第9章电力变压器的运行

第九章电力变压器的运转第一节变压器的温升与温度计算第二节变压器的绝缘老化第三节变压器的正常过负荷第四节变压器的事故过负荷第五节自耦变压器的任务原理与运转第六节变压器的并列运转本章方案学时:6~8学时电力变压器是发电厂和变电所中重要的一次设备之一，随着电力系统电压等级的提高和规模的扩展，升压和降压的层次增多，系统中变压器的总容量已达发电机装机容量的7~10倍。可见电力变压器的运转是电力消费中非常重要的环节。本章着重引见电力变压器运转中的根本实际。第一节变压器的温升与温度计算一、变压器的发热和散热变压器在运转时，绕组、铁心和附加的电能损耗都将转变成热能，使变压器各部分的温度升高。图9-1示出了油浸式变压器中各部分温度的分布情况。1)变压器的各部分的发热很不均匀：绕组温度最高，最热点在高度方向的70%~75%，径向温度最高处位于绕组厚度〔自内径算起〕的1/3处。2)铁心、高压绕组、低压绕组的发热互不关联：所产生的热量都传给油，热量被循环流动的油带走。(2)散热过程(1)发热特点导向强迫油循环冷却强迫油循环风冷或水冷自然油循环冷却冷却方式｛导体和铁心的外表变压器油油箱和散热器的内外表油箱和散热器的外外表周围空气传导对流传导绕组和铁心内部的热量对流对流和辐射散热过程：二、变压器的温升计算1.变压器的发热很不均匀，油浸式变压器的温升从底部到顶部，绕组(CD)和油(AB)的温升都近似呈线性添加〔在恣意高度，绕组对油的温差均为一常数g〕。2.为了全面反映变压器的温升情况，绕组和油的温升通常都用其平均温升和最大温升来表示。(1)绕组和油的平均温升是指整个绕组和全部油的温升的平均值〔M点和N点〕。(2)绕组的最大温升是指绕组最热点(E点)的温升，由于杂散损耗添加，它大于绕组的平均温升〔D点〕。油的最大温升是指顶层油(B点)的温升。图9-2油浸式变压器温升分布图3.温升计算中的根本关系为绕组对空气的温升=油对空气的温升+绕组对油的温升绕组的温度=空气温度+油对空气的温升+绕组对油的温升4.变压器各部分的允许温升我国国家规范〔GB〕规定变压器的额定运用条件为：最高气温+40℃；最高日平均气温+30℃；最高年平均气温+20℃；最低气温-30℃；变压器各部分的温升不得超越表9-1中的数值。表9-1变压器各部分的允许温升〔单位：℃〕自然油循环强迫油循环风冷强迫油循环导向风冷绕组对空气的平均温升656570绕组对油的平均温升213030油对空气的平均温升443540顶层油对空气的温升554545自然油循环冷却变压器的绕组最热点温度比绕组的平均温度高13℃。采用A级绝缘资料的变压器，绕组热点温度为98℃时，运用寿命为20~30年。因此，自然油循环冷却变压器带额定负荷长期运转时的周围空气温度最高为98℃-13℃-65℃=20℃。图9-2中几个点的温度：顶层油(B点)对空气的温升τt=55℃。绕组对油平均温升g=21℃。油对空气的平均温升τav=44℃。绕组最热点(E点)对顶层油的温升为τg=44℃+21℃+13℃-55℃=23℃。额定负荷的温升值经过查表计算，假设变压器的负荷与额定负荷不同，需求对允许温升进展修正。设K为实践负荷与额定负荷之比，那么恣意负荷下顶层油对空气的温升为5.恣意负荷下顶层油对空气和绕组最热点对顶层油温升的计算式中τtN——额定负荷时，顶层油对空气的温升最大值；R——额定负荷下，短路损耗与空载损耗之比；x——计算油的温升的指数，与变压器的冷却方式有关，对于自然油循环冷却变压器，x=0.8；对于强迫油循环冷却变压器，x=0.9~1.0。恣意负荷下绕组最热点对顶层油的温升为式中τgN——额定负荷时，绕组最热点对顶层油的温升；y——计算绕组最热点温升用的指数,也与变压器的冷却方式有关，普通取y=x。三、变压器的稳态温度计算(不讲)四、变压器的暂态温度计算(不讲)第二节变压器的绝缘老化一、变压器的绝缘老化定律1)变压器的绝缘老化：高温、湿度、氧化和油中分解的劣化物质等物理化学作用的影响，使其绝缘资料逐渐失去其机械强度和电气强度。2)高温是绝缘老化的主要缘由，绝缘的任务温度越高，绝缘老化速度越快，变压器的运用寿命越短。3)机械损伤使电气强度下降：老化的绝缘资料纤维组织失去弹性，资料变脆，只需没有机械损伤，仍可有相当高的电气强度。但在电磁振动和电动力的作用下很容易产活力械损伤使资料破损，失去电气强度。1.变压器的绝缘老化景象2.变压器的预期寿命和绕组最热点温度之间的关系电力变压器常采用A级绝缘〔油浸电缆纸〕，在80~140℃的范围内，变压器的寿命和绕组最热点温度之间的关系为式中，A为常数；P为温度系数。3.变压器的绝缘老化定律采用A级绝缘资料的变压器绕组，最热点温度维持在98℃，变压器能获得正常预期寿命20~30年，其每天的寿命损失为正常日寿命损失。变压器的正常预期寿命和绕组最热点温度之间的关系为相对预期寿命z*相对预期寿命z*的倒数称为相对老化率，即它阐明了变压器在绕组热点温度为恣意温度θ下运转单位时间损失的正常寿命。显然，相对老化率为v与运转时间T的乘积即为损失的寿命zT。假设在T时间内绕组热点温度是随时间变化的〔用θt表示〕，那么损失的寿命为计算相对老化率的计算以2为底较方便，那么根据实验和统计资料可以得出那么和这意味着绕组温度每添加6℃，老化加倍，绝缘运用寿命缩短一半，此即绝缘老化的六度规那么〔油浸变压器〕。例如，绕组热点在104℃下的老化率为2，运转24h损失的寿命为2×24h=48h，寿命减少了一半。二、等值老化原那么变压器绕组最热点温度维持在98℃，变压器能获得正常运用寿命，但变压器在运转中，绕组温度受环境温度和负荷动摇的影响，不能够维持在98℃不变。这种情况下变压器如何获得正常的运用寿命？等值老化原那么回答了这个问题。1)等值老化原那么：在一定的时间间隔T内，一部分时间内绕组温度高于98℃，而在另一部分时间内绕组温度低于98℃，只需使变压器在温度高于98℃时所多损失的寿命与温度低于98℃时少损失的寿命相互补偿，变压器的预期寿命可以和绕组温度维持在98℃运转时的预期寿命一样。它可以用下式表示：2)平均相对老化率：变压器在一定的时间间隔T内实践所损失的寿命与恒温98℃运转时的正常寿命损失T的比值。当λ>1时，变压器的老化大于正常老化，预期寿命缩短；当λ<1时，变压器的负荷才干未得到充分利用；当λ=1时，变压器有正常的运用寿命，它也是变压器正常过负荷运转的主要根据。第三节变压器的正常过负荷一、变压器的负荷才干1)变压器的额定容量即铭牌容量：其含义是在制造厂所规定的额定环境温度下，保证变压器有正常运用寿命〔约20~30年〕所能长时间延续输出的最大功率。2)变压器的负荷才干：指变压器在短时间内所能输出的功率，在一定条件下，为满足负荷的需求，它能够超越额定容量。负荷才干的大小和继续时间取决于：①变压器的电流和温度允许限值；②负荷变化和周围环境温度以及绝缘老化不超越绝缘的正常老化。二、负荷超越额定容量运转时的温度和电流的限值变压器的负荷超越额定容量运转时，将产生不良效应，此时要求其电流和有关部分的温度不超越表9-2的规定。三、等值空气温度1.平均温度δav不能表示变化的温度对绝缘老化的影响变压器的绝缘老化速度与绕组温度呈指数函数非线性关系，在高温时绝缘老化的加速远远大于低温时绝缘老化的延缓。2.等值空气温度等值空气温度δeq：指某一空气温度，假设在一定时间间隔内维持此温度和变压器所带负荷不变，变压器所蒙受的绝缘老化等于空气温度自然变化时的绝缘老化。τ——绕组热点对环境的温升，负荷恒定时为一常数。化简得两边取对数得空气温度的日或年的自然变化近似地以为是零轴被抬高的正弦曲线〔例如季节的影响，冬、夏季空气温度出现峰值，春、秋季温度适中〕，即式中δav——T时间间隔内的平均空气温度；Δδ——最高温度和最低温度之差。代入可以计算出1)从上式可以看出，等值空气温度高于平均空气温度一个数值，这是由于高温时绝缘老化加速远远大于低温时绝缘老化延缓的结果。2)我国宽广地域的年等值空气温度为20℃，那么绕组最热点温度为：65℃+13℃+20℃=98℃。所以我国变压器的额定容量不用根据气温情况加以修正，冬夏寿命损失自然补偿，就可以有正常的运用寿命，但在思索变压器的过负荷才干时应思索等值空气温度的影响。四、等值负荷的计算实践负荷曲线先化为多阶段负荷曲线〔如图9-5所示〕，再将其归算为两段式等值负荷曲线：欠负荷段曲线和过负荷段曲线。根据等值发热原理，欠负荷段的等值负荷系数按下式计算：I1、I2、…、In——各欠负荷段电流标幺值；t1、t2、…、tn——各欠负荷段的时间。图9-5多阶段负荷曲线五、变压器的正常过负荷1.原那么：不添加变压器寿命损失，即平均相对老化率λ≤1。2.实际根据：等值老化原那么，寿命损失相互补偿。3.正常过负荷是有方案的、自动实施的过负荷。为了简化计算，实践运转中，常采用查正常过负荷曲线的方法确定过负荷值。其中日等值空气温度为20℃时的自然油循环和强迫油循环变压器的过负荷曲线如图9-6a和图9-6b所示。图中图中K1和K2分别表示两段式负荷曲线中的欠负荷系数和过负荷倍数，T为过负荷的允许继续时间。自然油循环环变压器的过负荷倍数不能超越1.5,强迫油循环变压器的过负荷倍数不能超越1.3，也即图中虚线部分。利用正常过负荷曲线确定过负荷倍数的方法：1〕将实践延续变化的负荷曲线化为多段式负荷曲线。2〕按式〔9-16〕将多段式负荷曲线归算为两段式等值负荷曲线,计算出欠负荷系数K1。3〕根据K1和过负荷时间T，从图9-6中过负荷曲线上查出过负荷倍数K2。图9-6正常过负荷曲线〔日等值空气温度+20℃〕a)自然油循环变压器b)强迫油循环变压器【例9-3】假设例9-1中变压器容量为10000kVA，利用过负荷曲线，求变压器历时4h的过负荷值。解由例9-1图可知欠负荷系数为0.7,过负荷时间为4h，查图9-6a曲线得过负荷倍数K2=1.29过负荷值为1.29×10000kVA=12900kVA【例9-4】某自然油循环变压器，当地日等值空气温度为20℃，负荷曲线如图9-5所示，求历时4h的过负荷倍数。解依等值发热得查图9-6a曲线得过负荷倍数得K2=1.33。第四节变压器的事故过负荷系统发生部分缺点或变电所的某台变压器缺点被切除，使部分不能切除的负荷转移到其它变压器上时，这些变压器的负荷会超越正常过负荷值很多，称为事故过负荷或短期急救负载。1.制定原那么：在事故情况下，保证不延续供电、防止停电呵斥更大的损失是首要义务，防止变压器寿命损失加速是次要的，所以，事故过负荷是以牺牲变压器正常运用寿命为代价的。2.详细要求：1)事故过负荷时，λ能够远大于1，绝缘老化加速，为了防止严重影响变压器的运用寿命，事故过负荷时绕组最热点温度不得超越140℃,电流不得超越额定电流的2倍。2)事故过负荷后应加强冷却，尽快转移负荷或减负荷，使变压器尽快回到正常过负荷范围内。3)绕组最热点温度等于热点温升加上环境温度，假设绕组最热点温度超越表9-2的数值，那么这种事故过负荷是不允许的。表9-3中列出了我国规范规定的自然油循环中、大型电力变压器事故过负荷1h的日寿命损失天数〔以“正常日〞数表示，即一个“正常日〞寿命损失等效于变压器在环境温度20℃及额定负载条件下，运转1天〕。表中K1表示事故过负荷前等值负荷系数，K2表示事故过负荷倍数，表中“＋〞符号表示即使在最低环境温度下也不允许运转。表中列出的是环境温度为+20℃时的日寿命损失〔天〕，假设环境温度不等于20℃，应分别乘以表9-4中所列的修正系数。环境温度/℃403020100-10-20-25校正系数103.210.320.10.0320.010.0055表9-4环境温度不同于+20℃时的校正系数表9-3自然油循环中、大型电力变压器事故过负荷1h的日寿命损失〔天〕和绕组热点温升〔单位:℃〕K2

K10.250.50.70.80.91.01.11.21.31.41.51.11.21.31.41.51.61.71.81.92.00.003580.005660.011740.024820.059910.1531000.4181101.211203.6513011.61410.009640.014710.026790.055880.128970.3241060.8751152.501257.5213623.81470.038710.053780.084860.158950.3421040.8271132.171226.1113218.214357.11540.100750.128830.185910.317990.6411081.481173.8112710.613731.214797.31580.306800.363870.477950.7331041.351122.921227.2013119.514157.01521761621.08851.21931.461002.001093.251186.4012714.813638.91461111573411684.30914.66985.291066.561149.3612316.213234.014284.015223316270117320.510422.411225.712032.712948.713889.414820115852716815401791081191191271381361801452811555491651310175++631134695143821152110016118001713730182++4040150448015953601697400179++++【例9-5】某中型自然油循环变压器，环境温度为+30℃，事故前K1=0.7，事故后K2=1.5，求运转1h的日寿命损失和绕组热点温度。解根据知条件查表9-3和表9-4，得运转1h的日寿命损失为：0.342×3.2=1.09(天)绕组热点温度为：(104+30)℃=134℃，绕组热点温度小于140℃，可以按K2过负荷运转。第五节自耦变压器的任务原理与运转一、自耦变压器的任务原理如图9-7a所示。自耦变压器由两个绕组串联组成一次绕组bd，匝数为N1，其中一个绕组又作为变压器的二次绕组cd，匝数为N2，称为“公共绕组〞，为一二次侧所共有。属于一次绕组且与公共绕组串联的绕组bc，匝数为N1-N2，称为“串联绕组〞。图9–7自耦变压器原理图a)等效电路b)构造1．自耦变压器的容量关系〔1〕电压及电流关系1)自耦变压器一次侧和二次侧的电压比k122)电流关系电路关系：磁路耦合关系：根据以上电路和磁势关系可得a)公共绕组电流与一次〔或串联绕组〕电流之间的关系为：b)一次〔或串联绕组〕电流与二次电流之间的关系为：c)公共绕组电流与二次电流之间的关系为：〔2〕自耦变压器的额定容量和规范容量根据电压及电流关系，自耦变压器传输的功率为由电路传送由磁路传送——电流相量的共轭相量。自耦变压器的额定容量(额定经过容量)：公共绕组的容量(规范容量)：经过电磁感应传输的最大功率，即串联绕组的容量为可见串联绕组的容量与公共绕组的容量相等。2．自耦变压器的效益系数规范容量与额定容量之比，称为自耦变压器的效益系数Kb，即1)Sa=KbSN<SN，即自耦变压器与同容量的普通变压器相比，有较小的绕组容量，因此所用铁心资料省，尺寸小，分量轻，造价较低，极限制造容量大，具有较好的经济效益。2)电压比k12越小，Kb越小，绕组容量越小，采用自耦变压器经济效益越显著。为保证自耦变压器的经济效益，应使其变比k12≤3。3．自耦变压器的过电压问题的提出:高压与中压绕组有电路的直接衔接，当高压侧发生过电压时，它可以经过串联绕组进入公共绕组和中压系统，当中压侧发生过电压时，它可以进入串联绕组和高压系统。(显然Kb<1)k12越大，过电压倍数越大，例如220/110kV自耦变的中压侧的过电压倍数为2.64，过电压值为1)为使其绝缘免遭损坏，自耦变压器高压和中压侧出口端都必需装设避雷器进展维护。避雷器必需装设在自耦变压器和衔接自耦变压器的隔分开关之间，当自耦变压器某侧断开时，该侧避雷器仍与自耦变压器坚持衔接。2)自耦变压器的中性点必需直接接地或经小电抗接地，以防止高压侧电网发生单相接地时，在非接地相的中压绕组出现过电压。中性点不接地，当高压电网发生a相接地时中性点发生偏移，非接地的b、c相中压侧相电压为自耦变压器的中性点必需直接接地或经小电抗接地。自耦变压器的高压和中压电压等级必需是500kV

、330kV、220kV和110kV中之一。4．三绕组自耦变压器缘由：与普通星—星结合变压器一样，双绕组自耦变压器由于铁心饱和使主磁通呈平顶波形，绕组的感应电动势呈现尖顶波形，含有三次谐波电动势。使电压畸变。第三绕组的作用：1)消除三次谐波；2)减小自耦变压器的零序阻抗；3)单独供电，用来衔接发电机、调相机或引接发电厂厂用备用电源等。自耦变压器普通还增设一个接成三角形的第三绕组，它与串联绕组和公共绕组之间只需电磁联络。第三绕组的电压：普通为6~35kV。第三绕组的容量：1)假设仅用来消除三次谐波，其容量普通为规范容量的1/3左右(为满足低压侧短路时的热稳定和电动力稳定的要求，容量不能太小)。2)假设还用来衔接发电机、调相机或引接发电厂厂用备用电源等，其容量最大等于自耦变压器的规范容量。二、自耦变压器的运转方式｛运转方式自耦运转方式(第三绕组空载)结合运转方式(三个绕组均有功率经过，情况复杂)最典型的结合运转方式有以下两种方式：1．运转方式一高压侧同时向中压和低压侧〔或中压和低压侧同时向高压侧〕传输功率，如图9-9a所示。(1)串联绕组1)电流由取电压为参考量得低压侧功率为归算到高压侧的电流为2)功率当中、低压侧功率因数相等时，有(2)公共绕组1)电流由磁势平衡得公共绕组中的电流为2)功率当中、低压侧功率因数相等时，有显然Ss>Sc，串联绕组负荷较大，最大传输功率遭到串联绕组容量的限制，运转中应留意监视串联绕组负荷。2．运转方式二中压侧同时向高压和低压侧〔或高压和低压侧同时向中压侧〕传输功率，如图9-9b所示。(1)串联绕组1)电流2)功率(2)公共绕组1)电流由磁势平衡可以求出公共绕组中的电流为2)功率当高、低压侧功率因数相等时，有显然Sc>Ss，公共绕组负荷较大，最大传输功率遭到公共绕组容量的限制，运转中应留意监视公共绕组负荷。在此运转方式下运转时，自耦变压器的容量不能得到充分利用。三、自耦变压器的有功功率损耗(选学内容)3.低压侧同时向高压和中压侧传输功率或相反限制条件为低压绕组容量，经过容量最大为规范容量，这时自耦变压器的效益最低。【例9-6】知容量为150MVA的三相三绕组自耦变压器，额定电压为242/121/11kV，容量比为100/100/50，低压侧接有60MW，功率因数为0.8的发电机一台，各侧功率因数相等。试求:假设220kV系统向110kV系统传输功率75MVA，低压侧的发电机还可以向110kV系统传输多少功率？解属高、低压侧同时向中压侧送电的运转方式，此运转方式下应监视公共绕组不能过负荷，公共绕组负荷最大为75MVA。串联绕组负荷为由得低压绕组负荷为即低压侧的发电机还可以向110kV系统传输的功率为37.5MVA。自耦变压器的输出功率达不到其额定容量。第六节变压器的并列运转(1)变压器并列运转的优点1)提高供电可靠性：通常采用两台及以上的变压器并列运转，当一台变压器因缺点退出运转，其他变压器仍可继续供电。2)可满足经济运转的需求：在低负荷时，可以使部分变压器退出运转，以减少电能损耗。1)电压比相等；2)短路阻抗相等；3)绕组衔接组别一样。(2)变压器的理想并列运转条件为1.电压比不同的变压器并列运转设两台变压器的变比为两台变压器的电压比的几何均值为图9-11两台变比不同的单相变压器并列运转如图9-11所示，当并列运转的变压器一次侧接电源，由于变压器的电压比不相等，在二次绕组产生的