高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试及核算方法

摘要

本发明涉及一种输变电技术，具体地说是涉及一种高海拔地区110kV及以上变压器安全运行的变压器散热能力测试及核算方法。本发明包括如下步骤：1)变压器顶层油温测试步骤；2)变压器外壳表面温度测试步骤；3)变压器总损耗计算步骤；4)散热器表面温度测试步骤；5)环境温、湿度测试步骤；6)环境风速测试步骤；7)变压器几何尺寸测试步骤；8)根据JB/T 5347-1999《变压器用片式散热器》进行散热器辐射散热表面积、对流散热面积的核算。本发明方法可进行变压器运行时散热能力的总体评价，确保高海拔地区变压器的稳定运行，本发明方法可应用于110kV及以上变压器运行、检修策略的技术支持。

说明书

技术领域

本发明涉及一种输变电技术，具体地说是涉及一种高海拔地区110kV及以上变压器安全运行的变压器散热能力测试及核算方法。

背景技术

变压器的安全运行是保证电网安全运行的先行条件，风冷式变压器在我省使用较为普遍，这些变压器所用的冷风机安装在散热器侧面(侧吹式)，长期运行后冷却效果差，风机噪声很大。高海拔地区空气稀薄，散热介质相对少，从而变压器散热较差。如长期运行、散热较差的变压器顶层油温超过95℃的考核标准，将会严重影响变压器的寿命、甚至导致变压器的损坏，而被迫停运检修，对电网输出造成重大的损失。

依据国标GB-1094.2-1996《电力变压器温升》，变压器运行于高海拔地区的，需进行温升海拔修正。由于变压器的绝缘老化程度与温升有直接关系(如6℃法则，即平均每升高6℃，变压器寿命减半)。根据变压器实际运行情况，变压器散热不良的紧急缺陷在省公司运行的110kV及以上变压器中经常出现，散热不良、温升过大的紧急缺陷约占所有缺陷的40％以上，而在省公司系统内处理由散热不良、温升过大的紧急缺陷这方面开展工作的很少。

变压器的冷却效果差、散热量小、顶层油温过高，将直接影响到变压器的安全运行，威胁到电力安全生产。散热较差、噪声较大的变压器如不及时查明原因、提出技术改造方案，将导致变压器的停运或损坏。

变压器散热研究国外上世纪九十年代中后期开始进行研究，国内学者近期也开始了这方面的研究，但资料较少，数据量有限。而在高海拔地区根据变压器实际运行情况对变压器散热不良、温升过大的紧急缺陷的处理方案，尚未见记载。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，提供一种针对高海拔地区变压器运行状况的高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试及核算方法，并可根据测试数据和海拔与温升的关系分析变压器散热的主要问题，提出降低变压器顶层油温，提出冷却风机选型和节能降噪技术方案。

本发明一种高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试及核算方法通过下述技术方案予以实现：本发明一种高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试及核算方法包括被测变压器、变压器油，测试用温度传感器、传感器输送导线、数据采集板、变压器散热器、散热器表面测温点、变压器正背面测温点、变压器左右面测温点、油箱、油入口热电偶、空气入口热电偶、油出口热电偶、被试风冷却器、空气出口热电偶、油泵、红外热成像仪、红外测温仪、温湿度计、水银式温度计、高原大气压力表、风速测试仪，所述的方法包括如下步骤：

1)变压器顶层油温测试步骤指通过对变压器油箱中变压器油的顶层油温进行实时监测来对变压器温升情况进行分析的过程，顶层油温的测点为变压器本身的油温传感器引线点；

2)变压器外壳表面温度测试步骤第一测量方法是变压器上设定温度测量点，加装铂电阻温度传感器，利用数据采集板进行连续采集，用测量出不同时段的数据对变压器散热量进行修正；

3)变压器总损耗

变压器运行时产生的热量即变压器的总损耗P，包括空载损耗P_O和负载损耗P_f，空载损耗为常数，负载损耗等于负载率的平方乘以额定负载时的负载损耗P_e，即：

$P=P_0+{\left(\frac{I}{I_e}\right)}^2.P_e$

以上参数均由厂家铭牌参数提供，其中运行中的低压侧电流、高压侧电流可从变电站主控室操作盘上调出历史负荷曲线，从而可查询到任意时刻的下的负荷和电流值；

4)散热器表面温度测试步骤

测量方法是散热器上设定温度测量点，用红外热成象仪对散热器上设定温度测量点进行测量，用测量出不同时段的数据对变压器散热量进行修正，

5)环境温、湿度测试步骤

○利用温湿度测试仪进行现场不间断测量，设专人每隔5分钟进行湿度读数一次，保证所采集的数据量全面、准确；

○利用四根水银温度计分别布置在变压器四周四侧，设专人每隔5分钟进行读数一次。

6)环境风速测试步骤

利用风速测试仪进行现场不间断测量，保证所采集的数据量全面、准确

7)变压器几何尺寸测试步骤

变压器、冷却器外观几何尺寸由厂家提供；

8)根据JB/T 5347-1999《变压器用片式散热器》进行散热器辐射散热表面积、对流散热面积的核算。

本发明一种高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试及核算方法与现有技术相比较有如下有益效果：本发明方法通过对现场正在运行的风冷式高压变压器散热能力进行测点位置布置、测试、测试数据分析方法和理论计算变压器油箱冷却器的散热能力，提出变压器油箱冷却器选型和节能降噪改造的关键并进行分析研究，并与实测值进行比较分析变压器散热能力能否满足现场实际运行需要。并根据变压器的损耗，修正努塞尔数，校验冷却风速。通过对历次测试变压器的散热量数据的分析、比较，研究变压器的负载与季节、气温的总体趋势。为变压器设备的运行、检修策略提供技术依据，积累省公司系统各变压器散热与损耗关系的基础资料。为高海拔地区风冷式变压器散热损耗的研究提供一定的基础资料。可为高海拔地区运行中的变压器散热损耗能力核算，提供完善的测试手段、数据分析方法，可根据测试数据和海拔与温升的关系分析变压器散热的主要问题，以降低变压器顶层油温，提出风机选型和节能降噪改造的关键。

本发明方法可进行变压器运行时散热能力的总体评价，确保高海拔地区变压器的稳定运行，本发明方法可应用于110kV及以上变压器运行、检修策略的技术支持。

附图说明

本发明一种高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试及核算方法有如下附图：

图1为本发明一种高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试及核算方法变压器散热器表面温度测点结构示意图；

图2为本发明一种高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试及核算方法变压器油箱顶层油温测量示意图；

图3为本发明一种高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试及核算方法变压器正背面表面温度测量示意图；

图4为本发明一种高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试及核算方法变压器左右面表面温度测量示意图；

图5为本发明一种高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试及核算方法冷却器冷却容量测试示意图。

其中：1、变压器；2、变压器油；3、测试用温度传感器；4、传感器输送导线；5、数据采集板；6、变压器散热器；7、散热器表面测温点；8、变压器正背面测温点；9、变压器左右面测温点；10、油箱；11、油入口热电偶；12、空气入口热电偶；13、油出口热电偶；14、被试风冷却器；15、空气出口热电偶；16、油泵；17、红外热成像仪；18、红外测温仪；19、温湿度计；20、水银式温度计；21、高原大气压力表；22、风速测试仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明一种高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试及核算方法技术方案作进一步描述。

如图1-图5所示，本发明一种高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试方法包括被测变压器1、变压器油2，测试用温度传感器3、传感器输送导线4、数据采集板5、变压器散热器6、散热器表面测温点7、变压器正背面测温点8、变压器左右面测温点9、油箱10、油入口热电偶11、空气入口热电偶12、油出口热电偶13、被试风冷却器14、空气出口热电偶15、油泵16、红外热成像仪17、红外测温仪18、温湿度计19、水银式温度计20、高原大气压力表21、风速测试仪22，所述的方法包括如下步骤：

1)变压器顶层油温测试步骤指通过对变压器1油箱10中变压器油2的顶层油温进行实时监测来对变压器温升情况进行分析的过程，顶层油温的测点为变压器本身的油温传感器3引线点；

2)变压器外壳表面温度测试步骤第一测量方法是变压器1上设定温度测量点8，9，加装铂电阻温度传感器18，利用数据采集板5进行连续采集，用测量出不同时段的数据对变压器散热量进行修正；

3)变压器总损耗核算步骤

变压器运行时产生的热量即变压器的总损耗P，包括空载损耗P_O和负载损耗P_f，空载损耗为常数，负载损耗等于负载率的平方乘以额定负载时的负载损耗P_e，即：

$P=P_0+{\left(\frac{I}{I_e}\right)}^2.P_e$

以上参数均由厂家铭牌参数提供，其中运行中的低压侧电流、高压侧电流可从变电站主控室操作盘上调出历史负荷曲线，从而可查询到任意时刻的下的负荷和电流值；

4)散热器表面温度测试步骤

测量方法是散热器上设定温度测量点，用红外热成象仪17对散热器上设定温度测量点进行每隔5分钟进行一次的测量，用测量出不同时段的数据对变压器散热量进行修正；

5)环境温、湿度测试步骤

利用温湿度测试仪19进行现场不间断测量，设专人每隔5分钟进行湿度读数一次，保证所采集的数据量全面、准确；

利用四根水银温度计20分别布置在变压器四周四侧，设专人每隔5分钟进行读数一次。

6)环境风速测试步骤

利用风速测试仪22进行现场不间断测量，保证所采集的数据量全面、准确

7)变压器几何尺寸测试步骤

变压器、冷却器外观几何尺寸由厂家提供；

8)根据JB/T 5347-1999《变压器用片式散热器》进行散热器辐射散热表面积、对流散热面积的核算。

所述的变压器1表面温度检测是每隔5分钟进行一次测量；变压器1表面温度检测分别检测变压器正背面测温点8、变压器左右面测温点9共4个面。

所述的变压器1高压侧为正面。

所述的变压器外壳表面温度测试步骤2)的第二测量方法是变压器1上设定温度测量点8，9，在变压器1上用红外热成象仪17对变压器1上设定的变压器正背面温度测量点8和变压器左右面温度测量点9进行测量。

所述的步骤3)中变压器总损耗的负载率为低压侧电流I，和低压侧额定电流I_e之比，或高压侧电流与高压侧额定电流之比。

所述的步骤4)中变压器散热器6的测量点高压侧为35个点，低压侧为40个点。

本发明所述的高海拔下110kV及以上变压器散热能力核算方法，所述的核算包括变压器总损耗P计算，冷油器风扇在关停位置时辐射换热，冷油器风扇在关停位置时自然对流换热量计算，冷油器风扇在开启位置时对流换热重新核算，计算步骤为：

1)所述的变压器总损耗P的计算：$P=P_0+{\left(\frac{I}{I_e}\right)}^2.P_e$

其中：P_O：空载损耗；

      Pe：负载损耗；

      I_e：额定电流；

      I：实际电流；

以上参数均由厂家铭牌参数提供；

2)冷油器风扇在关停位置时：

①辐射换热

${\Phi }_r=5.67A_1ϵ({\left(\frac{T_w}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_f}{100}\right)}^4)$

其中：A₁：辐射换热表面积；

      ε：表面发射率，普通钢为0.82；

T_w：为壁面温度＝(273+t_w)，℃；

T_f：为大气温度＝(273+t_f)，℃；

其中：A₁＝[2*B*d*N+B*H]*10⁶m²

      B：片宽；

      H：片高；

      N：片数；

      d：片间距；

②自然对流换热量计算

Φc＝hA(t_w-t_f)

其中：$h=\frac{\lambda N_U}{l}$

式中：Φc：为对流换热量，w；

      h：为对流换热系数；

为努塞尔数，表征流体的对流换热特性；

      l：为特征长度，散热片高度，m；

      λ：为空气热导率，W/(m²·℃)；

      A：为对流换热面积，m²；

      t_w：为壁面温度，℃；

      t_f：为大气温度，℃；

      K₁：1.24；

其中：$N_{u_n}=C{\left(G_r{P}_r\right)}^n$

      P_r：为普朗特数；

      G_r：为格拉晓夫数；

      C、n：分别为常数；

其中：A＝2*B₀*H*N*10⁶m²

3)冷油器风扇在开启位置时：

如果P＞(Φ_r+Φc)，则应开启冷风机，进行选取冷风机风速，重新核算对流换热，因为此时对流换热为自然对流与强制对流换热的混合；

①对流换热重新核算，此时冷却风速已经确定，

Φc＝hA(t_w-t_f)

其中：$h=\frac{\lambda N_U}{l}$

式中：Φc：为对流换热量，w；

      h：为对流换热系数；

      N_U：为努塞尔数，表征流体的对流换热特性；

      l：为特征长度，散热片高度，m；

      λ：为空气热导率，W/(m²·℃)；

      A：为对流换热面积，m²；

      t_w：为壁面温度，℃；

      t_f：为大气温度，℃；

其中：A＝2*B₀*H*N*10⁶m²

此时N_U为自然对流与强制对流的混合对流时的努塞尔数：

即：$N_u=\sqrt[3]{{\left(k_1{N}_{u_n}\right)}^3+{\left(k_2{N}_{u_f}\right)}^3}$

其中：在前面已经核算过；

在进行核算，K₂＝1.26

式中：$N_{U_f}={{\mathrm{CR}}_e}^n,$

$R_e=\frac{\mathrm{ul}}{v},$

其中：R_e：为雷诺数；

u：为空气流速，m/s

v：为空气的运动粘度，m²/s；

C、n为常数。

实施例1。

本发明一种高海拔下110kV及以上变压器散热能力测试方法包括如下步骤：

1)变压器顶层油温测试步骤指通过对变压器1油箱10中变压器油2的顶层油温进行实时监测来对变压器温升情况进行分析的过程，顶层油温的测点为变压器本身的油温传感器3引线点；

2)变压器外壳表面温度步骤第一测量方法是变压器1上设定温度测量点8，9，用红外热成象仪17对变压器1上设定变压器正背面温度测量点8和变压器左右面温度测量点9进行测量，用测量出不同时段的数据对变压器散热量进行修正；

本发明使用的红外热成像仪为公知的成像设备，其包括300kV大功率便携式射线机、CR数字图像扫描仪、X射线感光成像板、高清晰笔记本电脑、专用图像处理软件、电缆连线及其它安全防护用具等。

3)变压器总损耗核算步骤

变压器运行时产生的热量即变压器的总损耗P，包括空载损耗P_O和负载损耗P_f，空载损耗为常数，负载损耗等于负载率的平方乘以额定负载时的负载损耗P_e，即：

$P=P_0+{\left(\frac{I}{I_e}\right)}^2.P_e$

以上参数均由厂家铭牌参数提供，其中运行中的低压侧电流、高压侧电流可从变电站主控室操作盘上调出历史负荷曲线，从而可查询到任意时刻的下的负荷和电流值；

4)散热器表面温度测试步骤

测量方法是散热器上设定温度测量点，用红外热成象仪17对散热器上设定温度测量点进行每隔5分钟进行一次的测量，用测量出不同时段的数据对变压器散热量进行修正；

5)环境温、湿度测试步骤

利用温湿度测试仪19进行现场不间断测量，设专人每隔5分钟进行湿度读数一次，保证所采集的数据量全面、准确；

本发明使用的温湿度计19为(Testo615)，温湿度计19可在线监测装置中提取数据，也可以利用Testo615现场测量采集数据。

利用四根水银温度计20分别布置在变压器四周四侧，设专人每隔5分钟进行读数一次。水银温度计20为棒式玻璃水银温度计。

6)环境风速测试步骤

利用风速测试仪22进行现场不间断测量，保证所采集的数据量全面、准确；风速测试仪22为EF-4型风速仪。

7)变压器几何尺寸测试步骤

变压器、冷却器外观几何尺寸由厂家提供；

8)根据JB/T 5347-1999《变压器用片式散热器》进行散热器辐射散热表面积、对流散热面积的核算。

所述的变压器1表面温度检测是每隔5分钟进行一次测量；变压器1表面温度检测分别检测变压器正背面测温点8、变压器左右面测温点9共4个面。

所述的变压器1高压侧为正面。

所述的变压器外壳1表面温度检测是是变压器上设定温度测量点，在变压器外壳1上加装铂电阻温度传感器18，利用数据采集板5进行连续采集。

所述的步骤3)中变压器总损耗的负载率为低压侧电流I，和低压侧额定电流I_e之比，或高压侧电流与高压侧额定电流之比。

所述的步骤4)中变压器散热器6的测量点高压侧为35个点，低压侧为40个点。

本发明所述的高海拔下110kV及以上变压器散热能力核算方法，所述的核110kV级变压器散热能力算包括变压器总损耗P计算，冷油器风扇在关停位置时辐射换热，冷油器风扇在关停位置时自然对流换热量计算，冷油器风扇在开启位置时对流换热重新核算，计算步骤为：

1)所述的变压器总损耗P的计算：$P=P_0+{\left(\frac{I}{I_e}\right)}^2.P_e$

其中：P_O：空载损耗；

      Pe：负载损耗；

      I_e：额定电流；

      I：实际电流；

以上参数均由厂家铭牌参数提供；

2)冷油器风扇在关停位置时：

①辐射换热

${\Phi }_r=5.67A_1ϵ({\left(\frac{T_w}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_f}{100}\right)}^4)$

其中：A₁：辐射换热表面积；

      ε：表面发射率，普通钢为0.82；

      T_w：为壁面温度＝(273+t_w)，℃；

      T_f：为大气温度＝(273+t_f)，℃；

其中：A₁＝[2*B*d*N+B*H]*10⁶m²

      B：片宽；

H：片高；

N：片数；

d：片间距；

②自然对流换热量计算

Φc＝hA(t_w-t_f)

其中：$h=\frac{\lambda N_U}{l}$

式中：Φc：为对流换热量，w；

      h：为对流换热系数；

为努塞尔数，表征流体的对流换热特性；

      l：为特征长度，散热片高度，m；

      λ：为空气热导率，W/(m²·℃)；

      A：为对流换热面积，m²；

      t_w：为壁面温度，℃；

      t_f：为大气温度，℃；

      K₁：1.24；

其中：$N_{u_n}=C{\left(G_r{P}_r\right)}^n$

      P_r：为普朗特数；

      G_r：为格拉晓夫数；

      C、n：分别为常数；

其中：A＝2*B₀*H*N*10⁶m²

3)冷油器风扇在开启位置时：

如果P＞(Φ_r+Φc)，则应开启冷风机，进行选取冷风机风速，重新核算对流换热，因为此时对流换热为自然对流与强制对流换热的混合；

①对流换热重新核算，此时冷却风速已经确定，

Φc＝hA(t_w-t_f)

其中：$h=\frac{\lambda N_U}{l}$

式中：Φc：为对流换热量，w；

      h：为对流换热系数；

      N_U：为努塞尔数，表征流体的对流换热特性；

      l：为特征长度，散热片高度，m；

      λ：为空气热导率，W/(m²·℃)；

      A：为对流换热面积，m²；

      t_w：为壁面温度，℃；

      t_f：为大气温度，℃；

其中：A＝2*B₀*H*N*10⁶m²

此时N_U为自然对流与强制对流的混合对流时的努塞尔数：

即：$N_u=\sqrt[3]{{\left(k_1{N}_{u_n}\right)}^3+{\left(k_2{N}_{u_f}\right)}^3}$

其中：在前面已经核算过；

在进行核算，K₂＝1.26

式中：$N_{U_f}={{\mathrm{CR}}_e}^n,$

$R_e=\frac{\mathrm{ul}}{v},$

其中：R_e：为雷诺数；

      u：为空气流速，m/s

      v：为空气的运动粘度，m²/s；

      C、n为常数。