第9章电力变压器的运行

发电厂电气主系统9-1■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本章计划学时:6~8学时发电厂电气主系统9-2■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。第一节变压器的温升与温度计算一、变压器的发热和散热发电厂电气主系统9-3■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。图9-1示出了油浸式变压器中各部分温度的分布情况。1)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。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。(2)散热过程(1)发热特点导向强迫油循环冷却强迫油循环风冷或水冷自然油循环冷却冷却方式｛发电厂电气主系统9-4■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：发电厂电气主系统9-5■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。(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，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。图9-2油浸式变压器温升分布图发电厂电气主系统9-6■3.温升计算中的基本关系为绕组对空气的温升=油对空气的温升+绕组对油的温升绕组的温度=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℃；最高日平均气温+30℃；最高年平均气温+20℃；最低气温-30℃；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发电厂电气主系统9-7■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高13℃。采用A级绝缘材料的变压器，绕组热点温度为98℃时，使用寿命为20~30年。因此，自然油循环冷却变压器带额定负荷长期运行时的周围空气温度最高为98℃-13℃-65℃=20℃。图9-2中几个点的温度：顶层油(B点)对空气的温升τt=55℃。绕组对油平均温升g=21℃。油对空气的平均温升τav=44℃。绕组最热点(E点)对顶层油的温升为τg=44℃+21℃+13℃-55℃=23℃。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发电厂电气主系统9-8■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。发电厂电气主系统9-9■三、变压器的稳态温度计算(不讲)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：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。1.变压器的绝缘老化现象发电厂电气主系统9-10■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，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*发电厂电气主系统9-11■)98(98NeeePPPAAzzz相对预期寿命z*的倒数称为相对老化率，即)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发电厂电气主系统9-12■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。发电厂电气主系统9-13■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。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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。发电厂电气主系统9-14■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，它也是变压器正常过负荷运行的主要依据。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。发电厂电气主系统9-15■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容许限值；②负荷变化和周围环境温度以及绝缘老化不超过绝缘的正常老化。二、负荷超过额定容量运行时的温度和电流的限值变压器的负荷超过额定容量运行时，将产生不良效应，此时要求其电流和有关部分的温度不超过表9-2的规定。三、等值空气温度1.平均温度δav不能表示变化的温度对绝缘老化的影响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。2.等值空气温度等值空气温度δeq：指某一空气温度，如果在一定时间间隔内维持此温度和变压器所带负荷不变，变压器所遭受的绝缘老化等于空气温度自然变化时的绝缘老化。发电厂电气主系统9-16■TPPtT0)98()98(deeteqτ——绕组热点对环境的温升，负荷恒定时为一常数。化简得tTTPPdee0teq两边取对数得TPTPtTPtTP00eqde1lg3.2de1ln1tt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Ttπ2sin21avt发电厂电气主系统9-17■式中δav——T时间间隔内的平均空气温度；Δδ——最高温度和最低温度之差。代入可以计算出aveqtTPTTtPde1ln10π2sin211)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。2)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。发电厂电气主系统9-18■四、等值负荷的计算实际负荷曲线先化为多阶段负荷曲线（如图9-5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。依据等值发热原理，欠负荷段的等值负荷系数按下式计算：nnntItItItttK22221212121)(nnnttttItItIK2122221211I1、I2、…、In——各欠负荷段电流标幺值；t1、t2、…、tn——各欠负荷段的时间。图9-5多阶段负荷曲线发电厂电气主系统9-19■五、变压器的正常过负荷1.原则：不增加变压器寿命损失，即平均相对老化率λ≤1。2.理论依据：等值老化原则，寿命损失相互补偿。3.正常过负荷是有计划的、主动实施的过负荷。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。其中日等值空气温度为20℃时的自然油循环和强迫油循环变压器的过负荷曲线如图9-6a和图9-6b所示。图中图中K1和K2分别表示两段式负荷曲线中的欠负荷系数和过负荷倍数，T为过负荷的容许持续时间。自然油循环环变压器的过负荷倍数不能超过1.5,强迫油循环变压器的过负荷倍数不能超过1.3，也即图中虚线部分。利用正常过负荷曲线确定过负荷倍数的方法：1）将实际连续变化的负荷曲线化为多段式负荷曲线。2）按式（9-16）将多段式负荷曲线归算为两段式等值负荷曲线,计算出欠负荷系数K1。发电厂电气主系统9-20■3）根据K1和过负荷时间T，从图9-6中过负荷曲线上查出过负荷倍数K2。图9-6正常过负荷曲线（日等值空气温度+20℃）a)自然油循环变压器b)强迫油循环变压器发电厂电气主系统9-21■【例9-3】如果例9-1中变压器容量为10000kVA，利用过负荷曲线，求变压器历时4h的过负荷值。解由例9-1图可知欠负荷系数为0.7,过负荷时间为4h，查图9-6a曲线得过负荷倍数K2=1.29过负荷值为1.29×10000kVA=12900kVA【例9-4】某自然油循环变压器，当地日等值空气温度为20℃，负荷曲线如图9-5所示，求历时4h的过负荷倍数。解依等值发热得514.084885.048.083.02222122221211nnnttttItItIK查图