发电厂电气部分第十章电力变压器的运行

发电厂变电所电气主系统1发电厂变电所电气主系统第十章电力变压器的运行《发电厂电气部分》课题组电力工程学院电气工程系发电厂变电所电气主系统2第一节概述电力变压器是发电厂和变电站中重要元件之一。随着电力系统的扩大和电压等级的提高，在电能输送过程中，电压转换（升压和降压）层次有增多的趋势，要求系统中变压器的总容量已由过去的5～7倍发电总容量，增加至9～10倍。电力变压器的效率虽然很高（99.5％），但系统中每年变压器总能量损耗仍是一个很大的数目。因此，尽量减少变压层次，经济而合理地利用变压器容量，改善网络结构，提高变压器的可靠性，仍是当前电力变压器运行中的主要课题。第十章电力变压器的运行发电厂变电所电气主系统3电力变压器可制成双绕组和三绕组，少数是四绕组的。目前，在中性点直接接地系统中，广泛使用自耦变压器；由于限制短路电流的需要，分裂绕组变压器也得到应用。电力变压器的主要参数有额定容量、额定电压、额定变比、额定频率、阻抗电压百分数等。一、电力变压器负荷超过铭牌额定容量运行时的效应电力变压器的额定容量含义：在规定的环境温度下，长时间地按这种容量连续运行，就能获得经济合理的效率和正常预期寿命（约20～30年）。换句话说，变压器的额定容量是指长时间所能连续输出的最大功率。第一节概述发电厂变电所电气主系统4变压器负荷能力系指在短时间内所能输出的功率，在一定条件下，它可能超过额定容量。负荷能力的大小和持续时间决定于：①变压器的电流和温度是否超过规定的限值。②在整个运行期间，变压器总的绝缘老化是否超过正常值，即在过负荷期间绝缘老化可能多一些，在欠负荷期间绝缘老化要少一些，只要二者互相补偿，总的不超过正常值，能达到正常预期寿命即可。第一节概述发电厂变电所电气主系统5电力变压器的负荷超过额定值运行时，将产生下列效应：（1）绕组、线夹、引线、绝缘部分及油的温度将会升高，且有可能达到不允许的程度。（2）铁心外的漏磁通密度将增加，使耦合的金属部分出现涡流，温度增高。（3）温度增高，使固体绝缘和油中的水分和气体成分发生变化。（4）套管、分接开关、电缆终端头和电流互感器等受到较高的热应力，安全裕度降低。（5）导体绝缘机械特性受高温的影响，热老化的累积过程将加快，使变压器的寿命缩短。第一节概述发电厂变电所电气主系统6为了能对电力变压器在预期运行方式下规定某一合理的危险程度，国际电工标准(IEC-354)考虑以下三种类型的变压器：（1）配电变压器(2500kV•A及以下)，只需考虑热点温度和热老化。（2）中型电力变压器(额定容量不超过100MV•A)，其漏磁通的影响不是关键性的，但必须考虑冷却方式的不同。（3）大型电力变压器(额定容量超过100MV•A)，其漏磁通的影响很大，故障后果很严重。第一节概述发电厂变电所电气主系统7二、电力变压器负荷超过额定容量运行时的限值表10-1电力变压器负荷超过额定容量时的温度和电流的限值负荷类型配电变压器中型电力变压器大型电力变压器通常周期性负荷电流(标幺值)热点温度及与绝缘材料接触的金属部件的温度(℃)顶层油温(℃)1.51401051.51401051.3120105长期急救周期性负荷电流(标幺值)热点温度及与绝缘材料接触的金属部件的温度(℃)顶层油温(℃)1.81501151.51401151.3130115短时急救周期性负荷电流(标幺值)热点温度及与绝缘材料接触的金属部件的温度(℃)顶层油温(℃)2.0－－1.81601151.5160115第一节概述发电厂变电所电气主系统8一、发热和冷却过程电力变压器运行时，其绕组和铁心中的电能损耗都将转变为热量，使变压器各部分的温度升高，这些热量大多以传导和对流方式向外扩散。所以，变压器运行时，各部分的温度分布极不均匀。图10-1表示油浸式变压器各部分的温升分布。图10-l油浸式变压器各部分的温升分布第二节电力变压器的发热和冷却发电厂变电所电气主系统9它的散热过程如下：（1）热量由绕组和铁心内部以传导方式传至导体或铁心表面，如图中曲线1-2部分，通常为几摄氏度。（2）热量由铁心和绕组表面以对流方式传到变压器油中（如曲线2-3），约为绕组对空气温升的（20～30）％。（3）绕组和铁心附近的热油经对流把热量传到油箱或散热器的内表面，如曲线4-5。这部分所占比重不大。（4）油箱或散热器内表面热量经传导散到外表面，如曲线5-6。这部分不会超过（2～3）℃。（5）热量由油箱壁经对流和辐射散到周围空气中，如曲线6-7。这部分所占比重较大，约占总温升的（60～70）％。第二节电力变压器的发热和冷却发电厂变电所电气主系统10从上述散热过程中，可以归纳以下几个特点：（1）铁心、高压绕组、低压绕组所产生的热量都传给油，它们的发热互不关联，而只与本身损耗有关。（2）在散热过程中，会引起各部分的温度差别很大。绕组的温度最高，温度的最热点在高度方向的70％～75％处，而沿径向，则温度最热的地方位于线圈厚度（自内径算起）的1/3处。（3）大容量电力变压器的损耗量大，单靠箱壁和散热器已不能满足散热要求，往往需采用强迫油循环风冷或强迫油循环水冷，使热油经过强风（水）冷却器冷却后，再用油泵送回变压器。第二节电力变压器的发热和冷却发电厂变电所电气主系统11二、电力变压器的温升计算电力变压器长期稳定运行，各部分温升达到稳定值，在额定负荷时的温升为额定温升。由于发热很不均匀，各部分温升通常都用平均温升和最大温升计算。绕组或油的最大温升是指其最热处的温升，而绕组或油的平均温升是指整个绕组或全部油的平均温升。表10-2列出我国标准规定的在额定使用条件下变压器各部分的允许温升。额定使用条件为：最高气温+40℃；最高日平均气温+30℃；最高年平均气温+20℃；最低气温－30℃。第二节电力变压器的发热和冷却发电厂变电所电气主系统12表10-2变压器各部分的允许温升（℃）冷却方式自然油循环强迫油循环风冷导向强迫油循环风冷绕组对空气的平均温升656570绕组对油的平均温升213030顶层油对空气的温升554045油对空气的平均温升443540第二节电力变压器的发热和冷却发电厂变电所电气主系统13图10-3示出变压器油和绕组温升沿高度的分布图。图中AB、CD分别表示油温升和绕组导线的温升。如图所示，从底部到顶部，油温升和绕组温升都呈线性增加，AB和CD相互平行，也就是说，在不同高度，绕组对油的温差是一常数，在图上用g表示，因此计算此绕组对空气温升时，可用绕组对油的温升和油对空气温升相加。由于杂散损耗增加，同时为了留有一定裕度，计算绕组最热点温度应比绕组顶部导线的平均温度高一些，计算时用绕组最热点温度与绕组顶部的油温之差τg表示。图10-3变压器温升分布图第二节电力变压器的发热和冷却发电厂变电所电气主系统14在额定负荷时，对于油浸变压器，顶层油的温升等于55℃（B点），油平均温度约为最大值的80％，即44℃（N点），绕组平均温升等于65℃（M点），AB和CD的水平距离，即g值为21℃，绕组最热点的温升，大约比平均温升高13℃，则绕组最热点对油的温升τg为23（＝44＋21＋13－55）℃。如果变压器的负荷与额定负荷不同，温升将需计算和修正。第二节电力变压器的发热和冷却发电厂变电所电气主系统15三、稳态温度的计算（1）自然油循环冷却（ON）。在任何负荷下，绕组热点温度等于环境温度、温升以及热点与顶层油之间温差之和，即（10-3）θh为热点温度(不考虑导线电阻影响)；θ0为环境温度；其余符号同前。22h0tNN1()1xygRKKR第二节电力变压器的发热和冷却发电厂变电所电气主系统16（2）强迫油循环冷却（OF）。顶层油温等于底层油温加上平均油温与底层油温之差的二倍。因此计算时，以底层油温和油平均温度作基础，热点温度等于环境温度，底层油温升，绕组顶部油温与底层油温之差，以及绕组顶部油温与热点温度之差的总合，即（10-4）τbN为额定负荷下底层油温升；τavN为额定负荷下油平均温升。222h0bNavNbNgN1()2[]1xyyRKKKR第二节电力变压器的发热和冷却发电厂变电所电气主系统17（3）强迫油循环导向冷却(OD)。对于这种冷却方式，基本上与OF冷却方式一样，但考虑到导线电阻的温度变化，应加上一个校正系数，即＝θh＋0.15（θh－θhN）（10-5）为热点温度(考虑导线电阻影响)；θhN为额定负荷下绕组热点温度；θh为K负荷率条件下绕组热点温度。hh第二节电力变压器的发热和冷却发电厂变电所电气主系统18四、电力变压器的暂态温度计算在电力变压器运行过程中，负荷不断改变，环境温度也有所变化，因此变压器的温升是瞬变的，远远没有达到稳定。在此情形下，任何负荷条件的变化都可看成一个阶跃函数。如果负荷的变化是阶段性的，如图10-4所示的矩形负荷图，它是一个上升阶跃函数和另外一个与其有一定延时的下降阶跃函数组成；如果是连续变化的负荷，阶跃函数是以较小的时间间隔依次施加的。对于前者，可用暂态发热公式依次推算，对于后者必须用计算机程序计算。第二节电力变压器的发热和冷却发电厂变电所电气主系统19图10-4变压器二阶段负荷和各部分的温升变化曲线第二节电力变压器的发热和冷却发电厂变电所电气主系统20一、变压器的热老化定律电力变压器大多使用A级绝缘（油浸电缆纸），在长期运行中由于受到大气条件和其他物理化学作用的影响，使绝缘材料的机械、电气性能衰减，逐渐失去其初期所具有的性质，产生绝缘老化现象。变压器的绝缘老化，主要是因为温度、湿度、氧气和油中的劣化产物的影响，其中高温是促成老化的直接原因。运行中绝缘的工作温度愈高，引起机械强度和电气强度丧失得愈快，即绝缘的老化速度愈大，变压器的预期寿命也愈短。根据研究结果，在80～140℃范围内，变压器的预期寿命和绕组热点温度的关系为第三节电力变压器的绝缘老化发电厂变电所电气主系统21（10-9）z为变压器的预期寿命；θ为变压器绕组热点的温度；A为常数，与很多因素有关，如纤维制品的原始质量（原材料的组成和化学添加剂）以及绝缘中的水份和游离氧等；P为温度系数，在一定范围内，它可能是常数，但和纤维质量等因素无关。PzAePzAe第三节电力变压器的绝缘老化发电厂变电所电气主系统22现在尚没有一个简单的准则来判断变压器的真正寿命，通常用预期寿命来判断。一般认为：当变压器绝缘的机械强度降低至其额定值15％～20％时，变压器的预期寿命即算终止。因此在工程上通常用相对预期寿命z*和相对老化率υ来表示变压器的老化程度。对于标准变压器，在额定负荷和正常环境温度下，热点温度的正常基准值为98℃，此时变压器能获得正常预期寿命20～30年。也就是说，此时变压器的老化率假定为1。根据式（10-9）计算，正常预期寿命为（10-10）PzAe98NPzAe第三节电力变压器的绝缘老化发电厂变电所电气主系统23用Z/ZN的比例表示任意温度θ时的相对预期寿命，则（10-11）其倒数称为相对老化率υ，即υ＝（10-12）计算时，用基数2代替e较为方便，则υ＝（10-13）式中,（10-14）(98)*NPzzez(98)Pe(98)(98)0.69322P1ln0.693ln2e0.693P第三节电力变压器的绝缘老化发电厂变电所电气主系统24研究表明：▽为6℃左右。这意味着绕组温度每增加6℃，老化率加倍，此即所谓热老化定律（绝缘老化的6℃规则）。根据老化率公式可计算在各温度下的老化率，列于表10-4。表10-4各温度下的老化率温度（℃）80869298104110116122128134140老化率v0.1250.250.51.0248163264128第三节电力变压器的绝缘老化发电厂变电所电气主系统25二、等值老化原则等值老化原则就是使变压器在一定时间间隔T（一年或一昼夜）内绝缘老化或所损耗的寿命等于一常数，这个常数应相当于绕组温度在整个时间间隔T内为恒定温度98℃时变压器所损耗的寿命，即（1