C 电力变压器的运行

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行时，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。上图示出了油浸式变压器中各部分温度的分布情况。第1页/共58页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第2页/共58页导体和铁心的表面变压器油油箱和散热器的内表面油箱和散热器的外表面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：第3页/共58页112 变 压 器 的 绝 缘 老 化 一、变压器的热老化定律一、变压器的热老化定律1.绝缘老化现象变压器在长期运行中，由于受到大气条件和其他物理化学作用的影响，其绝缘材料的机械强度和电气强度逐渐衰退的现象，称为绝缘老化。绝缘老化程度不能只按电气强度来判断，必须考虑机械强度的降低程度，而且主要由机械强度的降低程度来确定。变压器的绝缘老化，主要是由于温度、湿度、氧气和油中的某些分解物所引起的化学反应的影响，其中高温是促成老化的直接原因。2.变压器的寿命（1）预期寿命。变压器的预期寿命是指其绝缘均匀老化到机械强度只有初始值的1520%所经过的时间。当变压器绕组热点温度在80140范围内时，其预期寿命与关系如下：（117）常数，与多种因素有关；温度常数。的正常基准温度为98，此时变压器能获得正常预期寿命 （118）第4页/共58页 （2）相对预期寿命和老化率。绕组热点维持在任意温度时的预期寿命与正常预期寿命之比，称为相对预期寿命，用 表示，即（119）在相同的时间间隔内，绕组热点维持在任意温度时所损耗的寿命(/)与维持在98时的所损耗的寿命(/)之比,称为相对老化率，用表示。即（1110）因，即，故式（1110）可写成（1112）其中=0.693/P6 设 （可为正、负数），则（1114）（1113）这意味着：绕组热点温度每增加6（每增加1），老化加倍，即预期寿命缩短一半，此即热老化定律（或称绝缘老化的6规则）。据上式可计算各温度下的老化率，如表112所示。第5页/共58页 二、等值老化原则二、等值老化原则据式（114）（116），实际上绕组热点温度受到气温和负荷波动的影响，即绕组热点温度是一个随时间变化的量。等值老化原则就是：使变压器在一定时间间隔内，绝缘老化或损耗的寿命与维持绕组热点温度为98时等值。绕组热点温度为时，经时间所损耗的寿命为，经时间损耗的寿命为；绕组热点温度为98时，经时间损耗的寿命为。于是，等值老化原则用式子表示如下（1115）据老化率 的概念不是据式（1115），当 随时间变化时，可表达为（1116）在一定时间间隔内，维持变压器的老化率 接近于1，是制定变压器负荷能力的主要依据。第6页/共58页一、变压器的热老化定律1.变压器的绝缘老化现象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，使其绝缘材料逐渐失去其机械强度和电气强度。2)机械损伤使电气强度下降。绝缘材料老化程度主要由其机械强度的降低情况决定。3)高温是绝缘老化的主要原因。通常用相对预期寿命和老化率表示变压器绝缘老化程度。第三节第三节 变压器的绝缘老化变压器的绝缘老化第7页/共58页2.变压器的预期寿命和绕组最热点温度之间的关系一般认为当变压器绝缘的机械强度降低至其额定值的15%-20%时，变压器的寿命即算结束，所经历的时间称为变压器的预期寿命。在80140的范围内，变压器的预期寿命和绕组热点温度之间的关系为：式中，A为常数；P为温度系数;为绕组热点温度。对于标准变压器，在额定负荷和正常环境温度下，最热点温度维持在98，变压器能获得正常预期寿命2030年，其每天的寿命损失为正常日寿命损失。第三节第三节 变压器的绝缘老化变压器的绝缘老化第8页/共58页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*：倒数称为相对老化率，即它表明了变压器在绕组热点温度为任意温度下运行单位时间损失的正常预期寿命。第三节第三节 变压器的绝缘老化变压器的绝缘老化第9页/共58页相对老化率为与运行时间T的乘积即为损失的寿命zT。如果在T时间内绕组热点温度是随时间变化的（用t表示），则损失的寿命为:计算相对老化率时以2为底较方便，则第三节第三节 变压器的绝缘老化变压器的绝缘老化第10页/共58页 根据试验和统计资料可以得出 则 和上式意味着绕组温度每增加6，老化加倍，绝缘使用寿命缩短一半，此即绝缘老化的六度规则（热老化定律）。例如，绕组热点在104下的老化率为2（见表10-4），运行24h损失的寿命为224h=48h，寿命减少了一半。第三节第三节 变压器的绝缘老化变压器的绝缘老化第11页/共58页二、等值老化原则 变压器绕组最热点温度维持在98，变压器能获得正常使用寿命，但变压器在运行中，绕组温度受环境温度和负荷波动的影响，不可能维持在98不变。这种情况下变压器如何获得正常的使用寿命？等值老化原则回答了这个问题。1)等值老化原则：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，只要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运行时的预期寿命相同。它可以用下式表示：第三节第三节 变压器的绝缘老化变压器的绝缘老化第12页/共58页当1时，变压器的老化大于正常老化，预期寿命缩短；当1时，变压器的负荷能力未得到充分利用；当=1时，变压器有正常的使用寿命，它也是变压器正常过负荷运行的主要依据。2)平均相对老化率：变压器在一定的时间间隔T内实际所损失的寿命与恒温98运行时的正常寿命损失T的比值。第13页/共58页一、变压器的负荷能力1、变压器的额定容量即铭牌容量：在制造厂所规定的额定环境温度下，保证变压器有正常使用寿命（约2030年）所能长时间连续输出的最大功率。2、当变压器的负荷超过额定容量运行时，将产生下列不良效应：（1）绕组、线夹、引线、绝缘部分及油等的温度会升高，有可能超过容许值；（2）铁心外的漏磁通密度增加，温度增高；（3）固体绝缘物和油中的水分及气体成分发生变化；第四节第四节 变压器的正常过负荷和事故过负变压器的正常过负荷和事故过负荷荷第14页/共58页（4）套管、分接开关、电缆连接头和电流互感器等受到较高的热应力，安全裕度降低；（5）导体绝缘的机械特性。3、变压器的负荷能力：指变压器在短时间内所能输出的功率，在一定条件下，为满足负荷的需要，它可能超过额定容量。4、负荷能力的大小和持续时间取决于：变压器的电流和温度容许限值；负荷变化和周围环境温度以及绝缘老化不超过绝缘的正常老化。第四节第四节 变压器的正常过负荷和事故过负荷变压器的正常过负荷和事故过负荷第15页/共58页二、等值空气温度1.平均温度av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.等值空气温度指某一空气温度，一定时间间隔内如维持此温度不变，当变压器带恒定负荷时，绝缘所遭受的老化等于空气温度自然变化时和同样恒定负荷情况下的绝缘老化。可表示为：第四节第四节 变压器的正常过负荷和事故过负荷变压器的正常过负荷和事故过负荷第16页/共58页空气温度的日或年的自然变化近似地认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），即将式（10-19）代入（10-18），即可计算出等值空气温度的数值，最后得:其中为温度差 第四节第四节 变压器的正常过负荷和事故过负荷变压器的正常过负荷和事故过负荷备注第17页/共58页考虑到P=0.1155和 ，年等值空气温度可以近似按下式计算：上式中av是指月等值（或月平均）环境温度。第四节第四节 变压器的正常过负荷和事故过负荷变压器的正常过负荷和事故过负荷第18页/共58页三、等值负荷曲线的计算实际负荷曲线先化为多阶段负荷曲线（如图所示），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。依据等值发热原理，欠负荷段的等值负荷系数按下式计算：第四节第四节 变压器的正常过负荷和事故过负荷变压器的正常过负荷和事故过负荷多阶段负荷曲线第19页/共58页四、变压器的正常过负荷1、依据变压器的寿命损失相互补偿，不增加变压器正常寿命损失的过负荷称为正常过负荷。2、原则：不增加变压器正常寿命损失，即绝缘老化率()1。3、理论依据：等值老化原则，寿命损失相互补偿。4、正常过负荷是有计划的、主动实施的过负荷。5、为了简化计算，实际运行中，常采用查正常过负荷曲线的方法确定过负荷值。第四节第四节 变压器的正常过负荷和事故过负荷变压器的正常过负荷和事故过负荷第20页/共58页6、利用正常过负荷曲线确定过负荷倍数的方法：1）将实际连续变化的负荷曲线化为多段式负荷曲线。2）按式（10-21）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，从过负荷曲线图上查出过负荷倍数K2。第四节第四节 变压器的正常过负荷和事故过负荷变压器的正常过负荷和事故过负荷第21页/共58页第四节第四节 变压器的正常过负荷和事故过负荷变压器的正常过负荷和事故过负荷五、变压器的事故过负荷1、系统发生局部故障或变电所的某台变压器故障被切除，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过正常过负荷值很多，称为事故过负荷或短期急救负载。1.制定原则：在事故情况下，保证不间断供电、避免停电造成更大的损失是首要任务，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使用寿命为代价的。第22页/共58页2.具体要求：1)事故过负荷时绕组最热点温度不得超过140,电流不得超过额定电流的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)如果绕组最热点温度超过表10-1的数值，则这种事故过负荷是不允许的。第四节第四节 变压器的正常过负荷和事故过负荷变压器的正常过负荷和事故过负荷第23页/共58页环境温度/403020100-10-20-25校正系数103.210.320.10.0320.01 0.0055环境温度不同于环境温度不同于+20+20时的校正系数时的校正系数第四节第四节 变压器的正常过负荷和事故过负变压器的正常过负荷和事故过负荷荷表10-5中列出了我国标准规定的自然油循环和风冷油循环在不同事故过负荷1h的日寿命损失天数如果环境温度不等于20，应分别乘以表10-6中所列的修正系数。第24页/共58页第六节 自耦变压器的工作原理与运行 一、自耦变压器的工作原理 自耦变压器由两个绕组串联组成一次绕组bd，匝数为N1，其中一部分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”。a)等效电路b)结构第25页/共58页1自耦变压器的容量关系 电压及电流关系 1)自耦变压器一次侧和二次侧的电压比k12 2)电流关系 电路关系：磁路耦合关系：第26页/共58页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：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：第27页/共58页1自耦变压器的容量关系 额定容量和标准容量 根据电压及电流关系，自耦变压器传输的功率为由电路传递由磁路传递电流相量的共轭相量。自耦变压器的额定容量(额定通过容量)：第28页/共58页公共绕组的容量(标准容量：即通过电磁感应传输的最大功率)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。第29页/共58页2自耦变压器的效益系数 标准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=KbSNSN，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，因此所用铁心材料省，尺寸小，重量轻，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k123。(显然Kb Sc，串联绕组负荷较大，最大传输功率受到串联绕组容量的限制，运行中应注意监视串联绕组负荷。第38页/共58页2运行方式二 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。(1)串联绕组1)电流2)功率第39页/共58页(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 第40页/共58页当高、低压侧功率因数相等时，有显然Sc Ss，公共绕组负荷较大，最大传输功率受到公共绕组容量的限制，运行中应注意监视公共绕组负荷。在此运行方式下运行时，自耦变压器的容量不能得到充分利用。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，通过容量最大为标准容量，这时自耦变压器的效益最低。2)功率 第41页/共58页(1)变压器并列运行的优点1)提高供电可靠性：2)可满足经济运行的需要：(2)变压器的理想并列运行条件为1)电压比相等；2)额定短路电压相等；3)绕组连接组别相同。第八节 变压器的并列运行备注第42页/共58页1.电压比不同的变压器并列运行两台变压器的电压比的几何均值为如图10-31a所示，一次绕组也相应的出现平衡电流，近似为 两台变比不同的单相变压器并列运行第八节 变压器的并列运行第43页/共58页两台变比不同的单相变压器并列运行二次绕组的平衡电流为采用短路电压近似计算时式中第八节 变压器的并列运行第44页/共58页如果 令则当变压器带负荷运行时，平衡电流叠加在负荷电流上，使一台变压器的负荷增大，另一台变压器的负荷减轻，负荷增大的变压器可能过负荷，所以，一般 不得超过0.5%。第八节 变压器的并列运行第45页/共58页【例1】两台并列运行的变压器，额定容量均为10000kVA，短路电压都为uk(%)=10.5，绕组连接组别都相同。电压比分别为110/10.5kV和110/11kV。试求它们并列运行时的平衡电流？解第八节 变压器的并列运行第46页/共58页 因高压侧的额定电压相同，故两台变压器的二次侧额定电流分别为524.86A和549.857A，可见平衡电流的影响达20%。第八节 变压器的并列运行第47页/共58页2.短路阻抗不同的变压器并列运行假定它们的变比相同，则第k台变压器的阻抗为n台并列运行的变压器的总阻抗为由并联电路电压相等得：n台并列运行的变压器的总负荷电流：第八节 变压器的并列运行第48页/共58页第k台变压器的电流为第k台变压器的负荷为第八节 变压器的并列运行第49页/共58页n台并列运行的变压器的总负荷容量为:n=2时，变压器分配的负荷为：负荷分配与短路电压成反比，即短路电压小的变压器承担的负荷大，短路电压大的变压器承担的负荷小。一般规定短路电压之差不超过10%。第八节 变压器的并列运行第50页/共58页【例2】两台并列运行的双绕组变压器，变比和绕组连接组别都相同，只是额定容量和短路电压不同。已知SNI=500kVA，ukI(%)=4；SNII=1000kVA，ukII(%)=4.5。试求当供给负载1500kVA时，每一台变压器各供多大负荷？解第八节 变压器的并列运行备注第51页/共58页第八节 变压器的并列运行3.绕组连接组别不同的变压器并列运行绕组连接组别不同的变压器并列运行时，同名相电势间的相位差为 N、N 两台变压器的联结组号同名相电动势差为第52页/共58页产生的平衡电流归算到一次侧为如果两台变压器的额定容量、额定电压和短路电压都相同，则例如，当相位差 =30，短路电压u*kI=0.105时 第八节 变压器的并列运行备注第53页/共58页第十章 电力变压器的运行变压器负荷能力的概念：实际上变压器的负荷变化范围很大，不可能笃定在额定值运行。在短时间间隔内，有时必须超过额定容量运行；在另一部分时间间隔内，又有可能欠负荷运行。因此，有必要规定一个短时容许负荷，即变压器的负荷能力。变压器的负荷能力，不同于额定容量，变压器的负荷能力是指在短时间内所能输出的功率，在一定条件下，他可能超过额定容量。第54页/共58页第十章 电力变压器的运行变压器负荷能力的大小和持续时间取决于：变压器的电流和温度是否超过规定的限值；在整个运行期间，变压器总的绝缘老化是否超过正常值。第55页/共58页第四节 变压器的正常过负荷和事故过负荷变压器正常过负荷运行 变压器绕组热点温度和其他部分的温度，在运行时受到负荷波动和外界空气温度变化的影响有很大变化，最高温度和最低温度的差别也很大。在此情况下，可以在一部分时间内使变压器超过额定负荷运行，即过负荷运行；而在另一部分时间内，小于额定负荷运行。变压器的正常过负荷能力，就是以不牺牲变压器正常预期寿命为原则而制定的。第56页/共58页第四节 变压器的正常过负荷和事故过负荷变压器事故过负荷运行 当系统发生事故时，保证不间断供电是首要任务，变压器绝缘老化加速是次要的，所以事故过负荷与变压器的正常过负荷不同，它是以牺牲变压寿命为代价，绝缘老化率容许比正常过负荷高得多。第57页/共58页感谢您的观赏！第58页/共58页