第8章电力变压器的运行

第九章电力变压器的运行第一节变压器的温升与温度计算第二节变压器的绝缘老化第三节变压器的正常过负荷第四节变压器的事故过负荷第五节自耦变压器的工作原理与运行第六节变压器的并列运行▉110kV油浸式电力变压器外观和线圈结构图图9-1110kV油浸式电力变压器外观结构图图9-2110kV油浸式电力变压器线圈结构图NorthChinaElectricPowerUniversity变压器结构（内部：铁芯、绕组）分接头NorthChinaElectricPowerUniversity变压器结构（外部）潜油泵线夹引线套管风扇套管油位储油柜瓦斯继电器NorthChinaElectricPowerUniversity变压器结构（外部）油流继电器分接头机构箱油温表油位表▉110kV油浸式电力变压器铁芯和内部结构图图9-3110kV油浸式电力变压器铁芯结构图图9-4110kV油浸式电力变压器内部结构图▉干式电力变压器的外观结构图图9-5干式电力变压器的外观结构图（一）图9-6干式电力变压器的外观结构图（二）▉干式电力变压器铁芯和线圈结构图图9-7干式电力变压器的铁芯结构图图9-8干式电力变压器的线圈结构图电力变压器是发电厂和变电所中重要的一次设备之一，随着电力系统电压等级的提高和规模的扩大，升压和降压的层次增多，系统中变压器的总容量已达发电机装机容量的7~10倍。可见电力变压器的运行是电力生产中非常重要的环节。本章着重介绍电力变压器运行中的基本理论。第一节变压器的发热和冷却一、变压器的发热和冷却沿变压器横截面的温度分布铁芯低压绕组高压绕组油箱壁或散热器油)(0Ct9080706035空气温度铁芯、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，只与本身损耗有关。发热和冷却过程变压器在运行时，绕组、铁心和附加的电能损耗都将转变成热能，使变压器各部分的温度升高。1)沿变压器横截面的温度分布很不均匀。绕组和铁芯内部与它们的表面之间有很小的温差，一般只有几度；2)铁心、高压绕组、低压绕组的发热互不关联：所产生的热量都传给油，热量被循环流动的油带走。绕组和铁芯的表面与油有较大的温差；3)油箱壁内、外表面也有2-3℃的温差；4)油箱壁对空气的温差最大。从上图可以看出，变压器沿横截面的发热特点：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散热过程：NorthChinaElectricPowerUniversity沿变压器高度的温度分布)(0Ct95755535h油箱壁铁芯绕组最热点:70%-75%各部分的温度差别很大。大容量变压器，需要采用强迫油循环风冷(水冷)、导向冷却方式。最热点1)变压器各部分沿高度方向的发热很不均匀。由于油受热后上升，在上升过程中又不断吸收热量，所以上层油温最高。导向强迫油循环冷却：强迫经冷却器冷却后的油沿一定的油路从绕组和铁心内部通过，带走大量热量，冷却效果较好。强迫油循环风冷或水冷：使热油经过强风或水冷却器冷却，散出热量后再用液压泵送回变压器。自然油循环冷却从上图可以看出，变压器沿高度方向的发热特点：2)绕组上端部的温度最高，最热点在高度方向的70%~75%处，径向温度最高处位于绕组厚度（自内径算起）的1/3处。由于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。常用的冷却方式有：二、变压器的温升计算1.变压器的发热很不均匀，油浸式变压器的温升从底部到顶部，绕组(CD)和油(AB)的温升都近似呈线性增加（在任意高度，绕组对油的温差均为一常数g）。2.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。(2)绕组的最大温升是指绕组最热点(E点)的温升，由于杂散损耗增加，它大于绕组的平均温升（D点）。油的最大温升是指顶层油(B点)的温升。变压器各部分的温度不均匀，计算时通常用平均温升和最大温升表示。油浸式变压器温升分布图(1)中部高度处,N点的横坐标为油对环境的平均温升,M点的横坐标为绕组对环境的平均温升.3.温升计算中的基本关系为绕组对空气的平均温升=油对空气的平均温升+绕组对油的平均温升绕组的温度=空气温度+油对空气的温升+绕组对油的温升4.变压器各部分的允许温升变压器长期稳定运行时，各部分的温升达到稳定值。在额定使用条件和额定负荷SN下的温升称为额定温升。我国国家标准（GB）规定变压器的额定使用条件为：最高气温+40℃；最高月平均气温+30℃；最高年平均气温+20℃；最低气温-25℃（户外）或-5℃（户内）；变压器各部分的温升不得超过表9-1中的数值。表9-1变压器各部分的允许温升（单位：℃）自然油循环强迫油循环风冷强迫油循环导向风冷绕组对空气的平均温升656570绕组对油的平均温升213030油对空气的平均温升443540顶层油对空气的温升554545变压器的允许温升决定于绝缘材料。油浸电力变压器的绕组一般用油浸电缆纸和油作绝缘，属A级绝缘。允许温升的国家标准是基于以下条件规定的：变压器在环境温度为+20℃下带额定负荷长期运行，绕组热点温度为98℃，使用期限为20~30年。对于自然油循环冷却变压器的绕组最热点温度比绕组的平均温度约高13℃，因此，绕组对环境的平均温升限值为（98-20-13）=65℃。导向油循环变压器约高8℃，因此，绕组对环境的平均温升限值为（98-20-8）=70℃。在额定负荷下，温升符合前述关系。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。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5.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xRRK112tNt式中τtN——额定负荷时，顶层油对空气的温升最大值；R——额定负荷下，短路损耗与空载损耗之比；x——计算油的温升的指数，与变压器的冷却方式有关，对于自然油循环冷却变压器，x=0.8；对于强迫油循环冷却变压器，x=0.9~1.0。任意负荷下绕组最热点对顶层油的温升为yK2gNg式中τgN——额定负荷时，绕组最热点对顶层油的温升；y——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。三、绕组热点稳态温度的计算根据变压器冷却方式的不同，任意负荷下绕组最热点的温度分别按以下公式计算：1.自然油循环冷却绕组最热点的温度=空气温度+顶层油对空气的温升+绕组最热点对顶层油的温升，即：ygxhKRRK2N2tN0112.强迫油循环冷却对于强迫油循环冷却和强迫油循环导向冷却，顶层油对空气的温升等于底层油温升加上油对空气的平均温升与底层油对空气的温升之差的2倍。额定负荷时绕组最热点温度为N02gbNavNbNh任意负荷时绕组最热点温度为：ygybavxbhKKRRK2N2NN2N0211式中τbN——额定负荷时，底层油对空气的温升；τavN——额定负荷时，油对空气的平均温升；3.强迫油循环导向冷却hNhhh15.0'式中θh'——绕组最热点温度θhN——额定负荷时的绕组最热点温度；θh——负荷率为K时的绕组最热点温度，按上式计算。四、变压器的暂态温度计算(不讲)第二节变压器的绝缘老化一、变压器的绝缘老化定律1)变压器的绝缘老化：长期运行中由于受到高温、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。2)高温是绝缘老化的主要原因，绝缘的工作温度越高，绝缘老化速度越快，变压器的使用寿命越短。3)机械损伤使电气强度下降：老化的绝缘材料纤维组织失去弹性，材料变脆，只要没有机械损伤，仍可有相当高的电气强度。但在电磁振动和电动力的作用下很容易产生机械损伤使材料破损，失去电气强度。因此，绝缘材料老化程度主要由其机械强度的降低情况来确定。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，变压器的寿命就算结束，所经历的时间称为变压器的预期寿命。1.变压器的绝缘老化现象2.变压器的预期寿命和绕组最热点温度之间的关系电力变压器常采用A级绝缘（油浸电缆纸），在80~140℃的范围内，变压器的预期寿命和绕组最热点温度之间的关系为PAze式中，A为常数；P为温度系数。3.变压器的绝缘老化定律采用A级绝缘材料的变压器绕组，变压器在额定负荷和空气温度为20℃条件下连续运行，绕组最热点温度维持在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。变压器的正常预期寿命和绕组最热点温度之间的关系为98NePAz相对预期寿命z*：任意温度下的预期寿命与正常预期寿命之比。)98(98NeeePPPAAzzz在相同的时间间隔T内，绕组热点维持在任意温度θ时所损耗的寿命（T/Z）与维持在98℃时所损耗的寿命（T/ZN）之比，称为相对老化率。它是相对预期寿命z*的倒数)98(NePzz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寿命。显然，相对老化率为v与运行时间T的乘积即为损失的寿命zT。TzT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ttvzTPTtded0)98(0T计算相对老化率的计算以2为底较方便，则693.0)98(elog)98(elog)98(N222e2)98(2PPPPzz根据试验和统计资料可以得出6693.0P6982v698N2zz则和这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（油浸变压器）。例如，绕组热点在104℃下的老化率为2，运行24h损失的寿命为2×24h=48h，寿命减少了一半。问题：如何获得变压器的正常预期寿命？未充分利用负荷能力C)(0时间98达不到正常预期寿命最高允许温度C)(0时间98二、等值老化原则变压器绕组最热点温度维持在98℃，变压器能获得正常使用寿命，但变压器在运行中，绕组温度受环境温度和负荷波动的影响，不可能维持在98℃不变。这种情况下变压器如何获得正常的使用寿命？等值老化原则回答了这个问题。时间C)(0982t等值少损耗的寿命C)(0时间981t2t多损耗的寿命＝1)等值老化原则：在一定的时间间隔T内，一部分时间内绕组温度高于98℃，而在另一部分时间内绕组温度低于98℃，只要使变压器在温度高于98℃时所多损失的寿命与温度低于98℃时少损失的寿命相互补偿，变压器的预期寿命可以和绕组温度维持在98℃运行时的预期寿命相同。它可以用下式表示：TTtPTP)9898(0)98(edetNorthChinaElectricPowerUniversity等值老化原则：使变压器在一定时间间隔T（一年或一昼夜）内绝缘老化所损耗的寿命等于一常数。98PT0PTedtet常数12h0.5T=24h1yeart(h/y)0tPeT时间内损耗的寿命P98e=恒温98℃运行时损耗的寿命（常数)P98etPeTtPe2)平均相对老化率：变压器在一定的时间间隔T内实际所损失的寿命与恒温98℃运行时的正常寿命损失T的比值。TPTPtTTt0)98(0)98(de1dett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，它也是制定变压器负荷能力的主要依据。第三节变压器的正常过负荷一、变压器的负荷能力1)变压器的额定容量即铭牌容量：其含义是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。2)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。负荷能力的大小和持续时间取决于：①变压器的电流和温度不得超过