220 kV氣體絕緣變壓器空載過勵磁能力計算分析

涂昊曦，劉連興，張喜樂

(1.深圳供電局有限公司，廣州 深圳 518000；2.保定保菱變壓器有限公司，河北 保定 071056；

3.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056)

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220 kV氣體絕緣變壓器空載過勵磁能力計算分析

涂昊曦1，劉連興2，張喜樂3

(1.深圳供電局有限公司，廣州 深圳 518000；2.保定保菱變壓器有限公司，河北 保定 071056；

3.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056)

摘要:文中介紹了SF6氣體絕緣變壓器空載過勵磁能力，給出了220 kV氣體絕緣變壓器空載過勵磁能力的分析計算方法。

關鍵詞：空載過勵磁能力；平均溫升；鐵心飽和；磁通密度；熱點溫升

隨著大中城市的發展，人口集中的城市變電站對防火、防爆的安全性要求越來越高，而SF6氣體絕緣變壓器防火、防爆的性能優良，城市變電站對SF6氣體絕緣變壓器的需求越來越多。目前，北京、上海、深圳已經批量使用了110 kV電壓等級的氣體絕緣變壓器。為了更好地優化變電站設計、節約變電成本，提出了220 kV氣體絕緣變壓器的設想。本文介紹了該類產品的變壓器空載過勵磁能力的計算分析。

1　空載過勵磁后對變壓器的影響分析

氣體絕緣變壓器的空載過勵磁能力也可以理解成變壓器過電壓后鐵心內部磁通密度升高，甚至使鐵心處于飽和狀態，針對此問題，首先考慮過勵磁后鐵心的溫升情況，其次考慮鐵心飽和后線圈的勵磁電流大幅度增加導致線圈的溫度升高。

對于220 kV氣體絕緣變壓器產品，空載過勵磁的要求為1.3倍，運行5 min。假設1.3倍過勵磁后，變壓器鐵心磁通密度為2.117 T，對于高導磁硅鋼片，其飽和磁通密度按2.0 T計算。以下就該要求進行鐵心及繞組溫升的計算。

1.1　勵磁電流計算

在此運行條件下，變壓器勵磁繞組(高壓繞組)的勵磁電流可分成兩個部分，一部分為鐵心飽和所需的勵磁電流，另一部分為氣體中漏磁的勵磁電流。

變壓器過勵磁的磁通量導致鐵心高度飽和后，將有一部分進入鐵心以外的空間。由于磁場強度的切向分量在相鄰介質中是連續的，因此，可以近似地認為鐵心柱中的磁場強度與鐵心柱之外非磁性物質空間的磁場強度相同，那么，變壓器總的磁通量為：

(1)

(2)

式中，過激磁后的磁通密度Bm= 2.117 T ；鐵心飽和磁通密度Bc= 2.0 T ；H為勵磁繞組高度；W為勵磁繞組匝數；Sc為鐵心柱截面積；Sδ為磁通所交鏈的非磁性物質等值截面積；DA為勵磁繞組的平均直徑。

將該產品相關數據代入式(1)、式(2)，可以得出

激磁電流：

1.2　該工況下變壓器氣體溫升計算

(1) 該工況下的損耗計算

空載損耗：

負載損耗：

Wp= 10 815 W

總損耗：

W=W0+Wp=146 185+10 815=157 000 W

式中，k為空載損耗工藝系數；Ps為硅鋼片單位損耗；G為鐵心用硅鋼片重量。

(2)氣體穩態溫升計算

氣體穩態溫升計算可根據變壓器散熱面積及熱負荷按氣體絕緣變壓器的溫升計算方法進行，計算結果如下。

氣體穩態平均溫升：

頂層穩態氣體溫升：

(3)運行5 min時的頂層氣體暫態溫升

過勵磁前氣體平均溫升為：36.3 K

過勵磁前頂層氣體溫升為：47.4 K

暫態氣體平均溫升：

頂層暫態氣體溫升 ：

1.3　該工況下的繞組溫升

(1) 高壓繞組(勵磁繞組)溫升

a.繞組熱負荷計算

繞組的熱負荷與繞組導線中單位長度上產生的損耗、線餅散熱面積、導體的渦流損耗系數等有密切的關系，計算方法與同型油浸式變壓器相同，其計算結果為。

b.線圈表面的熱傳導

對于線圈表面的熱傳導率，可通過變壓器線圈溫升計算方法進行，在此不列出，只給出相關的數據。

c.線圈穩態平均溫升計算

銅氣溫差△θc=q/αcoil=1.0

繞組平均溫升θc=△θg+△θc

=26.3 K+1=27.3 K

d.線圈穩態熱點溫升計算

θcmax=△θg+△θc

=33.5 K+1.3×1 K=34.8 K

注意：熱點系數按1.3計算。

e.運行5 min后繞組的暫態熱點溫升

過勵磁前繞組的熱點溫升為：66.8 K

△θgmax=66.8 K+(34.8-66.8)×(1-e-5/12.9)

=56.5 K

f.運行5 min后繞組的暫態熱點溫度

θgmax=56.5 K+40 K=96.5 K滿足運行要求。

注：環境溫度按40 ℃考慮

(2)低壓繞組溫升

由于低壓繞組不是勵磁繞組，在空載情況下，低壓繞組不載流，因此，低壓繞組溫升和氣體溫升相當，在此不再對低壓繞組的熱點溫升進行計算。

1.4　該情況下的鐵心溫度

(1)鐵心熱負荷計算(按飽和磁通密度2.0計算)

式中，K1為鐵心熱負荷系數；Pa為過勵磁1.3倍時的鐵心單位損耗；K2為鐵心損耗工藝系數；G為鐵心重量；S為鐵心散熱面積。

(2)鐵芯對氣體的穩態溫差

由鐵心的溫升計算中可以得到鐵心的熱傳導率為

Αcoil= 40.62

那么鐵心平均溫升為

△θt=q/αcoil=1 712 K/40.62=42.1 K

(3)鐵心頂部表面穩態溫升

(4) 運行5 min時的鐵心暫態溫升

過勵磁前的頂部鐵心溫升62.1 K,其暫態溫升為

(5)運行5min時鐵心頂部表面溫度

注：環境溫度按40℃考慮。

2　結束語

如上所述，對于本文所述的220 kV氣體絕緣變壓器過勵磁能力計算，空載過勵磁1.3倍、5 min后，變壓器繞組熱點溫度為96.5℃，鐵心熱點溫度為102.7℃。由于該類變壓器發熱位置絕緣件采用的是E級耐熱絕緣件(不影響壽命的情況長期工作溫度為115 ℃，在外力作用下熱變形溫度約為200 ℃)，其耐熱溫度較高，因此出現短期過勵磁后只要溫度不高于絕緣件熱變形溫度，變壓器就不會損壞。對于以上變壓器的計算分析，由于從變壓器噪聲等其他方面考慮變壓器鐵心的磁通密度取值較低，因此其過勵磁后鐵心和繞組的熱點溫度的計算值也較低，變壓器的過勵磁能力也較強，在變壓器技術指標要求不嚴格的條件下可以適當地提高變壓器鐵心的磁通密度，使變壓器設計更加合理。

參考文獻：

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[2]陳宗器，丁伯雄.SF6氣體絕緣變壓器綜述(上)[J].變壓器，1999，(7)：133-137.

[3]陳宗器，丁伯雄.SF6氣體絕緣變壓器綜述(下)[J].變壓器，1999，(8)：24-28.

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[5]尹新光，李偉強.SF6氣體絕緣變壓器在我國的應用前景探討[J].電力設備，2004(1)：39-41.

劉連興(1968-)，男，河北獻縣人，碩士，高級工程師，研究方向：變壓器設計技術；

張喜樂(1964-)，男，河北蠡縣人，博士，教授級高工，研究方向：變壓器設計技術。

運營探討

Analysis and Calculation of No-Load Over-Excitation Ability of

220 kV Gas Insulated Transformer

TU Hao-xi1, LIU Lian-xing2, ZHANG Xi-le3

(1.Shenzhen Power Supply Company, Shenzhen 518000, China; 2.Baoding Baoling Transformer Co., Ltd.,

Baoding 071056, China; 3.Baoding Tianwei Group Baobian Electric Co., Ltd., Baoding 071056, China)

Abstract:In this article, no-load over-excitation ability of SF6gas insulated transformer is firstly introduced. Then, the method for analyzing and calculating is presented.

Key words:no-load over-excitation ability; average temperature rise; core saturation; flux density; hot-point temperature rise

中圖分類號：TM415

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0141-02

作者簡介：涂昊曦(1984-),男,江西景德鎮人，碩士研究生，工程師，研究方向：電網規劃及輸變電新技術；