農用高過載變壓器設計原理及驗證方法

于 淼，崔亞濤，劉 建，黃 嬌，張洪國

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院, 山東青島266590)

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農用高過載變壓器設計原理及驗證方法

于 淼，崔亞濤，劉 建，黃 嬌，張洪國

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院, 山東青島266590)

農村地區生活條件的改善,導致用電需求增加。每年都有農村變壓器燒毀事故發生，究其原因，是由于在春季以及夏季收割灌溉的時候用電負荷成倍增加，造成負載電流過大，溫升過高以至于變壓器燒毀。為了適應農村地區用電現狀，減少變壓器燒毀事故的發生，從農網用高過載變壓器的理論設計方法入手進行分析和設計，包括參數計算、材料選型。最后通過產生的熱負荷計算溫升，來驗證設計是否能夠達到過載要求。結果表明，溫升計算結果滿足過載要求，能夠保證變壓器可靠運行。彌補了高過載變壓器這一領域的空白。

農網；高過載；熱負荷；溫升；可靠運行

0 引言

農村地區一年中的大部分時間處于輕載狀態，變壓器的利用率很低。但在春節以及農村灌溉、收割時期，農村用電情況可能變為之前的數倍，農村地區的大多數變壓器在短時間內過負荷運行的情況比較嚴重，這樣的現狀極易導致變壓器燒壞，造成停電事故，居民的生活、企業的生產也會受到一定影響[1，2]。

而針對這種現象，主要的解決方案有兩種：一是選用更大容量的配電變壓器；二是研制一種新型的、在不改變其容量的情況下其短時過載能力較強的配電變壓器。對于第一種解決方案，會加大初次投資的成本，并且空載運行的損耗也會增大，這對于農村地區來說運行經濟性不高，不宜采用。

目前國內的高過載變壓器研究處于初級階段，只有南方個別省市的電網公司研究過，并沒有廣泛應用于實際生產，其過載性能也不是特別好，實際的經濟效益并不大。就目前高過載變壓器領域存在的問題，提出了新的解決方案，采用新型的長圓鐵心形式、使用新型冷軋硅鋼片以及合適的繞組等，設計一種新型的高過載變壓器，以此來降低農村地區變壓器燒毀事故的發生[3，4]。

1 高過載變壓器運行負荷特點

這種變壓器長期運行于較低負荷水平，過負荷運行只是在較短的時間段之內，并非一直過負荷運行。目前，國家電網公司的企業標準給出了高過載配電變壓器的定義，即“滿足本標準規定的過載曲線且不影響配電變壓器正常使用壽命”。該標準指出，目前農網中較為典型的過載情況為：在正常運行要求的基礎上滿足1.5倍額定容量運行6 h，1.75倍額定容量運行3 h，2倍額定容量運行1 h。其運行負荷圖如圖1所示。

圖1 高過載變壓器負荷特性曲線

2 設計方案

變壓器運行時，由于有空載損耗、負載損耗、雜散損耗存在，在其運行時候會產生大量熱量，變壓器燒毀的原因也是由于過熱導致繞組燒毀。所以本文主要解決散熱的問題。

為了減少損耗，減少熱量的產生，主要措施如下：

(1)采用了更高牌號的冷軋取向硅鋼片，其單位鐵損更低，在同樣鐵心重量的前提下，其空載損耗會減少10%～30%。

(2)采用截面積稍大一點的導線，在滿足條件的基礎上盡可能減小繞組的電阻，從而達到減小負載損耗的目的。

(3)在低壓繞組、高壓繞組以及高低壓繞組之間均放置縱向全油道，以此增加散熱面積，達到降低溫度的目的。

(4)鐵心及繞組的夾件、墊塊等，采用高強度非金屬材質，可以減少附加損耗。

(5)采用波紋油箱，增加波紋片個數，盡可能的增大油箱的散熱面積。

(6)采用耐熱等級更高一級的B級絕緣材料，耐熱性更好，在運行過程中安全性和穩定性也更好。

常用的絕緣材料耐熱溫度如表1所示。

表1 絕緣材料耐熱分級

以三相油浸式250 kVA變壓器S11-M-250/10為例，冷軋硅鋼片選用牌號為27QG100的硅鋼片，其單位鐵損較其他硅鋼片要小，疊接成長圓結構，提高填充系數，最大限度的減少空載損耗，提高變壓器輕載運行時的經濟效益。在繞組選型方面，考慮熱效應和經濟性，為使投資最少，選擇0.6×390的銅箔作為低壓側繞組，1.95×3.15的紙包扁鋁線作為高壓側繞組(單位均為mm)。在繞組繞制時，低壓側、高壓側輻向均放置兩個3 mm軸向油道，高低壓之間放置5 mm主油道，以此增加繞組的散熱面積。層間絕緣選用0.08 mm的點膠紙，耐熱等級為B級，可耐受130℃的溫度。

新型長圓鐵心疊接形式如圖2所示。

圖2 鐵心疊接形式

高低壓間主油道如圖3所示。

圖3 高低壓間主油道

變壓器油和繞組都是有溫度限制的，其溫升限值表如表2所示。

表2 溫升限值表

繞組及變壓器油的熱負載及溫升計算過程如下：

(1)層式繞組的熱負載qqc計算

(1)

式中: PR為被計算繞組的電阻損耗，W；Kp為被計算繞組的附加損耗系數，對于50～250 kVA、10 kV電壓等級的小型變壓器，Kp取1.05；Sqc為被計算繞組的散熱面，m2。

(2)層式繞組的溫差(τqc)計算

(2)

式中: qqc為高壓或低壓繞組的熱負載，W/m2。

(3)層式繞組的溫升θqc計算

(3)

式中：θy為油平均溫升，按式(5)進行計算。

(4)油箱的熱負載qyx計算

(4)

式中：P0為空載損耗，W；Pk為負載損耗，W；Syx為油箱的有效散熱面，m2。

(5)油平均溫升θy計算

(5)

式中：Ky為油平均溫升計算系數，油浸自冷式取Ky=0.262，扁管散熱器及片式散熱器油浸風冷式取Ky=0.16；qyx為油箱的熱負載，W/m2。

(6)頂層油溫升θym計算

(6)

(7)

式中：Δτm為頂層油溫升修正值；hf為發熱中心高度，即箱底至線圈中心高度；hs為散熱中心高度，即箱底至散熱器中心高度[5-7]。

以三相油浸式250 kVA變壓器 S11-M-250/10為例，其溫度計算結果以及通過溫度測量儀測得的實際溫度如表3所示。

表3 不同負載情況下的溫度值 ℃

注：此時溫度為溫升值加上環境溫度，環境溫度一般取20℃。上表數據已經經過折算。

溫度測量儀有8個溫度傳感器，分別測量頂層油溫、平均(中層)油溫、底層油溫、溫度管溫度以及三個環境溫度。上表只選取了油平均溫升和頂層油溫升。

由表3可以看出，1.75倍負荷時，高低壓繞組的溫度達不到130 ℃，而當2倍負荷時，高低壓繞組的溫度超過了130℃。(由于油浸式變壓器無法直接測得高低壓繞組的實際溫度，其實際溫度可由繞組溫度與頂層油溫度之差計算)。

實際上環境溫度(大氣溫度)并不一定都是20℃：變壓器在夏季運行時，環境溫度高于20℃，實際壽命損失要大些，在冬季運行時，環境溫度低于20℃，實際壽命損失要小一些，冬季夏季的壽命損失是大致可以補償的，并不會對變壓器壽命產生大的影響。

因此選用厚度0.08 mm，耐熱等級為B級，耐熱極限溫度為130 ℃的層間絕緣(絕緣電工點膠紙)，可以保證變壓器在過載到1.75倍時能夠穩定運行而不至于燒毀[8-12]。

3 經濟性對比

A、B級絕緣材料目前價格如表4所示。

表4 A、B級絕緣材料價格 元/kg

根據平均半徑、繞組層數、高低壓層間放置層間絕緣的張數，可以計算出使用的層間絕緣的總長度，進而計算出使用的層間絕緣的總重量。

以三相油浸式250 kVA變壓器 S11-M-250/10為例，使用的B級絕緣材料重量為3.5 kg，成本為112元；若使用A級絕緣材料，成本為59.5元。成本增加52.5元，增加比列為88%。

不同容量的變壓器的空負載損耗是不一樣的，其損耗差距也很大。下面根據其空負載損耗來分析變壓器運行成本。S11系列油浸式變壓器：高壓：10 kV，低壓：0.4 kV；聯結組：Dyn11；調壓范圍：±5%或±2×2.5% 的標準參數表如表5所示。

表5 S11系列油浸式變壓器標準參數表

由表可見，S11-250/10總損耗為3 445 W，而2倍容量的S11-500/10總損耗為5 775 W，損耗為高過載變壓器的1.68倍，每天增加損耗2 330 W。工業用電為1.025元/kW·h，則每天增加運行成本57.32元。

由此可見，采用高過載變壓器雖然在投資時成本增加了一部分，但是可以大大降低變壓器的運行成本。投資增加的成本遠遠低于采用大容量變壓器增加的運行成本，提高變壓器的運行效益。

4 結論

配電變壓器是電網向用電戶供電的關鍵設備，其運行穩定性直接關乎用戶的用電質量以及生產生活質量，因此設計研制農網高過載配電變壓器在實際的生產生活中有著極其重要的作用:

(1)解決了初次投資過大的弊端，又可以在短時間內過載到較大的容量，這與農村地區用電負荷不穩定的情況相對應。

(2)變壓器在運行時達到散熱要求，從而達到短時過載的目的而不至于變壓器燒毀。

(3)提高了農村地區變壓器運行經濟效益，減少損耗。

目前國家對于高過載變壓器并沒有出臺明確的國家標準，只有一些企業標準，仍處于初步發展階段，對高過載變壓器的研究設計仍有很大的進步空間。

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YU Miao，CUI Yatao，LIU Jian，HUANG Jiao，ZHANG Hongguo

(School of Electrical and Automation Engineering，Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590，China)

In rural areas the improvement of living conditions leads to the increase of the electricity demand．The rural transformer burn accidents occurred every year.Investigation has been done and the fact that due to the overload of the electricity occurred in the spring festival and summer harvest and irrigation, the load current became too large and the temperature rose so high that the transformer became damaged．In order to adapt to the situation and reduce transformer burn accidents, according to the analysis and design method of the overload transformer, including parameter calculation and material selection, some designs are conducted．Finally, the temperature rise caused by the heat load is calculated, which is used to verify the feasibility of the proposed design.The results show that the calculated temperature rise can meet the requirements of the overload situation, which ensures reliable operation of the transformer．The study of this paper can be a guide in the field of high overload transformer．

rural power grids； high overload； heat load； temperature rise； reliable operation

2016-06-23。

于淼(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統分析，E-mail：yumiao5011@163.com。

TM41

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.006