电力变压器的运行

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1、第十章 电力变压器的运行变压器历史法拉第发现电磁感应定律所使用的线圈,把两个线圈缠 绕到一个铁环上,已经具备了变压器的雏形。1882年高纳德（Gaulard） 和吉伯斯（Gibbs）的交流供电 系统获得英国的专利。他们用一 种称为“次级发电机”（具有开口 铁心，是变压器的前身）的设备 来升高或降低电压。变压器历史1884年9月由德利（M.Dery ）、伯拉锡（O.Blathy）和吉拍 劳斯基（K.Zipmovsky）在匈牙 利的干茨（Gans）工厂制造出 来，这台单相变压器，容量为 1400MVA，具有一个闭合铁心 ，铁心柱外缠绕有绕组，电压比 为120/72V，频率为40Hz，并在 他们的专

2、利申请中首次使用了“ 变压器”这一术语。威斯汀豪斯购买了年高纳德和吉伯斯的交流电压变换 装置及其专利，重新进行了机械和电气设计，1886年第一 个用于交流照明系统的变压器投入使用并获得成功。变压器历史随着交流输电系统的发展，电网规模越来越大，输电 距离越来越远，而变压器也成为现代电力生产的基本单位 ，变电运行也是电网的最基本组成。19世纪90年代，爆发了著名的 交直流大战中，爱迪 生偏爱安全的低电压直流，而威斯汀豪斯则坚持交流。 1897年11月15日，从尼亚加拉大瀑布两相交流发电机生 产的1000马力的交流电经过旋转变压器变为三相交流电 输送给26英里外的布法罗市，而低压直流则不能传输如此

3、远的距离，结束了交直流之争。 1890年AGE（原德国通用电气公司）工厂的多里弗- 多布罗夫斯基发明了三相变压器。变压器的作用l输送功率l变换电压P1P2问 题l假如你自己拥有一台变压器，你最关心它的什 么参数？l你认为变压器实际运行中应该注意那些问题？本章学习的内容 l了解变压器的生产运行实际l掌握变压器的负荷能力的能力的原则和依据l变压器正常、事故过负荷能力的计算l自耦变压器、分裂变压器的运行特点l变压器并列运行条件一个实际的工程问题该站预计负荷增长较大，超过变压器额定输送容量。在近期不能实现扩建改造， 但又希望尽量不对用户拉闸限电，减少经济损失。充分利用变压器 的过负荷能力如何确定允许过

4、负 荷的数值和时间变压器结构（内部：铁芯、绕组）分接头变压器结构（外部）潜油泵线夹引线套管风扇套管油位储油柜瓦斯继电器变压器结构（外部）油流继电器分接头机构箱油温表油位表变压器的分类提问：2、按相数，分为哪几类？ 3、按绕组数，分为哪几类？ 4、按调压方式，分为哪几类 ？ 5、有哪些冷却形式？ 1、按功能，分为哪几类？ 无激磁 有激磁 主变 联络变 厂用变 三相 单相 双绕组 三绕组 自耦 低压分裂绕组 自然冷却 风冷（水冷） 强迫油循环风冷（水冷） 强迫油循环导向冷却一、电力变压器的负荷能力在规定的环境温度下，长期按该容量连续运行，能获得经 济合理的效率和正常预期寿命（约2030年）。即变压

5、器的 额定容量是指长时间所能连续输出的最大功率。指变压器在短时间内所能输出的功率。在一定条件下可能 超过额定容量。n变压器的额定容量n变压器的负荷能力额定容量 额定电压 额定变比 额定频率 阻抗电压百分数n变压器的主要参数n练习：请做出变压器电路模型！变压器负荷超过额定容量运行时的效应 绕组、线夹、引线、绝缘部分及油温将会升高； 铁芯外的漏磁通密度将增加，使耦合的金属部分出现涡流， 温度增高； 温度增高使固体绝缘和油中的水分和气体成分发生变化 套管、分接头、电缆终端头和电流互感器等受到较高的热应 力，安全裕度降低； 导体绝缘机械特性受高温的影响，热老化的累积过程加快， 使变压器的寿命缩短。决定

6、变压器负荷能力大小和持续时间的因素电流和漏磁通增大绝缘材料的老化程度电气强度 机械强度缩短变压器寿命直接原因u决定变压器负荷能力大小和持续时间的因素2)在整个运行期，变压器总的绝缘老化是否超过正常值 ，变压器能否达到正常预期寿命。 1)变压器的电流和温度是否超过规定的限值；变压器各部分的温度增高二、变压器的发热和冷却沿变压器横截面的温度分布铁芯低压 绕组高压 绕组油箱壁或散热器油空气温度铁芯、高压绕组、低压绕组所产生的热量都传给油，它们的发热互 不关联，只与本身损耗有。发热和冷却过程变压器的发热和冷却 沿变压器高度的温度分布油箱壁铁芯绕组最热点:70%-75% 各部分的温度差别很大。 大容量变

7、压器，需要采用强迫油循环风冷(水冷)、导向冷却 方式。最热点变压器的温升计算 额定温升：变压器长期稳定运行，在额定负荷时的温升。 在不同高度，绕组对油的温差是一常数g绕组的上部，杂散损耗增加，其对油的温 差较大，绕组最热点对油的温升（BE）g温升底层顶层油绕组ABCD ENM变压器温升分布模型发热不均绕组和油的最大温升 绕组或油的平均温升绕组对空气温升 = 绕组对油的温升 + 油对空气温升:整个绕组或全部油的平均温升 :最热处的温升 从底部到顶部，油温升和绕组温升都呈 线性增加North China Electric Power University变压器各部分的允许温升温升底层顶层油绕组AB

8、CD ENM自然油循环环（ ） 油对对空气的平均温升44 N点 顶层顶层 油对对空气的温升 55 B点 绕组对绕组对 油的平均温升 21 MN 绕组对绕组对 空气的平均温升 65M点国家标准，额定使用条件：最高气温+40度，最高日平均气 温+30度，最高年平均气温+20度；最低气温-30度绕组绕组 （最热热点）对对空气的温 升 E点绕组绕组 （最热热点）对对油的温升 EB绕组最热点的温升大约比平均温升高13问题：若环境温度为+20，则绕组热点的温度=？ 运行经验表明:变压器绕组的绝缘在98以下使用时，变压器的正 常寿命约为2030年。 变压器的负荷与额定负荷不同时各部分温升计算 绕组对油的温升

9、（BE段） 额定负荷时R：额定负荷下，短路损耗/空载损耗，约为26 x：计算油温的指数，自然冷却取0.8，强迫油循环取0.91.0 y：计算最热点温升的指数，也随冷却方式而不同，一般取y=x 负荷率K（实际负荷/额定负荷）时温升底层顶层油绕组ABCD ENM顶层油温对空气的温升（B点）额定负荷时负荷率K时变压器绕组热点稳定温度的计算 （1）自然油循环冷却 绕组热点温度 环境温度 顶层油温对空气温升 绕组对油温升 （2）强迫油循环冷却（OF） 绕组热点温度 环境温度 底层油温对空气温升顶部油温对底部油温之差 绕组对油温升 （3）强迫油循环导向冷却（OD） 在 OF 基础上，需要修正导线电阻的温度

10、变化 三、变压器的绝缘老化绝缘老化的主要原因：温度、湿度、氧气和油中的劣化产物 变压器的预期寿命：当变压器绝缘的机械强度降低到其初始值 的15%-20%, 变压器的寿命终止。在80140范围内，变压器的预期寿命直接变压器绕组热点的温度温度系数常数热老化定律在额定负荷和正常环境温度下，热点温度的正常基准值为98，变 压器能获得正常预期寿命2030年，此时变压器的老化率假定为1 。 正常预期寿命： 任意温度时的相对预期寿命： 热老化定律 相对老化率（相对预期寿命的倒数）： 用基数2代替e ： 为6左右热老化定律（绝缘老化的6规则）： 绕组温度每增加6，老化率加倍。 等值老化原则 实际绕组的温度受气

11、温和负荷波动的影响变化很大问题：如何获得变压器的正常预期寿命？未充分利用负荷能力达不到正常预期寿命最高允许温度等值少损耗的寿命多损耗的寿命等值老化原则等值老化原则：使变压器在一定时间间隔T（一年或一昼夜）内 绝缘老化所损耗的寿命等于一常数。 12h0.5 T=24h1 yeart (h/y) 0T时间内损 耗的寿命 =恒温98运行 时损耗的寿命 （常数) 绝缘老化率绝缘老化率：变压器在某一段时间间隔内实际所损耗的寿命对绕 组温度维持恒定98时所损耗寿命的比值。 预期寿命缩短 负荷能力未充分利用 结论：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。 变压器负荷超

12、过额定容量运行时的限制配电变压器： 100MVA不同容量变压器，过负荷的效应不同 只需考虑热点温度和热老化漏磁通的影响很大漏磁通的影响不是关键，但必须考 虑冷却方式的不同变压器负荷超过额定容量运行时的限制浙江玉环电厂1000MVA变压器变压器负荷类型(1) 正常周期性负载:在一个周期内,某段时间内环境温度较高, 或变压器带高负荷运行,可由其它时间内环境温度较低或较轻的 负荷所补偿,整个周期内变压器的老化率不大于1 。(2) 长期急救周期性负载:由于系统内有部分变压器长期停运,使 运行的变压器可能在几周或几个月的时间内长期带较高负荷甚至 超过额定电流运行,从而导致变压器加速老化,但变压器绝缘不能

13、 因为热劣化或绝缘强度下降的原因而发生击穿。(3) 短期急救负载:由于系统内发生一个或多个事故,造成运行变 压器严重地超额定负载,导线热点温度可能达到危险的程度,并导 致暂时的绝缘强度下降。从技术经济比较看,系统仍需要 短时采用这种方式。但为避免变压器发生故障,短期急救负载运 行时间一般应小于0.5 h 。变压器负荷超过额定容量运行时的电流温度限制 IEC对三种类型变压器，规定过负荷时的温度和电流的限值 表 101负负荷类类型配电变电变 压压器中型电电力 变压变压 器大型电电力 变压变压 器 通过过周期性负负荷电电流（标标么值值） 热热点温度及绝缘绝缘 材料接触的金属部件的温度 顶层顶层 油温

14、1.5 140 1051.5 140 1051.3 120 105 长长期急救周期性负负荷电电流（标标么值值） 热热点温度及绝缘绝缘 材料接触的金属部件的温度 顶层顶层 油温1.8 150 1151.5 140 1151.3 130 115短时时急救周期性负负荷电电流（标标么值值） 热热点温度及绝缘绝缘 材料接触的金属部件的温度 顶层顶层 油温2.0 1.8 160 1151.5 160 115变压器的正常过负荷能力原则：不牺牲变压器正常预期寿命寿命绕组热点温度指数关系环境温度 负荷等值空气温度 等值阶段负荷曲线不用平均温度等值空气温度 等值空气温度：指某一空气温度，在一定时间间隔内如维持此温

15、度 不变，当变压器带恒定负荷时,绝缘所遭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。 等值空气温度 在各个短时间间隔 时空气的平均瞬时温度 T 某个时间间隔 等值空气温度空气的日或年自然变化曲线可近似为正弦曲线 则在时间间隔T内空 气的平均温度在该时间间隔内空气温 度的变化范围，即最高 温度和最低温度之差 温度差结论：等值空气温度不同于平均温度，比 平均温度大 ，且 永远是正值。气温变 化范围 越大， 就越大。 等值负荷曲线的计算 归算原则：等值负荷期间，变压器中所产生的热量与实际负荷运 行时产生的热量等值。 i阶段等值负荷系数 i阶段内负荷电流值 i阶段持续时间 负荷曲线变压

16、器正常容许过负荷确定原则：不牺牲变压器正常寿命判断方法 ：1、根据绝缘老化率环境温度 实际负荷曲线 变压器的数据过负荷在允许范围内不允许正常过负荷绕组热点温度和 电流不超过限值评价：该方法较繁琐变压器正常容许过负荷2、根据容许过负荷倍数T:过负荷的 容许持续时间IEC制定的正常过负荷曲线自然油循环强迫油循环日等值空气温度20度已知：容许持续时间 求：容许过负荷倍数变压器正常容许过负荷【例10-3】一台10000kVA的自然油循环自冷变压器，安装在室外 ，当地年等值空气温度为20度，日负荷曲线为两段负荷曲线， 起始负荷为5000kVA，求变压器历时2h的过负荷值自然油循环变压器正常容许过负荷【例10-4】某自然油循环自冷变压器，依照如图曲线运行，其中 1822点过负荷运行，当地日等值空气温度为20度，求过负荷 率。4:00 8:0012:0016:00 20:00 24:000.40.