油浸式电力变压器的温升试验及计算方法.pdf

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1、试验研究 油浸式电力变压器的温升试验及计算方法 杨治业, 王立群,杜建嵩 ( 沈阳变压器研究所, 辽宁 沈阳 110167) 摘要:论述并探讨了油浸式电力变压器的温升试验方法和温升的计算及校正方法, 认为短路法和回归分析法 分别是温升试验与计算的有效方法。 关键词: 油浸式电力变压器; 温升; 试验; 计算; 校正 中图分类号:TM406 文献标识码: B 文章编号: 1001- 8425( 2001) 06- 0015- 06 1 引言 温升试验是保证变压器使用寿命和安全运行的 重要试验。国家标准 GB1094. 2) 1996 对变压器的 各部位温升限值做出了明确规定, 并提出了相应的 试

2、验方法。温升试验的目的, 一是为了验证变压器 设计结构及冷却系统是否合理; 二是为了验证变压 器在规定的条件下, 即最大总损耗( 变压器运行中产 生的空载损耗与负载损耗之和) 和绕组所有分接下 的温升是否满足标准规定的限值。 温升试验有三种方法: 直接负载法、 相互负载 法、 短 路 等 效 法 ( 简 称 短 路 法) 。 国 家 标 准 GB1094. 2) 1996规定短路法为油浸式电力变压器 温升试验的标准方法。本文除了对目前变压器行业 各试验室普遍采用的作图外推法和温升计算方法做 了论述外, 还将对利用温升试验结果进行回归分析 的方法进行论述, 就如何根据 GB/T15164) 19

3、945油 浸式电力变压器负载导则6的规定对绕组温升进行 校正的问题做一些论述及探讨。 2 温升试验方法 在一般情况下, 短路温升试验方法是将电压较 低的绕组短路, 对另一侧电压较高的绕组施加规定 的电流值和总损耗值, 目的是减小电源的容量。因 此, 要求电源设备备有发电机组、 调压器( 容量小的 试品直接施加) 、 中间变压器( 考虑到短路后的短路 阻抗) 。此时的电源容量为: SH SN# eK# P总#Ka#Kb/ PK(75e )(1) 式中 SH试验电源容量 SN试品额定容量 eK短路阻抗标么值 P总实测空载损耗与负载损耗(75e ) 之 和 Ka电压变压因数, 取1. 2 1. 3

4、Kb安全因数, 取 1. 1 给绕组施加总损耗进行温升试验时, 试验电流 的估计值: I总= INP总/ PK(75e )(2) 试验前应按照试品容量估算电源容量, 采用正 确的试验方案进行试验, 避免由于电源容量不足, 不 能满足试验容量要求, 导致损坏试验设备。 目前, 大多数试验室采用电容电流补偿方法来 弥补电源容量的不足, 同时也可以减少对试验设备 的投资, 这是一种较为经济的且行之有效的最佳方 法。 图 1 变压器温升试验接线原理图 在电容补偿时, 由图 1 所知, 提供温升试验的 电源 是由 发 电机 发出 的, 根 据 能量 恒 等原 理 Kirchhoff 第一法则, 发电机发

5、出的感性电流( I10 51) 等于流向被试品变压器的感性电流( I2052) 与流向电容器的容性电流( I38 53) 之和, 即 I1051= I2052+ I38 53(3) 式中 I1051发电机额定电流及功率因数角 I20 52被试品额定电流及功率因数角 I38 53补偿电容器额定电流及功率因 数角 在不能给绕组施加规定的总损耗或电流进行温 升试验时, 校正的有效范围是施加的总损耗与规定 第 38 卷 第 6期 2001 年 6 月 变压器 TRANSFORMER Vol. 38 June No. 6 2001 的总损耗之差在 ? 20% 之内。当然, 施加的电流与 规定的电流之差在

6、 ? 10% 之内。当然, 通过协议也 可扩大校正的适用范围。 温升试验前、 后要进行绝缘油的气相色谱分析, 油中不应含有乙炔及其它气体。温升试验可等效模 拟变压器的实际运行情况。短路法温升试验可按以 下两个阶段进行。 2. 1 施加总损耗阶段 按标准要求, 施加的总损耗为: 对分接范围在 ? 5%以内, 且额定容量小于 2 500kVA 的变压器, 施 加的电流为主分接电流, 施加的总损耗为主分接下 的最大总损耗, 即温升试验仅在主分接上进行; 对分 接范围超过? 5% 或额定容量大于 2 500kVA 的变压 器, 施加的电流为最大分接电流, 施加的总损耗为最 大电流分接时的总损耗, 即温

7、升试验应选择最大电 流分接。对于存在多组规定的负载组合变压器, 总 损耗应取满容量运行时产生最大损耗的一对绕组。 此试验阶段是测定顶层油温度和油的平均温度。目 前, 测量顶层油温度常用的方法仍使用温度计测量 油温表面温度。测量时将温度计置于油箱盖上的温 度计座内并充满油。 温升稳定条件按 GB1094. 2 ) 1996 规定。当顶 层油温升的变化率小于每小时 1K, 并维持 3h, 认为 温升达到稳定, 稳定时间应该为 4h。当油温度的时 间常数 T0超过 3h, 可用试验的截尾规则计算最终 顶层油温升。 2. 2 施加额定电流阶段 顶层油温升测定之后, 立即将试品总损耗电流 降至最大电流分

8、接( 分接范围 5%, 且容量 2 500kVA的变压器为主分接) 时的电流值, 继续维持 1h, 然后停电测量绕组热电阻。如果需要重新测量 另一绕组热电阻, 应重新送电并维持1h。 测量热电阻时要在切断电源后 2min 左右, 最好 不大于3min 读出第一个热电阻值。但是, 由于变压 器绕组存在着电感, 测量电流不能快速达到稳定, 所 以, 要加大充电电流使铁心加速饱和, 以缩短稳定时 间。测量时要求每间隔半分钟测量出一个热电阻 值。 3 温升计算方法 3. 1 顶层油温升计算 当顶层油温升达到稳定, 取最后 1h 内读数的平 均值作为试验结果; 如果使用自动连续记录装置, 则 取最后1h

9、 内的平均值。 顶层油温升为: S1=H1- H02(4) 式中 H1总损耗状态下的顶层油温度 H02总损耗状态下的环境温度 当T03h时, 顶层油温升采用GB1094. 2) 1996 标准附录 C 的截尾规则计算, 即按试验过程中各时 间间隔均为 1h 的连续 $ H1、 $H2、 $ H3三个读数进行 估算。为避免较大的随机误差, h 应近于 T0, 且 $H3/ $ Hu应不小于 0. 95。 此时稳态温升 $Hu可按下 式计算: $Hu= ( $H2) 2- $H 1$H3 / (2$H2- $H1- $H3) (5) $Hu也可以采用GB1094. 2) 1996标准附录C中 的作

10、图法进行求取。 稳态温升更准确的计算值, 可由高于 60%$Hu 的各测量点, 用最小二乘法外推求出。 3. 2 绕组温升计算 3. 2. 1 切断电源瞬间绕组温度和油平均温度的外 推法 油平均温度是用于校正温升试验结果的, 原则 上是绕组内部冷却油的平均温度, 但作为试验估计 值, 一般取顶层油温度和底部油温度的平均值作为 油平均温度( 目前温升计算常用该方法) 。对于 2500kVA及以下, 具有平滑油箱或波纹油箱或散热 管直接焊在油箱上的油浸自冷式变压器, 其高于环 境温度的油平均温升值可取顶层油温升的 80%。 当不是以试验为目的时, 应采用作图法和回归分析 法外推油平均温度。 3.

11、2. 1. 1 作图外推法 切断电源后, 测量出的绕组热电阻值, 通过线性 直角坐标( 见图 2) 将时间间隔均匀分布在时间轴 上; 测量出的热电阻值按相对应的时间标注在坐标 纸上, 用曲线板将标注出的点连接。根据热电阻的 逐点增量 $ Ri作斜线 L, 在斜线 L 的另一端也可用 作图的方法求出电源切断瞬间的热电阻值 R2。 最后 再将曲线外推至 R2(用虚线连接) , 绘制出热电阻曲 线。 3. 2. 1. 2 回归分析法 回归分析法与作图法最大的不同是其首先设定 热电阻曲线的数学模型, 然后根据热电阻的测量结 果采用最小二乘法原理, 用计算机求出数学模型中 的待定系数, 从而求出热电阻曲

12、线方程和热电阻曲 线。最后再根据热电阻曲线方程求出电源切断瞬间 的热电阻值。 以前, 曾经有人用最小二乘法推导 y = a3X 3 + 1 6 变压器 第 38 卷 图 2 确定切断电源瞬间绕组电阻及油的平均 温度的方法( 三个坐标都是线性的) a2X 2+ a1X + a0 多项式模拟热电阻曲线。 用多项式 模拟热电阻曲线有以下缺点: (1) 在理想的情况下, 多项式的项数越多, 越接 近实际曲线, 从计算精度和复杂程度两方面综合考 虑一般多采用四项式。 (2) 测量点要足够多, 以每半分钟测量一点, 应 大于 20个点, 测量点太少不能准确描述真实曲线。 ( 3) 在有多个测量值存在误差,

13、 偏离真实曲线 时, 所描述的曲线将不是实际的指数衰减曲线。 图 3 时间常数与 B 的关系 GB1094. 2) 19965电力变压器 第二部分 温 升6中规定: 除使用作图法求取电源切断瞬间的热电 阻值和油平均温度外, 还可以应用计算机程序进行 估算。此程序是利用解析式对一组读数进行拟合。 一般性的原则是, 测得的热电阻 R 随时间t 变化, 将 R- t 曲线看成是由两项组成: 一项为固定不变的或 缓慢变化的 A 值; 另一项为按时间常数 T 呈指数函 数衰减的B 值( 见图 3), 即: R( t) = A( t) + Bexp(- t/ T)(6) 式中, 第一项可为常数、 线性衰减

14、或指数衰减函数, 即: A = A0 A = A0(1- Kt) A = A0exp(- t/ T0) 对于小型配电变压器, 由于不采用强迫油循环 和风冷、 水冷措施, 油温变化非常缓慢, 可以认为 A = A0。 对于大型电力变压器, 由于采用强迫油循环 和风冷、 水冷措施, 油温变化相对较快, 可以认为 A = A0(1- Kt) 或 A = A0exp(- t/ T0)。 其中, 以A = A0exp(- t/ T ) 最接近于实际, 也最具有普遍性, 可 用于各种类型变压器。 由此, 式(6) 将变为: R( t) = A0exp(- t/ T0) + Bexp(- t/ T)(7)

15、式中 A0断电瞬间绕组内部的油温升 T0油的热时间常数 B断电瞬间的绕组对油的温升 T绕组的热时间常数 对于式(7) 所描述的断电后热电阻曲线, 可采 用逐次逼近最小二乘法的非线性回归程序进行拟 合。 对测量时间较短的一组 R( ti) , ti 值按式(7) 进 行拟合, 确定 A0、 B、 T0及 T 的具体步骤如下: 设 T0为某个初始值, 步长为 dT , 则分别在 T01 = T0+ dT0、 T02= T0+ 2dT0、 T03= T0+ 3dT0, 对式 (7) 进行拟合, 并算出每次的剩余平方和 S1, S2, S3。 S =r R( ti)exp(- ti/ T0) - A0

16、- Bexp- ti (1/ T0- 1/ T) 2(8) 比较 S1, S2, S3使T0沿着 S 变小的方向增大或 减小, 直到某个T0时的 S 大于T0? dT0时的 S 值为 止。 以此时的 T0为新的初值, 并设新的步长 dT0= dT0/ 2, 再重复上述步骤, 直到满足给定精度E (Sn - Sn - 1)/ Sn为止, 此时的 T0, T, A0, B 即为最终结 果。 利用上述原则和方法, 我们编制了计算机软件。 利用该软件, 只要将在短时间内测量的一组热电阻 值和时间跨度数据输入计算机, 即可在较短的时间 内自动计算并打印出热电阻方程式( 7) 和热电阻曲 线( 见图 4)

17、 。其具体程序框图见图 5。 表 1 是一台 S9- 4 000/ 35 电力变压器的温升 17 第 6 期 杨治业、 王立群、 杜建嵩: 油浸式电力变压器的温升试验及计算方法 图 4 热电阻曲线 热电阻数据。表 2 是用计算机与手工绘制温升曲线 得到的热电阻误差。 3. 2. 2 绕组温升计算 前面叙述的对试品施加电流阶段, 是由总损耗 电流降至额定电流, 绕组通过的额定的电流是符合 实际运行情况的。但是, 由于忽略了铁心发热而产 生的油温度变化( 额定励磁时铁心产生的热) , 而且 我们试验采用的是短路方法, 施加规定的试验电流 时一般情况下励磁电压较低, 大约在 0. 04 0. 18U

18、N 之间, 不能达到总损耗状态。所以, 平均油温度应取 总损 耗 时 的 测 量 数 据 较 为 接 近 实 际。根 据 GB1094. 2) 1996 标准要求/ 在施加额定电流的 1h 内, 从第一个试验阶段所测得油温升值下降, 故绕组 温度值应加上油平均温升的降低值0, 得出的结果应 该是总损耗时的绕组平均温升。 绕组温升计算公式: S2= R2(235+ H01) / R1 - 235- H02+ KH (9) 式中 R2停电瞬间热电阻值 R1H01温度下测出的绕组冷电阻值 H01测量 R1时的环境温度 H02总损耗状态下的环境温度 KH平均油温校正值 KH= Hp1- Hp2 Hp1

19、= ( H1+ H2)/ 2 Hp2= ( H1c+ H2c)/ 2 式中 H1总损耗状态下顶层油温度 H1c额定电流状态下顶层油温度 H2总损耗状态下的底部油温度 H2c额定电流状态下的底部油温度 表 1 S9- 4000/35 电力变压器温升热电阻 时间高压绕组热电阻/8低压绕组热电阻/ m8 1 c302. 0610.1502 2c2. 0550.1497 2 c302. 0490.1492 3c2. 0440.1488 3 c302. 0390.1484 4c2. 0350.1479 4 c302. 0320.1476 5c2. 0280.1473 5 c302. 0250.1470

20、6c2. 0220.1467 6 c302. 0190.1464 7c2. 0170.1461 7 c302. 0140.1459 表 2 计算机与手工绘制得出的热电阻误差 热 电 阻 误 差 / % 计算机手工 高压2. 0801高压0. 24 低压0. 1520低压0. 20 4 绕组温升的校正问题 4. 1 温升校正的原因 按照 GB/ T15164) 915油浸式电力变压器负载 导则6要求, 为了减小任何冷却方式下的热暂态现象 对电阻冷却曲线的畸变影响, 在切断电源后的测量 电阻期间内的冷却条件, 应与温升试验时施加总损 耗条件保持一样。而实际上, 在切断电源后测量绕 组热电阻时, 绕

21、组温度下降的同时油温度也下降( 见 图 6) 。所以, 测量出的绕组热电阻要受到油温度的 影响, 故标准规定要对平均油温的差值进行必要的 校正。 1 8 变压器 第 38 卷 图 5 程序框图 4. 2 温升校正的方法 GB/T15164) 19945油浸式电力变压器负载导 则6附录 B 中提出了温升的计算和校正方法。 校正公式为: $ HR t = exp t/ S0 Rt(T + HRC)/ RC- (T + Hu) (10) 式中 Rt停电瞬间热电阻值 RcHRC温度下测出的绕组冷电阻值 HRC测量 Rc时的环境温度 Hu总损耗状态下的环境温度 S0油的热时间常数 校正方法为: 首先将切

22、断电源后测量出的热电阻值, 用上述 公式( 10) 分别计算出每一点的校正温升值。然后再 采用第 3. 2. 1 项叙述的作图外推法或回归分析方法 求得切断电源瞬间( t= 0) 时刻的温升值。 5 结论 ( 1) 短路法是GB1094. 2) 1996 国家标准推荐使 用的标准温升试验方法, 是目前变压器行业普遍采 用的方法, 也是一种切实可行的方法。 ( 2) 回归分析方法是利用计算机和温升试验结 19 第 6 期 杨治业、 王立群、 杜建嵩: 油浸式电力变压器的温升试验及计算方法 图 6 绕组平均温升必须校正的原因 果对切断电源瞬间绕组温度和油平均温度进行外推 计算的一种准确的科学方法,

23、 其计算结果完全符合 标准要求。 ( 3) 为了保证温升计算结果更趋于准确、 合理, 本文对 GB/T15164) 19945油浸式电力变压器负载 导则6附录 B 中提出的温升计算和校正方法进行了 简单的论述。我们认为对传统的温升试验结果应采 用这一方法进行校正。该方法是否可行还需要通过 实践进行验证。 参考文献: 1 GB1094. 2) 1996, 电力变压器 第二部分: 温升S. 2 王秀春, 徐国梁, 彭桂先. GB1094. 2) 1996 中三种电源 切断瞬间绕组温度的外推方法比较 J. 变压器, 1998, 35(7): 16- 20. 3 GB/T15164) 1994, 油浸

24、式电力变压器负载导则 S . 4 张振生, 李兴唐, 刘春文. 利用电容补偿法进行变压器 温升试验的理论探讨和实践 J. 变压器, 30( 7) : 36- 37. Temperature Rise Test of Oil- Immersed Power Transformer and its Calculating Method YANG ZhiOye, WANG LiO qun , DU JianO song ( Shenyang Transformer Research Institute, Shenyang 110167, China) Abstract:The temperature

25、 rise test of oil- immersed power transformer and its calculating and correcting methods are discussed. It is pointed out that the short circuit method and the regression analysis method are respectively the effective methods of test and calculation. Key words: Oil - immersed power trans f ormer; Te

26、mperature rise; Test; Calculation; Correction 收稿日期: 2001- 03- 10 作者简介: 杨治业(1943- ), 男, 河南永城人, 沈阳变压器研究所副所长, 教授级高级工程师, 多年从事高电压及变压器试 验研究工作; 王立群(1953- ), 男, 山东栖霞人, 沈阳变压器研究所高级工程师, 从事变压器试验研究工作; 杜建嵩(1970- ), 男, 北京人, 沈阳变压器研究所高级工程师, 从事变压器试验研究工作。 变压器绕组温度光纤监测系统 美国一家公司研制成功一种温度光纤监测系统。该系统可用于直接测量高电压大容量电力变压器绕组的热点温度。其 具有1 4个有独立输出和显示的测量通道。该系统采用的温度传感器由一种稳定的耐高温的荧光材料制成, 直接置于光导 纤维一端。其原理是, 当 LED 光源发出的光脉冲通过光纤送到与绕组接触的温度传感器时, 该脉冲激励传感器的荧光材料, 使其产生波长较长的荧光, 根据返回荧光的衰减时间测出该传感器的温度( 需进行温度校正) , 然后通过处理, 显示出温度值 和有关系统参数, 并同时将温度信息传输到控制室。据介绍, 该系统可在变压器处于峰值负荷和紧急过负荷时提供精确的绕 组温度, 并可使变压器根据测出的绕组实际温度及时调整负荷。 20 变压器 第 38 卷