CN104462766A - 一种超短时过载短时工作周期干式变压器容量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用已计算出来的干式变压器超短时过载短时工作周期的不规则输出功率曲线和预设干式变压器额定功率的数值，计算该干式变压器温升，验证所选干式变压器容量是否合适的办法。该方法主要是针对如图1所示的超短时过载短时工作周期干式变压器输出功率曲线：首先将该单周期输出功率曲线划分为最大过载部分和未过载部分；分别对这两部分进行等效均方根转换；然后将一个短时周期运行特性，转换成一天24个小时连续运行形式，通过公式计算出该干式变压器一天中的最高温升，确定其是否在温升允许范围内，从而确定所选变压器容量是否合适。如果温升超过了允许值，可以增设风机，也可以增大变压器容量进行降温。

Description

一种超短时过载短时工作周期干式变压器容量计算方法

所属技术领域

本发明涉及交流或直流电机电气传动应用中的干式变压器温升和容量选择领域，具体涉及一种根据负荷曲线特点计算具有超短时过载、短时工作周期的干式变压器温升和容量方法。 

背景技术

目前，计算选择干式变压器容量的方法，是依据国家标准《GB/T 17211-1998干式变压器负载导则》(以下简称《负载导则》)来计算。《负载导则》是针对日周期性负载，并且负载过载时间是以小时为单位的连续负载，计算干式变压器的容量和绕组温升的。参见国家标准《负载导则》P6、P9和P10。图1是《GB/T 17211-1998干式变压器负载导则》中的简化负载图。如图1所示：K₂是变压器最大负荷和变压器额定负荷的比值；K₁是其余长时间变压器负荷和变压器额定负荷的比值；t_p是最大负荷持续时间；K₁负载持续时间为(24-t_p)。《负载导则》的方法是根据简化的负载图和对应的变压器的绝缘等级、绕组热时间常数τ_r和环境温度θ_air变压器负载曲线，计算出所需变压器的容量。 

这种方法适合计算以小时为单位过载的周期性负载的变压器，但是对于超短时过载短时工作周期的干式变压器就不再有效了。图2是超短时过载短时工作周期干式变压器输出功率曲线事例图。如图2所示，该干式变压器工作周期是106s，每个工作周期过载时间20s，一天连续工作20个小时，停产4个小时。使用《负载导则》中的办法就无法计算干式变压器的温升。 

发明内容

为了解决工业系统中计算超短时过载短时工作周期的干式变压器温升，并且选择合适 容量干式变压器的难题，本发明提出一个新的计算方法，并且经过实际的现场数据验算。 

具体实施方式：

本发明，提供一种利用已计算出来的干式变压器超短时过载短时工作周期的不规则输出功率曲线和预设干式变压器额定功率的数值，计算该干式变压器温升，从而验证所选容量是否合适的办法。该方法主要是针对如图2所示的超短时过载短时工作周期干式变压器。其特征在于：首先针对已计算出来的干式变压器超短时过载短时工作周期的输出功率曲线进行分析；划分出一个运行周期中的最大过载部分和未过载部分；将最大过载部分时间保持不变，对这部分功率数值进行等效均方根转换；然后对未过载部分也进行等效均方根转换；这样在一个运行周期中，输出功率就变成了两个部分，一个是过载部分，一个是非过载部分；然后将一个短时周期运行特性，转换成一天24个小时的连续运行形式，通过公式计算，计算出该干式变压器的温升，确定是否在温升允许范围内，从而确定所选的变压器容量是否合适。 

1、根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，采用已计算出的干式变压器输出的超短时过载短时工作周期功率特性曲线，图2就是一个干式变压器输出的超短时过载短时工作周期功率特性曲线的事例； 

2、根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，依据输出功率曲线特征，确定过载功率时段T₂和过载功率； 

3、根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，依据输出功率曲线特征，确定其非过载功率时段T₁和其非过载输出功率； 

4、根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，使用等效均方根方法，计算出过载时段的过载功率均方根值，计算出变压器过载功率均方根值和变压器额定功率的比值I₂； 

5、根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，使用等效均方根方法，计算出非过载时段的非过载功率均方根值，计算出变压器非过载功率均方根值和变压器额定功率的比值I₁； 

6、根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，按照超载时段和非超载时段在一个短时周期中所占比例，将一个短时周期运行特性，转换成一天24个小时的连续运行形式，其中过载时间为T_2d，非过载时间为T_1d； 

7、根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，使用计算出的过载系数I₂和非过载系数I₁，由该干式变压器手册可得到其额定热时间常数τ_r和额定电流时绕组的平均温升Δθ_Wr，根据公式： 

Δθ_HSu＝1.25*Δθ_Wr*(I₁)^1.6  (1) 

Δθ_HSi＝1.25*Δθ_Wr*(I₂)^1.6  (2) 

Δθ_HS，r＝1.25*Δθ_Wr  (3) 

$\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}_r*\frac{\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSu}}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HS},r}}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSi}}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HS},r}}}{{\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSu}}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HS},r}}\right)}^{1.25}-{\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSi}}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HS},r}}\right)}^{1.25}}---\left(4\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_t=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSi}}+(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSu}}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSi}})*(1-\mathrm{EXP}(-\frac{T_{2d}}{\mathrm{\τ}}))---\left(5\right)$

Δθ_w＝Δθ_t/1.25  (6) 

θ_trans＝θ_air+Δθ_w  (7) 

式中： 

Δθ_HSu--过载情况下，绕组热点温升 

Δθ_HSi--非过载情况下，绕组热点温升 

Δθ_HS，r--额定负载情况下，绕组热点温升 

τ--绕组热点温升从Δθ_HSi上升到Δθ_HSu的绕组热时间常数 

Δθ_t--变压器热点温升 

Δθ_w--变压器平均温升 

θ_trans--变压器温度 

θ_air--空气温度 

计算出干式变压器绕组平均温升和温度，从而判断所选干式变压器容量是否合适。 

本发明的有益效果是，利用计算出的干式变压器工作输出功率，即使是超短时过载短时工作周期的输出功率，可以计算出干式变压器工作温升。如果温升范围超过了其绝缘等级，可以采用增加辅助设备的降温措施，也可以采用增大干式变压器容量的方式降温。具体采用何种方式，应评估两种方式的成本，做出决定。 

下面结合说明书附图2实例对本发明进一步说明： 

该附图是计算的干式变压器输出功率曲线，工作周期是106s，每个工作周期过载时间20s，一天连续工作20个小时，停产4个小时。 

1、图3是过载时间及过载功率均方根值图。如附图3所示，确定过载时间T₂＝20s，根据均方根法，计算过载时间段的过载功率均方根值P₂＝890kW； 

2、图4是负荷均方根值转换后的数值及时间段图。如附图4所示，可以得到非过载时间为T₁＝106-T₂＝86s，根据均方根法，计算非过载时间段的非过载功率均方根值P₁＝471kW； 

3、如果干式变压器的额定功率是800kW，计算出： 

$I_1=\frac{P_1}{800}=0.59;I_2=\frac{P_2}{800}=1.11;$

还可以计算出，非过载负荷在一天20个工作小时中持续时间： 

$T_{1d}=\frac{T_1}{106}*20=3.77h;T_{2d}=\frac{T_2}{106}*20=16.23h;$

通过查相应的干式变压器手册，可以得到该干式变压器的额定热时间常数τ_r＝0.67h和额定电流时绕组平均温升Δθ_wr＝70K，空气温度θ_air＝20℃。 

4、根据公式(1)——(8)可以计算出 

Δθ_HSu＝1.25*Δθ_Wr*(I₁)^1.6＝37.6K 

Δθ_HSi＝1.25*Δθ_Wr*(I₂)^1.6＝103.76K 

Δθ_HS，r＝1.25*Δθ_Wr＝87.5K 

$\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}_r*\frac{\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSu}}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HS},r}}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSi}}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HS},r}}}{{\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSu}}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HS},r}}\right)}^{1.25}-{\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSi}}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HS},r}}\right)}^{1.25}}=0.57h$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_t=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSi}}+(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSu}}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HSi}})*(1-\mathrm{EXP}(-\frac{T_{2d}}{\mathrm{\τ}}))=103.7K$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_w=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_t}{1.25}=82.9K$

θ_trans＝θ_air+Δθ_w＝102.9℃ 

5、实际现场测得温度大约在95℃，接近于计算温度102.9℃，证明本发明的方法是可行的。该值小于155℃，是满足F等级温度限值要求的。另外绕组平均温升Δθ_w＝82.9K＜100K，也是符合F等级的温升限值。可见该干式变压器选择800kW的容量是满足实际生产需要的。 

Claims (9)

1.本发明，提供一种利用已计算出来的干式变压器超短时过载短时工作周期的不规则输出功率曲线和预设干式变压器额定功率的数值，计算该干式变压器温升的办法。该方法主要是针对如图2所示的超短时过载短时工作周期干式变压器。其特征在于：首先针对已计算出来的干式变压器超短时过载短时工作周期的输出功率曲线进行分析；划分出一个运行周期中的最大过载部分和未过载部分；将最大过载部分时间保持不变，对这部分功率数值进行等效均方根转换；然后对未过载部分也进行等效均方根转换；这样在一个运行周期中，输出功率就变成了两个部分，一个是过载部分，一个是非过载部分；然后将一个短时周期运行特性，转换成一天24个小时的连续运行形式，通过公式计算，计算出该干式变压器的温升，确定是否在温升允许范围内，从而确定所选的变压器容量是否合适。 

2.根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，采用已计算出的干式变压器输出的超短时过载短时工作周期功率特性曲线，图2就是一个干式变压器输出的超短时过载短时工作周期功率特性曲线的事例。 

3.根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，依据输出功率曲线特征，确定过载功率时段T₂和过载功率。 

4.根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，依据输出功率曲线特征，确定其非过载功率时段T₁和其非过载输出功率。 

5.根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，使用等效均方根方法，计算出过载时段的过载功率均方根值，计算出变压器过载功率均方根值和变压器额定功率的比值I₂。 

6.根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，使用等效均方根方法，计算出非过载时段的非过载功率均方根值，计算出变压器非过载功率均方根值和变压器额定功率的比值I₁。 

7.根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，按照超载时段和非超载时段在一个短时周期中所占比例，将一个短时周期运行特性，转换成一天24个小时的连续运行形式，其中过载时间为T_2d，非过载时间为T_1d。 

8.根据本发明提供的一种超短时过载短时工作周期的干式变压器温升计算方法，使用计算出的过载系数I₂和非过载系数I₁，由该干式变压器手册可得到其额定热时间常数τ_r和额定电流时绕组的平均温升Δθ_Wr，根据公式： 

Δθ_HSu＝1.25*Δθ_Wr*(I₁)^1.6(1) 

Δθ_HSi＝1.25*Δθ_Wr*(I₂)^1.6(2) 

Δθ_HS，r＝1.25*Δθ_Wr(3) 

Δθ_w＝Δθ_t/1.25   (6) 

θ_trans＝θ_air+Δθ_w   (7) 

式中： 

Δθ_HSu--过载情况下，绕组热点温升 

Δθ_HSi--非过载情况下，绕组热点温升 

Δθ_HS，r--额定负载情况下，绕组热点温升 

τ--绕组热点温升从Δθ_HSi上升到Δθ_HSu的绕组热时间常数 

Δθ_t--变压器热点温升 

Δθ_w--变压器平均温升 

θ_trans--变压器温度 

θ_air--空气温度 。

9.计算出干式变压器绕组平均温升和温度，从而判断所选干式变压器容量是否合适。