一种基于温升特性的变压器负荷能力评估方法

摘要

本发明公开了一种基于温升特性的变压器负荷能力评估方法，包括以下步骤：(1)获得变压器离线数据并采集变压器顶层油温、环境温度、日照辐射功率、负荷电流等在线信息，完成变压器实时数据储备；(2)建立变压器热点温度计算模型，实时监测变压器热点温度；(3)计算变压器相对寿命损失值；(4)采用变压器热点温度限值和相对寿命损失值作为负荷能力约束条件；(5)变压器负荷能力分析，依据变压器三种负荷状态，分别评估不同负荷状态下变压器的最大负荷率或最大可持续运行时间。本发明方法提高了热点温度计算结果的准确度，并依据不同负荷状态对变压器负荷能力进行具体分析，准确评估变压器负荷能力，便于实际运用。

说明书

技术领域

本发明属于电力变压器技术领域，具体涉及一种基于温升特性的变压器负荷能力评估方法。

背景技术

油浸式电力变压器作为电网的关键设备，是社会各行各业和千家万户能量来源的必经之路，是电网中最重要和最关键的设备之一。然而，变压器负载能力受限或过载损坏极有可能引起电网大面积限电，造成重大经济损失和不良的社会影响。为了保证变压器的安全稳定运行，一方面制造厂家改进变压器导油结构和线饼分布，提升其负载裕度。另一方面，变压器运行管理单位常常留有安全余量，将正常负载率限制在额定值的80％以下。两方面因素导致变压器实际负载率长期低于其负荷能力允许值，造成资源浪费。

目前，国内外许多学者对变压器负载能力已经展开较多研究，并取得了一定进展。国内部分学者采用GB/T15164—94《油浸式电力变压器负载导则》推荐的热点温度计算方法，以绕组热点温度140℃为约束条件，核算变压器过负荷能力，结果表明该方法能提高变压器15％的输电容量。重庆大学的江淘沙等人提出了一种基于底层油温的等效热路模型，并通过实验验证了该模型的有效性。Martin D等人考虑了油中微水和氧气含量，对IEEE推荐的变压器剩余寿命计算方法进行修正，实验结果表明改进方法更符合实际情况。Chowdhury等人提出了一种新型可靠性成本模型评估不同应急能力下变压器的负载效益，为变压器运行管理提供指导建议。纵观已有的热点温度计算方法，尚存在以下问题：1)在计算变压器热点温度时，忽略了日照辐射的影响，容易造成热点温度计算结果出现不必要的偏差；2)现有负荷能力评估方法主要依赖于负载率与绕组温升关系，常忽略变压器相对损失寿命以及辅助设备容量(如套管和分解开关)对负荷能力的影响；3)在评估变压器负荷能力时，未能评估不同负载状态下的负荷能力，不便于实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种计算简单、准确度高且实用性强的基于温升特性的变压器负荷能力评估方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种基于温升特性的变压器负荷能力评估方法，包括以下步骤：

1)获得变压器离线和在线数据，完成变压器实时数据储备；

2)分析变压器内部传热过程和热电类比理论，综合考虑负载损耗、油粘度、环境温度和日照辐射的影响，建立热点温度θ_hs计算模型，然后采用Runge-Kutta法求解，获得变压器当前热点温度θ_hs；

3)采用上述热点温度θ_hs计算结果作为输入量，计算变压器相对老化速率V，然后对V进行定积分运算求得变压器相对寿命损失值L；

4)构建变压器负荷能力约束条件；

5)进行变压器负荷能力分析，获得变压器的最大负荷率K_max或最大可持续运行时间T_max。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，变压器离线数据包含变压器台账信息、设计制造参数以及出厂温升试验数据，变压器在线数据包含顶层油温、环境温度、日照辐射功率和负荷电流。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，变压器当前热点温度θ_hs的计算模型如下：

θ_hs＝H×(θ_wnd-θ_oil)+θ_top

式中，q_fe指变压器空载损耗，q_cu变压器负载损耗，q_sun指变压器箱体吸收的日照辐射量，C_th1为环境温度至平均油温模型的集总热容，C_th2为平均油温至顶层油温模型的集总热容，C_th3为平均油温至绕组平均温度模型的集总热容，R_th-oil-air为平均油温至环境温度的散热热阻，R_th-top-oil为顶层油温至平均油温的散热热阻，R_th-wnd-oil为绕组平均温度至平均油温的散热热阻，θ_amb为环境温度，θ_oil为平均油温，θ_top为顶层油温，θ_hs为热点温度，H为热点系数。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，变压器相对老化速率V和相对寿命损失值L分别采用如下方法确定：

式中，t₁和t₂为变压器前后两个运行时刻，t＝t₂-t₁＝24h。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，变压器负荷能力约束条件包括热点温度限值θ_limit和变压器相对寿命损失限值L_limit，其中θ_limit＝140℃，L_limit＝24。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，变压器负荷能力评估依据变压器实际负荷状态，分别为正常周期负荷能力评估、长期急救负荷能力评估和短期急救负荷能力评估三种方式进行；

其中，正常周期性负荷能力评估以热点温度计算模型为基础，以热点温度限值θ_limit和变压器相对寿命损失限值L_limit为约束条件，评估变压器正常周期性负荷的最大负荷率K_max，使得变压器一个运行周期内安全稳定运行且相对老化速率V＜1；

长期急救负荷能力评估以变压器内部温度估算模型为基础，热点温度限值L_limit为约束条件，评估变压器长期急救负荷的最大平均负荷率K_max，使得变压器能够在几周内在负荷率K下运行，负荷率K为0.8～1.2；

短期急救负荷在紧急或突发情况下出现，以热点温度限值L_limit为约束条件，评估变压器最大可持续运行时间T_max以及最大负荷率K_max。

本发明具有如下的优点：

本发明对变压器热点温度影响因素进行了全面分析，引入日照辐射功率的影响，并综合考虑负载损耗和油粘度随温度的变化，建立热点温度计算模型，进一步提高热点温度计算结果的准确度。采用变压器热点温度、相对损失寿命和辅助设备容量等级作为负荷能力的约束条件，在变压器安全稳定运行的基础上，准确评估变压器负荷能力。依据变压器实际运行情况，对变压器正常周期负荷、长期急救负荷和短期急救负荷三种不同负荷状态变压器负荷能力进行评估，增强工程实用性。准确评估变压器负荷能力，便于充分挖掘和利用变压器负载潜力、减少变压器过载事故概率、提高变压器运行经济性。

附图说明

图1为变压器负荷能力评估流程图；

图2为热点温度计算流程图；

图3为正常周期性负荷能力评估图；

图4为长期急救负荷能力评估图；

图5为短期急救负荷能力评估图；

图6为本发明正常周期性负荷能力评估结果；

图7为本发明长期急救负荷能力评估结果；

图8为本发明短期急救负荷能力评估结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

变压器负荷能力和使用寿命的主要取决于其绕组温度和绝缘强度，较高的热点温度会引起绕组绝缘材料劣化，降低其机械强度和电气强度，使变压器故障概率显著升高。因此，本发明以变压器热点温度计算为基础，以热点温度限值、相对损失寿命和辅助设备容量等级为约束条件，对变压器负荷能力进行评估，具体负荷能力评估流程如图1所示。

具体来说，本发明提供的一种基于温升特性的变压器负荷能力评估方法，包括以下步骤：

1)获得变压器台账信息、设计制造参数以及出厂温升试验数据等离线信息，然后通过相应传感器采集顶层油温、环境温度、日照辐射功率和负荷电流等变压器实时运行信息；

2)分析变压器内部传热过程和热电类比理论，综合考虑负载损耗、油粘度、环境温度和日照辐射等因素的影响，建立热点温度θ_hs计算模型：

θ_hs＝H×(θ_wnd-θ_oil)+θ_top

式中，q_fe指变压器空载损耗，q_cu变压器负载损耗，q_sun指变压器箱体吸收的日照辐射量，C_th1为环境温度至平均油温模型的集总热容，C_th2为平均油温至顶层油温模型的集总热容，C_th3为平均油温至绕组平均温度模型的集总热容，R_th-oil-air为平均油温至环境温度的散热热阻，R_th-top-oil为顶层油温至平均油温的散热热阻，R_th-wnd-oil为绕组平均温度至平均油温的散热热阻，θ_amb为环境温度，θ_oil为平均油温，θ_top为顶层油温，θ_hs为热点温度，H为热点系数。

然后采用Runge-Kutta法求解，获得变压器当前热点温度θ_hs，热点温度计算流程如图2所示；

上述热点温度计算模型中，集总热容C_th1、C_th2、C_th3和散热热阻R_th-oil-air、R_th-top-oil、R_th-wnd-oil的计算方法如下：

C_th1＝c_oil*m_oil+c_tank*m_tank

C_th2＝c_wnd*m_wnd+c_fe*m_fe

C_th2＝c_wnd*m_wnd

3)计算变压器相对老化速率V和变压器相对寿命损失值L：

式中，t₁和t₂为变压器前后两个运行时刻，t＝t₂-t₁＝24h；

4)变压器负荷能力约束条件包括热点温度限值θ_limit和变压器相对寿命损失限值L_limit。其中θ_limit＝140℃，L_limit＝24；

5)对变压器正常周期负荷、长期急救负荷和短期急救负荷三种不同负荷状态变压器负荷能力进行评估。

其中，正常周期性负荷能力评估以热点温度计算模型为基础，以热点温度限值θ_limit和变压器相对寿命损失限值L_limit为约束条件，评估变压器正常周期性负荷的最大负荷率K_max，使得变压器一个运行周期内安全稳定运行且相对老化速率V＜1，评估流程如图3所示。

长期急救负荷能力评估以变压器内部温度估算模型为基础，热点温度限值L_limit为约束条件，评估变压器长期急救负荷的最大负载率K_max，使得变压器可在几周内在负荷率K下运行，负荷率K为0.8～1.2，评估流程如图4所示。

短期急救负荷在紧急或突发情况下出现的且持续时间较短，因此变压器短期负荷能力评估不需要考虑变压器相对寿命损失限值L_limit，仅以热点温度限值L_limit为约束条件，评估变压器最大可持续运行时间T_max以及最大负荷率K_max，评估流程如图5所示。

下面结合一台220kV-180MVA油浸风冷(ONAF)变压器的参数和实测数进行验证，具体参数如表1所示。

表1变压器参数

参数取值参数取值绝缘油重量m_tank(kg)46000试验时空载损耗q_fe(W)82169绕组重量m_wnd(kg)18975试验时负载损耗q_cu(W)512386铁芯重量m_fe(kg)66020日照辐射功率q_sun(W)650壳体重量m_tank(kg)17595额定绕组平均温升(K)44.5绝缘油比热容c_oil(J/K)1440额定顶层油温升(K)42.2铁芯材料比热容c_fe(J/K)446额定平均油温升(K)29绕组材料比热容c_wnd(J/K)390额定电流I(A)564壳体材料比热容c_tank(J/K)317.5热点系数H1.1

具体仿真实例假定环境温度为35℃，其中正常周期性负荷能力仿真结果如图6所示，在变压器相对老化速率V＝1的情况下，正常周期内变压器平均最大负荷率K_max＝1.0。长期急救负荷能力仿真结果如图7所示，理论上变压器长期最大负荷率为K_max<1.5，若考虑辅助设备容量等级，则K_max≤1.2。短期急救负荷能力仿真结果如图8所示，在环境温度为35℃的情况下，变压器最大负荷率K_max与最大可持续运行时间T_max成反比，若假定变压器最大可持续时间为1h，则变压器最大短期急救负荷率K_max<1.6。