郖冠星 張健飛

摘要：高過載配電變壓器具有節(jié)能環(huán)保、無功損耗低、空載電流小、抗突發(fā)短路能力強(qiáng)等良好性能，在年平均負(fù)荷低、負(fù)荷季節(jié)性強(qiáng)、負(fù)荷波動(dòng)大的農(nóng)村電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣。根據(jù)高過載的性能要求，分析了高過載配電變壓器的設(shè)計(jì)思路及要點(diǎn)和絕緣材料對(duì)高過載性能的影響，基于此試制了樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行過負(fù)載曲線溫升計(jì)算驗(yàn)證和過負(fù)載能力試驗(yàn)證其高過載性能。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的綜合能效費(fèi)用的計(jì)算方法對(duì)高過載配電變壓器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性能分析。結(jié)果表明，提出的高過載配電變壓器的設(shè)計(jì)思路具有可行性和經(jīng)濟(jì)性，為高過載配電變壓器設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：高過載配電變壓器;絕緣材料;驗(yàn)證;經(jīng)濟(jì)性能

中圖分類號(hào)：TM41文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0246-05

Key Technology and Economic Performance Analysis of HighOverload Distribution Transformer

Xuan Guanxing，Zhang Jianfei

（ Pearl Electric Co. ，Ltd. ，Guangzhou 511400，China ）

Abstract：High overload distribution transformers have good performance such as energy saving and environmental protection，low reactive power loss，small no-load current，strong anti-sudden short circuit ability and so on. They have been used more and more widely in rural power grids with low annual average load，strong seasonal load and large load fluctuation. Based on the performance requirements of high overload，thedesign ideas and key points of high overload distribution transformers and the influence of insulation materials on high overload performancewere analyzed，according to the design idea and the selection principle of insulating material，the prototype was tri-manufactured and its high overload performance was verified by the temperature rise calculation of the load curve and the over-load capacity test. According to the calculation method of comprehensiveenergy efficiency cost recommended in thestandard，theeconomicperformanceof thehigh overload distribution transformer was analyzed. The results verify the feasibility and economy of the design idea of high-overload distribution transformers and provide reference for the design and popularization of high-overload distribution transformers.

Key words：high overload distribution transformer;insulation material;verification;economic performance

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)用電設(shè)備逐漸多樣化，居民用電量不斷增長(zhǎng)，部分地區(qū)用電增長(zhǎng)量超過了電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)的預(yù)留容量，形成“過負(fù)荷”現(xiàn)象，進(jìn)而影響農(nóng)村電網(wǎng)的正常供電，使一些地區(qū)在用電高峰時(shí)期出現(xiàn)停電現(xiàn)象，嚴(yán)重影響居民的正常生活。解決配電變壓器過載運(yùn)行問題的方法有幾種：一種是單純?cè)黾优潆娮儔浩鞯娜萘?，但這樣不僅造成電網(wǎng)投資成本的提高，且增加了變壓器的空載損耗;另一種是根據(jù)居民用電情況選用調(diào)容變壓器，但這種變壓器的投資成本也很高，所以針對(duì)農(nóng)村用電高過載情況，在一定時(shí)間段內(nèi)具有較強(qiáng)的負(fù)載運(yùn)行能力的高過載配電變壓器是比較經(jīng)濟(jì)和有效[1]。

由于各國(guó)的國(guó)情和城鎮(zhèn)化建設(shè)程度的不同[2]，高過載配電變壓器在國(guó)外研究應(yīng)用較少，國(guó)內(nèi)關(guān)于高載配變的研究也是近幾年才開始，實(shí)際應(yīng)用也比較少。為解決農(nóng)村地區(qū)短時(shí)段內(nèi)嚴(yán)重過載的問題，近年來，國(guó)網(wǎng)公司積極開展和推動(dòng)農(nóng)村地區(qū)配電網(wǎng)高過載能力變壓器的研制，并于2014年頒布Q/GDW11190-2014《農(nóng)網(wǎng)高過載能力配電變壓器技術(shù)導(dǎo)則》以指導(dǎo)農(nóng)村地區(qū)配電網(wǎng)高過載配變的推廣應(yīng)用。

因此，本文根據(jù)高過載配電變壓器的應(yīng)用邊界條件和運(yùn)行特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)思路及要點(diǎn)、材料選用和驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)對(duì)其過載性能進(jìn)行分析，并在基于DL/T985-2012《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》推薦的綜合能效費(fèi)用的計(jì)算方法，對(duì)高過載配電變壓器的經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行分析，以便更好地在農(nóng)村配電網(wǎng)中推廣該類變壓器的使用。

1 高過載的性能要求

國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW11190-2014對(duì)高過載能力配電變壓器的定義為：滿足本標(biāo)準(zhǔn)的過載曲線，且不影響正常使用壽命的配電變壓器。

根據(jù)過載曲線要求[3]，產(chǎn)品在正常溫升試驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，滿足1. 5倍額定容量6h （負(fù)荷上升和下降階段各3h ）、1. 75倍額定容量3 h （負(fù)荷上升和下降階段各1. 5 h ）、2. 0倍額定容量1h 階段性連續(xù)運(yùn)行且不影響變壓器正常使用壽命，溫升試驗(yàn)施加電流過程曲線如圖1所示。

同時(shí)，高過載配電變壓器溫升應(yīng)滿足絕緣等級(jí)限制值，溫升限值如表1所示。

2 高過載配電變壓器的設(shè)計(jì)思路及要點(diǎn)

為保證高過載配電變壓器的過載能力滿足標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW11190-2014的要求，在開展配電變壓器設(shè)計(jì)和制造時(shí)需采取以下設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2. 1 設(shè)計(jì)思路

高過載配電變壓器其結(jié)構(gòu)和原理與普通變壓器相似，其主要是通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、選用高耐溫絕緣材料和利用散熱原理等進(jìn)行設(shè)計(jì)研制，保證配變?cè)诟哌^載運(yùn)行時(shí)，溫升限值滿足所選用絕緣材料耐熱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)油箱不出現(xiàn)滲、漏油現(xiàn)象，且不會(huì)縮短配變的正常使用壽命。

2. 2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

配變高過載運(yùn)行，為保證其溫升不超過標(biāo)準(zhǔn)溫升限值，需盡量增加高、低壓繞組的油道數(shù)量，增加繞組的散熱面積，以降低繞組對(duì)油的溫升;鐵心選用新型優(yōu)質(zhì)高導(dǎo)磁低損耗冷軋取向硅鋼片，必要時(shí)選用具有軟磁特性的非晶合金鐵心，以降低產(chǎn)品的空載損耗，提高產(chǎn)品的過載能力;增加油箱散熱片的數(shù)量，可增加油箱的散熱面積，以降低變壓器頂層油對(duì)外部空氣的溫升。

3 高過載對(duì)絕緣材料選用的影響

當(dāng)配電變壓器過載運(yùn)行時(shí)，繞組、線夾、引線和變壓器油等絕緣材料的溫度將會(huì)升高，由于絕緣系統(tǒng)的老化和壽命時(shí)間與溫度有很大的關(guān)系，為得到最佳的變壓器熱性能和經(jīng)濟(jì)性能，按GBZ1094. 14-2011《電力變壓器第14部分：采用高溫絕緣材料的液浸式變壓器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》的指導(dǎo)要求，可選取B級(jí)絕緣的半混合絕緣系統(tǒng)方案，即針對(duì)不同的溫度區(qū)域選用耐熱等級(jí)不同的絕緣材料。

3. 1 繞組絕緣材料選用

繞組是熱源產(chǎn)生的最主要源頭，滿足高過載運(yùn)行，與發(fā)熱導(dǎo)線接觸的絕緣均需用高耐熱等級(jí)絕緣材料，通過溫升仿真分析如圖2所示，繞組的最熱點(diǎn)并不在繞組的頂部，而是在繞組頂部往下一點(diǎn)的區(qū)域，所以對(duì)于導(dǎo)線絕緣、層間絕緣必須采用高耐熱等級(jí)絕緣材料，導(dǎo)線絕緣推薦選用耐熱等級(jí)為F級(jí)的漆包銅導(dǎo)線，層間絕緣推薦選用耐熱全膠紙，而其他絕緣包括端絕緣可選用常規(guī)絕緣材料。

3. 2 器身絕緣材料選用

器身的絕緣分布在不同的溫度區(qū)域，撐板、鐵軛隔板、相間隔板貼近熱源區(qū)域，且散熱條件較差，需選用耐熱等級(jí)為B 級(jí)及以上的絕緣材料，其他的絕緣材料并沒有貼近熱源區(qū)域，且油的流動(dòng)性較好，工作區(qū)域溫度不高，可以選用常規(guī)的絕緣材料。

3. 3變壓器油選用

過載運(yùn)行時(shí)變壓器油溫上升，如出現(xiàn)長(zhǎng)期周期性過載，若采用礦物油，由于礦物油的耐熱等級(jí)為A級(jí)，會(huì)縮短油紙絕緣系統(tǒng)的壽命，降低供電可靠性，同時(shí)存在火災(zāi)隱患。根據(jù)表2所示的適用于液浸式變壓器的絕緣液體綜合性能參數(shù)，從環(huán)保、安全可靠性能方面分析，F(xiàn)R3植物油具有更優(yōu)異的性能，優(yōu)選采用FR3植物油。

4 高過載對(duì)密封性能的影響

變壓器的高過載運(yùn)行會(huì)使油箱的油溫和內(nèi)部壓力升高，長(zhǎng)期作用下，會(huì)使油箱出現(xiàn)變形，密封件出現(xiàn)發(fā)脆并失去密封作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)油箱漏油問題和附件故障甚至是爆炸事故，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的安全運(yùn)行[4]。針對(duì)上述問題，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需采取以下控制措施。

（1）對(duì)油箱強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)處理，同時(shí)考慮在油面與箱蓋之間增加氣隙或在油箱上部安裝儲(chǔ)油柜，提高油箱的機(jī)械強(qiáng)度和油膨脹量。

（2）選用具有高耐溫特性的密封件，如丙烯酸酯橡膠密封件或氟橡膠密封件，保證繞組內(nèi)部運(yùn)行溫度不會(huì)影響密封件的密封性能。

（3）對(duì)于有電流參數(shù)要求的附件，如分接開關(guān)、套管等，需按額定容量電流的1. 5倍以上要求選取，以避免在過載運(yùn)行時(shí)附件出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，保證產(chǎn)品安全運(yùn)行。

5 高過載性能驗(yàn)證

以絕緣系統(tǒng)耐熱等級(jí)為B 級(jí)的高過載配電變壓器S13-M （ B ）-630/10 GZ 設(shè)計(jì)為例，按以上的設(shè)計(jì)思路和絕緣材料選用原則，將高過載630 kVA 變壓器進(jìn)行高過載性能驗(yàn)證，以驗(yàn)證其過載性能和產(chǎn)品可靠性。產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

5. 1 過負(fù)載曲線溫升計(jì)算驗(yàn)證

根據(jù)負(fù)載曲線特性，采取暫態(tài)過負(fù)載時(shí)的熱點(diǎn)溫升計(jì)算公式，對(duì)產(chǎn)品過載曲線下的溫升進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，計(jì)算公式：

式中：Δθi 為負(fù)載率In 開始時(shí)的起始溫升，K;Δθt 為負(fù)載變化t時(shí)間后的溫升，K;Δθu 為負(fù)載率Iu 不發(fā)生變化情況下的最終溫升，K;t 為時(shí)間，min;τ為給定負(fù)載下繞組的時(shí)間常數(shù)，min，對(duì)變壓器油一般取150～210 min，保守取值150 min。

計(jì)算結(jié)果如表4所示。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，在全過程的過負(fù)載曲線下，油的最高點(diǎn)溫升為58. 8 K，繞組的最高點(diǎn)溫升為71. 1 K，滿足油頂層溫升不大于80 K、繞組溫升不大于85 K 的要求。

5. 2 過負(fù)載能力試驗(yàn)證

對(duì)上述設(shè)計(jì)方案產(chǎn)品進(jìn)行過負(fù)載能力試驗(yàn)證，試驗(yàn)樣品如圖3所示，試驗(yàn)方法采用短路法，在額定分接下，過載能力試驗(yàn)在變壓器正常溫升試驗(yàn)后進(jìn)行，施加總損耗3 h 至溫升穩(wěn)定，接著施加1. 5倍額定電流6 h，再施加1. 75倍額定電流3 h，然后施加2. 0倍額定電流1 h 后，立即切斷電源測(cè)量繞組熱態(tài)電阻。

整個(gè)試驗(yàn)過程中壓力釋放閥沒有因過載而動(dòng)作，油箱無滲漏現(xiàn)象，最終的過負(fù)載溫升結(jié)果如表5所示。

2. 0倍額定電流下高低壓繞組平均溫度變化曲線如圖4～5所示。

通過繞組熱點(diǎn)溫升估算公式：

式中：Δθh 為油箱頂層液體溫升，K;g 為繞組對(duì)油平均溫度梯度;H 為熱點(diǎn)系數(shù)，這里取1. 1。

求得高低壓繞組熱點(diǎn)溫升估算值，其計(jì)算結(jié)果如表6所示。

從以上的驗(yàn)證結(jié)果可以看出，按以上設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)的高過載配電變壓器，可以滿足標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW11190-2014規(guī)定的過載運(yùn)行性能要求。但通過上述的計(jì)算數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)，繞組平均溫升試驗(yàn)值比標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW11190-2014規(guī)定的低約9 K，說明產(chǎn)品的設(shè)計(jì)裕度較大，而通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)估算的繞組熱點(diǎn)溫升比標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW11190-2014規(guī)定只低2 K，設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，這是一個(gè)矛盾點(diǎn)。從標(biāo)準(zhǔn)GB/T1094. 2規(guī)定的額定容量下的溫升限值可知，繞組的熱點(diǎn)溫升限值與繞組平均溫升限值之差為13 K，而標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW11190-2014規(guī)定的高過載繞組熱點(diǎn)溫升限值與繞組平均溫升限值之差為10 K。變壓器在高過載曲線下運(yùn)行，變壓器的溫升并沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的溫升，還在持續(xù)上升過程，油箱頂層液體溫度與底層液體溫度之差應(yīng)該會(huì)比穩(wěn)定狀態(tài)下的要大，所以，從產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性方面考慮，高過載配變的繞組熱點(diǎn)溫升限值可考慮適當(dāng)放寬。

6 經(jīng)濟(jì)性能分析

為了分析高過載配電變壓器的經(jīng)濟(jì)性能，以上述設(shè)計(jì)方案配變S13-M （ B ）-630/10GZ 為例，將其和大容量變壓器作綜合對(duì)比，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T985-2012中工程經(jīng)濟(jì)的基本理論，在變壓器整個(gè)經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)，從變壓器的購置價(jià)格、空載運(yùn)行費(fèi)用、過負(fù)載能力等因素對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)性的影響，分析高過載配電變壓器的綜合經(jīng)濟(jì)性能。

6. 1 初始投資成本

變壓器初始投資成本包括設(shè)備采購、安裝、調(diào)試等費(fèi)用，標(biāo)準(zhǔn)中使用參數(shù)CI 表示[5]。

6. 2 運(yùn)行過程中空載損耗產(chǎn)生的費(fèi)用

變壓器經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)，每年由于空載損耗產(chǎn)生的費(fèi)用A ·P0表示，其中：

式中：Ee 為企業(yè)支付的單位電量電費(fèi);Ed 為企業(yè)支付的單位容量電費(fèi);Hpy 為變壓器年帶電小時(shí)數(shù);kpv 為現(xiàn)值系數(shù)。

式中：n 為配電變壓器的經(jīng)濟(jì)使用年限;i 為貼現(xiàn)率。

6. 3 運(yùn)行過程中負(fù)載損耗產(chǎn)生的費(fèi)用

每年由于負(fù)載損耗產(chǎn)生的費(fèi)用B ·Pk 表示，對(duì)于同一臺(tái)區(qū)，不同方案變壓器因負(fù)載損耗產(chǎn)生的費(fèi)用是相同的。

6. 4 綜合能效費(fèi)用

變壓器經(jīng)濟(jì)試用期內(nèi)的綜合能效費(fèi)用為：

通過上面綜合能效計(jì)算公式，可知變壓器綜合能效費(fèi)用主要與產(chǎn)品購置費(fèi)用、空載運(yùn)行費(fèi)用相關(guān)，下面將以630 kVA 容量產(chǎn)品為對(duì)象，將其與不同方案的變壓器進(jìn)行綜合分析對(duì)比，分析高過載配電變壓器的綜合經(jīng)濟(jì)性能。

6. 5 全壽命周期內(nèi)TOC 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于適用高過載能力配電變壓電器的臺(tái)區(qū)，為保證其運(yùn)行的安全性，根據(jù)其過負(fù)載情況，將630 kVA高過載配變與1000 kVA 和1250 kVA 普通標(biāo)準(zhǔn)配變進(jìn)行綜合能效費(fèi)用計(jì)算，3種方案變壓器的基本參數(shù)和購置費(fèi)用如表7所示。本文中如無特殊說明，其他參數(shù)如貼現(xiàn)率i均取為8%，單位電量電費(fèi)Ee 取0. 6元/kWh，單位容量電費(fèi)Ed 取20元/kW，年帶電小時(shí)數(shù)Hpy 取8760 h?；谏鲜黾俣?，分別選取30年、25年20年經(jīng)濟(jì)使用期，計(jì)算得到的綜合能效費(fèi)用TOC 如圖6所示。

通過計(jì)算結(jié)果可看出，在不同的經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)，高過載配電變壓器的經(jīng)濟(jì)性能最好。同理，根據(jù)綜合能效計(jì)算公式，可得出，在不同的年貼現(xiàn)率下，高過載配電變壓器的經(jīng)濟(jì)性能也是最好。

7 結(jié)束語

本文在分析了高過載能力配電變壓器的設(shè)計(jì)思路及要點(diǎn)、絕緣材料選用對(duì)高過載的影響，并進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)證和高過載在全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性能研究分析，得到的主要結(jié)論如下。

（1）通過樣機(jī)試驗(yàn)證，本文所論述的設(shè)計(jì)思路及要點(diǎn)、絕緣材料的選用都是合理的，這種變壓器能滿足標(biāo)準(zhǔn)所要求的過負(fù)荷運(yùn)行能力。

（2）從全壽命周期內(nèi)的綜合能效費(fèi)用計(jì)算分析，高過載配電變壓器在標(biāo)準(zhǔn)要求的過負(fù)載曲線運(yùn)行情況下具有較明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，可在農(nóng)村配電網(wǎng)中大力推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊慶福，祁穎矢，沈山林，等. 一種農(nóng)網(wǎng)高過載配電變壓器[ J ]. 變壓器，2015，52（2）：22-25.

[2]文洪君. 高過載配電變壓器在農(nóng)村電網(wǎng)中的應(yīng)用研究[D]. 北京：華北電力大學(xué)，2016.

[3] Q/ZGDW11190-2014，農(nóng)網(wǎng)高過載能力配電變壓器技術(shù)導(dǎo)則[ S ].

[4] GB/Z 1094. 14-2011，電力變壓器第14部分：采用高溫絕緣材料的液浸式變壓器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[S].

[5]DL/T985-2012，配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則[S].

[6]王欣盛，王琦，付超，等. 關(guān)于農(nóng)網(wǎng)高過載能力配電變壓器技術(shù)導(dǎo)則的討論[J]. 變壓器，2016，53（2）：39-44.

[7]周恒逸，毛柳明，齊飛，等. 新型農(nóng)網(wǎng)高過載能力配變應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性能[J]. 湖南電力，2015，35（1）：15-17.

[8]韓金華，韓篩根，王思寶，等. 一種基于高燃點(diǎn)植物絕緣油變壓器設(shè)計(jì)方法[J]. 變壓器，2014，51（8）：38-42.

[9]姜益民. 淺談變壓器運(yùn)行壽命[J]. 變壓器，2013，50（12）：34-38.

[10]楊麗徙，蔡紅飛，陳新獻(xiàn). 電力變壓器剩余技術(shù)壽命的綜合評(píng)估[J ]. 變壓器，2013，50（4）：43-46.

[11]謝天舒，楊利菊，蔡定國(guó). 風(fēng)力發(fā)電用非晶合金變壓器節(jié)能效果的應(yīng)用研究[J]. 變壓器，2017，54（6）：23-29.

[12]趙益新. 怎樣應(yīng)對(duì)節(jié)日農(nóng)材配電變壓器超負(fù)荷[J]. 農(nóng)村電工，2014（1）：24.

第一作者簡(jiǎn)介：郖冠星（1985-），男，廣東廣州人，大學(xué)本科，研究領(lǐng)域?yàn)殡娏ψ儔浩鳌?/p>

（編輯：王智圣）