陳德

【摘 要】文章針對(duì)電力變壓器過(guò)載運(yùn)行現(xiàn)象，分析對(duì)電力變壓器進(jìn)行過(guò)載能力評(píng)估的重要性，并介紹了電力變壓器過(guò)載能力評(píng)估方法。

【關(guān)鍵詞】電力變壓器；過(guò)載能力

目前，在部分城市電網(wǎng)中，由于土地資源緊張，征地、拆遷的難度大，變電站選址和線路走廊的落實(shí)等電網(wǎng)建設(shè)中的難點(diǎn)問(wèn)題，導(dǎo)致城市中心區(qū)域變電容量長(zhǎng)期不足，電力變壓器負(fù)荷率居高不下。因此，電力變壓器的過(guò)載運(yùn)行就成為短時(shí)間內(nèi)解決變電容量不足、緩解供電缺口的有效措施。但由于不同變壓器廠家的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、所用材料不同，電力變壓器的過(guò)載運(yùn)行能力不同，對(duì)于無(wú)法承受過(guò)載或過(guò)載能力不足的電力變壓器而進(jìn)行過(guò)載運(yùn)行存在很大安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

1 電力變壓器過(guò)載能力評(píng)估的重要性

1.1 電力變壓器過(guò)載運(yùn)行的影響

按照《GBT--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》，變壓器在不同運(yùn)行狀態(tài)下，超銘牌額定值運(yùn)行的限值規(guī)定如下：

變壓器的超銘牌額定值運(yùn)行，即使在正常周期性負(fù)載下仍會(huì)帶來(lái)如下影響：

（1）繞組、線夾、引線、絕緣及變壓器油的溫度將會(huì)升高，且有可能達(dá)到不可接受的程度。

（2）鐵心漏磁通密度將增加，從而使與此漏磁通相耦合的金屬部件由于渦流效應(yīng)而局部過(guò)熱。

（3）隨著溫度變化，絕緣和油中的水分和氣體含量將會(huì)發(fā)生變化。

（4）套管、電流互感器等附件也將受到較高的應(yīng)力，從而使其結(jié)構(gòu)和使用安全裕度受到影響。

（5）隨著溫度變化，變壓器油因膨脹可能會(huì)出現(xiàn)油位過(guò)高，甚至可能會(huì)引起溢油現(xiàn)場(chǎng)。

（6）在繞組熱點(diǎn)溫度突然升高超過(guò)臨界溫度時(shí)，絕緣紙和絕緣油（分解）會(huì)出現(xiàn)氣泡，使變壓器絕緣強(qiáng)度降低，引起故障。

由此可見(jiàn)，過(guò)載變壓器隨著電流和溫度的升高，增加了變壓器過(guò)早損壞的危險(xiǎn)性，并且可能加快其老化的速度[1]。

1.2 電力變壓器過(guò)載能力評(píng)估的重要性

變壓器溫升滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，是大型變壓器冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及改造的基本要求。變壓器的繞組溫升（或者溫度），是涉及變壓器絕緣熱老化壽命的關(guān)鍵，也影響了變壓器的過(guò)負(fù)載能力。繞組熱點(diǎn)溫度，是變壓器負(fù)載最關(guān)鍵的限制因素。但目前，隨著制造主材，特別是銅材、絕緣件的價(jià)格以及生產(chǎn)制造的成本大幅上漲，而變壓器總體價(jià)格還不斷下降的情況下，各生產(chǎn)廠家都在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)裕度上做了調(diào)整，減少材料的使用，以適應(yīng)新的生產(chǎn)成本。雖然大部分產(chǎn)品都能通過(guò)出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)，但由于變壓器過(guò)載能力并不能在上述試驗(yàn)中的得到考驗(yàn)，因此變壓器廠家的設(shè)計(jì)調(diào)整影響到變壓器過(guò)載能力存在很大的可能性。

從掌握的數(shù)據(jù)來(lái)看，很多廠家標(biāo)稱的繞組溫升都趨于臨界值，銅油溫差高達(dá)二十幾度，按照《GBT--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》規(guī)定：

熱點(diǎn)溫度=1.3倍銅油溫差+頂層油溫升+環(huán)境溫度[1]

按以上公式計(jì)算，意味著在迎峰度夏階段，在外部環(huán)境溫度達(dá)到40度左右，變壓器處于過(guò)載狀態(tài)時(shí)，繞組上部的熱點(diǎn)溫度極有可能會(huì)超過(guò)140℃，超過(guò)變壓器長(zhǎng)期急救負(fù)載的繞組熱點(diǎn)溫度限值，引起故障。另外由于長(zhǎng)期高溫，對(duì)絕緣造成累積性老化損壞，大大降低變壓器壽命，也給變壓器安全運(yùn)行帶來(lái)很大風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于需要過(guò)載運(yùn)行的變壓器，必須進(jìn)行過(guò)載能力評(píng)估。

2 電力變壓器過(guò)載能力評(píng)估方法

電力變壓器過(guò)載運(yùn)行能力評(píng)估，除了要通過(guò)測(cè)算各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算推導(dǎo)，還需要通過(guò)試驗(yàn)手段加以驗(yàn)證，驗(yàn)證主要從溫升試驗(yàn)和分析絕緣老化程度方面入手。

2.1 變壓器溫升試驗(yàn)方法

參照溫升試驗(yàn)方法，分別將額定負(fù)載和長(zhǎng)期急救負(fù)載的電流加入變壓器相應(yīng)的時(shí)間，證實(shí)在起始負(fù)載系數(shù)1.0，過(guò)負(fù)載系數(shù)1.3，環(huán)境溫度30℃，頂層油溫不超過(guò)115℃，熱點(diǎn)溫度不超過(guò)140℃的狀態(tài)下，主變超銘牌額定值負(fù)載運(yùn)行時(shí)間， 通過(guò)測(cè)量熱點(diǎn)溫度來(lái)驗(yàn)證評(píng)估變壓器過(guò)載能力。

溫升試驗(yàn)采用短路法進(jìn)行，試驗(yàn)原理接線圖如圖1所示。將試品的低壓側(cè)繞組短路，高壓側(cè)供電。采用電容補(bǔ)償電源容量不足。在高低側(cè)散熱器各加裝一段溫度取樣管，測(cè)量油箱出口溫度。在主變四周設(shè)置不少于三個(gè)的環(huán)溫取樣點(diǎn)，其熱時(shí)間常數(shù)應(yīng)接近主變本體，以盡量抵消環(huán)溫波動(dòng)的影響。

第一階段：按常規(guī)溫升程序進(jìn)行，輸入功率等于總損耗，在頂層油溫升穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)為按額定電流輸入，保持一小時(shí)，利用繞組溫度計(jì)測(cè)量繞組熱點(diǎn)溫度。并采用紅外測(cè)溫裝置監(jiān)控油箱外部金屬件因附加渦流引起的過(guò)熱情況。

第二階段：按1.3倍額定電流輸入，利用繞組溫度計(jì)測(cè)量繞組熱點(diǎn)溫度，記錄溫度變化情況，監(jiān)控頂層油溫是否超過(guò)115℃， 監(jiān)控繞組熱點(diǎn)溫度是否超過(guò)140℃（環(huán)境溫度30℃）。并采用紅外測(cè)溫裝置監(jiān)控油箱外部金屬件因附加渦流引起的過(guò)熱情況。

2.2 變壓器的絕緣老化程度分析

油紙絕緣的老化也會(huì)提高水分含量，即便是沒(méi)有呼吸過(guò)程的變壓器，水分也可能達(dá)到一個(gè)危險(xiǎn)水平。水分進(jìn)入油-紙絕緣會(huì)產(chǎn)生三種危險(xiǎn)后果：降低絕緣強(qiáng)度，加速纖維老化（去聚合）并在高溫下釋放出氣泡?！禝EC 60422-2013？？電氣設(shè)備中的礦物絕緣油.監(jiān)督和維護(hù)指南》中將 6% 以上的潮濕飽和度歸類為“中度潮濕”，相當(dāng)于大約 2.2% 水含量。在這樣含水量下的水分子開(kāi)始變得更活躍，導(dǎo)致被測(cè)變壓器處于危險(xiǎn)的濕度條件下。若絕緣含水量達(dá)到2%，變壓器在超銘牌額定值的負(fù)載運(yùn)行，熱點(diǎn)溫度達(dá)到140℃時(shí)，在高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)氣泡，使絕緣強(qiáng)度下降，危及變壓器運(yùn)行安全[2]。因此評(píng)估電力變壓器的過(guò)載能力，必須分析變壓器的絕緣老化程度。

目前變壓器絕緣老化程度的檢測(cè)方法有多種，有：氣相色譜法、糠醛含量分析法、聚合度分析法等。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)自身?xiàng)l件，適當(dāng)選擇來(lái)操作，一般情況下，通過(guò)多種方法獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)，然后綜合分析，所得結(jié)論更為準(zhǔn)確。endprint

2.2.1 氣相色譜法（DGA）

利用氣相色譜法分析油中CO、CO2含量，根據(jù)CO、CO2的數(shù)值大小及變化趨勢(shì)來(lái)判斷變壓器內(nèi)部固體絕緣老化程度。當(dāng)油樣中CO、CO2含量與初始數(shù)值相比較有快速增長(zhǎng)時(shí)，往往預(yù)示著變壓器內(nèi)部可能存在故障，其中一種情況就是固體絕緣老化。絕緣老化程度越高，變壓器油中CO、CO2值越高。變壓器油中CO、CO2注意值如表2所示。

表2 變壓器油中CO、CO2注意值（N為運(yùn)行年數(shù)）

《T7252-2001變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》推薦的三比值法，是建立在DGA數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，可用來(lái)判斷變壓器內(nèi)部故障的性質(zhì)。當(dāng)變壓器故障涉及固體絕緣材料時(shí)，有CO和CO2 產(chǎn)生。在絕緣老化診斷中，將CO、CO2作為特征氣體，其含量在一定程度上反映了變壓器絕緣老化的狀況?！秾?dǎo)則》指出：當(dāng)懷疑變壓器固體材料老化時(shí)，一般CO2/CO的比值>7；當(dāng)懷疑故障涉及固體絕緣材料時(shí)（>200～C），CO2/CO比值<3。[4]

但是，變壓器油中CO、CO2的產(chǎn)生原因眾多，除絕緣紙老化外，絕緣油老化、有機(jī)漆料、水分、氧氣等也不同程度地影響變壓器油中CO、CO2含量。因此，直接采用CO、CO2含量判斷變壓器固體絕緣老化程度不確定性較高，一般只作為參考。

2.2.2 糠醛含量分析法

20世紀(jì)80年代初，Buron等人在分析兩臺(tái)主變事故原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)油中溶解了以糠醛為主的呋喃類化合物[5]，其分子式為C5H4O2。由于變壓器油中糠醛的產(chǎn)生僅僅來(lái)自于纖維素材料的老化分解，而且根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，油中糠醛含量與變壓器絕緣紙聚合度的大小呈線性反比關(guān)系[3]，故而常用油中糠醛含量的高低和變化趨勢(shì)來(lái)評(píng)估反映變壓器固體絕緣老化程度。《DL593—96電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定了依據(jù)糠醛含量判斷變壓器絕緣老化的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，詳見(jiàn)表3[6]。

IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：油中糠醛含量≥4.0mg/L可判斷變壓器內(nèi)部固體絕緣嚴(yán)重老化。油中糠醛含量≥1.0mg/L可作為變壓器絕緣紙嚴(yán)重老化的注意值。一般來(lái)講，油中糠醛含量達(dá)到0.5mg/L時(shí)，變壓器整體絕緣程度處于中度老化。

2.2.3 聚合度分析法（DP）[7]

變壓器絕緣紙（板）的聚合度是絕緣老化程度最準(zhǔn)確、可靠、有效的判據(jù)之一。聚合度的測(cè)定過(guò)程如下：取樣后，首先將紙中的油脂、金屬離子及其它充添劑提抽干凈，然后粉碎、消化，使之溶解于乙酸乙脂溶劑中，利用烏別洛得粘度計(jì)測(cè)定紙溶液的粘度，求得紙的聚合度。

由于變壓器絕緣紙聚合度隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，纖維素材料的韌性和強(qiáng)度也隨之下降。為此，絕緣紙老化壽命的判別標(biāo)準(zhǔn)大致定為：當(dāng)平均聚合度下降到500時(shí)，變壓器整體絕緣處于老化中期；當(dāng)平均聚合度下降到250時(shí)，認(rèn)為變壓器完全老化，壽命已終止；聚合度下降到150時(shí)，絕緣紙的機(jī)械強(qiáng)度幾乎為零。對(duì)一臺(tái)變壓器而言，取紙樣部位不同，其聚合度的數(shù)值也不同。正因?yàn)榫酆隙染哂幸欢ǖ姆稚⑿裕砸笤谧儔浩魃?、下部多個(gè)點(diǎn)分別取樣，以獲得平均聚合度，或者每次在代表性部位取樣，取樣數(shù)要統(tǒng)一，以具有可比性、同比性。

考慮到對(duì)于運(yùn)行中的變壓器，如果要測(cè)定紙樣就必須對(duì)變壓器進(jìn)行停運(yùn)吊芯，存在諸多不便，近年來(lái)，推廣應(yīng)用了高性能液相色譜分析。該方法可以在變壓器不停運(yùn)情況下，取油樣，然后測(cè)出油中糠醛含量，再依據(jù)糠醛含量與聚合度的線性關(guān)系，得到聚合度的值。這樣可從糠醛含量、聚合度兩個(gè)角度來(lái)分析、判斷絕緣老化問(wèn)題。糠醛含量與聚合度之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2所示，其對(duì)應(yīng)關(guān)系式：log（Furan）=1.5 1-0.O035DP（式中Furan： 糠醛含量，mg/L，DP：聚合度）。糠醛含量與聚合度兩者間相關(guān)系數(shù)為0.9657，所以借助于糠醛分析可近似地估算絕緣紙的平均聚合度。

2.3 變壓器過(guò)載能力評(píng)估

通過(guò)分析溫升試驗(yàn)的熱點(diǎn)溫度是否超越規(guī)定限值或超越限值時(shí)所的運(yùn)行時(shí)間，再綜合變壓器的絕緣老化程度，來(lái)評(píng)估認(rèn)證電力變壓器的過(guò)載能力、過(guò)載倍數(shù)和過(guò)載時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電力變壓器進(jìn)行過(guò)載能力評(píng)估，為電力變壓器運(yùn)行單位提供可靠的過(guò)載運(yùn)行依據(jù)，既保障了電力變壓器安全可靠運(yùn)行，又緩解了部分城市電網(wǎng)容量需求矛盾。因此電力變壓器過(guò)載能力評(píng)估對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行和城市電網(wǎng)建設(shè)具有一定的實(shí)用意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]GB/T 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[S].

[2]IEC 60422-2013，電氣設(shè)備中的礦物絕緣油.監(jiān)督和維護(hù)指南[S].

[3]閔捷，鄭作添，周年榮.變壓器內(nèi)部固體絕緣老化監(jiān)測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用[J].云南電力技術(shù)，2002，30（4）.

[4]T7252-2001，變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則[S].

[5]Burton P J.Recent development by CEGB to improve the prediction and monitoring of transformer performance[C].Paris：1984.

[6]DL593—96，電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[S].

[7]楊啟平，薛五德，藍(lán)之達(dá).變壓器絕緣老化的診斷與壽命評(píng)估[J].變壓器，2004，41（2）.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint