變壓器動(dòng)態(tài)增容節(jié)能技術(shù)研究

趙鏡如++陳黎明

摘要 變壓器是電網(wǎng)中傳輸電力的樞紐設(shè)備，由于負(fù)荷的日益增大，迫切需要對(duì)現(xiàn)有變壓器進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行和增容改造。本文圍繞變壓器節(jié)能運(yùn)行及增容問題，比較研究現(xiàn)有的數(shù)值計(jì)算法、負(fù)載導(dǎo)則推薦算法和熱路模型法等的優(yōu)劣，從中選取并改進(jìn)為基于平均油溫的熱路模型法來計(jì)算變壓器內(nèi)的熱點(diǎn)溫度。得到的算法所需參數(shù)較少、計(jì)算實(shí)時(shí)性好，并具有較高的準(zhǔn)確性和廣泛適用性，這是實(shí)現(xiàn)變壓器動(dòng)態(tài)增容節(jié)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文以改進(jìn)的熱路模型為基礎(chǔ)，研究了一套變壓器動(dòng)態(tài)增容節(jié)能系統(tǒng)。它通過對(duì)變壓器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、計(jì)算及預(yù)測(cè)，給出變壓器動(dòng)態(tài)增容的合理依據(jù)。

關(guān)鍵詞 變壓器；節(jié)能；增容；熱路模型

中圖分類號(hào) TM4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào)2095-6363（2015）10-0027-02

1 本文研究背景和意義

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，市場對(duì)用電量的需求連年加大，必須增大變電站的容量，如果能對(duì)變壓器當(dāng)前負(fù)荷下的熱點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)，即可提高變壓器的利用率和容量。所以，對(duì)變壓器實(shí)施節(jié)能運(yùn)行及增容技術(shù)，可加強(qiáng)現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、挖掘現(xiàn)有電網(wǎng)潛力，是現(xiàn)行電網(wǎng)出現(xiàn)的熱點(diǎn)難點(diǎn)問題，對(duì)其展開研究，具有重大的工程意義?，F(xiàn)在國內(nèi)一般的增容方法是更換變壓器，要考慮到原有變壓器基礎(chǔ)是否可以承載新變壓器，另外，國內(nèi)現(xiàn)在常用的對(duì)現(xiàn)有變壓器增容改造的方法是降損改造。

變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于受工程實(shí)際條件的限制，現(xiàn)在大部分使用的測(cè)量方法為間接測(cè)量法，即估算熱點(diǎn)溫度。估算的方法有三種，一是數(shù)值計(jì)算法，二是國標(biāo)推薦計(jì)算法，三是熱路模型計(jì)算法。本文選取熱路模型進(jìn)行改進(jìn)。估算時(shí)邊界條件諸如環(huán)境溫度、日照輻射、自然風(fēng)等外界環(huán)境因素會(huì)對(duì)變壓器運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響，

2 基于平均油溫計(jì)算變壓器熱點(diǎn)溫度的熱路模型的建立

改進(jìn)傳統(tǒng)的熱路模型，建立基于平均油溫計(jì)算變壓器熱點(diǎn)溫度的熱路模型是本文的核心思想。

2.1 各因素影響分析

1）對(duì)鐵芯與繞組發(fā)熱的分析。在變壓器油循環(huán)過程中，鐵芯發(fā)熱不會(huì)使繞組熱點(diǎn)溫度直接升高，因此，在三層熱路模型中的最上層計(jì)算熱點(diǎn)溫度的熱路模型里，不考慮空載損耗這部分發(fā)熱所引發(fā)的熱效應(yīng)。

2）太陽輻射對(duì)變壓器熱點(diǎn)溫度的影響分析?？紤]到變壓器在室外運(yùn)行時(shí)受到來自太陽的輻射，可以把這部分輻射帶來的熱量作為電流源加到熱路模型中。

3）變壓器損耗的計(jì)算及修正。運(yùn)行中的變壓器，繞組跟鐵芯即為主要熱源，損耗等效于熱源，通常認(rèn)為變壓器的總損耗為空載損耗和負(fù)載損耗之和，即：

其中，g為變壓器總損耗、q_fe為變壓器空載損耗、q_f，為變壓器負(fù)載損耗。

4）溫度對(duì)變壓器油密度和油粘度的影響。變壓器油的密度則隨溫度變化較大，在計(jì)算熱容時(shí)必須考慮這部分影響。據(jù)傳熱學(xué)理論，變壓器油的非線性熱阻 由以下公式得出：

油粘度隨溫度的變化要比油其他物理參數(shù)隨溫度的變化大得多，因此可以將方程（2-2）中除油粘度以外的所有物理參數(shù)由常數(shù)代替，經(jīng)過一系列代入轉(zhuǎn)化，則方程可化為其最終形式：

上式便是考慮到溫度對(duì)變壓器油粘度的影響后，求解熱路模型的微分方程。

5）繞組平均溫度的求取。決定變壓器運(yùn)行容量的主要因素具體是由變壓器內(nèi)部溫度來反映的。通常對(duì)電力變壓器內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)為頂層油溫及熱點(diǎn)溫度，大多數(shù)電力變壓器的熱點(diǎn)溫度都是通過計(jì)算而來。

2.2 熱路模型中散熱熱阻的求取

1）變壓器箱體對(duì)外散熱熱阻。變壓器箱體對(duì)外散熱方式有三種，散熱方式不同，其熱阻的計(jì)算方法也不同。

（1）箱體輻射散熱熱阻。

輻射散熱熱量計(jì)算通常按照斯忒藩一玻耳茲曼公式求解：

其中AO為變壓器平均油溫升，經(jīng)過數(shù)次迭代后即可求得熱阻的精確值。

（2）箱體對(duì)流散熱熱阻。

在忽略箱體對(duì)外輻射的影響下，整個(gè)箱體對(duì)流散熱熱阻即為箱體傳導(dǎo)熱阻與對(duì)流熱阻的串聯(lián)，即：

變壓器片式散熱器散熱熱阻。

變壓器片散的散熱方式通常也有幾種，根據(jù)不同散熱方式熱阻的求取也不同。

（1）片散輻射散熱熱阻。與變壓器箱體相同，油浸式電力變壓器大多數(shù)片式散熱器每片片散同樣會(huì)對(duì)外輻射散熱，但由于各片片散排列緊密，每片輻射散出的熱量又會(huì)被相鄰的片散吸收，所以在計(jì)算每組片散的對(duì)外輻射量時(shí)，僅需考慮最外層一片的輻射（最右側(cè)一片）。

（2）片散對(duì)流散熱熱阻。片散整體對(duì)流散熱熱阻實(shí)際為油流散熱熱阻、油管傳導(dǎo)熱阻和片散表面對(duì)流散熱熱阻三者的串聯(lián)，現(xiàn)分別介紹各部分熱阻的求取方法。

①片散內(nèi)油流冷卻熱阻的求取。

在ONAN（內(nèi)部油自然對(duì)流冷卻方式，即通常所說的油浸自冷式）或ONAF（強(qiáng)迫對(duì)流冷卻方式）冷卻方式變壓器中，對(duì)于油流散熱熱阻可分為水平油道和豎直油道分別求取，一組片散外油道內(nèi)油流散熱熱阻為：

若一臺(tái)變壓器設(shè)有m組片式散熱器，則全部片散油流散熱熱阻為：

②油管傳導(dǎo)熱阻的求取。片散上油管傳導(dǎo)熱阻的求取方法同變壓器箱體傳導(dǎo)熱阻，這里不做具體分析。

③片散外表面對(duì)流散熱熱阻的求取。在計(jì)算熱阻前，仍需對(duì)片散作出與變壓器箱體類似的假設(shè)，根據(jù)變壓器冷卻方式的不同，熱阻的求取也略微不同：

a） ONAN冷卻方式下片散表面對(duì)流散熱熱阻為：

b） ONAF冷卻方式。當(dāng)變壓器外部片散下方裝有冷卻風(fēng)扇時(shí)，片散外表面對(duì)流散熱方式在ONAN的基礎(chǔ)上還疊加了冷卻風(fēng)扇強(qiáng)迫對(duì)流過程。設(shè)受風(fēng)扇影響下的片散數(shù)目為 ，不受風(fēng)扇影響的片散數(shù)目為 ，則此種情況下片散表面對(duì)流散熱的熱阻為：

3 模型算法準(zhǔn)確性校驗(yàn)

油浸式電力變壓器內(nèi)部油流循環(huán)方式通常分為如下三種：ONAN、ONAF、ODAF （ODAF為強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向冷卻方式）?？偟膩碚f，只要設(shè)定好額定溫升初值，本熱路模型對(duì)不同油冷卻方式有著普遍適用性。雖然本熱路模型在大部分冷卻方式下均適用，但對(duì)于實(shí)際情況下外部片散、冷卻風(fēng)扇位置不同等情況，還是需要對(duì)模型進(jìn)行一定的修正。為驗(yàn)證計(jì)算得到散熱熱阻的精確性，用一臺(tái)西門子公司500kV變壓器作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為對(duì)照，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)迫對(duì)流下理論計(jì)算熱阻值與實(shí)測(cè)值相差不大，然而自然對(duì)流下二者相差較大，計(jì)算得到散熱能力較小，而實(shí)際情況則比較大?；诖?，根據(jù)計(jì)算得到的自然風(fēng)影響下強(qiáng)迫對(duì)流散熱熱阻RN，油道總熱阻 ，由額定溫升數(shù)據(jù)計(jì)算得到的試驗(yàn)條件下片散熱阻足，疊加合并得到當(dāng)前環(huán)境條件下片散散熱熱阻：

而自然對(duì)流下片散散熱熱阻可直接通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得。結(jié)果證明這樣的處理是滿足精度要求的。

將本熱路模型計(jì)算結(jié)果與幾臺(tái)西門子公司變壓器實(shí)測(cè)溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算與實(shí)測(cè)的一致驗(yàn)證了模型在變壓器過負(fù)荷下溫度計(jì)算具有很好的精度。

4 變壓器增容（過負(fù)荷）運(yùn)行方法評(píng)估

根據(jù)GB1094.7電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則，變壓器增容運(yùn)行時(shí)內(nèi)部溫度值必須小于限制值，再引入“線一油溫差”這個(gè)指標(biāo)，一般設(shè)為30℃。把此動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)在三臺(tái)220kV和兩臺(tái)llOkV運(yùn)行的變壓器上加以試用，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)及環(huán)境條件分析后認(rèn)為，在當(dāng)天該運(yùn)行工況下單臺(tái)變壓器至少可以增容60%。增容后其內(nèi)部溫度曲線如圖l所示。從圖中可以看出，增容60%后本臺(tái)變壓器的頂油和熱點(diǎn)溫度距離限定值還有一段距離，也就是說本臺(tái)變壓器還具有一定的增容空間。通過計(jì)算實(shí)例說明，在本動(dòng)態(tài)增容節(jié)能系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)計(jì)算下，變壓器完全可以在保證安全的前提下，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間增容運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文研究了變壓器節(jié)能運(yùn)行及增容技術(shù)，并研制了一套變壓器動(dòng)態(tài)增容節(jié)能系統(tǒng)，并在鄭州供電公司得到應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)研究通過了國網(wǎng)公司鑒定，成為國網(wǎng)公司系統(tǒng)首家采用此項(xiàng)技術(shù)的單位。由于客觀條件、時(shí)間等的限制以及其它方面的原因，所研究的課題還需要進(jìn)一步的研究和完善。