CN102722193A - 一种减缓油纸绝缘变压器固体绝缘老化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减缓油纸绝缘变压器固体绝缘老化的方法，用于减缓变压器固体绝缘老化，属于电力变压器绝缘技术领域。技术方案是：①设定变压器绕组热点温度恒定值的控制目标值T+ΔT；②测量变压器运行中绕组热点温度；③根据测量得到的变压器绕组热点温度

，计算绕组热点温度变化率D

/Dt；④根据测量得到的变压器绕组热点温度

与预先设定的变压器绕组热点温度恒定值的控制目标值T+ΔT进行比较，结合计算得到变压器绕组热点温度变化率D/Dt，确定冷却控制系统投入或推出冷却用风扇。本发明通过对变压器散热系统的控制，追求变压器绕组热点温度的近似恒定，以减少水分在变压器油纸绝缘间的相对运动，可以有效地延缓变压器固体绝缘的老化速度。

Description

一种减缓油纸绝缘变压器固体绝缘老化的方法

技术领域

本发明涉及一种减缓油纸绝缘变压器固体绝缘老化的方法，用于减缓变压器固体绝缘老化，属于电力变压器绝缘技术领域。

背景技术

根据国内外各种研究及统计数据显示，油浸变压器中绝缘故障是造成变压器损坏的重要原因。油浸变压器中绝缘系统一般采用油纸绝缘。油纸绝缘变压器的使用寿命基本上决定于绝缘系统，其绝缘系统由变压器油和绝缘纸构成。其中绝缘油即使使用了30 年时间,绝缘击穿性能的下降也只有10%左右。而且在变压器的运行过程中，检修人员还可以通过净化或者换油的方式来改善油的绝缘性能。因此，运行中的油浸式电力变压器的使用寿命主要取决于固体绝缘，尤其是绝缘纸。构成绝缘纸的主要成分为纤维素，纤维素是由葡萄糖基组成的聚合度很高的链状高聚合碳氢化合物。绝缘纸的老化实际上是纤维素分子链不断断裂，链长不断变小的过程。国内外对纤维素老化有着几十年的研究，基本确认运行的变压器中，水、温度、酸、氧气、高电场等因素对纤维素老化有着重要的影响，通常认为水分的存在和高温对纤维素老化的加速作用最为明显。基于变压器固体绝缘老化的考虑，温度是影响变压器绝缘老化的重要因素。在较高的温度环境里，纤维素热解裂的速度遵循Arrhenius化学反应定律                                                。在大约80－140度的温度范围内，温度每增加6度，变压器固体绝缘（纤维素）的老化速率将增加一倍，因此我们必须对运行中变压器内部的温度给予关注。特别是变压器内部温度最高的地方往往对应着固体绝缘老化最严重的位置。出现在变压器绕组某个部位的变压器内的最高温度叫做“热点温度”。热点温度被假设为代表变压器负载的热极限值。变压器内部最热点位置一般处在靠近绕组上端的部位。这是因为这个地方作为绕组冷却介质的变压器油温度基本上是最高，而且涡流损耗往往比较集中，并可能还要特殊加强电气绝缘，从而减弱了散热效果。水分对纤维素老化而言是一个重要因素，表现为正反馈式的老化反应，绝缘纸含水量与老化速度基本上成正比。

另外，已被证明油纸绝缘变压器中随着温度的变化，水分会在油纸间动态转移，以期达到动态平衡。温度增加，变压器油对水分的溶解度增加，水分从固体绝缘中脱离，进入变压器油中，绝缘纸中水分减少；温度降低，变压器油中水分的溶解度降低，水分从变压器油中向绝缘纸中移动，绝缘纸含水率增加。这种水分在油纸间的往复运动伴随着变压器运行重温度的变化持续发生，并对构成纤维素重联系各葡萄糖基的化学键的稳定性造成破坏，从而可以加速纤维素，也就是变压器固体绝缘的老化。

现场统计数据显示运行中的变压器温度较低且水分含量极低，因此温度和水分对变压器固体绝缘老化的加速作用不明显。而变压器运行温度却随着环境温度、负荷情况以及冷却系统工作情况的不同而不断变化，造成水分在油纸之间持续往复运动，从而对变压器固体绝缘的老化加速作用则相对明显。

变压器内部最热点位置一般处在靠近绕组上端的部位。因构成变压器绕组的材料（铜或铝）的时间常数较变压器油的时间常数而言很小，因此变压器绕组热点温度变化较变压器油温度变化更加频繁和剧烈。由于固体绝缘材料一般紧邻绕组，因此绕组热点温度的变化对变压器固体绝缘老化的影响最为直接和明显。变压器运行温度由发热和散热情况共同决定。变压器内部发热主要由各种损耗引起，而散热主要由变压器壳体表面、散热片、风扇等元件通过对流、辐射等方式完成，相关的散热元件可实现自动控制。以自然风冷变压器（以下简称风冷变压器）为例，其散热元件主要为散热片以及相应的风扇，两者配合实现散热功能。风冷变压器一般设置风冷控制系统，通过投入或退出不同的风扇数量控制散热的容量。其控制原则相对简单，比如国家电网公司发布的《110(66)kV～500kV油浸式变压器（电抗器）运行规范》中规定油浸风冷变压器的控制箱必须满足当上层油温达到55℃时或运行电流达到规定值时，自动投入风扇；当油温降低至45℃，且运行电流降到规定值时，风扇退出运行。这些控制原则相对粗糙和简单，也仅仅考虑了变压器运行中变压器油温度对变压器固体绝缘老化的影响，而对变压器绕组热点温度缺乏监视和反映，从而无法控制水分在油纸间动态运动而造成的变压器固体绝缘老化加速。

发明内容

本发明的目的是提供一种减缓油纸绝缘变压器固体绝缘老化的方法，通过对变压器散热系统的控制，追求变压器绕组热点温度的近似恒定，以减少水分在变压器油纸绝缘间的相对运动 ，从而延缓运行中电力变压器的固体绝缘老化，解决背景技术存在的上述问题。

本发明目的是通过下面的技术方案实现的：

一种减缓油纸绝缘变压器固体绝缘老化的方法，包含如下步骤：①设定变压器绕组热点温度恒定值的控制目标值T+ΔT；②测量变压器运行中绕组热点温度

；③根据测量得到的变压器绕组热点温度

，计算绕组热点温度变化率D

/Dt，确定绕组热点温度的变化趋势；④根据测量得到的变压器绕组热点温度与预先设定的变压器绕组热点温度恒定值的控制目标值T+ΔT进行比较，结合计算得到变压器绕组热点温度变化率D

/Dt，确定冷却控制系统投入或推出冷却用风扇。

所说的设定变压器绕组热点温度恒定值的控制目标值T+ΔT：根据在背景技术部分的分析，变压器绕组热点温度的变化会造成水分在油纸间动态运动，从而加速变压器固体绝缘的老化。因此为减缓这一原因造成变压器固体绝缘老化加速，将变压器绕组热点温度尽量控制在一个相对恒定温度T，为防止由于测量过程中存在的各种误差以及温度的短时、轻微波动的影响出现频繁调节的弊病，设置恒定温度T的允许偏差值ΔT，这样变压器绕组热点温度恒定温度控制目标值最终为T+ΔT这一温度范围；通过控制变压器的冷却系统力争将变压器绕组热点温度控制在 T－ΔT≤ 绕组热点温度≤T＋ΔT范围内。

本发明中，T+ΔT是一个整体数值，表示T+ΔT的结果数值。

所说的根据测量得到的变压器绕组热点温度

与预先设定的变压器绕组热点温度恒定值的控制目标值T+ΔT进行比较，结合计算得到变压器绕组热点温度变化率D

/Dt，确定冷却控制系统投入或推出冷却用风扇，其判定原则如下： 1、若 -T≥ΔT且D

/Dt≥0，则冷却控制系统动作，投入一组风扇；2、若 

-T≥ΔT且D

/Dt<0 ,则冷却控制系统不动作；3、若T-ΔT <

 <T+ΔT, 则冷却控制系统不动作；4、若 

-T ≤-ΔT且D

/Dt>0，则冷却控制系统不动作；5、若 -T ≤-ΔT且D

/Dt≤0，则冷却控制系统动作,退出一组风扇；6、若变压器绕组热点温度<T-ΔT，且全部风扇已经退出运行，则维持变压器自冷状态；7、若变压器绕组热点温度

>T+ΔT，且全部风扇已经投入运行，则维持此状态；8、变压器由运行转为备用，或是因外部故障跳闸后，将全部风扇退出。

变压器由运行转为备用，或是因外部故障跳闸后，将全部风扇退出。其目的是减缓温度下降，防止因为温度下降过快造成变压器油中的水分析出形成游离水，破坏绝缘。因为故障时可能对应着大电流引起的绕组温度稿，因此这一原则可以自由选择。

所说的测量变压器运行中绕组热点温度

：变压器绕组热点温度的测量方法有三种，热模拟法、预设传感器法和间接计算法。

本发明可以采用间接计算法。《油浸式电力变压器负载导则》（GB/T 1094.7－2008）给出的间接计算法，计算公式见式（1）至式（5）。

 

          （1）

     （2）

  

                   （3）

                      （4）

  

                      （5）

这是一组将时间分成小的段落的差分方程。式（4）用于计算第n个时间段时热点温升，式（5）用于计算第n个时间段时热点温度。

各式中：

算子D表示与每个时间段Dt相对应的相关变量的差分；

为负载系数=负载电流/额定电流

、

 为常数，与变压器容量和冷却方式有关

为平均油时间常数

为绕组时间常数、

为额定电流下热点温度对顶层油温的梯度

为热点温升

为热点温度

顶层油温

为电流对绕组温升的指数幂

通过间接计算法获得变压器绕组热点温度的过程可以参照附图1进行详细说明。

在间接计算法的具体应用中，我们可以结合设备的实际运行情况对计算参数进行一定的修正，以期计算精度进一步提高。

a.在间接计算变压器绕组温度的公式中，负载系数起着关键的作用，而计算负载系数的过程中变压器的额定容量是决定因素。对于风冷变压器(ONAF)而言，一般在风扇全停的情况下可以实现自冷状态(ONAN)的运行。这两种运行状态下，为保证热点温度不超标，其额定负载能力是不同的。在ONAN情况下运行对应的额定容量一般表示为(N*额定容量)。针对这种情况，为了进一步提高计算精度，在变压器运行过程中我们可以根据监视到的风扇投入数量，自动调整变压器的额定负荷。设变压器共有散热片用风扇M只,风扇全部投入时变压器（ONAF）的额定容量为S，如投入运行的风扇数量为P，则此时对应的变压器额定容量为:

  

  （6）

这样通过判断投入的风扇数量就可以确定对应的额定电流，从而确定适合变压器运行方式的负载系数计算基数。

b.运行中的变压器，其散热片可能因渗漏油等原因而退出运行。这也会影响变压器的散热能力，同时影响变压器热点温度的计算。对于这个问题，我们同样可以通过调整变压器的额定容量来进行修正。假设式（6）所描述的变压器共有X组散热片，其中有Y组处于运行状态。则式（6）修正为：

  

（7）

当然这种修正也不是完全精确的，最好的方法应该是全部计算变压器的等效散热面积和单片散热器的散热面积，然后根据停运散热片数量进行修正。

c.对于有载调压变压器，变压器可能运行在不同的分接，其所对应的额定运行电流也是不同的。因此，计算的过程中应根据有载分接开关所运行的分接位置，确定计算负载系数用的额定电流值。

d. 《油浸式电力变压器负载导则》推荐的计算公式中对于ONAN和ONAF变压器有些参数的取值是不同的，最为明显的是油的时间常数，因此当变压器运行在不同的冷却状态时计算公式应调整取值。

本发明的积极效果是：本发明所提出的减缓油纸绝缘变压器固体绝缘老化的风冷变压器热点温度的控制方法，不论是在运行条件变化时保持绕组温度的近似恒定以减少水分在油纸间动态运动，还是在短期急救负载的情况下防止变压器绕组出现过高的温度，效果都是非常理想的，通过对变压器散热系统的控制，追求变压器绕组热点温度的近似恒定，以减少水分在变压器油纸绝缘间的相对运动 ，可以有效地延缓变压器固体绝缘的老化速度。

附图说明

附图1是本发明实施例变压器绕组热点温度测量、计算及冷却控制系统示意图；

图中：变压器1、有载调压装置2、顶层油温度传感器3、散热器风扇4、变压器冷却系统控制装置5、调压装置分接位置和风扇状态采集模块6、温度测量模块7、负荷电流采集模块8、计算和控制模块9；

附图2是本发明实施例在负荷波动情况下不考虑温度偏差ΔT的变压器绕组温度仿真计算图；

附图3是本发明实施例在负荷波动情况下考虑温度偏差ΔT的变压器绕组温度仿真计算图；

附图4是本发明实施例计算参数实时修正对控制效果的影响仿真计算图；

附图5是本发明实施例在短期应急负载情况下变压器绕组温度变化曲线仿真计算图。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。

利用实际运行的变压器，建立变压器绕组热点温度测量、计算及冷却控制系统如附图1所示。在这一系统中，本发明提出的控制方法依一下步骤运作：

第一步，利用实际运行变压器，建立变压器绕组热点温度测量、计算及冷却控制系统，如附图1所示；变压器冷却系统控制装置5，利用温度测量模块7获得顶层油温度传感器3提供的变压器顶层油，温用于计算变压器绕组温度；利用调压装置分接位置和风扇状态采集模块6获得变压器有载调压装置分接位置和风扇运行状态，用以调整计算变压器绕组热点温度时的相关参数；利用负荷电流采集模块8，获得变压器负荷电流情况用于计算变压器负载系数和变压器绕组热点温度；计算和控制模块9中用于进行相关计算，并按照预先设定的控制原则决动控制动作；

第二步，设定变压器绕组热点温度恒定值的控制目标值（T+ΔT），其中T=50摄氏度，ΔT＝5摄氏度，并设置相应的控制原则；

第三步，采用变压器负载导则提供的间接计算法公式，利用变压器冷却系统控制装置5中，温度测量模块7获得的变压器顶层油，调压装置分接位置和风扇状态采集模块6获得的变压器有载调压装置分接位置和风扇运行状态，负荷电流采集模块8获得的变压器负荷电流，由计算和控制模块9计算得出变压器绕组热点温度

及其变化率D

/Dt；

第四步，将计算结果与预先设定的控制原则对照，按照相应原则由计算和控制模块9作出判断，对风冷变压器散热风扇输出控制行为。然后回到第三步，在没有外部中断的情况下，第三步、第四步循环进行；

利用本发明的实施例，我们对控制效果进行仿真计算。在负荷波动和短期应急负载情况，对采用本发明提出的控制方法控制冷却系统的实际效果进行仿真计算，计算出变压器绕组热点温度变化情况，并与传统控制方式进行对比。同时分别在变压器绕组热点温度间接计算法中计算参数实时调整与不调整两种方式下，进行仿真计算，获得并对比变压器绕组热点温度变化情况。

计算分两种情况。第一种情况，在设定的前提下，负荷波动，考验绕组温度恒定效果。第二种情况，在设定的前提下，考验短期急救负载下的绕组热点温度情况

在第一种情况下，起始阶段全部风扇均未投入。以变压器自冷状态的容量为基准，变压器负载系数存在如下过程：负载系数为0.625持续15分钟，负载系数为0.8持续40分钟，负载系数为0.4持续20分钟。

图2为不考虑测量和控制误差，直接以绕组热点温度50摄氏度为控制目标的计算结果。图3为考虑测量和控制误差，以绕组热点温度为50±5摄氏度为控制原则的计算结果。综合分析两图可见，按照传统的控制原则，变压器绕组热点温度在负荷变化时会出现较大的波动，而在本发明提出的方法的法控制下，变压器绕组温度可以保持较好的恒定性。特别是如果将测量和控制误差整定为较小的值时，变压器绕组温度的恒定程度更加完美。

分别采用实时调整计算参数和不进行参数调整两种模式进行计算，根据得到的结果绘制图4以检验实时修正参数对计算结果的影响。从图中可见，实时调整计算参数的方法在负荷波动的情况下，可以更好地实现绕组温度的恒定控制。

第二种情况，起始阶段全部风扇均未投入。以变压器自冷状态的容量为基准，变压器负载系数存在如下过程：负载系数为0.5持续25分钟，负载系数为1.5持续30分钟，负载系数为1.2持续40分钟，负载系数为0.8持续50分钟。

图5为根据仿真计算结果绘制的，在短期急救负载影响下按照不同控制原则控制时，变压器绕组温度的变化情况。从图中可见，在30分钟短期急救负载的影响下，按照传统控制原则，变压器绕组温度会升高到130摄氏度左右，并在100摄氏度以上持续60分钟。而按照本发明专利提出的控制方法的控制下，变压器绕组温度最高也不会达到100摄氏度。在防止绝缘破坏的问题上，新的控制原则优势明显。

    通过在负荷波动和短期急救负载的情况下对绕组热点温度的仿真计算，我们可以看到，本发明所提出的减缓油纸绝缘变压器固体绝缘老化的风冷变压器热点温度的控制方法，不论是在运行条件变化时保持绕组温度的近似恒定以减少水分在油纸间动态运动，还是在短期急救负载的情况下防止变压器绕组出现过高的温度，效果都是非常理想的，可以有效地延缓变压器固体绝缘的老化速度。

综合考虑测量精确度、误差和灵敏性，建议采用间接计算法。《油浸式电力变压器负载导则》（GB/T 1094.7－2008）给出的间接计算法，计算公式见式（1）至式（5）。

           （1）

     （2）

  

                   （3）

                      （4）

  

                      （5）

这是一组将时间分成小的段落的差分方程。式（4）用于计算第n个时间段时热点温升，式（5）用于计算第n个时间段时热点温度。

各式中：

算子D表示与每个时间段Dt相对应的相关变量的差分；

为负载系数=负载电流/额定电流

、

 为常数，与变压器容量和冷却方式有关

为平均油时间常数

为绕组时间常数、

为额定电流下热点温度对顶层油温的梯度

为热点温升

为热点温度

顶层油温

为电流对绕组温升的指数幂

通过间接计算法获得变压器绕组热点温度的过程可以参照附图1进行详细说明。

在间接计算法的具体应用中，我们可以结合设备的实际运行情况对计算参数进行一定的修正，以期计算精度进一步提高。

a.在间接计算变压器绕组温度的公式中，负载系数起着关键的作用，而计算负载系数的过程中变压器的额定容量是决定因素。对于风冷变压器(ONAF)而言，一般在风扇全停的情况下可以实现自冷状态(ONAN)的运行。这两种运行状态下，为保证热点温度不超标，其额定负载能力是不同的。在ONAN情况下运行对应的额定容量一般表示为(N*额定容量)。针对这种情况，为了进一步提高计算精度，在变压器运行过程中我们可以根据监视到的风扇投入数量，自动调整变压器的额定负荷。设变压器共有散热片用风扇M只,风扇全部投入时变压器（ONAF）的额定容量为S，如投入运行的风扇数量为P，则此时对应的变压器额定容量为:

  

  （6）

这样通过判断投入的风扇数量就可以确定对应的额定电流，从而确定适合变压器运行方式的负载系数计算基数。

b.运行中的变压器，其散热片可能因渗漏油等原因而退出运行。这也会影响变压器的散热能力，同时影响变压器热点温度的计算。对于这个问题，我们同样可以通过调整变压器的额定容量来进行修正。假设式（6）所描述的变压器共有X组散热片，其中有Y组处于运行状态。则式（6）修正为：

  

（7）

当然这种修正也不是完全精确的，最好的方法应该是全部计算变压器的等效散热面积和单片散热器的散热面积，然后根据停运散热片数量进行修正。

c.对于有载调压变压器，变压器可能运行在不同的分接，其所对应的额定运行电流也是不同的。因此，计算的过程中应根据有载分接开关所运行的分接位置，确定计算负载系数用的额定电流值。

d. 《油浸式电力变压器负载导则》推荐的计算公式中对于ONAN和ONAF变压器有些参数的取值是不同的，最为明显的是油的时间常数，因此当变压器运行在不同的冷却状态时计算公式应调整取值。 

Claims (4)

1.一种减缓油纸绝缘变压器固体绝缘老化的方法，其特征在于包含如下步骤：①设定变压器绕组热点温度恒定值的控制目标值T+ΔT；②测量变压器运行中绕组热点温度                                                

；③根据测量得到的变压器绕组热点温度

，计算绕组热点温度变化率D

/Dt，确定绕组热点温度的变化趋势；④根据测量得到的变压器绕组热点温度

与预先设定的变压器绕组热点温度恒定值的控制目标值T+ΔT进行比较，结合计算得到变压器绕组热点温度变化率D/Dt，确定冷却控制系统投入或推出冷却用风扇。

2.根据权利要求1所述之一种减缓油纸绝缘变压器固体绝缘老化的方法，其特征在于所说的设定变压器绕组热点温度恒定值的控制目标值T+ΔT：将变压器绕组热点温度尽量控制在一个相对恒定温度T，为防止由于测量过程中存在的各种误差以及温度的短时、轻微波动的影响出现频繁调节的弊病，设置恒定温度T的允许偏差值ΔT，这样变压器绕组热点温度恒定温度控制目标值最终为T+ΔT这一温度范围；通过控制变压器的冷却系统力争将变压器绕组热点温度控制在 T－ΔT≤ 绕组热点温度≤T＋ΔT范围内。

3.根据权利要求1或2述之一种减缓油纸绝缘变压器固体绝缘老化的方法，其特征在于所说的根据测量得到的变压器绕组热点温度

与预先设定的变压器绕组热点温度恒定值的控制目标值T+ΔT进行比较，结合计算得到变压器绕组热点温度变化率D

/Dt，确定冷却控制系统投入或推出冷却用风扇，其判定原则如下： 1、若 

-T≥ΔT且D

/Dt≥0，则冷却控制系统动作，投入一组风扇；2、若 

-T≥ΔT且D

/Dt<0 ,则冷却控制系统不动作；3、若T-ΔT <

 <T+ΔT, 则冷却控制系统不动作；4、若 

-T ≤-ΔT且D

/Dt>0，则冷却控制系统不动作；5、若 

-T ≤-ΔT且D

/Dt≤0，则冷却控制系统动作,退出一组风扇；6、若变压器绕组热点温度

<T-ΔT，且全部风扇已经退出运行，则维持变压器自冷状态；7、若变压器绕组热点温度

>T+ΔT，且全部风扇已经投入运行，则维持此状态；8、变压器由运行转为备用，或是因外部故障跳闸后，将全部风扇退出。

4.根据权利要求1或2所述之一种减缓油纸绝缘变压器固体绝缘老化的方法，其特征在于所说的测量变压器运行中绕组热点温度

采用间接计算法。

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