于 淼，崔亞濤，劉 建，黃 嬌，張洪國(guó)

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 山東青島266590)

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農(nóng)用高過(guò)載變壓器設(shè)計(jì)原理及驗(yàn)證方法

于 淼，崔亞濤，劉 建，黃 嬌，張洪國(guó)

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 山東青島266590)

農(nóng)村地區(qū)生活條件的改善,導(dǎo)致用電需求增加。每年都有農(nóng)村變壓器燒毀事故發(fā)生，究其原因，是由于在春季以及夏季收割灌溉的時(shí)候用電負(fù)荷成倍增加，造成負(fù)載電流過(guò)大，溫升過(guò)高以至于變壓器燒毀。為了適應(yīng)農(nóng)村地區(qū)用電現(xiàn)狀，減少變壓器燒毀事故的發(fā)生，從農(nóng)網(wǎng)用高過(guò)載變壓器的理論設(shè)計(jì)方法入手進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，包括參數(shù)計(jì)算、材料選型。最后通過(guò)產(chǎn)生的熱負(fù)荷計(jì)算溫升，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否能夠達(dá)到過(guò)載要求。結(jié)果表明，溫升計(jì)算結(jié)果滿足過(guò)載要求，能夠保證變壓器可靠運(yùn)行。彌補(bǔ)了高過(guò)載變壓器這一領(lǐng)域的空白。

農(nóng)網(wǎng)；高過(guò)載；熱負(fù)荷；溫升；可靠運(yùn)行

0 引言

農(nóng)村地區(qū)一年中的大部分時(shí)間處于輕載狀態(tài)，變壓器的利用率很低。但在春節(jié)以及農(nóng)村灌溉、收割時(shí)期，農(nóng)村用電情況可能變?yōu)橹暗臄?shù)倍，農(nóng)村地區(qū)的大多數(shù)變壓器在短時(shí)間內(nèi)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行的情況比較嚴(yán)重，這樣的現(xiàn)狀極易導(dǎo)致變壓器燒壞，造成停電事故，居民的生活、企業(yè)的生產(chǎn)也會(huì)受到一定影響[1，2]。

而針對(duì)這種現(xiàn)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(shí)過(guò)載能力較強(qiáng)的配電變壓器。對(duì)于第一種解決方案，會(huì)加大初次投資的成本，并且空載運(yùn)行的損耗也會(huì)增大，這對(duì)于農(nóng)村地區(qū)來(lái)說(shuō)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性不高，不宜采用。

目前國(guó)內(nèi)的高過(guò)載變壓器研究處于初級(jí)階段，只有南方個(gè)別省市的電網(wǎng)公司研究過(guò)，并沒(méi)有廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，其過(guò)載性能也不是特別好，實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益并不大。就目前高過(guò)載變壓器領(lǐng)域存在的問(wèn)題，提出了新的解決方案，采用新型的長(zhǎng)圓鐵心形式、使用新型冷軋硅鋼片以及合適的繞組等，設(shè)計(jì)一種新型的高過(guò)載變壓器，以此來(lái)降低農(nóng)村地區(qū)變壓器燒毀事故的發(fā)生[3，4]。

1 高過(guò)載變壓器運(yùn)行負(fù)荷特點(diǎn)

這種變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行于較低負(fù)荷水平，過(guò)負(fù)荷運(yùn)行只是在較短的時(shí)間段之內(nèi)，并非一直過(guò)負(fù)荷運(yùn)行。目前，國(guó)家電網(wǎng)公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)給出了高過(guò)載配電變壓器的定義，即“滿足本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的過(guò)載曲線且不影響配電變壓器正常使用壽命”。該標(biāo)準(zhǔn)指出，目前農(nóng)網(wǎng)中較為典型的過(guò)載情況為：在正常運(yùn)行要求的基礎(chǔ)上滿足1.5倍額定容量運(yùn)行6 h，1.75倍額定容量運(yùn)行3 h，2倍額定容量運(yùn)行1 h。其運(yùn)行負(fù)荷圖如圖1所示。

圖1 高過(guò)載變壓器負(fù)荷特性曲線

2 設(shè)計(jì)方案

變壓器運(yùn)行時(shí)，由于有空載損耗、負(fù)載損耗、雜散損耗存在，在其運(yùn)行時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量熱量，變壓器燒毀的原因也是由于過(guò)熱導(dǎo)致繞組燒毀。所以本文主要解決散熱的問(wèn)題。

為了減少損耗，減少熱量的產(chǎn)生，主要措施如下：

(1)采用了更高牌號(hào)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(huì)減少10%～30%。

(2)采用截面積稍大一點(diǎn)的導(dǎo)線，在滿足條件的基礎(chǔ)上盡可能減小繞組的電阻，從而達(dá)到減小負(fù)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(dá)到降低溫度的目的。

(4)鐵心及繞組的夾件、墊塊等，采用高強(qiáng)度非金屬材質(zhì)，可以減少附加損耗。

(5)采用波紋油箱，增加波紋片個(gè)數(shù)，盡可能的增大油箱的散熱面積。

(6)采用耐熱等級(jí)更高一級(jí)的B級(jí)絕緣材料，耐熱性更好，在運(yùn)行過(guò)程中安全性和穩(wěn)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(jí)

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(hào)為27QG100的硅鋼片，其單位鐵損較其他硅鋼片要小，疊接成長(zhǎng)圓結(jié)構(gòu)，提高填充系數(shù)，最大限度的減少空載損耗，提高變壓器輕載運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益。在繞組選型方面，考慮熱效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)性，為使投資最少，選擇0.6×390的銅箔作為低壓側(cè)繞組，1.95×3.15的紙包扁鋁線作為高壓側(cè)繞組(單位均為mm)。在繞組繞制時(shí)，低壓側(cè)、高壓側(cè)輻向均放置兩個(gè)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(diǎn)膠紙，耐熱等級(jí)為B級(jí)，可耐受130℃的溫度。

新型長(zhǎng)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(fù)載及溫升計(jì)算過(guò)程如下：

(1)層式繞組的熱負(fù)載qqc計(jì)算

(1)

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

(2)層式繞組的溫差(τqc)計(jì)算

(2)

式中: qqc為高壓或低壓繞組的熱負(fù)載，W/m2。

(3)層式繞組的溫升θqc計(jì)算

(3)

式中：θy為油平均溫升，按式(5)進(jìn)行計(jì)算。

(4)油箱的熱負(fù)載qyx計(jì)算

(4)

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

(5)油平均溫升θy計(jì)算

(5)

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

(6)頂層油溫升θym計(jì)算

(6)

(7)

式中：Δτm為頂層油溫升修正值；hf為發(fā)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(jì)算結(jié)果以及通過(guò)溫度測(cè)量?jī)x測(cè)得的實(shí)際溫度如表3所示。

表3 不同負(fù)載情況下的溫度值 ℃

注：此時(shí)溫度為溫升值加上環(huán)境溫度，環(huán)境溫度一般取20℃。上表數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)折算。

溫度測(cè)量?jī)x有8個(gè)溫度傳感器，分別測(cè)量頂層油溫、平均(中層)油溫、底層油溫、溫度管溫度以及三個(gè)環(huán)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(fù)荷時(shí)，高低壓繞組的溫度達(dá)不到130 ℃，而當(dāng)2倍負(fù)荷時(shí)，高低壓繞組的溫度超過(guò)了130℃。(由于油浸式變壓器無(wú)法直接測(cè)得高低壓繞組的實(shí)際溫度，其實(shí)際溫度可由繞組溫度與頂層油溫度之差計(jì)算)。

實(shí)際上環(huán)境溫度(大氣溫度)并不一定都是20℃：變壓器在夏季運(yùn)行時(shí)，環(huán)境溫度高于20℃，實(shí)際壽命損失要大些，在冬季運(yùn)行時(shí)，環(huán)境溫度低于20℃，實(shí)際壽命損失要小一些，冬季夏季的壽命損失是大致可以補(bǔ)償?shù)?，并不?huì)對(duì)變壓器壽命產(chǎn)生大的影響。

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

3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

A、B級(jí)絕緣材料目前價(jià)格如表4所示。

表4 A、B級(jí)絕緣材料價(jià)格 元/kg

根據(jù)平均半徑、繞組層數(shù)、高低壓層間放置層間絕緣的張數(shù)，可以計(jì)算出使用的層間絕緣的總長(zhǎng)度，進(jìn)而計(jì)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(jí)絕緣材料重量為3.5 kg，成本為112元；若使用A級(jí)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(fù)載損耗是不一樣的，其損耗差距也很大。下面根據(jù)其空負(fù)載損耗來(lái)分析變壓器運(yùn)行成本。S11系列油浸式變壓器：高壓：10 kV，低壓：0.4 kV；聯(lián)結(jié)組：Dyn11；調(diào)壓范圍：±5%或±2×2.5% 的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)表如表5所示。

表5 S11系列油浸式變壓器標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)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(guò)載變壓器的1.68倍，每天增加損耗2 330 W。工業(yè)用電為1.025元/kW·h，則每天增加運(yùn)行成本57.32元。

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

4 結(jié)論

配電變壓器是電網(wǎng)向用電戶供電的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行穩(wěn)定性直接關(guān)乎用戶的用電質(zhì)量以及生產(chǎn)生活質(zhì)量，因此設(shè)計(jì)研制農(nóng)網(wǎng)高過(guò)載配電變壓器在實(shí)際的生產(chǎn)生活中有著極其重要的作用:

(1)解決了初次投資過(guò)大的弊端，又可以在短時(shí)間內(nèi)過(guò)載到較大的容量，這與農(nóng)村地區(qū)用電負(fù)荷不穩(wěn)定的情況相對(duì)應(yīng)。

(2)變壓器在運(yùn)行時(shí)達(dá)到散熱要求，從而達(dá)到短時(shí)過(guò)載的目的而不至于變壓器燒毀。

(3)提高了農(nóng)村地區(qū)變壓器運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，減少損耗。

目前國(guó)家對(duì)于高過(guò)載變壓器并沒(méi)有出臺(tái)明確的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，只有一些企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，仍處于初步發(fā)展階段，對(duì)高過(guò)載變壓器的研究設(shè)計(jì)仍有很大的進(jìn)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?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析，E-mail：yumiao5011@163.com。

TM41

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.006