換流變壓器溫升特性分析及過負荷能力計算研究

西安西變組件有限公司 梁 棟

高壓直流輸電系統(tǒng)開發(fā)中，過負荷能力的計算精準度對系統(tǒng)的性能影響較大。由于換流變壓器易受環(huán)境溫度影響特性發(fā)生改變，所以計算不同工況下過負荷能力顯得尤為重要。依據(jù)能力計算結果采取不同補救措施，從而保證變壓器得以正常作業(yè)[1]。按照時間持續(xù)長短不同可將此能力劃分為持續(xù)過負荷、秒級過負荷、小時級過負荷3種狀態(tài)，本文著重對這3種狀態(tài)下的能力計算進行研究。

1 換流變壓器溫升特性分析

當高壓直流輸電系統(tǒng)處于過負荷運行狀態(tài)時，可將線路中負荷變化規(guī)律看作階躍函數(shù)求解問題，圖1中當負荷產生階躍變化時不同位置溫度以指數(shù)遞增方式上升。本文以位于底層的油溫變化規(guī)律為例，假設為t，計算此時暫態(tài)溫升方法為τbt=τbi+(τbu-τbi)(1-e-t/T)，式中T 代表油時間常數(shù)；τbu代表K2負荷率狀態(tài)下油穩(wěn)定溫升；τbi代表K1負荷率狀態(tài)下油穩(wěn)定溫升；τbt代表持續(xù)t時間后油溫升。考慮到變壓器內部繞組發(fā)熱時間在15min 以內，通常情況下發(fā)熱最短時間為5min，因而本研究認為當負荷率發(fā)生躍升情況，即K1躍升至K2，油溫升發(fā)生瞬間躍變，而后趨于穩(wěn)定[2]。

圖1 換流變壓器溫度升高變化規(guī)律

圖2 工程直流換流變壓器接線方式

2 換流變壓器過負荷能力計算

2.1 持續(xù)過負荷狀態(tài)下的變壓器運行能力計算

第一步確定換流變壓器所屬冷卻類型；第二步判斷變壓器作業(yè)期間是否易受導線電阻的影響，如易受影響則利用公式θ'h=θh+0.15(θh-θhr)（θh為不考慮電阻影響情況下的熱點溫度；θ'h為考慮電阻影響情況下的熱點溫度；θhr為額定負荷作業(yè)狀態(tài)下的熱點溫度）計算求取熱點溫度，反之直接跳轉至第三步；第三步依據(jù)變壓器空載損耗及短路損耗計算阻值R，取額定功率作業(yè)狀態(tài)下的溫升數(shù)據(jù)作為熱點系數(shù)H，將這些數(shù)據(jù)代入式（1）計算，得到長期過負荷率K；式中θa代表環(huán)境溫度；R 代表短路與空載兩種工況下?lián)p耗之比；H 代表熱點系數(shù)；gr代表繞組與油平均溫升數(shù)值之差；τimr代表額定負荷作業(yè)狀態(tài)下的油溫升平均值；τbr代表底層額定負荷作業(yè)狀態(tài)下的油溫升。

第四步判斷當前熱點溫升是否超出了限定值，如超出輸出長期過負荷率K 數(shù)值，反之以熱點溫升作為限定值，計算過負荷率K’，輸出長期過負荷率數(shù)值。

2.2 小時級過負荷狀態(tài)下的變壓器運行能力計算

該作業(yè)狀態(tài)下負荷能力計算可用階躍函數(shù)表示，該函數(shù)由兩部分組成，其中一部分為下降階躍函數(shù)，復函延時特性，另外一部分為上升階躍函數(shù)[3]。利用式（2）計算負荷持續(xù)時間，式中τlim代表熱點溫度限定值，τ2、τ1代表穩(wěn)定溫升且前者數(shù)值大于溫度限定值。

2.3 秒級過負荷狀態(tài)下的變壓器運行能力計算

通常系統(tǒng)正常作業(yè)期間秒級過負荷能力大約1.55p.u.，能在短時間內完成功率輸送，滿足大量功率輸送需求。由于繞組熱時間很少超過15min 而變壓器油時間在1h 以上，所以當變壓器作業(yè)時間為4s～10s 情況下溫升變化幅度較小，對系統(tǒng)作業(yè)影響最大的是晶閘管、并非變壓器[4]。考慮到電壓器作業(yè)進入過負荷狀態(tài)，金屬部分產生渦流導致裝置溫度升高，為保證現(xiàn)場作業(yè)安全要求過負荷能力不可以超過1.5p.u.。

3 案例分析

本文以某工程換流站為例，探究不同過負荷工況下變壓器運行能力，按圖2所示接線方式連接線路。相關參數(shù)為：換流變壓器型號EFPH 8554；額定電壓為230kV/3kV/198.5kV/3kV/198.5kV；空載損耗為182kW，負載損耗900kW；網側容量337MVA；閥側容量168.5MVA；閥側容量168.5MVA；額定頻率50Hz；冷卻方式為強油循環(huán)風冷。

表1 1．05p．u．起始負荷率狀態(tài)下的過負荷能力數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果

表2 1．15p．u．起始負荷率狀態(tài)下的過負荷能力數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果

表3 1．25p．u．起始負荷率狀態(tài)下的過負荷能力數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果

3.1 持續(xù)過負荷狀態(tài)下的變壓器運行能力計算

按照前文設計的接線方式搭建變壓器作為環(huán)境，采集持續(xù)過負荷狀態(tài)下的變壓器運行能力數(shù)據(jù)，將該數(shù)值與本算法計算數(shù)值進行差值運算，如果誤差在±0.02p.u.以內，則認為本文提出的算法符合計算精度要求。另外還可通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲取此狀態(tài)下變壓器運行能力變化規(guī)律，以每5℃為間隔統(tǒng)計環(huán)境溫度從0～40℃狀態(tài)下持續(xù)過負荷狀態(tài)下的變壓器實際運行能力（p.u.），其實際數(shù)值、本算法計算數(shù)值及差值分別為1.18、1.19、0.01，1.18、1.19、0.01，1.18、1.19、0.01，1.18、1.19、0.01，1.18、1.19、0.01，1.15、1.17、0.02，1.12、1.14、0.02，1.09、1.11、0.02，1.06、1.08、0.02。

依據(jù)以上統(tǒng)計結果，本文提出的持續(xù)過負荷狀態(tài)下運行能力計算算法精準度較高，與變壓器實際運行能力差值在0.02p.u.以內，在誤差允許范圍之內。因此該模型可用于分析持續(xù)過負荷狀態(tài)下運行能力變化規(guī)律。當變壓器作業(yè)環(huán)境溫度未達到25℃時，隨著溫度的增加，持續(xù)過負荷狀態(tài)下運行能力保持不變，穩(wěn)定在1.18p.u.。隨著溫度的增加運行能力隨之逐漸下降，兩者間存在線性關系。當溫度達到40℃時運行能力降低至1.06p.u.。

3.2 小時級過負荷狀態(tài)下的變壓器運行能力計算

本研究以起始負荷率1.05p.u.、1.15p.u.、1.25p.u.作為分析條件，利用本文提出的算法計算3個小時級下的過負荷能力，結果如表1、表2、表3所示。

依據(jù)表中統(tǒng)計結果可知，不同起始負荷率情況下，當溫度保持不變時過負荷能力與持續(xù)時間存在正相關關系，當過負荷能力逐漸降低時持續(xù)時間隨之減少。當起始負荷率、過負荷能力相同時，隨著溫度的增加持續(xù)時間逐漸下降。另外，3種起始負荷率工況下，過負荷能力隨著起始過負荷率的增加而降低，持續(xù)時間也將縮短。

綜上，本文構建的算法可準確計算相關數(shù)值，持續(xù)過負荷狀態(tài)下變壓器運行能力先保持穩(wěn)定，而后隨著溫度的升高而下降，小時級過負荷狀態(tài)下的變壓器運行能力與持續(xù)時間存在正相關關系。