曹金京，張 村

(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司 博興縣供電公司，山東 濱州 256500)

非晶合金干式變壓器是一種損耗量低、能效轉(zhuǎn)化率高的電力型變壓器件，以非晶態(tài)的鐵基類金屬作為鐵芯。由于材料本身性能受限，非晶合金干式變壓器不具備有序型的長(zhǎng)程結(jié)構(gòu)分子，與變壓器相關(guān)的磁化及消磁反應(yīng)均比一般磁性材料更易發(fā)生。鐵損量也叫空載損耗量，是非晶合金干式變壓器所具備的固有理化性能，該項(xiàng)物理系數(shù)的實(shí)值水平比以硅鋼作為鐵芯材質(zhì)的傳統(tǒng)型變壓器低75%左右[1-2]。由于非晶型合金材料的飽和磁密度較低，在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)不宜選擇過高的額定磁通密度數(shù)值，通常在1.3 T或1.35 T的磁通密度水平下，可以獲得較高的空載損耗量實(shí)值。為收獲更好的使用效果，非晶合金干式變壓器及與之相關(guān)的電器類產(chǎn)品，都必須保持全密封的結(jié)構(gòu)化形式。

變壓器溫度與周圍空氣溫度間的差變值叫做變壓器的溫升，在完整的使用壽命周期內(nèi)，溫度是引起絕緣材質(zhì)老化的主要原因。由于變壓器內(nèi)部的熱量傳播行為并不完全均勻，各部位之間的溫度差別始終較大，因此在變壓器保持額定負(fù)荷水平時(shí)，必須對(duì)各部分的溫度升高量做出嚴(yán)格規(guī)定，這也是變壓器唯一允許的溫升條件[3]。在實(shí)際應(yīng)用過程中，變壓結(jié)構(gòu)體的工作頻率會(huì)隨使用時(shí)間的延長(zhǎng)而開始不斷提高，從而導(dǎo)致元件重量及體積逐漸減小，造成變壓器在溫度方面的實(shí)際損耗量持續(xù)增加，這也是導(dǎo)致溫升性問題的主要原因之一。為避免上述情況的發(fā)生，非晶合金干式變壓器溫升異常監(jiān)測(cè)方法通過計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)與三維溫度場(chǎng)的方式，確定高頻溫升形態(tài)下的磁芯損耗與繞組損耗總量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異常性溫升行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 非晶合金干式變壓器的溫度場(chǎng)分析

在試驗(yàn)狀態(tài)下，對(duì)非晶合金干式變壓器溫度場(chǎng)的分析共包含熱源計(jì)算、導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算、三維溫度場(chǎng)計(jì)算三個(gè)環(huán)節(jié)。

1.1 熱源計(jì)算

在變壓器溫度場(chǎng)中，熱源是指高頻溫升漏感量最高的區(qū)間。由于額定電流的輸出水平較高，必須先借助升壓裝置將上段輸入電流提升至指定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)。在此情況下，變壓器高壓側(cè)采取“三角形”接線原則，將非晶合金干式熱源結(jié)構(gòu)體放置在變壓環(huán)路的中心位置，在其邊緣設(shè)置多個(gè)獨(dú)立的變壓結(jié)構(gòu)體。因其中最長(zhǎng)接線端電壓數(shù)值的平方等于其他較短接線端電壓數(shù)值的總和，與直角三角形勾股定理的思路較為相似，因此將其定義為“三角形”接線原則[4-5]。

接線場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 非晶合金干式變壓器的“三角形”接線場(chǎng)景布置

在整個(gè)變壓器回路中，由于電子傳輸速率不斷變化，不同接線端的溫升量也均不相同。假設(shè)T0為初始狀態(tài)下非晶合金干式變壓器的最小溫升監(jiān)測(cè)數(shù)值；T1為非晶合金干式變壓器的最大溫升監(jiān)測(cè)數(shù)值；Δt為溫度場(chǎng)內(nèi)的溫升變化時(shí)長(zhǎng)；μ為變壓器升溫系數(shù)，聯(lián)立上述各項(xiàng)物理量，可將非晶合金干式變壓器的熱源計(jì)算式定義為

(1)

1.2 導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

因“三角形”接線原則的限制作用，變壓器在三維溫度場(chǎng)中存在明顯的“過導(dǎo)”和“半導(dǎo)”狀態(tài)，且兩種作用狀態(tài)均能造成變壓器出現(xiàn)異常性溫升的情況。所謂“過導(dǎo)”是指在導(dǎo)熱系數(shù)過大的情況下，傳輸電流在非晶合金干式變壓器中大量累積，進(jìn)而造成已抒發(fā)熱值總量的提升，從而引發(fā)變壓器的異常溫升。而“半導(dǎo)”則是指在導(dǎo)熱系數(shù)過小的情況下，傳輸電流無法正常進(jìn)入非晶合金干式變壓器中，導(dǎo)致變壓器結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實(shí)際電壓難以達(dá)到理想消耗條件，從而導(dǎo)致缺電型異常溫升的現(xiàn)象[6-7]。由于導(dǎo)熱系數(shù)的存在，非晶合金干式變壓器的溫升異常行為不會(huì)無限增大，而是始終在異常值邊界區(qū)間內(nèi)不斷波動(dòng)。在整個(gè)異常值邊界區(qū)間內(nèi)，最小值約等于常規(guī)溫升的最大值，而最大值則有可能遠(yuǎn)高于常規(guī)溫升數(shù)值的幾倍或幾十倍。聯(lián)立式(1)，可將非晶合金干式變壓器的導(dǎo)熱系數(shù)表示為

(2)

1.3 三維溫度場(chǎng)計(jì)算

非晶合金干式變壓器的三維溫度場(chǎng)由xz平面、xy平面、yz平面三結(jié)構(gòu)組成。假設(shè)Cx、Cy、Cz分別代表xy平面、yz平面、xz平面的實(shí)際變壓器溫升數(shù)值，聯(lián)立公式(2)，建立非晶合金干式變壓器的三維溫度場(chǎng)模型如下：

(3)

式中：σx、σy、σz為代表不同溫升平面內(nèi)的變壓器電阻變化量，Ω;Bx、By、Bz分別為不同溫升平面內(nèi)的變壓器溫感電流變化量，A。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合三維溫度場(chǎng)模型，利用紅外測(cè)溫設(shè)備獲得xz平面、xy平面、yz平面上的溫升圖(見圖2～圖4)。

從圖2所示的xz平面溫升圖來看，變壓器鐵心溫度由底部到頂部始終保持階梯狀分布狀態(tài)，平均溫度數(shù)值先上升再降低?？傮w來說，下段鐵心部件的溫度數(shù)值較低，而中上段的溫度數(shù)值較高[8]。

圖2 zx平面溫升圖

從圖3中xy平面溫升圖來看，非晶合金干式變壓器的高壓繞組端溫度最高，而鐵心處的溫度最低，整個(gè)低壓繞組端與鐵心之間的氣隙溫度大體上與鐵心處的溫度數(shù)值保持一致。高壓繞組結(jié)構(gòu)之間的氣道溫度數(shù)值只能呈現(xiàn)梯度分布狀態(tài)，且絕緣擋板處的溫度數(shù)值必須時(shí)刻保持最低[9]。

圖3 xy平面溫升圖

從圖4中yz平面溫升圖來看，非晶合金干式變壓器鐵心處的實(shí)際溫度數(shù)值不是很高，最熱點(diǎn)也只能達(dá)到37.6 ℃，這也充分顯示了非晶狀鐵心結(jié)構(gòu)體損耗低、溫升低的特點(diǎn)。

圖4 yz平面溫升圖

2 溫升異常監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

在非晶合金干式變壓器溫度場(chǎng)條件的支持下，按照確定變壓器高頻溫升漏感、計(jì)算磁芯損耗與繞組損耗的流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器溫升異常的有效監(jiān)測(cè)。

2.1 變壓器高頻溫升漏感計(jì)算

由于變壓器高頻溫升場(chǎng)中集中了全部的漏感電量，因此可以根據(jù)壓流轉(zhuǎn)換情況確定等效的漏感計(jì)算數(shù)值。

在已知非晶合金干式變壓器結(jié)構(gòu)尺寸與額定電流輸出能力的前提下，計(jì)算已出漏的電量，可得到漏感實(shí)值。對(duì)首次繞組的電壓模型作簡(jiǎn)化處理，在異常溫升條件下，將繞組等效為一種簡(jiǎn)易的變壓器長(zhǎng)螺線管，由于每次繞組處理的電量動(dòng)勢(shì)值完全相等，而繞組結(jié)構(gòu)間流過的電流方向卻正好相反，因此可將各層繞組元件間的漏感電量等效為由匝數(shù)相同線管所產(chǎn)生的電量場(chǎng)[10]。受到變壓器臨近效應(yīng)的影響，每個(gè)繞組中的電流分布情況都是不同的，處于方便性考慮，可對(duì)其進(jìn)行初步簡(jiǎn)化處理，人為規(guī)定初次級(jí)繞組所產(chǎn)生的電量場(chǎng)與流過其中的應(yīng)用電流始終保持正比關(guān)系。圖5顯示了非晶合金干式變壓器繞組的斷面以及其電量場(chǎng)分布情況。

圖5 非晶合金干式變壓器中的高頻溫升場(chǎng)分布

圖5中，H1、H2、H3、H4分別為變壓器高頻溫升場(chǎng)中四個(gè)不同方向上的電量強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上，聯(lián)立式(3)，可將變壓器高頻溫升漏感量的計(jì)算式定義為

(4)

2.2 磁芯損耗

當(dāng)去掉外部溫升漏感電場(chǎng)時(shí)，非晶合金干式變壓器的一部分電量材料可以在最短時(shí)間內(nèi)的恢復(fù)到初始位置。然而，還有一部分電量材料始終無法恢復(fù)到初始位置。即在外加溫升漏感電場(chǎng)的作用下，這部分電量材料會(huì)出現(xiàn)剛性轉(zhuǎn)動(dòng)行為，此時(shí)即使去掉外界電場(chǎng)作用，也可保持原有電量傳輸方向[11]。由于這部分電量在溫升變化的過程中會(huì)克服物理摩擦力使磁芯快速發(fā)熱從而損耗能力，而這部分被損耗的熱量也就是磁芯損耗。在磁芯被動(dòng)升溫的一個(gè)周期內(nèi)，每單位體積電量的損耗都等于變壓器回線所包圍的面積。相對(duì)來說，變壓器磁芯的電感回線越狹窄，與之相關(guān)的磁芯損耗量也就越??；電量轉(zhuǎn)換頻率越高，磁芯的密度數(shù)值也就越大，變壓器電感回線所包圍的面積也就越大，與之相關(guān)的磁芯損耗量也就越大[12]。聯(lián)立式(4)，可將變壓結(jié)構(gòu)體在溫升異常情況下的磁芯損耗量表示為

(5)

式中：假設(shè)N0為非晶合金干式變壓器線圈的原邊匝數(shù);N1為副邊匝數(shù);V1為非晶合金干式變壓器線圈的副邊電壓有效值，kV;I0為原邊電流的有效值,A;θ為V1與I0之間的實(shí)際相位差。

2.3 繞組損耗

在高頻溫升條件下計(jì)算變壓器繞組損耗時(shí)，需要同時(shí)考慮鄰近效應(yīng)與集膚效應(yīng)的作用影響。當(dāng)兩根相鄰導(dǎo)線距離極近時(shí)，彼此之間的電量影響并不能完全忽略，而在高頻電流反向流過變壓結(jié)構(gòu)體時(shí)，電流會(huì)因?yàn)闇厣└须妶?chǎng)的作用而在繞組臨近側(cè)快速流動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為變壓器繞組損耗的鄰近效應(yīng)。在已出漏電量保持相對(duì)高頻的輸出情況時(shí)，電流集中在非晶合金干式變壓器的外表層，即電流流過的導(dǎo)線實(shí)際截面減小會(huì)導(dǎo)致變壓結(jié)構(gòu)體的交流電阻增大，即損耗功率也隨之增加，這種現(xiàn)象被稱為變壓器繞組損耗的集膚效應(yīng)[13-14]。對(duì)于繞組損耗來說，鄰近效應(yīng)的影響強(qiáng)度遠(yuǎn)高于集膚效應(yīng)。聯(lián)立式(5)，可將非晶合金干式變壓器的溫升繞組損耗表示為

(6)

3 實(shí)用監(jiān)測(cè)能力分析

為驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的非晶合金干式變壓器的溫升異常監(jiān)測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用能力，設(shè)計(jì)如下仿真實(shí)驗(yàn)。

首先將高低壓繞組分別與非晶合金干式變壓器的可調(diào)直流電源相連，然后將等效鐵心與可調(diào)交流電源相連，再在連接溫度傳感器與數(shù)值記錄儀表的同時(shí)，打開升溫控制設(shè)備與超聲波流速傳感器。

一般來說，非晶合金干式變壓器在沖擊負(fù)荷或空載狀態(tài)下運(yùn)行，因此，本次實(shí)驗(yàn)主要研究在溫度損耗數(shù)值不斷上升的情況下，非晶合金干式變壓器溫度場(chǎng)及所承擔(dān)電子沖擊負(fù)荷量的變化趨勢(shì)，并根據(jù)所記錄數(shù)值繪制場(chǎng)強(qiáng)負(fù)荷曲線。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的溫升試驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

圖6 非晶合金干式變壓器溫升試驗(yàn)平臺(tái)

已知非晶合金干式變壓器的可控溫度場(chǎng)范圍為[10E，90E]。在此基礎(chǔ)上，選取50、100、150 ℃三個(gè)溫度損耗量作為參考數(shù)值，記錄在溫升異常情況下，非晶合金干式變壓器溫度場(chǎng)強(qiáng)的具體變化情況，其溫度場(chǎng)強(qiáng)負(fù)荷曲線如圖7所示。

圖7 非晶合金干式變壓器的溫度場(chǎng)強(qiáng)負(fù)荷曲線

分析圖7可知，隨溫度損耗量的增加，非晶合金干式變壓器的溫度場(chǎng)強(qiáng)整體呈現(xiàn)一種波動(dòng)性上升的變化態(tài)勢(shì)。當(dāng)溫度損耗量為50 ℃時(shí)，可取變壓器溫度場(chǎng)強(qiáng)的最小值20E，高于最低可控場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值10E；當(dāng)溫度損耗量為150 ℃時(shí)，可取變壓器溫度場(chǎng)強(qiáng)的最大值75E，低于最高可控場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值90E。由此可知，應(yīng)用本研究設(shè)計(jì)的溫升異常監(jiān)測(cè)方法后，非晶合金干式變壓器的溫度場(chǎng)強(qiáng)一直處于可控范圍內(nèi)，在很大程度上保證了變壓器工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。

表1所示為當(dāng)溫度損耗量分別等于50、100、150 ℃時(shí)，隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)，非晶合金干式變壓器的實(shí)際電子沖擊負(fù)荷量變化情況。

分析表1可知，當(dāng)溫度損耗量為50 ℃時(shí)，電子沖擊負(fù)荷量共出現(xiàn)兩次穩(wěn)定的數(shù)值波動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)溫度損耗量為100 ℃時(shí)，電子沖擊負(fù)荷量只出現(xiàn)一次穩(wěn)定的數(shù)值波動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)溫度損耗量為150 ℃時(shí)，電子沖擊負(fù)荷量共出現(xiàn)三次穩(wěn)定的數(shù)值波動(dòng)狀態(tài)。綜上可知，溫度損耗量的變化不會(huì)影響非晶合金干式變壓器電子沖擊負(fù)荷量的穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，表明應(yīng)用本研究設(shè)計(jì)的溫升異常監(jiān)測(cè)方法后，變壓器電子沖擊負(fù)荷量變化情況穩(wěn)定，與理想化情況保持一致。

表1 非晶合金干式變壓器的電子沖擊負(fù)荷量

4 結(jié) 語(yǔ)

在熱源計(jì)算量、導(dǎo)熱系數(shù)等溫度場(chǎng)條件的支持下，本研究設(shè)計(jì)的新型非晶合金干式變壓器溫升異常監(jiān)測(cè)方法可在確定變壓器高頻溫升漏感的同時(shí)，計(jì)算獲得準(zhǔn)確的磁芯損耗與繞組損耗數(shù)值。在溫度損耗量持續(xù)增加的環(huán)境下，非晶合金干式變壓器溫度場(chǎng)強(qiáng)與電子沖擊負(fù)荷量均滿足理想化運(yùn)行條件，證明該方法可有效解決變壓結(jié)構(gòu)體的連續(xù)性溫升問題，維護(hù)變壓器工作狀態(tài)的穩(wěn)定。