广东康德威电气股份有限公司
摘要：变压器绕组的热点温度对变压器而言具有十分重要的作用，因此，如何准确计算热点温度受到了人们的普遍关注。在对运行中的变压器散热过程进行分析的基础上，充分考虑了周围环境与油箱外壁的热量传递这一因素，最终建立起改进变压器动态等效热路的模型。
关键词：油浸式变压器；绕组热点温度；热电类比；模型参数
引言
在电网中转换和传输能量的核心就是电力变压器，其属于最昂贵和最重要的电网设备之一，整个电网的安全、可靠以及经济运行都会受到变压器的直接影响，同时，变压器内部温度的高低也会对变压器的利用率和热老化产生直接影响。对变压器过负载产生限制作用的主要因素是热点温度，要想提升变压器运行的经济效益和使用寿命，就要首先将在不同负载和环境温度下变压器的热点温度确定下来。
一、油浸式电力变压器热点温度确定方法
在理想的情况下，要想确定热点温度，最好的方法就是用温度传感器直接测量绕组热点温度。然而，在实际的运行过程中，这种方法成本较高，而且维护也十分困难，现在工程一般都会选择间接的方法对已经投人运行的变压器的绕组热点温度进行计算。现在IEC354导则和IEEEStdC57.91导则所推荐的计算公式是变压器绕组热点温度计算的最常规的方式。然而，该公式忽视了热点温度计算和顶层油温度受到的油黏度的动态影响，因此，其具有一定的局限性。面对这种情况，国内外的很多学者开始对计算变压器绕组热点温度和顶层油温度的新方法进行积极的探寻，一些学者将环境温度变量加入到顶层油温升模型中，这样就建立起了顶层油温度计算模型，随后分别选择线性回归和后向欧拉离散公式等对模型参数进行辨识，并计算顶层油温度，但发现预测结果的误差却比较大。一些学者指出，在计算的过程中选择Semiphysical模型能够有效减少计算误差，但因迭代算法在模型中会由于独立变量的增多而发生不收敛的现象，因此仍然具有非常大的预测结果误差。还有一些学者通过对热电类比的方法来定义非线性热阻和集总热容，从而建立起基于变压器顶层油温度的热点温度模型，然而，这一模型并未充分考虑热参数随温度的变化，因此有一些学者在此基础上.对油黏度和损耗随温度的变化进行了充分的考虑，采用两个有申联关系的集总参数热路模拟变压器内部的传热过程，在简化模型时将油与油箱之间的温度差忽视了，同时也忽视了顶层油温度模型中顶层油温度计算受到的绕组非线性热阻和绕组热容的影响。
二、油浸式变压器的传热过程
油浸式变压器的主要热量是由铁心、绕组产生的,并通过传导、对流以及热辐射三种方式传递到绝缘油中继而传递到外壳及外界空气中。由于变压器的铁心、绕组具有较高的导热系数,将产生的热量传递至导体表面,导体与其附近的绝缘油就形成温度差。通过热传导使导体附近的绝缘油温度升高，与周围绝缘油形成温差，通过对流换热的方式形成油流循环，将热量传递到变压器外部的散热器以及外壳上。随着油循环的进行,变压器壳的温度上升，与周围空气形成温差，通过辐射和对流换热方式将热量传递到外界环境中，这样油浸式变压器最终达到热平衡状态。变压器热交换简化过程如图1所示。
三、基于热电类比方法的变压器动态热路模型
3.1热点类比的方法
热点类比方法的基础就是类比，其主要是将一个相同数学方程式的模型设计出来，利用模型对原型中的过程和现象进行研究。两种现象具有不同的物理本质，然而，其按照同一形式的数学方程式，同时保证具有相似的物理量、几何条件和边界条件等，这时候就可以通过对热电类比方法模拟原型。在具体运行过程中，电力变压器产生热量的地方主要是铁心、绕组以及各部分的夹件，并通过传导的方式向各个表面进行传递，随后以对流的方式朝着散热器壁与油箱壁进行传递，最后热量在散热器壁和油箱壁上通过对流、辐射的方式朝着周围的环境中不断散热。热量流动在这个过程中具有与电路中电流流动相似的流动方式。这样就能够选择热电类比方法来模拟这个过程，从而得出电路参数和热路参数的类比关系。以热点类比的方法为根据，可以得出类比电路系统热路系统的热容和热阻。电路参数和热路参数类比如表1所示。
3.2建立变压器动态热路模型
以变压器内部热量在运行时的流动过程为根据，再与热点类比的方法相结合，充分考虑油箱璧、绝缘油、铁心和绕组等部件，就能够建立起电力变压器动态等效热路模型，如图2所示。图2中的变压器的杂散耗损、铁心损耗和绕组损耗分别用qs、qFe和qcu来表示，油箱壁对外界空气、绝缘油对油箱壁、金属部件对油、铁心对油和绕组对油的非线性热阻分别是Rth-tank、Rth-oil\Rth-m\Rth-fe和Rth-wnd.环境温度、油箱外壁温度、顶层油温度、绕组热点温度分别是θa、θtank、θoil和θhs.
四、油浸式变压器的安全运行
4.1.变压器的允许温度和温升
4.1.1允许运行温度
在变压器运行中，电能在铁芯和绕组中的损耗转变为热能，引起各部位发热，使变压器油温升高，当热量向周围辐射传导、发热和散热达到平衡状态时，各部位的温度趋于稳定。变压器运行时，其内部各部分的温度是不同的，其中，绕组的温度最高，其次是铁芯，绝缘油的温度最低。为了便于监视运行中变压器各部分温度的情况，规定以上层油温来确定变压器运行中的允许温度。采用A级绝缘的变压器(我国电力变压器大部分采用A级绝缘)在正常运行中，当周围空气温度最高为40℃时，变压器绕组的极限工作温度为105℃。由于绕组的平均温度比油温高10℃，同时为了防止油质劣化，所以规定变压器上层油温最高不得超过95℃。而若变压器的温度长时间超过允许值，则变压器的绝缘容易损坏。因为绝缘材料长期受热后要老化，温度越高，绝缘老化越快。当绝缘老化到一定程度时，在运行的震动和电动力的作用下，绝缘容易破坏，且易发生电气击穿而造成故障，因此变压器必须在其允许的温度范围内运行，以保证变压器合理的使用寿命。
4.1.2温升
变压器温度与周围空气温度的差值叫变压器的温升。对变压器在额定负荷时各部分的温升作出的规定为允许温升。对A级绝缘的变压器，当周围最高温度为40℃时，国家标准规定绕组的温升为65℃，上层油温的允许温升为55℃，只要上层油温及其温升不超过规定值，就能保证变压器在规定的使用年限内安全运行。
4.2变压器的过负荷能力
变压器的过负荷能力，是指在较短的时间内，所能输出的最大容量。在不损害变压器绝缘和不缩短变压器使用寿命的前提下，它可大于变压器的额定容量。因此，变压器的额定容量和过负荷能力具有不同的意义。变压器在运行中，负荷电流超过了铭牌上所规定额定电流值时，就是处于过负荷运行。这其中包括正常过负荷运行和事故过负荷运行。在一般情况下，长时间过负荷运行是不允许的。因为变压器过负荷运行会造成温度增高，决定变压器使用寿命的主要因素是绝缘的老化程度，而温度增高对绝缘性能则起着决定性的作用。
4.2.1变压器的正常过负荷运行
变压器在正常运行时过负荷，这是因为变压器在一昼夜内的负荷是不断变化的，有时是高峰有时是低谷。在低谷时变压器在较低的温度下运行，当日负荷率小于1时，则高峰期间，变压器的允许过负荷倍数和允许持续时间可由如图曲线来确定，如果事先不知道负荷率，也可以依据过负荷前上层油的温升，参照规定的数值，确定允许过负荷倍数和允许的持续时间。
4.2.2变压器的事故过负荷运行
当发生事故时，为保证对主要用电设备的连续供电及迅速消除事故，变压器允许短时间过负荷的能力，称为事故过负荷能力。变压器事故过负荷，除了保证变压器的安全运行外，同时还要以不损害变压器的正常使用寿命为前提。为此国家制定了规范标准(GB1094－79)规定了变压器的过负荷能力。对油浸式变压器在特殊情况下，允许短时间超过额定电流值的负荷运行，对油浸风冷的变压器，当冷却系统发生事故切除全部风扇时，允许带额定负荷运行，但允许时间不得超过规定的时间。
结束语
相对于IEEE推荐方法而言，本文提出的动态热路模型在对绕组热点温度和顶层油温度进行计算的时候，其结果与试验测量结果更加接近，因此本文提出的模型精度更高。
参考文献
[1]马海峰.油浸式变压器内局部放电的诊断.电气时代，2011
[2]王伟.聚合物固体绝缘材料应用研究.电力科学与工程，2011
[3]邓双渊.油浸式电力变压器热点温度在线监测方法的研究.科技创新导报，2011