CN112487624A - 基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法 - Google Patents

基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法 Download PDF

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Abstract

基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法，属于电气工程变压器技术领域。该评价方法包含以下步骤：步骤一：短路电流密度合理性评价；步骤二：导线轴向等效柔度合理性评价；步骤三：绕组轴向等效柔度合理性评价；步骤四：幅向圆形失稳柔度合理性评价；步骤五：质量控制比例因子评估；步骤六：运行故障概率影响因素评估；步骤七：抗短路能力安全性量化评价。本发明首次提出设计参数、质量控制和运行故障概率的综合评价方法，建立了变压器采购、设计、监造和运行等环节关键参数评价系统，对于变压器抗短路能力的安全性评价有较强的针对性和指导意义。

Description

基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价 方法
技术领域
本发明涉及电力变压器技术领域，具体为一种适用于绕组抗短路能力安全性的评价方法。
背景技术
电力变压器绕组抗短路能力决定了在一定时期内，特定短路电流下的安全可靠性。在国家标准动稳定强度要求范围内，短路引起热效应对动稳定的影响较小。若忽略此影响，短路可视为从短路时刻开始的一种“零状态响应”冲击，与短路故障前所带负荷无关，但于变压器绕组额定容量有密切的关联。
国标1094.5-2008《电力变压器承受短路能力标准》关于变压器抗短路能力提出的一种承受短路动稳定能力的理论评估，考虑了变压器基本参数、导线力学性能以及支撑关系等因素，是从变压器自身的角度分析其可靠性，而且这种分析未考虑制造控制的差异性。同时，运行中的变压器的复杂性远高于出厂校核或出厂试验条件，本例结合制造控制与现场运行的关键因素，提出基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法。
考虑变压器作为电力系统重要的电气设备，多绕组变压器低压绕组需要带的负荷往往低于变压器的总容量，在国家电网和南方电网220kV电压等级以上的联络变压器的低压绕组容量一般只有全容量的1/2或1/3。个别地方低压容量可能取到1/5全容量或更低，此种容量特点变压器很多国外的变压器更明显。为了协调容量低，故障条件载流能力弱的问题，可使用提高中低阻抗的方法，没有采取相应措施的变压器将存在重大安全隐患。
发明内容
本发明提供了基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法，针对内绕组为低压的多绕组电力变压器，通过采集技术参数、特征参量加权评估的方法，其中质量控制比例因子特征量包括导线轴向等效柔度，、绕组轴向等效柔度、幅向圆形失稳柔度，本安全性评价是对设计参数、质量控制和运行故障概率的综合评价，该评价方法包含以下步骤：
步骤一：短路电流密度合理性评价；
步骤二：导线轴向等效柔度合理性评价；
步骤三：绕组轴向等效柔度合理性评价；
步骤四：幅向圆形失稳柔度合理性评价；
步骤五：基于步骤二至步骤四特征量的质量控制比例因子进行评估，并得出评估值；
步骤六：运行故障概率影响因素评估，并得出评估值；
步骤七：将步骤一至步骤六所获得的评估值进行加权综合评价，得出最终计算分值。
其中，步骤一中短路电流密度合理性评估采用如下公式：
Figure BDA0002793545370000021
式中：ρSC-低压绕组的短路电流密度，A/mm2；
ISC-流经低压绕组的短路电流，A；
S-低压绕组的载流面积，mm2；
K-短路电流倍数，K＝1/Uk，无量纲量；
Uk-折算至全容量下的短路阻抗，无量纲量；
ρN-低压绕组的额定电流密度，A/mm2；
SN、SLV-变压器额定全容量和低压额定容量，kVA；
β-低压额定容量占全容量的比例，无量纲量。
其中，步骤二计算导线轴向等效柔度为导线高度与等效厚度的比值，表达式为：
λcond＝t/B；
式中：λcond-导线轴向等效柔度，无量纲量；
t-单根导线的高度，mm；
B-导线等效厚度，mm；
当导线为自粘性组合导线时：B＝b×n-r；
当导线为自粘性换位导线时：B＝b×(n-1)/2-r；
其它情况：，B＝b-r；
b-单根导线厚度，mm；
n-自粘性换位导线的换位根数；
r-导线倒角尺寸，mm。
其中，步骤三计算绕组轴向等效柔度合理性是通过计算绕组机械高度与绕组幅向尺寸的比值，表达式为：
λwind＝H/W；
式中：λwind-绕组轴向等效柔度，无量纲量；
H-绕组机械高度，mm；
W-绕组幅向尺寸，mm。
其中，步骤四是在国家标准关于“幅向应力”、“强制翘曲”和“自由翘曲”的补充评价方法，计算幅向圆形失稳柔度为绕组平均半径与导线等效厚度的比值，表达式为：
λrad＝R0/B；
式中：λrad-幅向圆形失稳柔度，无量纲量；
R-绕组平均半径，mm。
其中，步骤五中评估质量控制比例因子，通过对比测量实际值与设计值之间比值差异进行的加权和评估。测量步骤二至步骤四中影响等效柔度的5个参量，依据不同等效柔度特征量的影响权重，提取质量控制比例因子算法：
Figure BDA0002793545370000031
式中：δ-质量控制偏差，％。
分子λcond、λwind、λrad表示等效柔度测量实际值；
分母
Figure BDA0002793545370000032
表示等效柔度设计要求值；
γ1、γ2、γ3分别表示导线轴向等效柔度、导线轴向等效柔度和幅向圆形失稳柔度权重系数，取值范围为1～5，优选γ1＝2.0、γ2＝1.0、γ3＝2.0。
综合制造水平评定采用制造可靠性系数fs1进行评估：
Figure BDA0002793545370000041
式中分母[ρSC]、[λcond]、[λwind]、[λrad]为参考变压器相关系数，参考变压器为与待评变压器型号和参数相同或相似的通过短路承受能力试验验证的变压器。
分子ρSC、λcond、λwind、λrad为待评变压器相关系数，min函数取四项最小值；设定通过短路试验的变压器具有安全系数Ks，fs1值应乘以此裕度系数，Ks取1.05～1.15，优选1.10。
其中，步骤六评估运行故障概率影响因素，只需要考虑低压近区短路的概率即可，使用统计故障次数除以运行天数为概率统计方法，即：
R＝T/Dt
式中：T-统计时间内(或分析)的故障次数；
Dt-统计天数。
其中，步骤七变压器抗短路能力安全性评价系数为：
fs＝fs1×(1-3×R)；
以1为安全可靠基准，fs不大于0.7(含0.7)为安全性极差，fs在0.7～0.85(含0.85)之间为安全性差，fs在0.85～1.0之间为安全性较差(含1.0)，fs大于1.0为安全性合格。
本发明的有益效果
本发明从变压器运行可靠性出发，提出了基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法，充分考虑了变压器容量、电流密度、阻抗等因素，结合变压器轴向与幅向抗短路能力，同时首次提出了制造控制与运行保护环境对变压器抗短路安全性的影响。
本发明所提供的技术方案既可指导对在运行变压器抗短路安全性的评价，也可指导和规范新采购变压器。
附图说明
图1为本发明中安全性评价方法流程图，其中图中“I”表示质量控制的控制要点数据来源；
图2为导线尺寸等效厚度示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解本发明，现通过具体的实施例对本发明作进一步的说明。
实施例
安全性量化评价方法是通过步骤一至步骤六所分别计算出的计算值，依据特定的取值方法和加权计算，得出变压器安全性的综合评估值。具体操作为：
步骤一：短路电流密度合理性评价；
步骤二：导线轴向等效柔度合理性评价；
步骤三：绕组轴向等效柔度合理性评价；
步骤四：幅向圆形失稳柔度合理性评价；
步骤五：质量控制比例因子评估；
步骤六：运行故障概率影响因素评估；
步骤七：将步骤一至步骤六所获得的计算值进行加权综合评价，得出最终分值。
其中，步骤一中短路电流密度合理性评估采用如下公式：
Figure BDA0002793545370000051
式中：ρSC-低压绕组的短路电流密度，A/mm2；
ISC-流经低压绕组的短路电流，A；
S-低压绕组的载流面积，mm2；
K-短路电流倍数，K＝1/Uk，无量纲量；
Uk-折算至全容量下的短路阻抗，无量纲量；
ρN-低压绕组的额定电流密度，A/mm2；
SN、SLV-变压器额定全容量和低压额定容量，kVA；
β-低压额定容量占全容量的比例，无量纲量。
步骤一短路电流密度合理性评价既考虑额定运行下的电流密度，还考虑短路故障电流倍数的影响。
其中，步骤二评价导线轴向等效柔度是通过计算导线高度与等效厚度的比值，表达式为：
λcond＝t/B；
式中：λcond-导线轴向等效柔度，无量纲量；
t-单根导线的高度，mm；
B-导线等效厚度，mm；
当导线为自粘性组合导线时：B＝b×n-r；
当导线为自粘性换位导线时：B＝b×(n-1)/2-r；
其它情况：，B＝b-r；
b-单根导线厚度，mm；
n-自粘性换位导线的换位根数；
r-导线倒角尺寸，mm。
其中，步骤三绕组轴向等效柔度合理性评价是通过计算绕组机械高度与绕组幅向尺寸的比值，表达式为：
λwind＝H/W；
式中：λwind-绕组轴向等效柔度，无量纲量；
H-绕组机械高度，mm；
W-绕组幅向尺寸，mm。
其中，步骤四是在国家标准关于“幅向应力”、“强制翘曲”和“自由翘曲”的补充评价方法，计算幅向圆形失稳柔度为绕组平均半径与导线等效厚度的比值，表达式为：
λrad＝R0/B；
式中：λrad-幅向圆形失稳柔度，无量纲量；
R0-绕组平均半径，mm。
其中，步骤五中评估质量控制比例因子，通过对比测量实际值与设计值之间比值差异进行的加权和评估。测量步骤二至步骤四中影响等效柔度的5个参量，依据不同等效柔度特征量的影响权重，提取质量控制比例因子算法：
Figure BDA0002793545370000071
式中：δ-质量控制偏差，％。
分子λcond、λwind、λrad表示等效柔度测量实际值；
分母
Figure BDA0002793545370000072
表示等效柔度设计要求值；
γ1、γ2、γ3分别表示导线轴向等效柔度、导线轴向等效柔度和幅向圆形失稳柔度权重系数，取值范围为1～5，优选γ1＝2.0、γ2＝1.0、γ3＝2.0。
步骤五质量控制比例因子是变压器设计、工艺和质检综合控制的结果，本专利指出抗短路能和应对制造控制能力进行评价与加权。
其中，步骤六评估运行故障概率影响因素，只需要考虑低压近区短路的概率即可，使用统计故障次数除以运行天数为概率统计方法，即：
R＝T/Dt
式中：T-统计时间内(或分析)的故障次数；
Dt-统计天数。
取某一通过短路试验变压器的参数为基础，以1为安全可靠基准，具体安全性系数算法如下，制造可靠性系数为：
Figure BDA0002793545370000073
式中分母[ρSC]、[λcond]、[λwind]、[λrad]为参考变压器相关系数，参考变压器为与待评变压器型号和参数相同或相似的通过短路承受能力试验验证的变压器。
分子ρSC、λcond、λwind、λrad为待评变压器相关系数，min函数取四项最小值；设定通过短路试验的变压器具有安全系数Ks，fs1值应乘以此裕度系数，Ks取1.05～1.15，优选1.10。
表达式中其它参量含义已在前面定义。
步骤七变压器抗短路能力安全性评价系数为：
fs＝fs1×(1-3×R)；
以1为安全可靠基准，fs不大于0.7(含0.7)为安全性极差，fs在0.7～0.85(含0.85)之间为安全性差，fs在0.85～1.0之间为安全性较差(含1.0)，fs大于1.0为安全性合格。
对于抗短路能力安全可靠规范方法，是将上述算法统一到相同平台，进行统一管理的方法。同时，根据本发明的思想，在变压器采购、设计、监造和运行环节针对进行关键参数的对比和评价，都应纳入本专利的保护范围。

Claims (10)

1.基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法，针对内绕组为低压的多绕组电力变压器，该评价方法包含以下步骤：
步骤一：短路电流密度合理性评价；
步骤二：导线轴向等效柔度合理性评价；
步骤三：绕组轴向等效柔度合理性评价；
步骤四：幅向圆形失稳柔度合理性评价；
步骤五：基于步骤二至步骤四特征量的质量控制比例因子评估；
步骤六：运行故障概率影响因素评估；
步骤七：将步骤一至步骤六所获得的计算值按特定综合评估公式取值评价，得出变压器抗短路能力安全性最终分值。
2.如权利要求1所述的基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法，其特征在于，步骤一中短路电流密度合理性评估采用如下公式：
Figure FDA0002793545360000011
式中：ρSC-低压绕组的短路电流密度，A/mm2；
ISC-流经低压绕组的短路电流，A；
S-低压绕组的载流面积，mm2；
K-短路电流倍数，K＝1/Uk，无量纲量；
Uk-折算至全容量下的短路阻抗，无量纲量；
ρN-低压绕组的额定电流密度，A/mm2；
SN、SLV-变压器额定全容量和低压额定容量，kVA；
β-低压额定容量占全容量的比例，无量纲量。
3.如权利要求1所述的基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法，其特征在于：步骤二导线轴向等效柔度评价是通过计算导线高度与等效厚度的比值，表达式为：
λcond＝t/B；
式中：λcond-导线轴向等效柔度，无量纲量；
t-单根导线的高度，mm；
B-导线等效厚度，mm；
当导线为自粘性组合导线时：B＝b×n-r；
当导线为自粘性换位导线时：B＝b×(n-1)/2-r；
其它情况：，B＝b-r；
b-单根导线厚度，mm；
n-自粘性换位导线的换位根数；
r-导线倒角尺寸，mm。
4.如权利要求1所述的基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法，其特征在于：步骤三绕组轴向等效柔度合理性评价是通过计算绕组机械高度与绕组幅向尺寸的比值，表达式为：
λwind＝H/W；
式中：λwind-绕组轴向等效柔度，无量纲量；
H-绕组机械高度，mm；
W-绕组幅向尺寸，mm。
5.如权利要求1所述的基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法，其特征在于：步骤四幅向圆形失稳柔度合理性评价是通过计算绕组平均半径与导线等效厚度的比值，表达式为：
λrad＝R0/B。
式中：λrad-幅向圆形失稳柔度，无量纲量；
R0-绕组平均半径，mm。
6.如权利要求1所述的基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法，其特征在于：步骤五中质量控制比例因子评估，通过对比测量实际值与设计值之间比值差异进行的加权和评估。依据不同等效柔度特征量的影响权重，提取质量控制比例因子算法：
Figure FDA0002793545360000021
式中：δ-质量控制偏差，％。
分子λcond、λwind、λrad表示等效柔度测量实际值；
分母
Figure FDA0002793545360000022
表示等效柔度设计要求值；
γ1、γ2、γ3分别表示导线轴向等效柔度、导线轴向等效柔度和幅向圆形失稳柔度权重系数，取值范围为1～5。
7.如权利要求6所述的基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法，其特征在于：γ1＝2.0、γ2＝1.0、γ3＝2.0。
8.如权利要求1所述的基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法，其特征在于：步骤六运行故障概率影响因素评估，只需要考虑低压近区短路的概率即可，使用统计故障次数除以运行天数为概率统计方法，即：
R＝T/Dt
式中：T-统计时间内(或分析)的故障次数；
Dt-统计天数。
9.如权利要求1所述的基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法，其特征在于：步骤七变压器抗短路能力安全性评价系数为：
fs＝fs1×(1-3×R)；
其中，以1为安全可靠基准，fs不大于0.7(含0.7)为安全性极差，fs在0.7～0.85(含0.85)之间为安全性差，fs在0.85～1.0之间为安全性较差(含1.0)，fs大于1.0为安全性合格。
式中：fs1-制造可靠性系数，计算表达式为：
Figure FDA0002793545360000031
式中分母为参考变压器相关系数，分子为待评变压器相关系数，min函数取四项最小值。设定通过短路试验的变压器具有安全系数Ks，fs1值应乘以此裕度系数，Ks取1.05～1.15。
10.如权利要求9所述的基于失稳理论的电力变压器低压绕组抗短路能力安全性评价方法，其特征在于：Ks优选1.10。
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