成变压器热学参量的改变，将此影响加入到变压器热路模型的建立中，建立了修正热路模型，并根据模型推导了微分公式。运算结果显示出了顶层油温计算的更高的准确度。文献［6］建立了一个基于 Takagi-Sugeno的变压器顶层油温预测模型。数据仿真表明，该模型以简单的模糊规则实现了变压器顶层油温的预测，且模型的预测精度优于 IEEE推荐的变压器顶层油温经验模型。支持向量机等学习方式也逐渐应用于电力系统的研究［7］。文献［8］建立了基于遗传优化支持向量机的变压器绕组热点温度预测模型，文章通过选用径向基核函数优化模型结构，利用遗传算法对参数进行寻优。实验结果表明，该模型预测结果与实测结果基本一致。

以上文章都显示出了正确计算变压器顶层油温等的重要性，显示出变压器过载能力对于电力系统正常运行，电网经济效益等的意义。而且，文章表现出改进 IEEE等的温度计算标准是大的趋势，研究变压器温度影响因素，准确预测变压器顶层油温等温度具有重要意义。然而，没有系统地分析变压器温度计算的影响因素，也没有对这些影响因素进行量化分析，同时也缺乏计算参数的敏感性分析。基于此，本文通过分析和计算，给出了影响变压器过载能力的主要因素，并定量分析了不同因素对变压器过载能力的影响程度。同时，本文分析了国标计算模型中不同计算参数的敏感程度。对于较敏感的参数，在使用公式计算时，需要保证参数值的准确性；对于不敏感的参数，也可采用国标推荐的参数进行计算。

1 原理分析

1.1温度计算模型

变压器过载能力的主要限制因素为温度，因而本文通过对温度进行计算得到变压器过载能力。本文采用国标GB/T 1094.7—2008热点温度计算模型。

GB标准是采用IEC 60076.7—2005［9］时，考虑到我国国情，做了一些适当的修改。

由变压器热分布，可以得到热点温度［10］

对应于负载曲线上升部分热点温度由式（2）给出：

相应地，对应于负载曲线下降部分的热点温度由式（3）给出：

1.2变压器过载能力的影响因素分析

变压器的过负载能力除了受到变压器本身参数的影响，也与当前运行条件下的起始负荷率和环境温度有着非常直接的关系。这是由于限制变压器过载能力的主要是油温和绕组温度不能越限，而当环境温度升高时，在相同的过载条件下，油温和绕组温度都会有相应的升高；起始负荷率的高低则决定了起始的油温和绕组温度［11-12］。

对于长期急救负荷来说，能够决定变压器过载能力的是在某一过载倍数下的顶层油温的稳态值和绕组热点温度的稳态值，而温度稳态值与顶层油温和绕组热点温度的初始值并无关系，即与起始负载率无关，当变压器参数和过载倍数确定时，温度的稳态值主要与环境温度有关系。所以变压器的长期急救负荷过载能力与起始负荷率无关，仅与环境温度有关，环境温度越高，过载能力越低。

对于短期急救负载来说，主要考虑的是变压器在某一过载倍数下能够运行的最大时间和在一定过载时间内所能运行的最大过载倍数。而一般要求变压器短期急救负载的时间是比较短的，一般 30min到几小时不等，这时顶层油温上升和绕组热点温度上升往往都还处在暂态过程中，没有达到稳态值，这种动态的温度上升则与顶层油温和绕组热点温度的初始值有着直接的关系。所以变压器的短期急救负荷过载能力，同时与环境温度和起始负荷率有关，环境温度越高，过载能力越低，起始负荷率越高，过载能力越低。

可见，当变压器参数确定以后，长期过负载运行的顶层油温和绕组热点温升仅与环境温度有关系。对于短期急救负荷过负载，时间 t比较小，而均为t的函数，所以公式中会含有起始顶层油温升起始绕组热点油温升的项，故短期过负荷能力不仅与环境温度有关系，而且与起始负荷率有关系。

2 数值分析

2.1环境温度对变压器过载能力的影响

从上述分析可知，变压器周围的环境温度是影响变压器运行时内部温度的主要因素。使用标准中的温度计算模型，以及推荐的参数，短期急救负载的温度限制下（热点温度限值 160℃，顶层油温限值115℃），对于不同环境温度，计算允许过载的时间，对温度因素进行分析。当初始负载率为1时，过载倍数为 1.5时，允许过载时间随环境温度的变化如图1所示。

图1　短期急救负载过载时间与环境温度的关系

由图1可知，允许过载时间随着环境温度的升高而快速降低，并且这种降低是非线性的。由于起始负荷率对短期急救负载也有影响，因而设定过载倍数为1.5，研究不同负荷率下温度的影响情况。

表1　短期急救负载，不同环境温度下允许过载时间

由表1可知，在不同的起始负荷率下，允许过载时间的变化有着相似的特性：随着环境温度的升高而快速降低。因此，环境温度的变化对变压器过载能力有较大影响。

研究过载倍数一定时，变压器过载所能持续的时间反映出变压器的过载能力。然而，在过载时间一定的情况下，研究变压器所能承受的过载倍数亦反映出变压器过载能力。后者研究较少，本文采用后者对长期急救负载的过载能力进行研究核算。

对于长期急救负载，其温度的限制为：热点温度限值140℃，顶层油温限值115℃。计算得到初始负载率为1时长期急救负载最大过载倍数与环境温度的关系如图2所示。

图2 长期急救负载最大过载倍数与环境温度的关系

图2表明可接受的最大过载倍数随环境温度的升高而下降，且这种下降是近似线性的。

由以上的计算可知，变压器过载的能力与所处的环境温度有非常直接的关系，环境温度的变化，对变压器过载能力的计算结果有非常大的影响。所以对环境温度的测算与修正，对变压器过载运行能力计算有着非常重大的意义。

2.2起始负荷率对变压器过载能力的影响

当起始负荷率确定时，可以得到确定的初始顶层油温升和初始绕组热点温升，而初始的油温升和绕组温升对变压器的短期急救负载条件下的允许过载时间有着显著的影响。而对长期急救负载条件下能够过载的倍数没有影响，因为决定长期急救负载条件下的过载倍数的是该过载倍数下的顶层油温稳态值和绕组热点温度的稳态值。故本节主要对不同的起始负荷率对变压器在短期急救负载条件下的允许过载时间进行了计算分析。

环境温度为40℃时，过载时间与起始负荷率和过载倍数的关系图如图3所示。

从图3中可以看出，在环境温度为40℃时，最下方深蓝色区域内的运行点的过载时间小于30min，其他区域可以过负载运行的时间均超过30min。在相同条件下，起始负载率越低，可以短期过负载能力越强。

图3　40℃过载时间与起始负荷率和过载倍数的关系图

当环境温度为20℃时，关系如图4所示。

图4　20℃过载时间与起始负荷率和过载倍数的关系图

在环境温度从40℃降低到20℃以后，在各个运行状况下，可以看出变压器短期过载时间随着环境温度的降低大幅提升。在20℃情况下，变压器过载的时间随着起始负荷率的减少而增加。在不同环境温度下，起始负荷率的增加都导致过载能力的降低。并且，起始负荷率的准确程度直接影响初始温度的计算，对变压器过载核算准确性影响较大。

2.3温度约束分析

由于变压器超铭牌额定值负载运行时有顶层油温和绕组热点温度2个限值，所以在测算模型参数敏感性的时候需要首先计算在给定的运行条件和过负载率下是油温先越限，还是绕组温度先越限。使用国标GB/T 1094.7—2008热点温度计算模型，以及标准中的推荐参数。

环境温度为40℃时，分别对油浸自冷（ONAN），强迫油循环风冷（OFAF），强迫导向油循环风冷（OD）三种冷却方式进行计算。

图5、图6、图7中，X轴为起始负荷率Ki，Y轴为过载倍数Ku，Z=1表示顶层油温温度先越限，Z=-1表示绕组热点温度先越限。图5中，即冷却方式为ONAN时，Ku不高于1.4时，过载总是热点温度先达到铭牌约束，而Ku高于1.4，则是顶层油温先越限。对于冷却方式OFAF，从图6中可以得出，较ONAN方式，Ku不高于1.5时热点温度先越限。对于ODAF冷却方式，全部为顶层油温首先超过温度限定值。可见顶层油温先越限还是绕组热点温度先越限与变压器冷却方式有很直接的关系。这是由于不同冷却方式的变压器热模型常数有较大的区别，顶层油温和绕组热点温度随时间升高曲线的陡峭程度有一定区别，导致温度超过限值的种类不同。因此冷却方式对核算的准确性息息相关。

图5　冷却方式为ONAN，越限温度种类

图6　冷却方式为OFAF，越限温度种类

图7　冷却方式为ODAF，越限温度种类

2.4其他参数敏感性分析

由于变压器热点温升与多个参数有关，且与参数的关系有很强的非线性，为了分析其他参数敏感性，在计算过程中加入±5%的扰动，以确定有必要进行更精确的测算或在公式中进行修正的参数，和可以沿用标准中推荐值，影响较小的参数。

图8和图9中，黑色柱状图为每个参数单独减小5%时，过载时间的变化比例。灰色柱状图为每个参数单独增大 5%时，过载时间的变化比例。图 8得出，在过载倍数为 1.5时，额定负载下绕组热点温升，额定负载下顶层油温升，油指数x和绕组指数y的扰动对最终计算结果影响较大。过载倍数为1.3时，额定负载下顶层油温升和油指数x的准确性对结果影响很大。较不敏感的参数包括常数例如，过载倍数 1.5，在其他参数固定情况下，额定负载热点温升减少5%将导致过载时间计算结果增加了20%。同样，该值增加5%致使过载时间减少15%。过载倍数为1.3时，油指数变化5%时，也会导致计算结果的15%～20%的变化。由此可见，对于这些敏感参数，必须尽量实际测量其精确值，以保证过载核算的准确性，而对于其他不敏感参数，则可应用导则等中的推荐参数，其精确程度与核算结果的准确影响不大。

图8　过载倍数为1.5时，过载时间对参数的敏感度

图9　过载倍数为1.3时，过载时间对参数的敏感度

3 结论

通过理论和数据计算分析，变压器的过载能力与环境温度和起始负荷率有着直接的关系，并且在变压器参数确定的情况下：

1）变压器的短期急救负载能力随着环境温度的增加而呈现出非线性的减少。变压器的长期急救负载的过载倍数随着环境温度的增加呈现出近似线性的减少。

2）变压器的短期急救负载能力随着起始负荷率的减少而增加。

3）变压器冷却方式对核算中温度约束值的选择至关重要。

4）过载情况下，额定负载下顶层油温升和油指数x的准确性与核算结果的准确程度息息相关。需要针对不同的变压器核算采用对应的准确值，而对于常数可以采用导则中的推荐值。

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一种适用于大规模新能源电站的多层轮级互锁孤岛保护方法

近日，国家知识产权局公布专利“一种适用于大规模新能源电站的多层轮级互锁孤岛保护方法”，申请人为国电南瑞科技股份有限公司。

本发明公开了一种适用于大规模新能源电站的多层轮级互锁孤岛保护方法，包括：①根据大规模新能源电站系统的稳定域度，确定孤岛保护特征量的定值，将系统稳定划分为多个层级；②根据大规模新能源电站的每个间隔的设备类型，以及出口矩阵配置，生成对应的逻辑表达式；③生成轮级互锁逻辑；④通过实时计算特征变量值，识别孤岛现象发生后系统的稳定层级，根据轮级互锁逻辑判别结果，作用于出口矩阵，保证出口跳闸的快速性、可靠性。

本发明应用轮级互锁逻辑方法，防止大规模新能源电站孤岛保护过程中出现的过切问题，具有较高的自动化水平，能够简化操作流程，降低运行和维护成本，增加操作的可靠性，同时该方法具备广泛的适用性。

Research on Parameters Sensitivities of Oil-immersed Power Transformers Calculation Method

Guo Zhihong1Ma Qiang2Chen Yufeng1Wang Hui1Chen Jingde3
（1. Department of Shandong Electric Power Company Electric Power Research Institute，Ji’nan 250002；2. Department of Power Dispatching and Control Center of Shandong Electric Power Company，Ji’nan 250000；3. Department of Electrical Engineering Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240）

The lack of calculation model parameters sensitivities and mathematic analysis in traditional research of transformer overloading，makes it inaccurate to get overloading capacity results as the way of choosing parameters. Therefore，overloading factors and parameters sensitivities have been studied to make it more scientific to calculate overloading capacity. Firstly，relationships between ambient temperature with initial rated load and overloading types have been studied. Analysis and calculation results reveal that overloading time of short-time emergency loading decreases in nonlinearity as ambient temperature increases； overload rate of long-time emergency loading decreases linearly. Also，with the augment of initial rated load，short-time emergency loading time decreases. Secondly，the sensitivities of parameters in calculation method are compared to find that the accuracy of top oil rise at rated load，oil index and cooling type has significant influence on the correction of calculation results. Finally，the results of numerical computation prove the correctness of conclusions.

transformers； overload capacity； influence factors； parameters sensitivities

郭志红（1959-），女，教授级高工，主要从事开关过电压、电网电磁暂态分析、高压试验、变压器及设备状态诊断分析工作。

国家自然科学基金项目（51477100）

国家高技术研究发展计划（863 计划）（2015AA050204）

国家电网公司科技项目