劉宏亮，田 娜，潘 瑾，何 平，冀增華

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.國(guó)網(wǎng)河北經(jīng)研院，石家莊 050021；3.保定天威新域科技發(fā)展有限公司，河北 保定 071051）

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)負(fù)荷高速增長(zhǎng)，造成變壓器負(fù)荷率居高不下。電網(wǎng)運(yùn)行遵循“N－1”安全標(biāo)準(zhǔn)，2臺(tái)及以上并列運(yùn)行的變壓器，要求在其中1臺(tái)變壓器因故障退出運(yùn)行時(shí)，剩余運(yùn)行的變壓器負(fù)載率不應(yīng)超過(guò)其短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力。為滿足“N－1”標(biāo)準(zhǔn)，變壓器故障后短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力往往成為決定變壓器正常運(yùn)行允許負(fù)載率的關(guān)鍵性因素。

目前，電網(wǎng)運(yùn)行的變壓器故障后短時(shí)過(guò)倍數(shù)通常為1.3～1.5，從而導(dǎo)致變壓器最大運(yùn)行負(fù)載率相對(duì)較低。以短時(shí)過(guò)載倍數(shù)為1.3的變壓器為例，當(dāng)2臺(tái)變壓器并列運(yùn)行時(shí)最大負(fù)載率僅達(dá)到約65%，導(dǎo)致主變壓器負(fù)荷率相對(duì)較低。另外，這種情況也導(dǎo)致了變電站2臺(tái)主變壓器并列運(yùn)行維持的時(shí)間較短。因此，動(dòng)態(tài)的評(píng)估變壓器的過(guò)負(fù)荷能力，挖掘變壓器的過(guò)負(fù)荷能力就顯示出對(duì)變壓器運(yùn)行的意義。

變壓器的過(guò)負(fù)荷會(huì)造成變壓器的壽命縮短，因?yàn)橛徒儔浩鞯睦@組多由A 級(jí)絕緣材料組成，其耐熱溫度在105℃左右，超過(guò)這個(gè)溫度，會(huì)使絕緣材料老化加劇，長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)使變壓器出現(xiàn)過(guò)熱甚至燒毀現(xiàn)象。因此總結(jié)分析目前運(yùn)行中的各類變壓器，不同冷卻控制方式、不同負(fù)荷特性、不同季節(jié)和環(huán)境溫度下的變壓器油溫變化及對(duì)負(fù)載能力預(yù)測(cè)的影響?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)原理找出其與上述各影響因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系。結(jié)合現(xiàn)有變壓器負(fù)載運(yùn)行導(dǎo)則和冷卻器控制策略，基于提高變壓器運(yùn)行效率、延長(zhǎng)壽命和節(jié)能降耗的原則，建立一套根據(jù)具體變壓器結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特點(diǎn)、環(huán)境因素參與優(yōu)化運(yùn)算的過(guò)負(fù)荷能力預(yù)測(cè)的計(jì)算模型。

1 變壓器過(guò)負(fù)荷能力制定依據(jù)

變壓器的絕緣老化［1－2］主要是由于溫度、濕度、氧氣和油中的劣化產(chǎn)物化學(xué)反應(yīng)引起的，其中高溫是促成老化的直接原因。運(yùn)行中絕緣工作溫度越高，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的越快，絕緣老化就越快。變壓器的預(yù)期壽命或老化程度與繞組熱點(diǎn)溫度成指數(shù)比例關(guān)系，即高溫時(shí)絕緣老化的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低溫時(shí)絕緣老化的速度。

根據(jù)GB 1094.7－2008《電力變壓器 第7 部分：油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》設(shè)計(jì)的變壓器，在額定負(fù)載和正常環(huán)境溫度下，最熱點(diǎn)溫度的基準(zhǔn)值為98 ℃，在此溫度下，變壓器相對(duì)老化率為1。為了判斷變壓器在不同負(fù)荷下的絕緣老化的情況，可將變壓器在某一段時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)際損耗的壽命對(duì)繞組溫度維持恒定98 ℃時(shí)所損耗的壽命，求出其比值，稱為絕緣老化率V。根據(jù)參考文獻(xiàn)［3］可知V＞1時(shí)，變壓器老化率大于正常老化率，預(yù)期壽命將大為縮短；如果V＜1，則變壓器負(fù)荷能力未得到充分利用。因此在一定時(shí)間間隔內(nèi)，維持變壓器的老化率接近1，是制定變壓器過(guò)負(fù)荷能力的主要依據(jù)。

2 變壓器過(guò)負(fù)荷能力分析

變壓器的額定容量，即銘牌容量是在規(guī)定的環(huán)境溫度下，長(zhǎng)期能按這種容量連續(xù)運(yùn)行，并能獲得經(jīng)濟(jì)合理的效率，且具有正常的預(yù)期壽命（20～30年）。實(shí)際上變壓器的負(fù)荷變化很大，不可能固定在額定值運(yùn)行，在短時(shí)間間隔內(nèi)，有時(shí)超出額定容量運(yùn)行，在另一部分時(shí)間間隔內(nèi)又是欠負(fù)荷運(yùn)行。因此，有必要給出一個(gè)短時(shí)容許負(fù)荷及主變壓器的負(fù)荷能力，它不同于額定容量，變壓器的負(fù)荷能力指在短時(shí)間內(nèi)所能輸出的功率，在一定條件下，它可能超過(guò)額定容量。變壓器過(guò)負(fù)荷的直接結(jié)果是繞組和變壓器油的溫度升高，影響變壓器的壽命。

變壓器負(fù)荷能力的大小和持續(xù)時(shí)間決定于變壓器的電流和溫度不超過(guò)規(guī)定的限值；在整個(gè)運(yùn)行期間變壓器總的絕緣老化不超過(guò)正常值，即過(guò)負(fù)荷時(shí)間絕緣老化多一些，在欠負(fù)荷期間絕緣老化要少一些，只要二者可以相互補(bǔ)充，總的損失不超過(guò)正常值，能達(dá)到正常預(yù)期壽命即可。

3 基于歷史負(fù)荷趨勢(shì)的過(guò)負(fù)荷能力算法

基于溫度限值的方法是計(jì)算變壓器過(guò)負(fù)荷時(shí)間的普遍算法，如式（1）所示：

式中：Δθht為熱點(diǎn)溫度；ΔθOTt為頂層油溫升；K1為變壓器初始負(fù)載系數(shù)；K2為變壓器負(fù)載變化后的負(fù)載系數(shù)；gr為繞組對(duì)油的平均溫升；t為負(fù)載系數(shù)為K2的運(yùn)行時(shí)間，min；τw為繞組熱時(shí)間常數(shù)，min。

根據(jù)所給參數(shù)和熱點(diǎn)溫度，求出時(shí)間t，該算法是根據(jù)變壓器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和目標(biāo)負(fù)荷計(jì)算出變壓器從當(dāng)前負(fù)荷過(guò)負(fù)荷到目標(biāo)負(fù)荷后所能堅(jiān)持的時(shí)間。然而該方法只考慮了穩(wěn)態(tài)的負(fù)荷，并沒有考慮未來(lái)時(shí)間內(nèi)可能動(dòng)態(tài)變化的負(fù)荷數(shù)據(jù)，根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果推算，利用該算法計(jì)算出過(guò)負(fù)荷時(shí)間t后，在實(shí)際情況下有時(shí)會(huì)得到運(yùn)行時(shí)間不到t時(shí)變壓器就開始出現(xiàn)故障，也就是說(shuō)變壓器的負(fù)荷能力沒那么高；有時(shí)又會(huì)得出運(yùn)行時(shí)間比t高出好幾倍的結(jié)果，這樣會(huì)大大浪費(fèi)變壓器資源，降低運(yùn)行效率。因此，提出一種基于歷史負(fù)荷趨勢(shì)的變壓器動(dòng)態(tài)過(guò)負(fù)荷能力的評(píng)估算法。歷史負(fù)荷趨勢(shì)匹配法的流程示意見圖1。

圖1 歷史負(fù)荷趨勢(shì)流程

3.1 滑動(dòng)窗口匹配法

該方法是可以選擇任意1天的負(fù)荷趨勢(shì)、上周平均負(fù)荷趨勢(shì)或上1個(gè)月的平均負(fù)荷趨勢(shì)。對(duì)于上周平均負(fù)荷，要對(duì)每1天同一時(shí)間段的負(fù)荷數(shù)據(jù)設(shè)置權(quán)重。同理，對(duì)于上個(gè)月的平均負(fù)荷，要對(duì)每1周的負(fù)荷數(shù)據(jù)設(shè)置權(quán)重，最后得出的都是1天的平均負(fù)荷數(shù)據(jù)。圖2、3分別是周歷史負(fù)荷趨勢(shì)和月歷史負(fù)荷趨勢(shì)計(jì)算流程圖。

圖2 周歷史負(fù)荷趨勢(shì)流程

圖3 月歷史負(fù)荷趨勢(shì)流程

3.2 負(fù)荷相似度法

負(fù)荷相似度匹配法是自動(dòng)選擇上個(gè)月中和當(dāng)天負(fù)荷趨勢(shì)最相似的一天作為歷史負(fù)荷趨勢(shì)，通常通過(guò)比較2天負(fù)荷數(shù)據(jù)的Manhattan距離來(lái)計(jì)算2天負(fù)荷數(shù)據(jù)的相似度。

3.3 平均值法

平均值法是利用歷史負(fù)荷趨勢(shì)圖進(jìn)行負(fù)荷能力評(píng)估的算法。首先根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷K和目標(biāo)負(fù)荷，利用基于溫度限值的算法計(jì)算出變壓器過(guò)負(fù)荷時(shí)間理論值t，以此為依據(jù)，查詢歷史負(fù)荷趨勢(shì)中當(dāng)前負(fù)荷K1和當(dāng)前t時(shí)間段內(nèi)平均負(fù)荷數(shù)據(jù)K2，并進(jìn)行比較。

a.如果負(fù)荷沒有變化，即K1＝K2，則基于歷史負(fù)荷趨勢(shì)的過(guò)負(fù)荷時(shí)間值等于t，說(shuō)明變壓器過(guò)負(fù)荷時(shí)間沒有變化。

b.如果負(fù)荷下降，即K1＞K2，則基于歷史負(fù)荷趨勢(shì)的過(guò)負(fù)荷時(shí)間值將延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，目標(biāo)負(fù)荷將改為－（K1－K2），然后根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷K和目標(biāo)負(fù)荷，利用溫度限值的算法更新過(guò)負(fù)荷時(shí)間。

c.如果負(fù)荷上升，即K1＜K2，則基于歷史負(fù)荷趨勢(shì)的過(guò)負(fù)荷時(shí)間值將縮短運(yùn)行時(shí)間，目標(biāo)負(fù)荷將改為＋（K2－K1），然后根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷K和目標(biāo)負(fù)荷利用溫度限值的算法更新過(guò)負(fù)荷時(shí)間。

圖4（a）和圖4（b）分別是歷史負(fù)荷和當(dāng)前負(fù)荷示意圖，當(dāng)前負(fù)荷為0.8，過(guò)負(fù)荷到1.1的理論極限時(shí)間為t，查看歷史負(fù)荷趨勢(shì)t時(shí)間段內(nèi)負(fù)荷上升率為0.1，則實(shí)際計(jì)算負(fù)荷為0.8到1.2的極限時(shí)間t′，因此顯示參考?xì)v史趨勢(shì)的1.1 倍過(guò)負(fù)荷極限時(shí)間為實(shí)際變壓器1.2倍過(guò)負(fù)荷的極限時(shí)間t′。

圖4 歷史負(fù)荷和當(dāng)前負(fù)荷示意

4 實(shí)例分析

試驗(yàn)樣機(jī)為1臺(tái)三相三繞組180MVA／220kV變壓器，無(wú)風(fēng)扇和潛油泵（ONAN），在各種負(fù)荷狀態(tài)下的熱平衡和溫度分布?xì)v時(shí)3天，獲得了幾萬(wàn)個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。各種負(fù)荷狀態(tài)下，在導(dǎo)則規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，頂層油溫升達(dá)到限值且與繞組熱點(diǎn)溫度達(dá)到了熱平衡狀態(tài)，而繞組熱點(diǎn)溫度并未達(dá)到限值。不同負(fù)荷狀態(tài)下熱點(diǎn)溫度值見圖5。

圖5 不同負(fù)荷狀態(tài)下熱點(diǎn)溫度值

首先利用滑動(dòng)窗口匹配法或者負(fù)荷相似度匹配法生成歷史負(fù)荷趨勢(shì)圖，如圖6所示。

圖6 歷史負(fù)荷趨勢(shì)

變壓器當(dāng)前數(shù)據(jù)為損耗比6.4，頂層油溫升32.8 ℃，油平均溫升15.3 ℃，繞組平均溫升1.6℃，環(huán)境溫度40℃，絕緣熱點(diǎn)溫度140℃，當(dāng)前負(fù)荷70%，變壓器樣機(jī)當(dāng)前負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖7所示。根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)利用平均值法和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)算法計(jì)算出來(lái)的變壓器過(guò)負(fù)荷時(shí)間見表1。

圖7 當(dāng)前負(fù)荷數(shù)據(jù)

表1 平均值法負(fù)荷能力計(jì)算結(jié)果

由表1中基于歷史負(fù)荷趨勢(shì)和基于溫度限值2種方法的計(jì)算結(jié)果可見，在相同環(huán)境溫度及起始負(fù)荷的條件下，采用前者既能保證變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行，又提高了變壓器的資源利用率，挖掘變壓器的實(shí)際過(guò)負(fù)荷能力，滿足實(shí)際運(yùn)行的需要。

5 結(jié)論

a.利用光纖測(cè)溫技術(shù)對(duì)220kV 變壓器產(chǎn)品進(jìn)行了溫度場(chǎng)溫度計(jì)算，試驗(yàn)驗(yàn)證動(dòng)態(tài)過(guò)負(fù)荷評(píng)估模型，其模型算法優(yōu)于國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)算法，結(jié)果表明，此模型充分的挖掘變壓器的過(guò)負(fù)荷能力的潛力。

b.對(duì)基于歷史負(fù)荷趨勢(shì)和基于溫度限值2種方法進(jìn)行計(jì)算及實(shí)例比較，論述變壓器動(dòng)態(tài)過(guò)載能力評(píng)估方法，基于歷史負(fù)荷趨勢(shì)的計(jì)算既能保證變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行，又提高了變壓器的資源利用率，值得推薦采納。

c.對(duì)于運(yùn)行中的變壓器，基于溫度限值的算法已經(jīng)不能滿足實(shí)際要求，根據(jù)變壓器歷史負(fù)荷趨勢(shì)計(jì)算的過(guò)負(fù)荷能力更能反映變壓器的實(shí)際過(guò)負(fù)荷水平。

d.對(duì)于變壓器的實(shí)際過(guò)負(fù)荷能力，除按照上述算法計(jì)算外，還應(yīng)結(jié)合變壓器的實(shí)際運(yùn)行情況考慮變壓器是否適合過(guò)負(fù)荷運(yùn)行。例如，當(dāng)變壓器冷卻裝置異常、油色譜有過(guò)熱現(xiàn)象、局部放電異常等。

［1］卞 超，李 軍.大型電力變壓器過(guò)負(fù)荷能力計(jì)算［J］.江蘇電機(jī)工程，2005，24（2）：12－14.

［2］劉 潤(rùn).變壓器過(guò)負(fù)荷能力的探討［J］.青海師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（2）：27－28，37.

［3］GB 1094.7－2008，電力變壓器 第7部分：油浸電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則［S］.