GBT 1094.12-2013 电力变压器 第12部分：干式电力变压器负载导则

电力变压器第12部分：干式电力变压器负载导则2013-12-17发布IGB/T1094.12—2013前言 Ⅲ V 12规范性引用文件 13术语和定义 14超铭牌额定值负载运行的影响 24.1概述 24.2一般后果 24.3短期急救负载的影响和危害 24.4长期急救负载的影响 25老化和变压器绝缘寿命 35.1概述 35.2寿命 35.3稳定连续负载和温度间的关系 45.4热老化率 45.5寿命损失 45.6稳态下的热点温度 55.7假定的热点系数 55.8在不同的环境温度和负载条件下的热点温升 55.9负载公式 55.10绕组时间常数的确定 65.11根据经验常数确定绕组时间常数 75.12负载能力计算 7 96.1电流和温度限制 96.2其他限制 9附录A(资料性附录)老化率 A.1负载能力 A.2分子结构 A.3参考文献 附录B(资料性附录)三种负载模式下的寿命损失示例 B.1例一：恒定温度下的负载 B.2例二：持续时间为t₁的负载电流I;和紧接着持续时间为tz的负载电流I B.3例三：变化的负载电流 附录C(资料性附录)符号表 C.1符号表 参考文献 ⅢGB1094《电力变压器》目前包含了下列几部分：--—第1部分：总则；——第3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙；——第4部分：电力变压器和电抗器的雷电冲击和操作冲击试验导则；——第5部分：承受短路的能力；——第6部分：电抗器；——第7部分：油浸式电力变压器负载导则；-—第10部分：声级测定；——第10.1部分：声级测定应用导则；——第11部分：干式变压器；——第12部分：干式电力变压器负载导则；——第14部分：采用高温绝缘材料的液浸式变压器的设计和应用；——第16部分：风力发电用变压器。本部分为GB1094的第12部分。本部分按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。本部分代替GB/T17211-1998《干式电力变压器负载导则》。GB/T17211—1998对应的IEC标准代号为IEC60905:1987。由于IEC有关电力变压器的标准代号现均调整为IEC60076系列，为了与IEC的标准代号相协调且使用方便，本次修订也将标准代号按新IEC标准系列进行了调整。本部分与GB/T17211—1998相比，主要技-—标准适用范围增加强迫风冷干式变压器，并增加了“强迫风冷”冷却方式下干式变压器热点温升的计算方法； -增加了变压器超铭牌运行危险的说明；——明确了假定老化引起的绝缘失效是变压器寿命终结的原因、假定老化率随温度的变化符合阿伦尼乌斯定律，并进一步假定绝缘系统温度每增加6K,老化率加倍； 增加了铜和铝导体绕组时间常数的计算方法和试验方法。在计算方法中，采用了不同于以往经验的绕组材料比热容数据；——增加了依据经验常数确定时间常数的方法；——正文中删除了选择负载曲线的实例；—增加户外环境条件以及外壳对变压器运行影响的说明；-—增加附录A“老化率”。该附录对固体绝缘材料的老化率和“热量”的关系进行了介绍，并介绍了基于阿伦尼乌斯定律的耐热特性分析；——增加附录B:“三种负载模式下的寿命损失示例”。本部分使用重新起草法修改采用IEC60076-12:2008《电力变压器第12部分：干式电力变压器负本部分与IEC60076-12:2008的技术性差异及其原因如下： 值24.5W·min/(K·kg)和0.408W·h/ ——对表3的格式进行了调整-—删除表B.2中最右侧4列的内容；V1电力变压器第12部分：干式电力变压器负载导则GB1094的本部分适用于GB1094.11规定范围内的干式变压器。本部分提供了干式变压器绝缘老化率和寿命损失的估算方法，该方法把变压器绝缘的老化率和寿命损失表示为变压器的运行温度、时间和负载的函数。注：对于风力发电用变压器、电炉变压器、电焊机用变压器等特殊用途的变压器，制造方应参照相关特定负载曲线。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB1094.11电力变压器第11部分：干式变压器(GB1094.11—2007,IEC60076-11:2004,MOD)GB/T11026.1电气绝缘材料耐热性第1部分：老化程序和试验结果的评定GB/T18494.1—2001变流变压器第1部分：工业用变流变压器(IEC61378-1:1997,IDT)3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。长期急救负载long-timeemergencyloading由于系统中某些设备长时间退出运行而引起的一种负载方式，在变压器达到一个新的、较高的稳态温度之前，这些设备不会重新投入运行。短期急救负载short-timeemergencyloading由于系统中发生了一个或多个事故，严重干扰了系统的正常负载分配，从而产生的暂态(小于绕组的一个时间常数)严重过负载。相对热老化率relativethermalageingrate变压器绝缘寿命transformerinsulationlifetime从绝缘起始状态(即通常认为绝缘是新的)到正常运行中由于热老化、绝缘场强、短路应力或机械位移而导致电气故障危险高发的最终状态之间的全部时间。2自然风冷ANcooling自然通风冷却的方式。强迫风冷AFcooling通过风机冷却来提高变压器额定容量的冷却方法。4超铭牌额定值负载运行的影响正常预期寿命值通常是以设计的环境温度和额定运行条件下的连续工况为基础的。当负载超过铭牌额定值和/或环境温度高于规定环境温度时，变压器将承受一定程度的风险，并且老化加速。本部分的目的是要确认这些危险，并指导变压器在限定条件下如何进行超铭牌额定值负载运行。4.2一般后果变压器超铭牌额定值负载运行后果如下：——绕组、端子、引线、分接开关和绝缘的温度升高，且能达到不可接受的水平；——带外壳产品对过载更加敏感，会导致绝缘系统温度达到不可接受的水平；——导致由于电流和温度增加而引起的过早失效的风险。这种风险可能是一种短时效应，也可能来自多年的绝缘老化的累积效应。注：过载的另一个结果是变压器的压降增加。4.3短期急救负载的影晌和危害超过规定限值的短期急救负载的主要危害如下：——由于温度升高而产生的巨大机械应力，可能达到引起环氧浇注变压器绝缘开裂到不可接受的——短时和重复性过载电流导致绕组受到机械损伤；——在环境温度超过规定值情况下短时和重复性电流导致绕组受到机械损伤；——在更高的温度下，机械特性的劣化会降低抗短路能力；——由于温度升高而降低绝缘强度。因此规定，最大的过载电流不允许超过额定电流的50%。当过载超过50%时，有必要与制造方协商，以评估该过载的后果。在任何情况下，此类过载时间应尽可能短。4.4长期急救负载的影响长期急救负载的影响如下：——在较高的温度时，导体绝缘的机械及绝缘性能的累积热老化效应会加速。如果这种热老化达到一定程度，则会减少变压器的寿命，特别是当设备遭受系统短路电流时；——其他绝缘材料以及结构件和导体在高温时也会加速老化；——老化率及寿命损失的计算规则是以负载为基础的。35老化和变压器绝缘寿命5.1概述经验表明，变压器的正常寿命为几十年，但难以对其进行更加准确的规定。即使是完全相同的变压器，由于它们的运行条件各异，因此每台变压器的寿命也是不相同的。除极少数情况外，变压器很少在整个寿命周期内在100%额定电流下运行。其他对温升有影响的因素，如：冷却不充分、谐波、过励磁和/或在GB1094.11中描述的非正常条件都会影响变压器的寿命。当主要由变压器的损耗产生的热量传递到绝缘系统时，化学过程便开始了。这个过程改变组成绝缘系统的材料的分子结构。传递给系统的热量越多，老化率越大。这个过程是累积的且不可逆的，这意味着当传热停止，温度下降时，材料也不会恢复到最初的分子结构。绝缘系统温度会在制造方提供的文件中说明并标在铭牌上。假定老化造成的绝缘材料性能失效是变压器寿命终结的原因之一。进一步假定老化率随温度的变化符合阿伦尼乌斯(Arrhenius)定律。有关进一步的背景信息见附录A。阿伦尼乌斯定律中的两个常数在理想情况下可以用耐热试验来确定。当得不到这样的试验数据时，本部分提供了估算的常数，它是以下列假定为基础通过计算得出的：——当按照GB/T11026.1进行整体电气绝缘系统(EIS)的耐热试验，得到另一个老化率加倍的值---绝缘材料性能失效是变压器寿命终结的原因。5.2寿命在恒定的热点温度T(单位为K)下，变压器的预期寿命L按下式计算：L=aXe² (1)该公式也可以表示为： (2)尽管任何时间单位都适用于上述公式，但本导则中用小时。表1给出了用于不同绝缘系统温度下常数a的值，以h为单位。表1寿命公式中的常数(耐热等级)常数绕组额定热点温度θHs,ab℃hK℃3.10E-145.48E-159.60E-17204755.35E-18229795.31E-19250865.26E-20272854GB/T1094.12—2013注2:下列方程式用于确定绕组额定热点温度中的常数a和b:表1是按每6K老化率加倍计算的。5.3稳定连续负载和温度间的关系绕组的稳态热力学热点温度T(K)表示为.T=273+θ₄+△θHSn……(3)式中：θ₄——环境温度(℃);△θnsn——所考虑负载下绕组热点对环境的温升(K)。注意环境温度可能与负载无关，但也可能是负载的函数：θ₄=f(电流)……(4)该函数可能随场所不同而变化。在对老化率及寿命损失估算时，有必要了解特定场所的环境温度与负载的相互关系。可通过在特定场所的试验来确定二者间的关系。如果没有这方面的资料，则进行不同温度下(如：10℃~40℃)的等效计算可得到老化率和寿命损失之间的关系。本部分给出的公式将涡流损耗作为绕组的电阻损耗处理。试验数据表明，由这些公式计算的寿命损失比预期的高。如果有谐波电流存在，则过载时增加的涡流损耗需要按照GB/T18494.1—2001的5.4热老化率实际上，变压器的正常寿命不低于180000h。公式(5)中使用180000h作为保守的参考值，来表示老化率k(h/h),即在恒定热点温度T(K)下运行每小时损失的寿命小时数：在恒定热点温度T(K)时的相对老化率百分数k,(%),表示为180000h寿命运行t小时后的寿命百分数(%),按下式计算：: (6)式中：t——时间；a、b——见表1。5.5寿命损失在恒定热点温度T(K)下，一段时间t(h)内的寿命损失Lc(h)按公式(7)计算： (7)5t——时间；a、b——见表1。5.6稳态下的热点温度对大多数运行中的变压器来说，很难准确地知道绕组内部的热点温度。对大多数此类变压器，热点温度能通过计算来估计。本部分计算方法中的θns.为额定条件(额定电流、额定环境温度、额定电压、额定频率)下的热点温度，单位为℃。它可以用计算或测量的方法得到。注：目前没有确定热点温度的标准试验方法，如果制造方能用试验来证明其他热点温度值，则制造方可以用这些值来计算变压器寿命损失。5.7假定的热点系数在下面的考虑中，假定热点系数Z是1.25:△θhs,=Z×△θw (8)式中：△θwr——额定负载下绕组平均温升(K)。5.8在不同的环境温度和负载条件下的热点温升计算寿命损失要求的基本值是热点温度。为此，有必要知道在每个负载条件和环境温度下的热点温升。△θnsn=Z×△θwr×Ig (9)式中：△θnsn——给定负载下绕组热点温升；I₀——给定负载率；q——自然冷却(AN)取1.6,强迫风冷(AF)取2;Z---假定为1.25。△θwr尽可能采用试验值，以限制与系数Z的有效性和与q值相关的不确定性。经验表明，q和Z在不同变压器及不同的运行负载条件下取不同的值。5.9负载公式5.9.1连续负载热点温度θms作为稳定条件下负载的函数，用下式计算：θns=θ₄+△θs (10)对于自然冷却方式：对于强迫风冷方式：△θs=△θs,[I]2m (11)△Ons=△θs,x·(I²CT)X (12)6………)试值与用于式(12)的强迫风冷运行的变压器测试值可能不同);CT电阻温度修正系数；m经验常数，等于0.8(在没有试验数据情况下的建议值);θ,环境温度(℃);θs——-给定负载率I下的热点温度(℃)Tx导体的温度常数，铝为225,铜为235;X强迫风冷经验常数，等于1(在没有试验数据情况下的建议值).试验数据表明，由上面公式算出的热点温度值偏保守。自然冷却运行的指数m=0.8和强迫风冷运行的指数X=1是从自然冷却和强迫风冷传热的相互关系中导出的。试验证明，式(13)给出的电阻温度修正系数在预测强迫风冷运行时由于高损耗而产生的热点温升是需要的。式(11)和式(12)忽略了绕组中的涡流损耗，涡流损耗与温度呈反向变化。除非有谐波电流存在，涡流损耗通常很低，公式结果偏于保守。式(11)和式(12)均需要叠代计算。即使不考虑涡流损耗，由于使用了推荐的指数，加上考虑到强迫风冷运行条件下电阻随温度变化，因此也会导致热点温升计算结果偏于保守。如果有谐波电流存在的话，则过载期间增加的涡流损耗可能要依据GB/T18494.1—2001的附录A进行考虑。5.9.2暂态负载暂态过负载时的热点温升用下列公式确定 (14) (15)式中：△0;——某负载率I。开始时的起始热点温升(K):Aθ,负载变化t时间后的热点温升(K);Aθrr负载率I。不发生变化情况下的最终热点温升(K):t——时间(min);T给定负载下绕组的时间常数(min);θns——热点温度(℃);θ.环境温度(℃).5.10绕组时间常数的确定5.10.1概述变压器时间常数的概念基于假设一个单一热源为一个受热体供热，而这个受热体的温升和输人的热量呈指数关系。时间常数定义为当负载发生变化时，其温升达到超过环境温度的稳定值的63.2%所需的时间。通常在五倍时间常数后达到稳态。因公开的试验数据表明高压和低压绕组的时间常数可能不同，因此，不同负载下的热点温度计算应分别进行。两个绕组的绝缘系统温度等级也可能不同。7时间常数可以通过计算或者是在变压器上进行试验获得，具体由供需双方协商确定。5.10.2时间常数计算方法额定负载下绕组的时间常数rg为：tg——额定负载下变压器的时间常数(min);C-—绕组的有效热容量(W·min/K);=[15.0×铝导线质量(kg)]+(C₁×环氧材料及其他绕组绝缘质量(kg)),或或C——绕组的有效热容量(W·h/K);=(0.25×铝导线质量(kg))+(C₂×环氧材料及其他绕组绝缘质量(kg)),或=(0.107×铜导线质量(kg))+(C₂×环氧材料及其他绕组绝缘质量(kg));C₁——为环氧材料及其他绕组绝缘材料的比热容，单位为W·min/(K·kg)C₂——为环氧材料及其他绕组绝缘材料的比热容，单位为W·h/(K·kg);P:——额定负载和额定温升下的绕组总损耗(电阻损耗+涡流损耗)(W);△θns,x——额定负载下的热点温升(K);0.——空载时铁心对绕组热点温升的影响。其值应是下面给出的值或变压器温升试验时制造方的测量值：=5K,对于外侧绕组(通常为高压绕组);=25K;对于内侧绕组(通常为不超过1kV的低压绕组)。注1:上述的铁心影响值基于制造方的经验；注2:在IEC60076-12:2008中，C₁为24.5W·min/(K·kg),C₂为0.408W·h/(K·kg)。5.10.3时间常数的测试方法时间常数可以通过在温升试验中获得的热电阻冷却曲线估算。5.11根据经验常数确定绕组时间常数当温升变化时，根据经验常数m,时间常数也发生变化。如果m=1,则公式(17)对任何负载及任何起始温度都正确。如果m≠1,则任何负载和任何起始温度的加热或冷却循环的时间常数用公式(18)得出。5.12负载能力计算公式(10)～公式(18)宜用于确定在一个负载周期中的热点温度，也宜用于确定短时或连续负载导8致的达到表1中给出的最大值或达到任何其他限值的温度值。△θ₁=△θHs,[I:]²m………(19)I:初始负载率(负载电流与额定电流比值),从表2中选择一个热点温度θms限值。用公式(10)确定在对应的环境温度下t时刻的允许热点表2绕组最高热点温度绝缘系统温度(GB1094.11℃绕组最高热点温度℃当热点温度超过表2给出的绕组最高热点温度时，计算寿命是不实际的，因为绕组材料可能发生变化。变压器负载导致的温度如果超过表2的限值，会使变压器处于在不可预测的短时间内出现故障的0ns=θ+△θs……(20)θs——热点温度(℃)△θns——热点温升(K);0₄—-环境温度(℃)。△θ=△θs0……(21)用公式(14)确定的最终的热点温升从5.10可得到时间常数r。选择一个时间t,作为负载持续时间，代入上述公式中。从公式(11)可知，对应的过载可如下得到……时间常数的确定也是一个叠代的过程。96.1电流和温度限制当负载超过铭牌额定值时，绕组热点温度不应超过表3所列的限值，并且还要考虑4.3和5.12的特电流的幅值要限定到1.5倍额定电流，特别是当负载周期短，且为重复性负载时，以避免在绕组上产生机械损伤。当电流值超过1.5倍额定电流时，在询价阶段就应该指出，并由供需双方协商一致。对于所有其他类型的负载周期，电流值要限定到1.5倍额定电流。表3超铭牌额定值负载时的电流和温度限值绝缘系统温度/℃最大电流(p.u.)最高热点温度/℃注1:温度和电流的限值不是同时有效。可以将电流限制为比表中的值小，以满足温度限值要求。相反，可以将温度限制为比表中规定值小以满足电流限值要求，6.2其他限制6.2.1金属结构件的漏磁场随着电流的增加漏磁场也增加，这能导致金属结构件温度过高，从而限制过载。负载电流、热点温度及绕组和端子外的其他金属结构件的温度均不宜超过表3的限值。应该注意，当热点温度超过表3所列的最高温度时，绝缘系统特性显著降低，远小于变压器绝缘耐受最小值水平。雷器和引线也可限制在1.5倍额定电流下运行。6.2.3带外壳的变压器当变压器有外壳时，过载情况下的寿命损失更大。变压器在户内运行时，额定热点温升计算需考虑外壳的影响进行修正。很多户外场所，阳光直射可急剧增加变压器的温度，超过额定电流运行时，应加以考虑，风可改善变压器的散热效果，但它是不可预测的自然现象，因此不列入考虑范围。GB/T1094.12—2013n=0,1,2.3TI和HIC是在提高温度的加速老化试验时得到的，而试验方法则是基于阿伦尼乌斯定律的有化学和物理学家阿伦尼乌斯(1903年诺贝尔化学奖得主)提出了下列化学反应速度与温度的一般k=A×e-()k——反应速度系数k表示在材料或材料h=a×e²……(A.3)h=1/k;a=1/A;b=E₄/R。lnh=lna+b×(1/T)………(A.4)A.2.3.3耐热图试验在比预期温度指数(TI)更高的温度下进行。在图A.2例子中，试验在四个不同的温度下进kV/mm)或试验开始前的性能的百分比剩余值。标准中对某些材料和性能的这样的终点给出了建议，同样地，如果没有电力系统中因短路产生的大的过电流，那么尽管机械性能已经下降了，但变压器仍会运行良好。时间(小时)。沿四个点划一条回归线并延长与20000h坐标相交。交点处的温度为130℃。0.002600.002550.002500.002450.002400.002350.002300.002250.00220说明：图A.2耐热图计的热点温度提供更准确的信息。当评价变压器负载能力时，环境温度受到负载的影响的因素应加以考虑。A.3参考文献2003,IEC60216-1:2001,IDT)GB/T11026.2确定电气绝缘材料耐热性的导则第2部分：试验判断标准的选择(GB/T11026.2—2000,IEC60216-2:1990,IDT)2006,IEC60216-3:2002,IDT)GB/T11026.4确定电气绝缘材料耐热性的导则第4部分：1999,IEC60216-4-1:1990,IDT)GB/T11026.5电气绝缘材料耐热性第5部分：老化烘箱温度达300℃的精密烘箱(Electricalinsulatingmaterials—Thermalenduranceproperties—Part5:Determinationofrelativethermalenduranceindex(RTE)ofaninsulatingmaterial)和RTE)(Electricalinsulatingmaterials—Thermalenduranceproperties—Part6:Determinationof三种负载模式下的寿命损失示例B.1例一：恒定温度下的负载负载时间：1周=168h根据公式(3):热点热力学温度=273+30+125=428K。由表1,系数a和b为：a=1.72E—15h,b=18115。根据公式(5)计算老化率：k=180000×(1.72E-15)-1×exp(-18115/428)=43.48这意味着每小时损失43.48h寿命。负载时间为168h,在此温度下一周时间内的寿命损失为：43.48×168=7305h寿命。在额定热点温度为120℃时的预计寿命是180000h。热点温度为155℃时一周的寿命损失占到变压器总预计寿命的：100×7305/180000=4.06(%)B.2.1概述当负载电流突然从I;变为I。时，绕组热点温度按照指数函数[公式(14)]从初始温升△0;变为GB/T1094.12—2013图B.1阶跃变化的负载曲线I;=0.8p.u.,持续时间t₁=10h,I;为初始负载；Iu=1.2p.u.,持续时间tz=10h,Iu为最终负载；环境温度：30℃,恒定(与负载电流无关);时间为0时绕组起始热点温度为△Ons;额定电流下绕组平均温升△θw:=80K;△θs;=1.25×80×80×0.816=70K;△θnsu=1.25×80×1.21.6=134K;△θhs,x=1.25×80=100K;用公式(18)计算绕组热点温度从70K变到134K的时间常数：△θns=70+(134-70)×[1-exp(-t/0.399)]。老化率随△Ons增加持续增大。见图B.2。列在表B.1中，时间区间是t-t₁=0～2h。时间th热点温升△θns[公式(14)]K[公式(3)]K老化率k[公式(5)]h/h寿命损失L。[公式(7)]h00.0030.000084.20.0200.002095.20.0880.0088406.80.2600.026C413.50.5870.0587418.70.1085422.80.1743425.92.4800.2480428.40.3283430.34.0540.4054431.84.7830.4783432.90.5396433.80.5952434.56.4220.6422435.16.8530.6853435.50.7156435.80.7392436.10.7634436.30.7800436.50.7970436.68.0560.8056436.78.1430.8143总寿命损失：Le=9.7157△θs和k对t的关系见图B.2。横坐标轴——t₁以后的时间(h);这意味着在这2h内热点温升从70K变到134K,其寿命损失为10h。除此外，还有热点温升为70K时的10h以及热点温升为134K时的10—2=8h的寿命损失。这Lq=180000×10×(9.60E-17)-1×exp[-20475/(273+100)]=0.03hLa=180000×8×(9.60E-17)-¹×exp[-20475/(273+164)]=67.28h0.03+9.71+67.28=77.02h。B.3.1假设绕组的额定时间常数rg=0.5h。B.3.2计算负载周期见表B.2左边两列以及图B.3。负载电流每小时记录一次。为计算24h周期内的寿命损失，将热点温升△θs、热力学温度T和老化率k在表B.2中列出。表B.2变化负载的寿命损失计算时间h负载率p.u.最终热点温升公式(9)K公式(18)h热点温升公式(14)K热力学温度公式(3)K公式(5)h/h00.7000.00010.7220.4580.00020.78885.380.44884.140.00130.85998.020.43296.640.00440.9560.416417.50.04250.9570.407419.30.05460.9620.407420.