復合電能質(zhì)量下干式變壓器壽命的相關問題分析*

尤飄飄，顧勝堅，2，任克宇

（1.上海電力大學 電子與信息工程學院，上海 201306；2.杭州錢江電氣集團，浙江 杭州 311243）

電能質(zhì)量的長期研究和分析表明，不同電能質(zhì)量問題都會給電氣設備，包括變壓器帶來不同程度的額外能耗。國家標準定義的電能質(zhì)量指標包括電壓暫降、電壓暫升、電壓中斷、諧波、三相不平衡、電壓波動與閃變、頻率偏差、電壓偏差，前四個發(fā)生最多，占電能質(zhì)量投訴的百分之八十以上[1]。目前，國內(nèi)外主要研究單項電能質(zhì)量指標對變壓器的損耗，并取得一定成果，為研究多電能質(zhì)量指標復合情況下變壓器的損耗和溫度場分布奠定了基礎。

絕緣樹脂熱老化是影響干式變壓器使用壽命的主導因素，其中決定絕緣樹脂熱老化的因素包括實際運行中所處的熱環(huán)境和所承受負載的多少，前者起到?jīng)Q定性作用。目前，現(xiàn)有的文獻缺少研究復合電能質(zhì)量對干式變壓器熱性能特征表現(xiàn)分析，并且缺少使用壽命研究。變壓器的損耗轉(zhuǎn)化為熱量，傳遞到絕緣系統(tǒng)后開始化學反應，就慢慢改變絕緣材料的分子結構，若絕緣材料失效，意味著變壓器壽命終結。隨著沖擊性、非線性負荷的廣泛應用以及低壓配電網(wǎng)中大量單相負荷的使用，諧波、三相不平衡等電能質(zhì)量問題日益突出，同時并存時，引起的熱損耗占變壓器附加損耗很大比重。若變壓器在負載率較大且三相不平衡度較高時，容易出現(xiàn)單相過載倍數(shù)較大，繞組熱點溫度超過其允許的最大溫度，諧波大大增加變壓器整體溫度的現(xiàn)象。

因此，本文闡述基于在Simulink 建立仿真平臺，介紹變壓器在三相不平衡和諧波指標下的綜合損耗計算過程，再利用有限元仿真平臺建立三維實體模型，數(shù)值計算復合電能質(zhì)量指標下的溫度場和熱點溫度，以及變壓器使用壽命研究，為變壓器健康狀態(tài)的監(jiān)測與設計提供參考，切實保障電網(wǎng)運行的可靠性具有理論研究和現(xiàn)實意義。

1 復合電能質(zhì)量下變壓器溫度場理論分析

變壓器發(fā)熱主要由高、低壓繞組和鐵芯上的損耗引起，溫度場仿真時的繞組損耗與鐵芯損耗值即為對應部件的熱載荷值。在Simulink 中搭建仿真模型如圖1 所示，以A、B、C 三相負荷設置部分模擬三相不平衡情況，以二極管整流部分模擬與諧波指標復合后的情況。

1.1 熱源值計算

（1）假設變壓器各相的不平衡度分別為βA、βB和βC，Dyn11 變壓器各相繞組損耗P′wα為

其中，Iα（α=A，B，C）為各相電流有效值；Iαv為平均值，Iαv=（IA+IB+IC）/3；RT為變壓器繞組的直流電阻。

圖1 Simulink 仿真模型

圖2 樹脂澆筑式干式變壓器整體圖與剖面圖

（2）在IEC 61378-2 方法的基礎上，測量工頻下的負載損耗P1、繞組中的渦流損耗PEC.1和鐵芯的雜散損耗POSL.1，各次諧波損耗為：

其中，I1為工頻電流有效值；Ih為第h 次諧波電流的有效值；THDh為第h 次諧波電流畸變率；fh為第h 次諧波頻率；Rh為第h 次諧波下變壓器繞組的等效電阻；PI2R為繞組電阻損耗；PEC為渦流損耗；POSL為鐵芯雜散損耗。

1.2 溫度場理論

首先利用ANSYS WORKBENCH 有限元平臺建立干式變壓器實體三維模型，如圖2。熱量傳遞包括導熱、對流、換熱這三種基本方式，根據(jù)實際散熱情況，設置熱邊界條件是非常重要的過程。最后經(jīng)有限元求解分析，可得到干式變壓器的溫度分布云圖。假設物質(zhì)的材料屬性不隨溫度發(fā)生變化，控制方程可分別簡化為式（6～8）。

式中：T 為模型計算區(qū)域溫度；kx、ky、kz為熱傳達率在x，y，z 軸的分量；Q 為熱源內(nèi)密度；PV為變壓器熱源部分的損耗；V 為熱源部分的體積；ρ 為物質(zhì)密度；c 為比熱容；t 為時間。

2 復合電能質(zhì)量下變壓器使用壽命

干式變壓器熱仿真與分析：

根據(jù)1.2 節(jié)，得到不同工況下干式變壓器三維穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖和熱點溫度值T′。當僅考慮復合電能質(zhì)量約束下干式變壓器熱老化對變壓器壽命終結的影響時，根據(jù)絕緣材料在使用過程中溫度與絕緣材料化學反應速率的近似關系，通過阿倫尼烏斯（Arrhenius）定律進行評估，即根據(jù)在恒定的熱點溫度T′（單位為K）下，變壓器的預期壽命L 按下式計算：

其中：L 為絕緣材料預期壽命；a、b 為常數(shù)，與絕緣材料的種類和活化能量等參數(shù)有關，是通過對其進行耐熱實驗測得的。

3 結論

綜上所述，在針對復合電能質(zhì)量對干式變壓器壽命分析時，可通過Simulink 仿真平臺，分析加入不同情況的電能質(zhì)量指標，再利用有限元思想分析對應工況下干式變壓器的熱性能特征表現(xiàn)，進而分析供電電能質(zhì)量干式變壓器性能的影響，這可為變壓器健康狀態(tài)的監(jiān)測與設計提供參考。