CN103779059A - 一种油浸式变压器的动态增容方法 - Google Patents

Abstract

一种油浸式变压器的动态增容方法，属于变压器领域。其将变压器内部的热传导过程简化为电路模型，计算在当前负荷条件下该变压器的绕组热点温度、顶部油温、平均油温、平均绕组温度，按照绕组热点温度不超过140℃的限定限制，计算出变压器在当前负载和环境条件下变压器内部温度是否会超过限定温度，并计算此时如出现长期急救负载或短期急救负载是否会达到温度限定值，如变压器内部温度可能超过短期急救负载的限定值，则计算出到达限定值的时间和最后到达的稳态温度作为报警信号；若监测到温度会在t分钟内超标时，发出预警信号，并设定一定时延，若在设定时延内负荷未降低，则打开变压器的冷却风扇。可避免冷却设备长期持续运行，增加冷却设备运行寿命。

Description

一种油浸式变压器的动态增容方法

技术领域

本发明属于变压器领域，尤其涉及一种用于油浸式变压器的动态增容方法。

背景技术

随着电力系统快速发展，输变电设备的增容问题被广泛关注。

电力变压器作为输变电的核心设备，目前其正常运行容量都远低于额定容量（一般小于50%额定容量），设备远远没有得到有效的利用。所以在不影响变压器使用寿命的前提下，提高变压器运行容量，不但能满足供电容量的要求，并且能有效降低对设备的投资。

变压器的运行容量远低于其额定容量的原因是出于安全考虑。电力系统输电线路通常为双回路结构，两条线路互为备用，在一条线路故障的情况下将负荷转移到另一条线路，因此运行容量通常在可接受过负荷运行容量的一半以下。如果能够对变压器进行实时监测，对过负荷运行下的变压器内部温度变化较为精确的预测，确保安全性，可以减少变压器的备用容量，增大设备的利用率，并且能够在故障发生时，提供安全过负荷运行时间，保障变压器的运行安全。

决定变压器运行容量大小的主要是变压器内部绝缘材料寿命，主要是热点温度对绝缘材料老化速度的影响。

绝缘材料使用的温度超过极限温度时，绝缘材料会迅速劣化，使用寿命会大大缩短。如A级绝缘材料极限工作温度为105℃，当超过极限工作温度6℃时，其寿命会缩短一半左右，这就是“热劣化6℃”规则。由于“热劣化6℃”规则的制约，当绝缘材料的温度超过极限温度限度后，绝缘材料的老化速度会大大加快，迅速减少绝缘材料的使用寿命和绝缘强度，造成变压器绕组局部放电击穿，短路等故障的发生，进而导致变压器安全使用寿命的缩短。

公开日为2012年10月10日，公开号为CN102723188A的中国发明专利申请中公开了一种“用于配电网S7型变压器增容的节能改造方法”，其包括以下步骤：铁心的改造：硅钢片拆除后，用锯沫屑将硅钢片层叠码放，将表面变压器油吸干，再用软布将硅钢片表面擦净，由原来的2级叠积方式变成3级叠积，并使用原夹件夹紧；绕组绕制的改造：按长圆形结构重新将绕组绕制成形；变压器器身和引线装配的改造：根据长圆形绕组的结构，增设上、下铁轭绝缘，并在轴向压紧处加强压紧力度，高、低压引线按S10型变压器技术要求重新配制后，变压器器身整体入炉干燥，干燥时间按S10型变压器工艺要求执行；变压器油箱的改造：变压器油箱改造为全密封波纹油箱，波翅随变压器油体积的胀缩而伸缩，使外界大气与变压器内部的油隔绝，防止和减缓油层的劣化和绝缘受潮，波纹片用1.2mm薄板由模具压出；变压器的注油：变压器采用真空注油方式注油。由于该技术方案需要对变压器拆开进行结构改装和部件处理，故只能适用于变压器的回厂改造，等于是重新组装一台新的变压器（原申请文件中也注明其是以配电网中淘汰的S7型变压器为基础，根据原有变压器性能及结构情况，合理利用原有材料并添加部分新材料，做出合理的向S10型变压器增容的节能改造方案，见其说明书第1页第[0012]段），且涉及到的费用成本较高，不适于对现有变压器的扩容，导致其适用范围受到一定的限制。

公开日为2010年10月20日，公开号为CN101866739A的中国发明专利申请中公开了“一种变压器降温增容装置”，所述变压器降温增容装置包括一根以上设置于变压器叶片缝隙之间的喷淋管道以及向所述喷淋管道供水的供水管路，所述喷淋管道上设置一个以上的喷孔。其设置于变压器设备上，用于对运作中产生高温的变压器进行持续有效的降温，防止变压器温度过高负荷满载使之达到90℃强制断电临界值而停止运行，从而达到增容的目的。其对变压器叶片进行强制冷却，以期降低变压器的运行温度，适用于对现有变压器的改造，但是其只是考虑到对变压器进行强制冷却，并没有考虑环境温度的变化对冷却效果的影响，属于粗放型的运行方式，并不是真正的节能运行，且需要在变压器本体上增设降温装置，会受到安全距离和绝缘等级等诸多限制，不能满足变压器的可运行容量的动态控制和实时掌握变压器的运行状态，不利于实现变电站智能控制和智能管理的拓展。

目前国外的变压器冷却方式的控制按照负荷的大小来调节，即根据负荷大小控制冷却风扇的开断，并没有考虑环境的变化对冷却的有利影响。

事实上，在某些环境温度较低、外界风速较大的情况下，在较大负载下并不需要将全部的冷却风扇都投入运行，所以将环境对冷却的有利影响进行综合考虑，并对冷却风扇进行分级控制，可实现冷却设备的低功耗运行。

随着智能电网研究的开展，变电设备向智能化方向发展，增强变压器的可运行容量控制和实时掌握变压器的运行状态并随时对其进行风险评估，有利于增加冷却设备的运行寿命，实现变电站智能控制和智能管理的拓展，对整个电网的经济运行，节能降耗，降低运营成本，有着极其重要的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种油浸式变压器的动态增容方法，其用间接测量法建立变压器内部温度计算模型来获得变压器的温度变化情况，综合考虑影响变压器安全运行的诸多因素，得到了变压器的改进热路模型，其减小了冷却设备的投入，提高了变压器的运行效率，还可以避免冷却设备的长期持续运行，增加冷却设备的运行寿命。

本发明的技术方案是：提供一种油浸式变压器的动态增容方法，包括对变压器的温度进行实时检测，其特征是：

A、根据待增容变压器的出厂试验报告和运行实际数据，建立待增容变压器的改进热路模型，从传热学的角度用电路模型简化变压器内部的传热过程，将变压器内部的热传导过程简化为电路模型；

B、根据负荷情况和环境温度，计算在当前负荷条件下该变压器的绕组热点温度、顶部油温、平均油温、平均绕组温度；

C、取当前负载电流的两倍为估算电流，计算出该变压器在其它变压器故障情况下的绕组热点温度、顶部油温、平均油温、平均绕组温度等；

D、按照绕组热点温度不超过140℃的限定限制，根据变压器油密度随温度的改变值，使用待增容变压器的改进热路模型，计算出变压器在当前负载和环境条件下变压器内部温度是否会超过限定温度，并计算此时如出现长期急救负载或短期急救负载是否会达到温度限定值；

E、如果变压器内部温度可能超过短期急救负载的限定值，则计算出到达限定值的时间和最后到达的稳态温度作为报警信号，提醒运行人员控制负荷；

F、若监测到温度会在t分钟内超标时，发出预警信号，并设定一定时延，若在设定时延内负荷未降低，则打开变压器的冷却风扇；

G、当变压器热点温度降低或者稳定后，且低于限定温度时可停止部分风扇；

H、通过采用变压器的改进热路模型，计算整个变压器运行过程中的绕组热点、顶层变压器油以及变压器油平均温度的动态变化情况，实现变压器温度的在线预测，藉此实现对变压器的动态增容和进行实时监测，预防变压器的过热，对故障提前预警，实现变压器节能运行，减少散热风扇的持续工作时间，增加散热风扇的运行寿命，保障增容变压器的安全运行。

具体的，其所述变压器的出厂试验报告至少包括变压器油重、变压器壳重、变压器绕组重、变压器箱体结构参数、变压器散热器结构参数、试验条件下平均油温升、试验条件下頂油温升、试验条件下绕组平均温升、试验条件下空载损耗和试验条件下负载损耗；所述变压器的运行实际数据至少包括环境温度、变压器壁温、冷却器进/出口油温、外界风速、日照强度和变压器实际负载运行系数。

具体的，其所述的改进热路模型包括绕组热点对顶层油温度热路模型、顶层油对平均油温度热路模型和外壳对环境温度热路模型三个子热路模型；所述的各个子热路模型通过下述表达式进行表达：

绕组热点对顶层油温热阻：

绕组热点对顶层油温热容：C_hs-oil=c_Cu·m_Cu；

顶层油对平均油温热阻：

顶层油对平均油温热容：C_hoil-moil=c_Cu·m_Cu+c_fe·m_fe+c_oil·m_oil；

外壳对环境温度热阻：

外壳对环境温度热容：C_moil=c_Cu·m_Cu+c_fe·m_fe+c_oil·m_oil+c_wk·m_wk；

其中，R_y为热阻，C_y为热容，参数中的下标hs-oil表示绕组热点对顶层油温，hoil-moil表示顶层油对平均油温，moil表示平均油温；

q_x为x介质的热流，c_x为x介质的比热容，m_x为x介质的质量，参数c_x和m_x下标中的Cu、fe、oil和wk分别代表绕组，铁芯，变压器油和变压器外壳附件。

进一步的，将所述的后一个模型中求出的节点温度值视作是上一个模型的环境温度，依此类推，最终得到热点温度。

进一步的，在进行热阻计算时，所述各个子热路模型的热流源按照下列微分方程计算：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{Cu}}=C_{\mathrm{hs}-\mathrm{oil}}\frac{{\mathrm{d\θ}}_{\mathrm{hs}}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{\mathrm{hs}-\mathrm{oil}}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}})\\ q_{\mathrm{fe}}+q_{\mathrm{Cu}}=C_{\mathrm{hoil}-\mathrm{moil}}\frac{{\mathrm{d\θ}}_{\mathrm{hoil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{\mathrm{hoil}-\mathrm{moil}}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}})\\ q_{\mathrm{fe}}+q_{\mathrm{Cu}}=C_{\mathrm{moil}}\frac{{\mathrm{d\θ}}_{\mathrm{hoil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{\mathrm{moil}}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}})\end{array}\right.$

其中热流源q_fe和q_Cu代表热源绕组及铁芯的发热量，θ_hs为绕组热点温度，θ_hoil为顶层油温度，θ_moil为平均油温，θ_amb为环境温度；

利用龙格库塔法针对每个子模型求解微分方程，并将所求结果带入上一个模型的环境温度中，即可得出任意负载下的最热点温升曲线。

进一步的，在计算所述的外壳对环境温度热路模型时，对室外变压器的外壳对环境温度热路模型进行修订，修正后室外变压器的外壳对环境温度热路模型的热路表达式如下：

$q_{\mathrm{fe}}+q_{\mathrm{Cu}}+q_{\mathrm{sun}}=C_{\mathrm{moil}}\frac{{\mathrm{d\θ}}_{\mathrm{hoil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{\mathrm{moil}}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}})$

q_sun=A_sα_sP_sun

式中，q_sun为太阳辐射的热流源，A_s为变压器接受太阳辐射的面积；α_s为变压器表面材料的吸收率；P_sun为太阳到达地球表面的辐射功率。

其所述的太阳到达地球表面的辐射功率参照经验公式求取或用传感器测量获得。

上述各个子热路模型求解温度的微分方程组分别表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{R}{R_r}{K}^2\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}\·\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}}{\mathrm{dt}}+\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\\ \frac{1+R\·K^2}{1+R_r}\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{moilhoil},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{moilhoil},\mathrm{rated}}\·\frac{\mathrm{d\θ}{h}_{\mathrm{oil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\\ \frac{1+R\·K^2}{1+R_r}\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}\·\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{R_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}}{R_{\mathrm{moil}}}\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\end{array}\right.$

其中，R为额定电流下负载损耗对空载损耗比，R_r为辐射换热热阻，K为负载系数，u_pu为油粘性系数，n为油循环流动的性质相关的常数，△θ_hs,rated为额定热点温升，C_hs,rated为额定热点对顶层油模型的热容，R_hs,rated为额定热点对顶层油模型的热阻，θ_hs为绕组热点温度，θ_hoil为顶层油温度，△θ_hoil,rated为额定顶层油温升；C_{hoil moil,rated}为额定顶油-中油热容，R_{hoilmoil,rated}为为额定顶油-中油热阻，θ_moil为平均油温；△θ_moil,rated为额定中层油温升，C_moil,rated为额定中层油热容，R_moil,rated为额定中层油热阻，R_moil为外壳对环境温度热阻，θ_moil为平均油温，θ_amb为环境温度。

上述变压器的各个子热路模型求解温度的微分方程组分别表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{R}{R_r}{K}^2\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}\·\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}}{\mathrm{dt}}+\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\\ \frac{1+R\·K^2}{1+R_r}\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{moilhoil},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{moilhoil},\mathrm{rated}}\·\frac{\mathrm{d\θ}{h}_{\mathrm{oil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\\ \frac{1+R\·K^2+\frac{q_{\mathrm{sun}}}{q_{\mathrm{fe}}}}{1+R_r}\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}\·\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{R_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}}{R_{\mathrm{moil}}}\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\end{array}\right.$

具体的，所述的额定电流下负载损耗对空载损耗比R为

$R=\frac{q_{\mathrm{cu}}}{q_{\mathrm{fe}}}$

所述的负载系数K为

$K=\frac{I}{I_{\mathrm{rated}}}$

其中的I为当前负载下电流，I_rated为额定电流。

进一步的，采用龙格—库塔法则计算所述的微分方程组，得到变压器在计算时间内的温度变化值，外部计算值经过温度修正后将结果温度数组作为损耗温度参数，重新代入方程组计算，循环迭代满足误差要求后停止。

在计算所述的长期急救负载和短期急救负载的限制值相关温度和变压器运行到达稳态温度时，将计算模型中的环境自然风速设为0，日照强度设为当地最大值计算。

在计算所述的长期急救负载和短期急救负载的限制值相关温度和变压器运行到达稳态温度时，对采用不同的绝缘材料的变压器，按照热劣化6℃规则的极限温度的比例对相应的限制值进行估算。

判断所述的变压器温度是否超标，依据热点温度、绕组平均温度、油平均温度或实测顶油温度进行判断，只要其中一个满足条件，则视为温度超标。

其所述待增容变压器的电压等级包括110kV，220kV和500kV。

其所述待增容变压器的结构类型包括自耦变压器，普通三绕组和普通双变压器。

其所述的普通双变压器包括三相分体式变压器和三相一体式变压器。

所述的动态增容方法及增容监测可以实现智能电网坚强性和自愈性的要求：即电网发生大扰动和故障时，仍能保持变压器运行保障供电能力和具有实时、在线和连续的安全评估和和预防控制；同时实现智能电网经济性和优化性的要求：实现资源的优化配置，提高能源设备利用效率，降低投资成本和运行维护成本。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.待增容变压器的改进热路模型考虑了变压器负载变化和外界环境对变压器散热影响，包括环境温度、自然风、日照，可以计算整个变压器运行过程的绕组热点、顶层变压器油和变压器油平均温度等关键温度的动态变化情况，实现变压器温度的在线预测；

2.以待增容变压器的改进热路模型计算变压器温度变化，实现对变压器进行增容和监测，可以实时掌握变压器的运行状况，保障变压器的安全运行，并且能够对故障的提前预警，预防变压器的过热；还可以实现变压器节能运行，减少散热风扇的持续工作时间，增加散热风扇的运行寿命；

3.变压器的增容监测可以实现智能电网坚强性和自愈性的要求：即电网发生大扰动和故障时，仍能保持变压器运行保障供电能力和具有实时、在线和连续的安全评估和和预防控制；同时实现智能电网经济性和优化性的要求：实现资源的优化配置，提高能源设备利用效率，降低投资成本和运行维护成本。

附图说明

图1是本发明绕组热点对顶层油温度热路模型示意图；

图2是本发明顶层油对平均油温度热路模型示意图；

图3是本发明外壳对环境温度热路模型示意图；

图4是本发明所需的计算参数及计算结果展示；

图5是本发明对增容变压器的监控程序流程方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1～3中，本发明的变压器的改进热路模型由三个子热路模型组成，从上到下依次为：绕组热点对顶层油温度热路模型、顶层油对平均油温度热路模型、外壳对环境温度热路模型。

下一个模型中求出的节点温度值可视作是上一个模型的环境温度，依此类推，可最终得到绕组热点温度。

各模型中参数调整如下：

表1、计算参数表

其中，R_y为热阻，C_y为热容，参数中的下标hs-oil表示绕组热点对顶层油温，hoil-moil表示顶层油对平均油温，moil表示平均油温；q_x为x介质的热流，c_x为x介质的比热容，m_x为x介质的质量，参数c_x和m_x下标中的Cu、fe、oil和wk分别代表绕组，铁芯，变压器油和变压器外壳附件。

实际中，变压器热阻和热容随着温度的变化而变化，是一组非线性热路。

上述各个子热路模型求解温度的微分方程组分别表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{R}{R_r}{K}^2\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}\·\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}}{\mathrm{dt}}+\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\\ \frac{1+R\·K^2}{1+R_r}\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{moilhoil},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{moilhoil},\mathrm{rated}}\·\frac{\mathrm{d\θ}{h}_{\mathrm{oil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\\ \frac{1+R\·K^2}{1+R_r}\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}\·\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{R_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}}{R_{\mathrm{moil}}}\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\end{array}\right.$

上述表达式的通解形式则为：

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}=\frac{[q\·R-(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}})]}{R\·C}$

其中，θ为每个子模型中待求温度、θ_amb为每个子模型中环境温度即为上一个子模型中的待求温度、q为每个子模型中热流量。

利用龙格库塔法针对每个子模型求解微分方程，并将所求结果带入下一个模型的环境温度中，即可得出任意负载下的最热点温升曲线。

考虑室外变压器受到太阳辐射的实际情况，在计算中变压器外层热路应增加一个热流源q_sun，则外层热路修正后热路表达式如下：

$q_{\mathrm{fe}}+q_{\mathrm{Cu}}+q_{\mathrm{sun}}=C_{\mathrm{moil}}\frac{{\mathrm{d\θ}}_{\mathrm{hoil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{\mathrm{moil}}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}})$

q_sun=A_sα_sP_sun

式中，A_s为变压器接受辐射面积，考虑最严重的情况，变压器箱体三个面的面积；α_s为变压器表面材料的吸收率，决定于材料，颜色，表面粗糙度；P_sun为太阳到达地球表面的辐射功率，影响辐射功率的因素很多，如太阳位置，日照强度，大气状况等，可以参照经验公式求取或者用传感器测量。

变压器的主要油流方式如下表所示：

表2、不同冷却方式下变压器油流动特性

ON	绕组中的变压器油按自然对流方式流动
		OF	绕组中的变压器油为强迫非导向流动
OD	绕组中的变压器油为强迫导向流动

不同的油流方式对温升的影响如下：

1)ON冷却方式的变压器：由于油的循环是由温差驱动，各绕组油道之间的差异不明显，因而可认为绕组顶部油温等于油箱中顶层油温。

2)OF冷却方式的变压器：由于油的循环是由泵驱动，变压器油循环速度加快了，有部分油流经绕组和箱壁间空隙未经加热而流到顶部与经绕组加热而流到顶部的油流混合，因而绕组顶部油温度也不同于油箱中顶层油温度，且差别较大。

3)OD冷却方式的变压器：油的循环是由泵驱动，油流为强迫导向循环。并且有部分油流未经绕组加热而流到顶部，因而绕组顶部油温度不同于油箱中顶层油温度。

对应于散热而言，三种油流循环方式不同在于油温的不同，由泵驱动的油循环导致油温的分布不同在温升试验测量时已经考虑到而调整了测量点，顶油温度为绕组上方顶油温度。

本技术方案的改进热路模型在计算中使用变压器额定温升数据，能够准确的区分三种油循环方式的散热效率的不同。因此，本改进热路模型可以计算OD/OF/ON油流方式的变压器。

对于变压器的主要外冷却方式如下表所示：

表3、不同散热方式下片散散热特性

AN	变压器片散散热以自然对流为主
		AF	变压器片散散热为自然对流和强迫对流

对于本改进热路模型，两者大体上一致。AF的散热方式考虑因素更多，热阻的计算更为复杂，为了验证热阻模型的准确性，用一台500kV变压器作为实验组（#25050），传热学片散模型与实验组对比结果。

表4、对比实验结果

	实验计算值	模型计算值	误差
				自然对流热阻（AN）	1.4591E-04	1.4566E-04	0.17%
强迫对流热阻（AF）	7.5472E-05	7.3675E-05	2.4%

可见，这样处理是满足工程应用误差要求的。

对于变压器铁芯、绕组、壳体等部件，由于金属属性，其密度随温度变化改变较小，在计算热电容C时可不考虑其随温度而改变的变化。而变压器油的密度和比热则随温度可能变化较大，查得变压器油密度和比热随温度改变如下表所示：

表5、变压器油密度随温度改变值

温度(℃)	-15	-5	5	15	25	35	45	55	65	75	85	100
													密度(kg/m3)	902	896	890	884	879	873	867	861	855	849	844	835

表6、变压器油比热随温度改变值

以55℃的数值为标幺值的基准值，可以发现变压器油密度和比热随温度近似做线性改变。

按照GB1094.7-2008电力变压器第7部分油浸式电力变压器负载导则中的规定，变压器增容负载运行的电流和温度限值必须满足限制值，以保证安全的运行。

表7、变压器增容负载运行的电流和温度限值

其中，对于配电变压器，当热点温度超过140℃时，可能产生气泡，从而使变压器的绝缘强度下降。

因此控制配电变压器急救负载的持续时间，通常是不现实的，必须满足热点温度不超过140℃的要求。

根据表5，设定温度的限制值，使用建立的热路模型，可以计算出变压器在当前负载和环境条件下变压器内部温度是否会超过正常周期性负载、长期急救负载和短期急救负载的限制值，如果可能超过，则计算出到达限制值的时间t_i,i=1,2,3和最后到达的稳态温度作为报警信号，提醒运行人员控制负荷。

其中计算长期急救负载和短期急救负载的限制值相关温度和变压器运行到达稳态温度时，需要将计算模型中的环境自然风速设为0，日照强度设为当地最大值计算。

对采用不同的绝缘材料的变压器，可以按照热劣化6℃规则的极限温度的比例对相应的限制值进行估算，具体如下表所示：

表8、绝缘材料等级参数表

结合图1～图3所示的热路模型，综合模型的修正，从上至下：热点到顶油、顶油到平均油、平均油到环境的热路模型求解温度的微分方程组可分别表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{R}{R_r}{K}^2\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}\·\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}}{\mathrm{dt}}+\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\\ \frac{1+R\·K^2}{1+R_r}\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{moilhoil},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{moilhoil},\mathrm{rated}}\·\frac{\mathrm{d\θ}{h}_{\mathrm{oil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\\ \frac{1+R\·K^2}{1+R_r}\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}\·\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{R_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}}{R_{\mathrm{moil}}}\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\end{array}\right.$

室外变压器计及太阳辐射对变压器内部温度的影响，调整外层模型，微分方程组如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{R}{R_r}{K}^2\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}\·\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}}{\mathrm{dt}}+\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\\ \frac{1+R\·K^2}{1+R_r}\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{moilhoil},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{moilhoil},\mathrm{rated}}\·\frac{\mathrm{d\θ}{h}_{\mathrm{oil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\\ \frac{1+R\·K^2+\frac{q_{\mathrm{sun}}}{q_{\mathrm{fe}}}}{1+R_r}\·u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}=u_{\mathrm{pu}}^{\frac{1}{n}-1}\·C_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}\·R_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}\·\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{R_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}}{R_{\mathrm{moil}}}\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}})}^{\frac{1}{n}}}{{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil},\mathrm{rated}}}^{\frac{1}{n}-1}}\end{array}\right.$

方程组中，R_moil为外部的散热热阻，R为当前运行状态下的负载比。

采用龙格—库塔法则计算微分方程组，可以得到变压器在计算时间内的温度变化值。利用外部计算值经过温度修正后将结果温度数组作为损耗温度参数，重新代入方程组计算，循环迭代满足误差要求后停止。

图4中，本发明的技术方案提供了一种油浸式变压器的动态增容方法，包括对变压器的温度进行实时检测，其特征是：

A、根据待增容变压器的出厂试验报告和运行实际数据，建立待增容变压器的改进热路模型，从传热学的角度用电路模型简化变压器内部的传热过程，将变压器内部的热传导过程简化为电路模型；

B、根据负荷情况和环境温度，计算在当前负荷条件下该变压器的绕组热点温度、顶部油温、平均油温、平均绕组温度。

C、取当前负载电流的两倍为估算电流，计算出该变压器在其它变压器故障情况下的绕组热点温度、顶部油温、平均油温、平均绕组温度等；

D、按照绕组热点温度不超过140℃的限定限制，根据变压器油密度随温度的改变值，使用待增容变压器的改进热路模型，计算出变压器在当前负载和环境条件下变压器内部温度是否会超过限定温度，并计算此时如出现长期急救负载或短期急救负载是否会达到温度限定值；

E、如果变压器内部温度可能超过短期急救负载的限定值，则计算出到达限定值的时间和最后到达的稳态温度作为报警信号，提醒运行人员控制负荷；

F、若监测到温度会在t分钟内超标时，发出预警信号，并设定一定时延，若在设定时延内负荷未降低，则打开变压器的冷却风扇；

G、当变压器热点温度降低或者稳定后，且低于限定温度时可停止部分风扇。

图5中，给出了对增容变压器的监控过程。

为了预防突发故障给变压器增容带来的风险，采用估算增容变压器所在的双线输电线路或者整个输电环网发生“N-1”故障等变压器的温度变化，估算电流为当前负载的两倍，即K′=2K，计算出变压器在K′负载下变压器内部温度，模型中的环境自然风速设为0，日照强度设为当地最大值，计算结果与短期急救负载的限制值相比较，如果可能超过，则计算出到达限制值的时间t_fault和最后到达的稳态温度作为报警信号，提醒运行人员及时切断负荷。

在故障实际发生时，不断跟踪负载的变化，除了计算预警信号外，记录变压器过负荷运行时间t_over，为变压器寿命补偿运行提供参数。

在故障实际发生时，不断跟踪负载的变化，除了计算预警信号外，记录变压器过负荷运行时间t_over，为变压器寿命补偿运行提供参数。

其中需要说明三点：

1、监测到温度会在t分钟内超标时，并不立即打开风扇，而是发出预警信号，并设定一定时延。之后继续读取实时数据并计算，若在设定时延内计算温度始终超标，则在时延结束后打开风扇，此时注意算法中热阻改变，变为打开一定风扇后的热阻；若在时延内计算温度降低到预警以下，则时延后不必打开风扇。对于关闭风扇，同理；

2、判断是否温度超标可能不止热点温度、线油温差（绕组平均温度.油平均温度）两个因素，还可能直接根据实测顶油温度判断，所以当考虑因素较多时，只要其中一个满足条件，则视为温度超标；

3、变压器风扇完全投入后，进行变压器增容的监测计算，保持风扇的运行时间在4小时以上，以确保安全性。

本技术方案中变压器的改进热路模型计算可以实现的功能：

1、计算整个变压器运行过程中的温度变化情况，实时掌握变压器的运行状况；

2、预测线路发生故障后的变压器安全运行时间，提供检修和持续运行时间，有效防止变压器的故障发生。

3、记录变压器的过热运行时间，给变压器寿命补偿运行提供时间参考。

在变压器增容的实际应用中，增容的最大限制与线路的故障恢复能力有直接的关系，设置增容容量时需要参照增容线路故障反应的实际情况。

本发明的技术方案，经过对变压器传热过程分析，建立了可以计算整个运行时间内变压器温度变化的变压器的改进热路模型，使用该模型对变压器进行增容，得到了确保变压器增容后安全运行的控制方法。

通过上述的计算和分析，综合得到以下结论：

1、本技术方案中变压器的改进热路模型考虑了变压器负载变化和外界环境对变压器散热影响，包括环境温度、自然风、日照，可以计算整个变压器运行过程的绕组热点、顶层变压器油和变压器油平均温度等关键温度的动态变化情况，实现变压器温度的在线预测。

2、该模型可以用于大型变压器的内部温度计算，电压等级包括110kV，220kV和500kV，变压器结构类型可以是自耦变压器，普通三绕组和普通双变压器，包括三相分体和三相一体(单相)。

3、该模型适用于ONAN、ONAF、OFAF和ODAF的散热形式，可以用来计算现有的大多数不同设计的变压器，具有良好的兼容性。

4、在同样的电流和环境条件下，该模型计算温升值对比试验实测数据，误差在3K以内，计算曲线与试验实测值曲线基本一致，满足工程应用需要。

5、通过计算得到的评价系数公式比较变压器的散热效率，对片散冷却风扇和变压器片散的清洗和维护，保持变压器的良好散热状态。

6、以变压器的改进热路模型计算变压器温度变化，实现了对变压器进行增容监测，可以保障变压器的安全运行，并且能够对故障的提前预警，预防变压器的过热。

7、对变压器进行增容监测还可以实现变压器节能运行，减少散热风扇的持续工作时间，增加散热风扇的运行寿命。

8、在用变压器的改进热路模型计算监测的同时，在变压器内部安装传感器，能加强模型计算的准确性和监测模型无法计算的内部热传递缺陷。

9、变压器的增容监测可以实现智能电网坚强性和自愈性的要求：即电网发生大扰动和故障时，仍能保持变压器运行保障供电能力和具有实时、在线和连续的安全评估和和预防控制；同时实现智能电网经济性和优化性的要求：实现资源的优化配置，提高能源设备利用效率，降低投资成本和运行维护成本。

由于本发明综合考虑影响变压器安全运行的诸多因素，用间接测量法建立变压器内部温度计算模型来获得变压器的温度变化情况，得到了变压器的改进热路模型，其可减小冷却设备的投入，提高变压器的运行效率，还可以避免冷却设备的长期持续运行，增加冷却设备的运行寿命，实现了资源的优化配置，提高了能源设备利用效率，可降低投资成本和运行维护成本

本发明可广泛用于变配电系统的设备运行管理领域。

Claims (8)

1.一种油浸式变压器的动态增容方法，包括对变压器的温度进行实时检测，其特征是：

A、根据待增容变压器的出厂试验报告和运行实际数据，建立待增容变压器的改进热路模型，从传热学的角度用电路模型简化变压器内部的传热过程，将变压器内部的热传导过程简化为电路模型；

B、根据负荷情况和环境温度，计算在当前负荷条件下该变压器的绕组热点温度、顶部油温、平均油温、平均绕组温度；

C、取当前负载电流的两倍为估算电流，计算出该变压器在其它变压器故障情况下的绕组热点温度、顶部油温、平均油温、平均绕组温度等；

D、按照绕组热点温度不超过140℃的限定限制，根据变压器油密度随温度的改变值，使用待增容变压器的改进热路模型，计算出变压器在当前负载和环境条件下变压器内部温度是否会超过限定温度，并计算此时如出现长期急救负载或短期急救负载是否会达到温度限定值；

E、如果变压器内部温度可能超过短期急救负载的限定值，则计算出到达限定值的时间和最后到达的稳态温度作为报警信号，提醒运行人员控制负荷；

F、若监测到温度会在t分钟内超标时，发出预警信号，并设定一定时延，若在设定时延内负荷未降低，则打开变压器的冷却风扇；

G、当变压器热点温度降低或者稳定后，且低于限定温度时可停止部分风扇。

2.按照权利要求1所述的油浸式变压器的动态增容方法，其特征是所述变压器的出厂试验报告至少包括变压器油重、变压器壳重、变压器绕组重、变压器箱体结构参数、变压器散热器结构参数、试验条件下平均油温升、试验条件下頂油温升、试验条件下绕组平均温升、试验条件下空载损耗和试验条件下负载损耗；所述变压器的运行实际数据至少包括环境温度、变压器壁温、冷却器进/出口油温、外界风速、日照强度和变压器实际负载运行系数。

3.按照权利要求1所述的油浸式变压器的动态增容方法，其特征是所述的改进热路模型包括绕组热点对顶层油温度热路模型、顶层油对平均油温度热路模型和外壳对环境温度热路模型三个子热路模型，所述的各个子热路模型通过下述表达式进行表达：

绕组热点对顶层油温热阻：

绕组热点对顶层油温热容：C_hs-oil=c_Cu·m_Cu；

顶层油对平均油温热阻：

顶层油对平均油温热容：C_hoil-moil=c_Cu·m_Cu+c_fe·m_fe+c_oil·m_oil；

外壳对环境温度热阻：

外壳对环境温度热容：C_moil=c_Cu·m_Cu+c_fe·m_fe+c_oil·m_oil+c_wk·m_wk；

其中，R_y为热阻，C_y为热容，参数中的下标hs-oil表示绕组热点对顶层油温，hoil-moil表示顶层油对平均油温，moil表示平均油温；

q_x为x介质的热流，c_x为x介质的比热容，m_x为x介质的质量，参数c_x和m_x下标中的Cu、fe、oil和wk分别代表绕组，铁芯，变压器油和变压器外壳附件。

4.按照权利要求3所述的油浸式变压器的动态增容方法，其特征是将所述的后一个模型中求出的节点温度值视作是上一个模型的环境温度，依此类推，最终得到热点温度。

5.按照权利要求1所述的油浸式变压器的动态增容方法，其特征是在计算所述的长期急救负载和短期急救负载的限制值相关温度和变压器运行到达稳态温度时，对采用不同的绝缘材料的变压器，按照热劣化6℃规则的极限温度的比例对相应的限制值进行估算。

6.按照权利要求1所述的油浸式变压器的动态增容方法，其特征是判断所述的变压器温度是否超标依据热点温度、绕组平均温度、油平均温度或实测顶油温度进行判断，只要其中一个满足条件，则视为温度超标。

7.按照权利要求1所述的油浸式变压器的动态增容方法，其特征是所述待增容变压器的电压等级包括110kV，220kV和500kV；所述待增容变压器的结构类型包括自耦变压器，普通三绕组和普通双变压器；所述的普通双变压器包括三相分体式变压器和三相一体式变压器。

8.按照权利要求1所述的油浸式变压器的动态增容方法，其特征是所述的动态增容方法及增容监测可以实现智能电网坚强性和自愈性的要求，即电网发生大扰动和故障时，仍能保持变压器运行保障供电能力和具有实时、在线和连续的安全评估和和预防控制；同时实现智能电网经济性和优化性的要求，实现资源的优化配置，提高能源设备利用效率，降低投资成本和运行维护成本。

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