电力变压器负载能力深度挖掘技术研究

何文林，邵先军

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

电力变压器是电力系统中的关键设备，起到电能转移、电压变换的作用，其中负载能力是变压器的基本要求。影响变压器负载能力的主要因素是变压器的发热功率和散热能力［1-2］，当发热功率较大而散热能力较弱时，变压器的负载能力较弱，反之则较强。变压器在设计、制造阶段就决定了其负载能力［1］，但随着国民经济与电网运行方式的改变，电力部门对某些区域在运变压器的负载能力提出了新要求［2-3］，特别是在“双碳”大背景下，在运变压器负载能力的深度挖掘已成为电力部门、制造公司的热门研究方向［4-5］。

变压器的发热功率主要由负载损耗、空载损耗及太阳日照三部分组成［1］。变压器负载能力的提升，意味着流经变压器绕组的运行电流增大，而负载损耗与电流幅值的平方成正比［1］，因此变压器负载损耗随着电流的增大而急剧增大。变压器空载损耗与铁心性能、铁心重量、铁心制作工艺及运行电压有关，对在运变压器而言，铁心性能、铁心重量、铁心制作工艺不会发生变化，运行电压的变化也非常小，因此通常认为变压器空载损耗是与运行电流无关的恒定值［1］。太阳日照引起的变压器发热功率，仅与变压器箱壳形状、日照强度及日照时长有关，与变压器运行电流基本无关。

变压器的散热能力与其拥有的散热装置有关，不同冷却方式的变压器具有不同的散热装置。提升变压器散热能力的手段较多，包括增加散热器、增加潜油泵和增加风扇等。对在运变压器而言，虽然已有增加散热器成功的案例［6］，但实施的可操作性比较有限；增加潜油泵可使变压器内部油流速度变大，但存在一定的绝缘风险［7］；提高风扇冷却能力是提升在运变压器散热能力较有效且易实施的手段，通常的做法是增加数量、提高转速及电源的变频化改造。

变压器高负载运行时具有较大的安全风险，不宜作为正常的运行方式，仅适用于较短时间的急救负荷。在高负载运行时，应加强运行跟踪，除常规的温度监视、渗漏油巡视外，还应加强油位监视、气体继电器监视，必要时开展瓦斯气体可燃性实时监测。

本文以变压器最热点温度不越限为控制目标，结合变压器运行特点，优化其负载能力评估方法；提出以加装风扇、提高转速及电源的变频化改造为技术路线的变压器负载能力提升方法；以油位监视、瓦斯气体可燃性实时监测为手段，提升高负载运行变压器安全管控水平。

1 运行变压器高负载能力评估

按国家标准设计制造并经检验合格的任何一台电力变压器，皆具有一定的高负载能力和额定负荷下的使用寿命［1］。高负载运行时制约变压器安全性的关键参数是最热点温度，对110 kV 变压器而言，主要是变压器本体油顶层的最热点温度；对220 kV 及以上电压等级变压器而言，则是变压器绕组的最热点温度［3］。变压器额定寿命通常在30年及以上，高负载不是变压器的正常运行状态，而是急救负载运行状态，通常运行时间在30 min以内，因此变压器高负载运行，对变压器寿命的影响非常有限，基本可忽略。

1.1 高负载能力评估流程

根据设定的核算边界条件（环境温度、起始负荷、过载时间、本体油温和绕组温度等），以本体油顶层温度和绕组最热点温度作为控制条件，分别计算出连续运行30 min 的最大过载倍数，选取二者过载倍数较小值作为变压器的允许高负载能力结果。通常选择环境温度40 ℃、起始负荷80%、本体油顶层温度105 ℃和绕组最热点温度140 ℃作为边界条件。

变压器高负载能力评估流程如图1所示。

图1 变压器高负载能力评估流程

1.2 负载能力计算方法

绕组最热点温度等于环境温度、油箱内顶层油温升、油箱内热点温度与顶层油温之间温差三者之和［9］。

顶层油温度计算公式如下：

绕组热点温度计算公式如下：

式中：θa为环境温度；Δθoi为开始时的顶层油（油箱内）温升；Δθor为额定损耗时顶层油稳态温升；f1(t)为稳态值为1 时顶层油温升的相对增加量；Δθhi为开始时热点温度对顶层油温的梯度；H为热点系数；gr为额定电流下绕组平均温度对油平均温度的梯度；R为额定电流下负载损耗与空载损耗的比值；K为负载系数（负载电流与额定电流的比值）；x为顶层油指数；y为绕组指数；f2(t)为稳态电流值为额定电流时热点温度对顶层油温度梯度的相对增加量。

函数f1(t)表示稳态电流值为额定电流时顶层油温升的相对增加量：

式中：k11为热模型常数；τ0为平均油时间常数。

函数f2(t)表示热点温度对顶层油温度梯度的相对增加量。

式中：k21和k22均为热模型常数；τw为绕组时间常数。

常数k11、k21、k22和常数τw、τ0都是变压器的特性参数，可使用表1 给出的推荐值。Δθoi和Δθhi的初始条件可用t→∞时f1(t)=1 和f2(t)=1 来确定。

表1 用于指数方程的热特性参数推荐值

式（1）和式（2）是不考虑实际变压器运行方式的通用公式。由式（1）可知，在负载系数K相同的情况下，顶层油温度θ0与R呈正相关关系，R的计算公式见式（5）；由式（2）可知，在负载系数K相同的情况下，绕组热点温度θh与R、gr呈正相关关系。考虑到实际变压器运行方式各不相同，在特定变压器高负载能力评估时应针对变压器实际可能的运行方式科学确定R×K2值和gr值，排除不可能过载绕组参与R×K2、gr的计算。例如，对500 kV 降压自耦变压器而言，高负载仅可能发生在高压绕组（500 kV电压等级）、中压绕组（220 kV电压等级）上，低压绕组（35 kV 电压等级）仅带无功装置负载，与变压器高负载运行无关。因此该类变压器gr值不应考虑三次绕组的值，仅选取一、二次绕组的平均温度对油平均温度的梯度的较大值，按式（6）计算R×K2值。

式中：PK为变压器总负载损耗；P0为空载损耗。

式中：PKL为低压侧负载损耗；PKH为高压侧空载损耗；PKM为中压侧空载损耗。

2 运行变压器负载能力提升

在变压器发热功率不变的前提下，提升变压器负载能力的核心是提高变压器的散热能力。无论何种冷却方式的变压器，提高周围空气流速都是提升在运变压器散热能力最经济有效和易于实现的方式。加装风扇、将低速风扇更换成高速风扇和通过电源的变频化改造提高风扇转速是提高变压器周围空气流速的主要技术途径。

2.1 自冷变压器加装风扇

变压器的固有散热面积由变压器冷却装置的几何尺寸唯一决定，已投运变压器的固有散热面积是一个固定值。有效散热面积SYX与固有散热面积SGY的关系如式（7）所示。

式中：Kbm为表面系数。

表面系数Kbm与变压器的冷却方式有关，自冷变压器的Kbm较小，而风冷变压器的Kbm较大［9］，故自冷变压器加装风扇可提高其散热能力。

某110 kV 电压等级SZ9-40000/110 型自冷变压器，在散热器底部加装6台0.55 kW容量的风扇后，在相同负荷情况下，变压器顶层油温度下降了10 ℃左右，散热效果明显提升。

2.2 低速风扇更换成高速风扇

运行中的风冷变压器，风扇的叶轮直径和转速是影响变压器冷却效果的关键指标。受变压器冷却器尺寸的限制，通过更换叶轮增大风扇的叶轮直径在工程上很难实施。

风冷变压器风扇安装方式有底吹和侧吹两种。风冷底吹风扇的转速典型值为500 r/min，风冷侧吹风扇的转速典型值为600 r/min。在环境噪音要求不高的场合，可以通过更换电机选择更高转速风扇的方式提升变压器的散热能力［10］。

2.3 风扇电源的变频化改造

变频是一种非常成熟的技术，广泛应用于电机的无级调速系统［11-13］，其中变频器是实现变频调速的关键部件。变频器的输入量主要包括变压器的顶层油温度、负荷电流，输出量是随输入量变化的电压频率。当变压器高负载运行时，顶层油温度、负荷电流变大，通过优化算法，变频器输出的电压频率变高。风扇转速n与电源频率f的关系如式（8）所示。

式中：p为风扇电机磁极对数；s为转差率。

由式（8）可知，随着电源电压频率f的增加，风扇转速n增大，变压器散热能力上升，起到提升变压器负载能力的作用［14-15］。同时，变频调速还有节能、调速平滑、电机启动电流冲击小和减低噪音的特点［16］。

3 高负载变压器运行安全管控

拟高负载运行的变压器不得有影响负载能力的基础缺陷，高负载运行是电力变压器的急救运行状态，与正常运行状态相比具有更大的安全风险［17］。安全风险主要体现在变压器顶层油温度异常升高引起变压器油体积的增加和绕组最热点温度异常升高引起变压器油裂解。变压器高负载运行期间应密切关注变压器油枕的油位情况，防止发生呼吸不畅或高油位报警情况，必要时在线监视气体继电器集气盒中是否含有可燃气体。

3.1 变压器油温异常引起油位升高

变压器油是一种基本不可压缩的液体，存在一定的热胀冷缩现象。变压器油温升t与油体积的增加值ΔV存在如式（9）所示关系。

式中：a为油体积膨胀系数，取0.000 7；Δt为环境最大温差值；G为变压器总油重；g为变压器油密度，取0.9 kg/L。

由式（9）可知，ΔV与t存在正相关关系。正常运行的变压器，油温升引起的油体积增加，通过变压器油枕进行补偿，油枕补偿量设计时温升t选取变压器额定负荷时的油平均温升［18-19］。变压器高负载运行时实际油温升可能超过额定温升，故存在变压器油枕油位异常升高的可能。

3.2 集气盒可燃气体在线监测

变压器油是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物，原子间包含C-H、C-C、CO 和H-O 4 类不同能量的化学键。变压器高负载运行时，在绕组最热点温度的影响下，存在产生低温过热的可能性［20-21］，低温过热形成H2和低分子烃类气体，这些气体会溶解于变压器油或聚集在瓦斯继电器的集气盒中。

变压器油色谱在线监测可以比较准确地测出H2和烃类气体，被广泛应用于变压器故障监测，取得了较好的应用效果［22-24］。但由于脱气分析周期长的原因，不能满足监视变压器高负载期间运行安全性的要求。

实时采集瓦斯继电器集气盒中的气体，仅分析气体的可燃性，不分析具体的气体成分及含量，是缩短监测周期、实现高负载运行变压器安全管控的有效手段。集气盒可燃气体在线监测原理如图2所示。

图2 集气盒可燃气体在线监测原理

采集控制层负责变压器集气盒气体汇集及数据采集。应用智能红外气体传感器和电化学氧气传感器，直接分析可燃气体总量的占比。采用Cortex-M4混合信号MCU（多点控制器），将采集结果发送至边缘计算层。边缘计算层进行数据汇集分析，并将结果通过IEC 61850等协议传送给站控层，实现高负载运行期间变压器可燃气体的在线监测和远程监视。

4 结论与建议

通过对变压器温度计算、冷却能力提升和安全管控手段的研究，得出以下结论与建议：

1）在变压器本体油顶层温度、绕组热点温度经典计算方法的基础上，结合变压器运行特点，以排除不可能过载绕组参与R×K2、gr的计算为原则，提出了优化计算方法。

2）结合变压器的不同冷却方式，提出加装风扇、更换低速风扇和风扇电源变频改造的变压器冷却能力提升方法。

3）提出以加强油位监视和集气盒可燃气体在线监测为特征的安全管控手段。

如何评估高负载运行对变压器的危害，事关变压器高负载运行的接受度，也是下一步变压器高负载运行的重点研究方向。