69电力变压器的运行

发电厂电气部分第十章电力变压器的运行u第一节概述u第二节变压器的发热和冷却u第三节变压器的绝缘老化u第四节变压器的正常过负荷和事故过负荷u第五节多绕组变压器和第三绕组u第六节自耦变压器的特点和运行方式u第七节分裂绕组变压器u第八节变压器的并列运行第十章电力变压器的运行u一、变压器的发热和冷却过程u1、油浸式变压器的散热过程第二节变压器的发热和冷却导体和铁心的表面变压器油油箱和散热器的内表面油箱和散热器的外表面周围空气传导对流传导绕组和铁心内部的热量对流对流和辐射备注u一、变压器的发热和冷却过程u2、特点：①铁心、高压绕组、低压绕组所产生的热量都传给了油，热量被循环流动的油带走，故它们的发热互不关联。②变压器的各部分的发热很不均匀，绕组温度最高，最热点在高度方向的70%-75%，径向温度最高处位于绕组厚度（自内径算起）的1/3处。③大容量变压器的电能损耗大，单靠油箱壁和散热器不能达到发热和散热的平衡，此时需要采用强迫循环冷却或导向强迫油循环冷却方式。第二节变压器的发热和冷却第二节变压器的发热和冷却u二、变压器的温升计算u为了全面反映变压器的温升情况，绕组和油的温升通常都用其平均温升和最大温升来表示。油浸式变压器温升分布图(1)绕组和油的平均温升是指整个绕组和全部油的温升的平均值（M点和N点）。(2)绕组的最大温升是指绕组最热点(E点)的温升u由于杂散损耗增加，它大于绕组顶部导线的平均温升（D点）。u油的最大温升是指顶层油(B点)的温升。备注u温升计算中的基本关系为u绕组对空气的温升=油对空气的温升+绕组对油的温升u绕组的温度=空气温度+油对空气的温升+绕组对油的温升第二节变压器的发热和冷却第二节变压器的发热和冷却u自然油循环冷却变压器带额定负荷长期运行时，绕组最热点对顶层油的温升表10-2变压器各部分的允许温升（单位：℃）454555顶层油对空气的温升403544油对空气的平均温升303021绕组对油的平均温升706565绕组对空气的平均温升强迫油循环导向风冷强迫油循环风冷自然油循环备注2355132144g=-++=τu5.任意负荷下顶层油对空气和绕组最热点对顶层油温升的计算Ø额定负荷的温升值通过查表计算，如果变压器的负荷与额定负荷不同，需要对允许温升进行修正。Ø设K为实际负荷与额定负荷之比，则任意负荷下顶层油对空气的温升为u式中τtN——额定负荷时，顶层油对空气的温升；uR——额定负荷下，短路损耗与空载损耗之比；ux——计算油的温升的指数，与变压器的冷却方式有关第二节变压器的发热和冷却xRRK÷÷øöççèæ++=112tNttt备注Ø任意负荷下绕组最热点对顶层油的温升为u式中τgN——额定负荷时，绕组最热点对顶层油的温升；uy——计算绕组最热点温升用的指数,也与变压器的冷却方式有关，一般取y=x。Ø绕组最热点对空气的温升：τt+τgyK2gNgtt=第二节变压器的发热和冷却第二节变压器的发热和冷却u三、变压器的稳态温度计算u任意负荷下，绕组最热点的稳态温度分别按下式计算：u1、自然油循环冷却（ON）u2、强迫油循环冷却（OF）u3、强迫油循环导向冷却（OD）y2gNx2tNohK)R1RK1(τ+++τ+θ=θy2gNy2bNavNx2bNohKK][2)R1RK1(τ+τ-τ+++τ+θ=θ)(15.0hNhhhθ-θ+θ=θ′第二节变压器的发热和冷却u四、变压器的暂态温度计算u变压器绕组和油对空气的温升过程是不断变化的暂态过程，只要负荷与环境温度在变化，其温升就达不到稳定。u二阶段负荷：图10-4u任何瞬间t，其温升可用下式计算：uτt-变压器油对空气的温升；uτs-稳定温升；τi-油对空气的起始温升；T-变压器的发热时间常数。u多阶段负荷：图10-5。需要适合多阶段负荷曲线的暂态温升计算公式。)e1)((Ttisit--τ-τ+τ=τ两条温升曲线：顶层油的温升绕组热点的温升第二节变压器的发热和冷却u设t’1,t’２，……t’ｊ是各负荷段的时间；t1,t２，……tｊ是从起始时间开始到各负荷时段末的时间。u令t0=0，则t’1=t1。第j段的温升为：u上式两边乘以得：u再将上式两边乘以,计及tj=t’ｊ+tｊ-1得：TtijTtsjsjtjjjee′-′-τ+τ-τ=τijsjTtsjTttjjjeeτ+τ-τ=τ′′TtijTtsjTtsjTttj1j1jjjeeee--τ+τ-τ=τT/tje′T/t1je-第二节变压器的发热和冷却u从而有uτt1=τi2,τt2=τi3等，逐行代入，扩展到n得：Tt1iTt1sTt1sTt1t0011eeeeτ+τ-τ=τTt2iTt2sTt2sTt2t1122eeeeτ+τ-τ=τTtijTtsjTtsjTttj1j1jjjeeee--τ+τ-τ=τ…∑=τ+-τ=τ-n1j1iTtTtsjTttn)ee(e1jjnTtijTtsjTtsjTttj1j1jjjeeee--τ+τ-τ=τ第二节变压器的发热和冷却u令u则x段末时的温升为：u如果在第n段回到起点，考虑到短期内负荷曲线具有周期性，有τtn=τi1等，由上式得到油的起始温升计算公式：u例10-1TtjjeA=∑=--τ+τ=τx1j1jjsj1ixtx)]AA([A1∑=--τ-=τ=τn1j1jjsjntn1i)AA(1A1∑=τ+-τ=τ-n1j1iTtTtsjTttn)ee(e1jjnu一、变压器的热老化定律u1.变压器的热老化定律u1)变压器的绝缘老化：高温、湿度、氧化和油中分解的劣化物质等物理化学作用的影响，使其绝缘材料逐渐失去其机械强度和电气强度。u2)机械损伤使电气强度下降。u3)高温是绝缘老化的主要原因。u绝缘材料老化程度主要由其机械强度的降低情况决定。u通常用相对预期寿命和老化率表示变压器绝缘老化程度。第三节变压器的绝缘老化备注u2.变压器的预期寿命和绕组最热点温度之间的关系u一般认为当变压器绝缘的机械强度降低至其额定值的15%-20%时，变压器的寿命即算结束，所经历的时间称为变压器的预期寿命。u在80～140℃的范围内，变压器的预期寿命和绕组热点温度之间的关系为：u式中，A为常数；P为温度系数;θ为绕组热点温度。u对于标准变压器，在额定负荷和正常环境温度下，最热点温度维持在98℃，变压器能获得正常预期寿命20～30年，其每天的寿命损失为正常日寿命损失。qPAz-=e第三节变压器的绝缘老化u变压器的正常预期寿命和绕组最热点温度之间的关系为：u相对预期寿命z*：u倒数称为相对老化率，即u它表明了变压器在绕组热点温度为任意温度θ下运行单位时间损失的正常预期寿命。第三节变压器的绝缘老化)98(98Neee--´--*===qqPPPAAzzz)98(PNezz-θ==υ98Ne´-=PAzu相对老化率υ与运行时间T的乘积即为损失的寿命zT。u如果在T时间内绕组热点温度是随时间变化的（用θt表示），则损失的寿命为:u计算相对老化率时以2为底较方便，则υ×=TzTtdetdzT0)98(PT0Tt∫∫-θ=υ=第三节变压器的绝缘老化)98(PNezz-θ==υ693.0)98(Pelog)98(Pelog2222)98(P2-θ-θ===-θu根据试验和统计资料可以得出uu则和u上式意味着绕组温度每增加6℃，老化加倍，绝缘使用寿命缩短一半，此即绝缘老化的六度规则（-热老化定律）。u例如，绕组热点在104℃下的老化率为2（见表10-4），u运行24h损失的寿命为2×24h=48h，寿命减少了一半。6693.0»P6982-θ=υ698N2zz-θ-=第三节变压器的绝缘老化693.0)98(P2-θ=υu二、等值老化原则u1、等值老化原则：在一定时间间隔T内，绝缘老化或所损耗的寿命等于绕组温度在T内为恒温98℃时变压器所损耗的寿命，即u上述公式两端比值称为绝缘老化率υ(λ)：第三节变压器的绝缘老化98PT0PeTtdet×θ=∫∫-θ=υT0)98(PtdeT1t备注当λ1时，变压器的老化大于正常老化，预期寿命缩短；当λ1时，变压器的负荷能力未得到充分利用；当λ=1时，变压器有正常的使用寿命，它是变压器正常过负荷运行的主要依据。u一、变压器的负荷能力u1、变压器的额定容量即铭牌容量：在制造厂所规定的额定环境温度下，保证变压器有正常使用寿命（约20～30年）所能长时间连续输出的最大功率。u2、当变压器的负荷超过额定容量运行时，将产生下列不良效应：u（1）绕组、线夹、引线、绝缘部分及油等的温度会升高，有可能超过容许值。u（2）铁心外的漏磁通密度增加产生涡流，使得温度增加u（3）高温改变固体绝缘物和油中的水分及气体成分第四节变压器的正常过负荷和事故过负荷u（4）套管、分接开关、电缆连接头和电流互感器等受到较大的热应力u（5）导体绝缘的机械特性受高温影响u3、变压器的负荷能力：指变压器在短时间内所能输出的功率，在一定条件下，为满足负荷的需要，它可能超过额定容量。u4、负荷能力的大小和持续时间取决于：u①变压器的电流和温度容许限值；u②负荷变化和周围环境温度以及绝缘老化的程度第四节变压器的正常过负荷和事故过负荷备注u二、等值空气温度u1.平均温度δav不能表示变化的温度对绝缘老化的影响u变压器的绝缘老化速度与绕组温度呈指数函数非线性关系，在高温时绝缘老化的加速远远大于低温时绝缘老化的延缓。u2.等值空气温度u指某一空气温度，在一定时间间隔内如维持此温度不变，当变压器带恒定负荷时，绝缘所遭受的老化等于空气温度自然变化时和同样恒定负荷情况下的绝缘老化。可表示为：第四节变压器的正常过负荷和事故过负荷)18-(10tdeT1logP3.2n1Peqt∫δ=δ等值空气温度△t对应空气平均瞬时温度时间间隔u空气温度的日或年的自然变化近似地认为是零轴被抬高的正弦曲线（例如季节的影响，冬、夏季空气温度出现峰值，春、秋季温度适中），即u将式（10-19）代入（10-18），即可计算出等值空气温度的数值，最后得:u其中Δ为温度差)19-(10Ttπ2sin21avtδΔ+δ=δ第四节变压器的正常过负荷和事故过负荷dteT1lnp1T0Tt2sinp21∫πδΔ=ΔD+=aveqdd备注δav——T时间间隔内的平均空气温度；△δ——最高温度和最低之差；u1)从上式可以看出，等值空气温度高于平均空气温度一个数值，这是由于高温时绝缘老化加速远远大于低温时绝缘老化延缓的结果。u2)我国广大地区的年等值空气温度为20℃，则绕组最热点温度为：65℃+13℃+20℃=98℃。所以我国变压器的额定容量不必根据气温情况加以修正，冬夏寿命损失自然补偿，就可以有正常的使用寿命，但在考虑变压器的过负荷能力时应考虑等值空气温度的影响。第四节变压器的正常过负荷和事故过负荷dteT1lnp1T0Tt2sinp21∫πδΔ=ΔD+=aveqdd备注u考虑到P=0.1155和，年等值空气温度可以近似按下式计算：u上式中δav是指月等值（或月平均）环境温度。第四节变压器的正常过负荷和事故过负荷20Ptt10eδδ≈]10121lg[2012120eqav∑δ=δu三、等值负荷曲线的计算u实际负荷曲线先化为多阶段负荷曲线（如图所示），再将其归算为两段式等值负荷曲线：欠负荷段曲线和过负荷段曲线。u依据等值发热原理，欠负荷段的等值负荷系数按下式计算：第四节变压器的正常过负荷和事故过负荷nnntItItItttK22221212121)(+++=+++LLnnnttttItItIK++++++=LL2122221211多阶段负荷曲线备注u四、变压器的正常过负荷u1、依据变压器的寿命损失相互补偿，不增加变压器正常寿命损失的过负荷称为正常过负荷。u2、原则：不增加变压器正常寿命损失，即绝缘老化率λ(υ)≤1。u3、理论依据：等值老化原则，寿命损失相互补偿。u4、正常过负荷是有计划的、主动实施的过负荷。u5、确定过负荷值时，根据实际负荷曲线和环境温度及变压器数据先机算绕组热点温度，再计算变压器的绝缘老化率u6、为了简化计算，实际运行中，常采用查正常过负荷曲线的方法确定过负荷值