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1、,第九章 电力变压器的运行 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 自耦变压器的工作原理与运行 第六节 变压器的并列运行,本章计划学时: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大，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710倍。可见电力变压器的运行是电力生产中非常重要的环节。本章着重介绍电力变压器运行中的基本理论。,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
2、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)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。,(1)发热特点,2)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)散热过程,1)绕组和铁心内部的热量以传导方式传到导体和铁心表面，图中曲线1-2，约几度。,2) 导体和铁心表面的热量以对流方式传到变压器油中，图中曲线2-3，约占总温升的20%30%。,3)油中的热量以对流方式传到油箱和散热器内表面，图中曲线4-5，约几度。,4) 油箱和散热
3、器内表面的热量以传导方式传到外表面，图中曲线5-6，约23度。,5) 油箱和散热器外表面的热量以对流和辐射方式传到周围空气中，图中曲线6-7，约占总温升的60%70%。,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,(3)冷却方式,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增加（在任意高度，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。 绕组的平均温升是指整个绕组的温升平均值(M点)。 油的平均温升是指全部油的温升平均值(N点)。
4、, 绕组的最大温升是指绕组最热点(E点) 的温升，由于杂散损耗增加，它大于绕组温升线性增加的趋势点D点的温升。 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. 温升计算中的基本关系为,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,我国国家标准（GB）规定变压器的额定使用条件为：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过表9-1中的数值。,表9-1 变压器各部分的允许温升 （单位：）,采用A级绝缘
5、材料的变压器，绕组热点温度为98时，使用寿命为20 30年。,图9-2中几个点的温度： 顶层油(B点) 对空气的温升or=52。 绕组对油平均温升gr=20。 油对空气的平均温升(N点) omr=43。 绕组最热点(E点)对顶层油的温升为 hr =43+20+15-52=26。,设K为实际负荷与额定负荷之比，则任意负荷下顶层油对空气的温升为,5. 任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,自然油循环冷却(ON)变压器的绕组最热点温度比绕组的平均温度(M点)高15(配变为13)。因此，自然油循环冷却变压器带额定负荷长期运行时的周围空气温度最高为 98-15-63=20。,式中 or额
6、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ON方式配电变压器，x=0.8；对于中、大型电力变压器，ON方式取x=0.9、OF方式和OD方式取x=1.0。,任意负荷下绕组热点对顶层油的温升h为,式中 H热点系数； gr额定电流下绕组平均温度与油平均温度的差值，根据H和gr可以计算额定电流下绕组热点温度对顶层油温度的差值hr，hr= Hgr；,y计算绕组热点温升用的指数,也与变压器的冷却方式有关，对于ON方式配电变压器，y =1.6；对于中、大型电力变压器，ON方式和OF方式取y =1.6、OD方式取y =2.
7、0。,三、变压器的稳态温度计算(选学),四、变压器的暂态温度计算(选学),第二节 变压器的绝缘老化,一、变压器的绝缘老化定律, 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。 高温是绝缘老化的主要原因，绝缘材料的工作温度越高，绝缘老化速度越快，变压器的使用寿命越短。 机械损伤使电气强度下降：老化的绝缘材料纤维组织失去弹性，材料变脆，只要没有机械损伤，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生机械损伤使材料破损，失去电气强度。,1. 变压器的绝缘老化现象,2. 变压器的预期寿命和绕组最热点温度之间的关系,
8、电力变压器常采用A级绝缘（油浸电缆纸），在80140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级绝缘材料的变压器绕组，最热点温度维持在98，变压器能获得正常预期寿命2030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,它表明了变压器在绕组热点温度为下运行单位时间损失的正常使用寿命。,损失寿命zT的计算：若运行时间为T，显然有,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,或,式中 vn为第n个时
9、间间隔内的相对老化率； tn第n个时间间隔的时间；n序数；N时间间隔总数。,相对老化率的计算以2为底较方便，则,根据试验和统计资料可以得出,则,和,绝缘老化的六度规则（油浸变压器）：可以看出绕组温度每增加6，老化加倍，绝缘使用寿命缩短一半。,例如，计算绕组热点在104下运行24h损失的寿命，老化率为2，损失的寿命为224h=48h，也就是说运行12个小时一天的寿命就损耗完了。,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
10、。,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，等于正常的寿命损失，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：,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。,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。,第三节 变压器的正常过负荷,一、变压器的
11、负荷能力,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，保证变压器有正常使用寿命（约2030年）所能长时间连续输出的最大功率。,变压器的负荷能力：指变压器在1条件下，短时间内所能输出的功率，显然，它可能超过额定容量。,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。,二、负荷超过额定容量运行时的温度和电流的限值,变压器的负荷超过额定容量运行时，将产生不良效应，此时要求其电流和有关部分的温度不超过表9-2的规定。,三、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
12、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（能表示变化的温度对绝缘老化的影响）,等值空气温度eq ：指某一空气温度，如果在一定时间间隔内维持此温度和变压器所带负荷不变，变压器所遭受的绝缘老化等于空气温度自然变化时的绝缘老化。,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,式中 avT时间间隔内的平均空气温度； 最高温度和最低温度之差。,代入可以计算出, 从上式可以看出，等值空气温度高于平均空
13、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。 我国广大地区的年等值空气温度为20，则绕组最热点温度为：65+13+20=98。所以我国变压器的额定容量不必根据气温情况加以修正，冬夏寿命损失自然补偿，就可以有正常的使用寿命，但在考虑变压器的过负荷能力时应考虑等值空气温度的影响。,. 结论,日有功负荷曲线 a）曲线图 b）梯形图,四、等值负荷的计算,将实际负荷曲线先化为多阶段负荷曲线的方法，如下图所示：,实际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。,依据等值发热原理，欠负荷段的等 值负荷系数按下式计
14、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,等值负荷的计算方法：,五、变压器的正常过负荷,1. 原则：不增加变压器寿命损失，即平均相对老化率1。 2. 理论依据：等值老化原则，寿命损失相互补偿 。,3. 正常过负荷是有计划的、主动实施的过负荷。,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。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为过负荷的容许持续时间。自然油循环变压器的过负荷倍数不
15、能超过1.5, 强迫油循环变压器的过负荷倍数不能超过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）将实际连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】如果例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9-6
16、a曲线得 过负荷倍数K2=1.29 过负荷值为 1.2910000kVA=12900 kVA,【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。,2. 具体
