CN107942163B - 一种极寒条件下大型电力变压器负载能力评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极寒条件下大型电力变压器负载能力评价方法，包括计算变压器绕组热点系数H；估算变压器在极寒条件下的热点温度；以变压器的当前负载率作为附加评估参数，建立变压器负载能力评估模型；评估变压器负载余量和过载能力的步骤。本发明减少了停机时间，提高了检修效率，降了企业人力成本。

Description

一种极寒条件下大型电力变压器负载能力评价方法

技术领域

本发明涉及一种大型电力变压器负载能力评价方法，尤其涉及一种极寒条件下大型电力变压器负载能力评价方法，属于变压器运行维护技术领域。

背景技术

对于现代社会而言，安全可靠便捷的电力已经成为社会生产，人民生活的必须成分。大型电力变压器作为电力系统中重要的电能变换设备和连接装置，其在系统中的安全可靠运行的情况，关系着电力网运行的安全性和可靠性。电力持续可靠的供应和传输是维持社会稳定，提升国民生活质量，加速全社会生产发展的重要影响因素。

在通常条件下，变压器的负载能力由变压器温度相关，而变压器的温度与其工作环境温度以及其带负载的功率因素等情况相关。因此在实际工作中的变压器的负载能力只与其运行中的温度情况相关。在极寒条件下，变压器的负载能力与环境温度的相关关系与常温时具有不同点。按照标准《GBT1094.7-2008油浸式电力变压器负载导则》的要求，在变压器带正常负载运行的情况下，顶层油温不能超过105℃；在变压器带急救负载条件下，顶层油温最高不能超过115℃。在常温环境下，变压器的负载能力计算及评估方法一般按照其运行状态下的油箱顶层油温为依据来计算确定。然而在极寒条件下，变压器的负载能力与其顶层油温的温升条件及热点温度的关系具有不同性质。极寒条件下，变压器油处于低温状态，低温流动性较差的油会使得变压器的热量很难通过油的对流散热。变压器发出的热量通过热传递从油中向外传递，散热效果比对流散热要差很多。

因此针对变压器在极寒条件下的负载能力计算方法的探寻具有一定的必要性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种极寒条件下大型电力变压器负载能力评价方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种极寒条件下大型电力变压器负载能力评价方法，包括以下步骤：

步骤1：建立变压器绕组热点系数H的计算模型：

H＝Q×S (1)

其中：Q为变压器附加损耗导致的绕组平均温度梯度增加，S为变压器绕组内液体冷却不正常导致的局部温度梯度变化：

式中：

h为变压器绕组热点附近绝缘油传热系数；

λ为变压器油导热系数；

p为表面散热系数；

c_p为流体比热容；

l为固体表面长度；

μ为相应极寒条件下变压器油的动力粘度；

β为流体的体积膨胀系数；

Δθ＝(θ₁-θ₂)为变压器的绕组平均温度与油平均温度差；

k为散热常数；

步骤2：基于顶层油温建立变压器热点温度计算模型，估算变压器在极寒条件下的热点温度；变压器热点温度计算模型为：

Δθ_h＝Δθ₀+H×g+ΔT (3)

其中：

Δθ_h为变压器绕组热点温度计算值；

Δθ₀为变压器顶层油温测量值；

H为变压器绕组热点系数；

g为变压器平均温度梯度；

ΔT为变压器热点温升修正系数；

ΔT的取值与变压器低温条件下顶层油温特性相关；

步骤3：以变压器的当前负载率作为附加评估参数，建立变压器负载能力评估模型S_总：

S_总＝S₀+ΔS (4)

其中，S₀为变压器的当前负载，ΔS为当前变压器负载裕度；

所述步骤3中当前变压器负载裕度ΔS的计算模型为：

其中：I_max为变压器最大负载电流，I₀为变压器当前负载电流，U为变压器额定电压。

在变压器带急救负载情况下，根据温度要求求解I_max：

其中：R_l为变压器对应面积的绕组电阻等效值，等效包括对应线饼包含绕组长度等效总长和变压器绕组等效发热的电阻值；p_h中的温度差值为最高温升限制值。

采用上述技术方案所取得的技术效果在于：

本发明减少了停机时间，提高了检修效率，降了企业人力成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的流程图；

图2是实施例1的变压器绕组建模示意图；

图3是实施例1中温度差值与环境温度的函数曲线图；

图4是实施例1中温度误差曲线图。

具体实施方式

实施例1：

一种极寒条件下大型电力变压器负载能力评价方法，包括以下步骤：

步骤1：建立变压器绕组热点系数H的计算模型：

H＝Q×S (1)

其中：Q为变压器附加损耗导致的绕组平均温度梯度增加，S为变压器绕组内液体冷却不正常导致的局部温度梯度变化：

式中：

h为变压器绕组热点附近绝缘油传热系数；

λ为变压器油导热系数；

p为表面散热系数；

c_p为流体比热容；

l为固体表面长度；

μ为相应极寒条件下变压器油的动力粘度；

β为流体的体积膨胀系数；

Δθ＝(θ₁-θ₂)为变压器的绕组平均温度与油平均温度差；

k为散热常数；

步骤2：基于顶层油温建立变压器热点温度计算模型，估算变压器在极寒条件下的热点温度；变压器热点温度计算模型为：

Δθ_h＝Δθ₀+H×g+ΔT (3)

其中：

Δθ_h为变压器绕组热点温度计算值；

Δθ₀为变压器顶层油温测量值；

H为变压器绕组热点系数；

g为变压器平均温度梯度；

ΔT为变压器热点温升修正系数；

ΔT的取值与变压器低温条件下顶层油温特性相关；

步骤3：以变压器的当前负载率作为附加评估参数，建立变压器负载能力评估模型S_总：

S_总＝S₀+ΔS (4)

其中，S₀为变压器的当前负载，ΔS为当前变压器负载裕度；

步骤4：评估变压器负载余量和过载能力：用绕组热点系数H的计算模型、变压器热点温度计算模型和变压器负载能力评估模型对变压器负载余量和过载能力进行评估计算。

所述步骤3中当前变压器负载裕度ΔS的计算模型为：

其中：I_max为变压器最大负载电流，I₀为变压器当前负载电流，U为变压器额定电压。

在变压器带急救负载情况下，根据温度要求求解I_max：

其中：R_l为变压器对应面积的绕组电阻等效值，等效包括对应线饼包含绕组长度等效总长和变压器绕组等效发热的电阻值；p_h中的温度差值为最高温升限制值。

步骤1通过对变压器在极寒下热点温度系数计算，对绕组内部冷却路径的冷却效率进行评估，反应变压器绕组内部的冷却情况；变压器附加损耗导致的绕组平均温度梯度增加Q与附加损耗有关，取决于因漏磁集中产生的漏磁损耗与平均漏磁损耗之比，其值大小与结构本身有关，通过有限元法可以对其进行计算分析；

变压器绕组内液体冷却不正常导致的局部温度梯度变化S与变压器强迫对流散热效率相关。根据实验和理论分析，传热系数由下式确定

因此，对流散热出的热量为：

式中：

h为变压器绕组热点附近绝缘油传热系数；

λ为变压器油导热系数；

μ为相应极寒条件下变压器油的动力粘度；

β为流体的体积膨胀系数；

Δθ为变压器的绕组平均温度与油平均温度差。

如图1所示，建立220kV变压器绕组和铁心模型，利用有限元方法对变压器集中漏磁与平均漏磁损耗之比，求得绕组Q值为1.304。

根据

带入极寒条件下相关系数：变压器油导热系数λ＝0.128W/mg，Δθ＝θ₁–θ₂＝120℃，变压器油比热容c_p＝1800J/(kg·℃)，环境温度k＝230K，变压器油运动粘度μ＝1500Kg/m，并且l＝1m，S＝1m²，β＝1。

求得，变压器绕组S系数值为1.439，因此变压器内热点系数为H＝Q×S＝1.971。

步骤2对极寒条件下220kV变压器热点温度进行计算。对于ON冷却变压器，g取26。当变压器在温度降到10摄氏度以下时，热点温度计算值与真实值有一个较小的温度差ΔT，其温度差值与环境温度的函数曲线如图2所示。

由图3中可查，变压器在-40℃下，温度差值ΔT应为5.3℃左右。

如检测到变压器的顶层油温度为70℃，则变压器的热点温度为：Δθ_h＝70℃+1.971×26℃+5.3℃＝126.57℃。

步骤3考虑变压器带正常负载运行的情况下，热点温升最多不能超过120℃；在变压器带急救负载条件下，热点温升最多不能超过140℃。因此，变压器在-40℃的极寒天气下运行时，最大急救负载条件下，热点温度不能超过100℃。因此，在最高温升条件下，变压器的绕组热点处的导热效率为

其中θ₁–θ₂＝140℃，因此，p_h为1.68。

按照本实施例所计算的变压器模型，R_l为变压器对应区域面积绕组等效电阻R_l＝1.5365×10^-5Ω。

由变压器最大温升负载电流计算，变压器最大电流I_max＝330.667A，然而180000/220变压器额定电流为472.38A。对应额定运行状态下，变压器负载裕度为-53989.9kVA由此可知，在极寒-40℃条件下，本实施例变压器的最大负载应为其额定负载的70％左右。

Claims (2)

1.一种极寒条件下大型电力变压器负载能力评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：计算变压器绕组热点系数H：

变压器绕组热点系数H的计算模型为：

H＝Q×S (1)

其中：Q为变压器附加损耗导致的绕组平均温度梯度增加，S为变压器绕组内液体冷却不正常导致的局部温度梯度变化：

式中：

h为变压器绕组热点附近绝缘油传热系数；

λ为变压器油导热系数；

p为表面散热系数；

c_p为流体比热容；

l为固体表面长度；

μ为相应极寒条件下变压器油的动力粘度；

β为流体的体积膨胀系数；

Δθ＝(θ₁-θ₂)为变压器的绕组平均温度与油平均温度差；

k为散热常数；

步骤2：估算变压器在极寒条件下的热点温度：基于顶层油温建立的变压器热点温度计

算模型：

Δθ_h＝Δθ₀+H×g+ΔT (3)

其中：

Δθ_h为变压器绕组热点温度计算值；

Δθ₀为变压器顶层油温测量值；

H为变压器绕组热点系数；

g为变压器平均温度梯度；

ΔT为变压器热点温升修正系数；

ΔT的取值与变压器在温度大于﹣40℃，小于10℃之间时顶层油温特性相关；

步骤3：以变压器的当前负载率作为附加评估参数，建立变压器负载能力评估模型S_总：

S_总＝S₀+ΔS (4)

其中，S₀为变压器的当前负载，ΔS为当前变压器负载裕度。

2.根据权利要求1所述的大型电力变压器负载能力评价方法，其特征在于：

所述步骤3中当前变压器负载裕度ΔS的计算模型为：

其中：I_max为变压器最大负载电流，I₀为变压器当前负载电流，U为变压器额定电压；

在变压器带急救负载情况下，根据温度要求求解I_max：

其中：R_l为变压器对应面积的绕组电阻等效值，等效包括对应线饼包含绕组长度等效总长和变压器绕组等效发热的电阻值；P_h中的温度差值为最高温升限制值。

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