变压器热负荷与保护的基本原则.doc
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1、变压器热负荷与保护的基本原则Joe Perez, ERLPhase Power Technologies, Winnipeg, MB, R3Y 1G4摘要电力变压器通常采用差动保护原理即运用电压和电流来检测差动保护区域的异常来进行保护。对于这样的原理,短路或者大电流时装置必须反映出来以启动保护。然而这种原理在变压器需要过载以缓解紧急情况时是不理想的。使用IEEE指南调节油浸式电力变压器C57.91 - 1995的负载,可以使变压器的发热量超过铭牌热限制,达到安全操作水平。使用该指南,工程师可以建立连续、应急、短期紧急的变压器评级。操作者可使用这些评级,直到应急条件得到缓解。但是,一旦变压器已超
2、过短期紧急评级,变压器可能达到临界温度并且可能会持续地受到损伤。工程师采用IEEE标准的热保护原则可以进一步避免变压器的损伤。本文论述了电力变压器的基本热原则,运行理念和热保护的实现。简介变压器在应急状况下可能发生过载,这是一个、两个或系统的各种元素被电力系统隔离的产物。在变压器已经工作在铭牌满额定容量的80-90同时还需要额外容量时,过载也可能发生,特别是在炎热的夏天。根据实用的标准,基于经济发展或可靠性的原因变压器可以允许过载,同时仍然保持变压器的完好,保持连续性的负荷。为了明智地做出这些决策,我们必须了解油和绕组温度对绝缘材料寿命的热效应。空载和负载的变压器磁芯和绕组产生的损耗会产生高温
3、,如果不及时加以控制,则会损坏其绝缘材料的介电性能。在正常运行条件下,温度的热过程受冷却系统的控制,使变压器保持在一个热平衡上。变压器制造商保证其产品寿命,只要它是根据IEEE或IEC标准的温度规范运作。如果变压器需要超载运行,在这种情况下标准将如何帮助我们?IEEE指南矿物油浸式变压器C57.91- 1995帮助我们计算其运行在高温下的绝缘老化影响。指南中还引导我们计算绕组最热点温度,它是限制过载温度的驱动因素。知道如何计算寿命损耗和绕组最热现场温度是电力变压器的动态评级发展的基础。这种评级可以让系统运营商在应急情况下使用,这将使他们能够在预定的时间内过载变压器。变压器的动态评级也可用于建立
4、热继电器的设置标准。新的数值继电器能够复制由IEEE指南概述的热模型,继电器工程师可以设定由绝缘的寿命损耗和绕组最热点计算的动态评级为基础建立的热极限。此外,一些热继电器可以在常现值的基础上预测未来的温度状态。这些概念可以让变压器温度报警系统提前15至30分钟运行,让其有时间去减轻问题。为了合理地运用电力变压器的热保护,对热过载方面有一个清楚的了解是必要的。我们必须明白发热的原因,正常操作限制,绝缘的寿命损耗和最热点温度;我们还必须制定变压器评级动力学理念和标准。变压器的基础: 什么影响热负荷大多数电力行业的专业人士非常熟悉变压器如何供电的基本原理。变压器是一个由电压变化装置组成的用磁芯(10
5、)相通的初级和次级绕组。一个三相电力变压器在输电及配电系统中是同一个原理。然而,其铁芯更大,以适应三相绕组和二次绕组。此外,绝缘油或纸的形式的绝缘要求隔离之间的差异在潜在的阶段。三相变压器损耗会产生足够的热量,必须添加外部冷却系统。仔细看看这些特点是必要的,以更好地了解电力变压器的发热。铁芯和绕组当一个人想起变压器的铁芯,人们通常可视它为坚固的金属片。相反,其铁芯是由水平或垂直堆叠的薄铁层板或铁片组成的,最终形成核心的支架和铁腭,如图1(5)所示。变压器的铁芯的主要功能是为磁通提供一个链接初级和次级绕组低磁阻路径。理想的情况下,我们想了两个线圈之间的零磁通路径不愿意。然而,由于铁叠片,形成了核
6、心,变压器铁芯的经验损失,最终产生的热量。这些核心的损失可分为磁滞和涡流损失。关于变压器损耗的章节如下,为进一步的细节。图1 三相变压器的铁芯绝缘当两点间有一种潜在的差异(7)时,绝缘是必需的。在一架空空包三相输电线路,没有绝缘导线之间的必要的,因为空气分离用作绝缘体,防止电流的流动。然而,在电力变压器,相导线之间的距离不是分离的电位差的有效途径。因此,纸被用作绝缘体,允许更靠近的阶段和最大化之间的空间。到目前为止,纸是最好的绝缘材料使用,因为它的高介电强度性能(10)。纸张在电力变压器绝缘安装不同阶段(7)之间的同相绕组,绕组接地。其他地区的差异也会经历一个变压器的潜力,这也需要某种形式的变
7、压器绝缘罐壁。为了尽量减少变压器的足迹,这个距离要尽量缩短。变压器制造商缩短使用绝缘油,它不仅隔离必要的距离,而且供应变压器(5)冷却液。因此,变压器绝缘是变压器设计的心脏,在负载期间和最大互感器性能取决于绝缘的可信度。变压器的损失是最主要的影响因素之一,这是下一节的焦点。变压器的损耗即使变压器设备,都是非常有效率的转化95-99%输入功率,它的一些能量散失在电压转换(10)。电力变压器的损耗可分为空载损耗和负载损耗。空载损耗在无负载的变压器次级绕组, 一通电变压器作为一种高度的行为归纳元素,类似并联电抗器。为了保持这种变压器通电,励磁电流交替来自该系统,产生一个初级绕组中交替相互通量。这种相
8、互通量是由核心在速度上的系统频率而定。它对能量的需求为这个循环磁化的核心结果在两种类型的变压器的损耗: 艾迪和磁滞损耗。诱导电流的交替中不良通量在叠片电压产生的结果。这样的电流称为涡流,而不影响功率输出,然后它们的能量就失去热量(10)。对核心交替磁化会引起铁芯分子组成,以配合不断转变自身的感觉。丢失的能量连续磁化逆转的核心是所谓的磁滞损耗(4)。负载损耗电力变压器的空载损耗是由于绕组电阻和杂散损耗。绕组的导体电阻的电流将以热的形式,在周边地区的变压器内消散。通过电流的平方I2R增加损失的幅度。 杂散损耗出现由于绕组和由于诸如母线内部结构部件出现大电流漏磁场。杂散损耗会影响变压器的总体评价,因
9、为他们可以创建热点电流引线当电流过大时,影响变压器的整体生活(10)。传热效果负载服务变压器不仅体验一个电的过程也经过一个热的过程,是热量驱动的。空载和负载损耗产生的热量是在变压器温度上升的主要来源。然而,从绕组和杂散损耗看到I2R损耗是变压器产生热量的主要因素。绕组产生的热能传到绕组的绝缘层,然后传到绝缘油和变压器的外壳。这一进程将继续下去,直到达到一个平衡状态时,绕组产生的热量等于采取一些冷却剂或冷却系统(4)的形式走热。该传热机理必须不允许核心绕组,或任何的结构部分达到临界温度,可能恶化绕组的绝缘材料。电介质绝缘的绝缘性能可以削弱,如果温度超过允许值的极限(10)。作为一个结果,绝缘材料
10、年龄的更快,降低它的正常寿命。根据IEEE C57.91-1995指南,绝缘的寿命是一个变压器整体的寿命 (8)。由于绝缘层的温度要求,变压器利用冷却系统来控制温度上升。从绕组,铁心,大的电力变压器结构吸收热量最好的方法是使用油(5)。正如我们将看到在接下来的部分,油的热容量和热导率影响热传递过程。对于小油田变压器容器表面是用来向大气释放热量。对于较大的变压器,热交换器,例如散热器,旁边通常安装水箱用来冷却油。IEEE C57.12.00-2000标准的识别类型的冷却系统如表1。表1. 变压器冷却类型ONAN所指的耗热能是从油到大气中的。这是由自然循环的油通过绕组和通风降温设备,是外部的天然的
11、空气冷却。随着温度的上升, 进口冷却器由于油变压器、活跃部位比重下降,导致油由底部向上运动。随着油穿越热交换器或冷却器,其比重增加,从而使其能流向下运动。这自然循环的油是由于冷却系统回路中重力浮力 (10)。参见图2a。图2 变压器冷却类型(a)ONAN,(b)OFAF,(c)ODAFONAF指定的保持自然循环冷却油通过绕组和热交换器,除了空气是现在被迫表面的散热器。随着负载的增加,以前的自然冷却过程不再以足以的速度驱散热量,可以保持变压器在平衡的温度。如果风机是用来冷却散热器,传热过程将会增加,导致额外的变压器容量(10)。一个基础等级高达133的变压器额定值可以通过增加一个阶段的风机和高达
12、167的两个阶段(1)来获得。OFAF指定的冷却通过强迫油循环泵来加快热传输速率。达到OFAF指定的最大散热冷却限度时,风机必须不断的在散热器的表面吹气。参见图2b。一个用来改善散热的比较好的办法就是迫使油通过绕组,如图2c所示。当石油被迫流经线圈,它表示为导演流和其名称是ODAF。当油被迫在油箱内自由流动是表示将非定向流动。参见图2b。变压器的热过程是由通过保持在所指示的温度允许值控制。这些限制通常是由电力变压器以下的IEEE或IEC的工业标准证明的。IEEE标准和温度为了运行电力变压器,就必须了解它的基本的局限性。很明显,其温度所产生的损失会影响变压器绝缘的寿命。确保变压器的寿命,变压器制
13、造商必须保证他们的设计是在规定的标准内操作。但什么是保障的温度范围所提供的标准呢? 经营范围有界的环境温度、平均绕组温度及最大绕组温度。根据IEEE C57.12.00-2000标准, 在24小时期间电力变压器额定电流的最大环境温度在40C,平均环境温度不超过30C。本标准也声明,平均上升65C以上的绕组不得超过该变压器在额定负荷(千伏安),电压(V)和频率(Hz)经营的状态。换句话说,基于环境温度的标准, 当操作在额定情况,周遭环境的平均温度不能超过65C。周遭环境的最大绕组温度不能超过了80C。IEEE C57.91-1995的连续环境温度30C,最大限度的最热绕组温度不应超过110C。变
14、压器在此温度下连续操作,正常的平均寿命的变压器是20.55年(8)。在这一节中,我们已叙述额定情况下的温度局限。但是当变压器需要超载超越铭牌额定值呢?这是在下一节的焦点。超过铭牌额定值加载变压器为什么变压器超载或公用事业公司在它们超出铭牌额定值时可以选择它们,有不同的原因。原因之一是由于负载需求已经迎头赶上或超过了变压器容量和必要的额外能力。由于其复杂性和暴露的电力系统,不管它的设计是多好,失误是要发生。它的主要作用是保护设备去认识到这样的失误和从其余的系统隔离断陷元素。这将使得功率流去寻找新的方法来达到负荷要求。变压器发现自己就在这样的路径可能经历超出了它们正常的过载能力。事实上,这取决于经
15、济和可靠性的原因,也许有必要超载变压器使用25%、50%或更多的变压器寿命保持客户的负载,或给系统操作员的时间来减轻应急状况,避免潜在的灯火管制。这是可能的,明智的超载变压器的评级,至今仍利用IEEE C57.91-1995指南安全操作矿物油变压器的装运。明白风险导向、理论和计算方法,使它实现电力变压器的过载。了解绝缘的老化和如何计算最热绕组温度是十分重要的,是为了要知道变压器能安全的超载多少。绝缘的老化电力变压器的固体绝缘有两个基本特征:介电强度和机械强度。介电强度一直持续直到绝缘承受一定的高温。在这一点上,绝缘材料也变得脆弱,失去了它的机械强度(10)。如果上升的温度是严重的,绝缘材料将不
16、再能保持它的属性,导致绝缘失效和结束变压器的使用寿命。副作用包括形成的绝缘老化的水和氧气(11) 然而,随着新的石油保全系统,这些构成可以最小化,留下了独立控制参数曝光的绝缘温度 (8)。在20世纪40年代,人们发现绝缘老化是一个化学过程的一部分。其反应随温度根据Arrhenius方程Ko=Ae(B/(+273)。IEEE C57.91- 1995标准转换设备的使用寿命,这对每一个方程的基础上所显示的如图3中的曲线。图3变压器绝缘寿命曲线表明,如果绕组最热温度允许超过 110C,绝缘材料的寿命是加速高于它的正常速率而温度低于110C就减速。55和65负载因子的变压器可能很少达到这个温度,造成绝
17、缘老化速度很慢。单位寿命曲线方程,如下所示:单位寿命=15000个恒定值对应的斜坡老化和代表大多数形式的绝缘材料。H是最热绕组温度。单位寿命方程是计算老化加速因子的基础,曲线在图4。图4老化加速因子老化加速因子计算公式是下面的公式:老化加速因子可用于计算预定最热绕组温度的变压器寿命。然而,要计算的一个24小时周期变压器寿命的损失,我们必须使用下列公式:FEQA=这里:FEQA 等效老化因子总时间的周期N 间隔总数 指数时间间隔FAAn 老化加速因子指数n时间间隔一个变压器的总寿命的损失的一定百分比运用下列公式可以导出:FEQA=FEQA*t*100/正常绝缘寿命根据IEEEC57.91-199
18、5B标准,绝缘的正常寿命已成为争议的研究达数十年之久。早期版本的IEEEC57.91 - 1981年将电力变压器的绝缘寿命定位在65000小时。现在美国的标准,这个值可能会非常保守;180000小时的绝缘寿命现在已经使用了很多年了。本节描述了变压器绝缘的正常寿命,以及日渐老化的影响因素。我们还确定了绝缘的老化是直接关系到最热绕组温度。如果我们要建立一个热过载等级,最热绕组温度一定要知道。绕组最热温度确定机械、介电性能是在超出正常范围的绝缘温度之前。从上一节中,我们现在知道,如果最热温度允许超出110C,绝缘材料恶化速度则会超过正常。因此,变压器最高温度辅助计算绝缘完整性。绕组最热温度由下式给出
19、:H=A+TO+H这里: 环境温度 高油量的环境温度 绕组最热温度超出高油量温度的部分环境温度为预测过载,24小时内增加1小时的离散环境温度是必要的。月份的影响以至于使用的温度应为每日最高使用平均温度已经有好几年了。顶油层的环境温度正如以上解释在热传热过程的部分, 产生的热量由核心,结构件和变压器绕组降低了油的比重 ,导致容器中的热量由下向上运动。在稳态负荷条件下,超油量温度上涨超过环境温度可能是不变的。另一方面,瞬态情况下或当负荷的增加或减少, 超油量温度上涨超过环境温度可能是连续不断地变化(2)。由于这样的行为, 超油量温度上涨超过环境温度所带来的下面的公式:TO=(TO,u-TO,i)*
20、(1-e-()+TO,iTO,u 最终超油量温度超出环境温度的部分TO,I 最初超油量温度超出环境温度的部分t 持续改变负荷时间 变压器的热时间常数在负荷增加或减少,变压器内瞬态发生加热,导致温度上升或下降。由于变压器的热量大量聚集的时候,需要花时间使热从一个初始值消散到一种终极值。因此,周围的最初和最终超油量温度的计算公式如下:TO,i=,R()nTO,u=,R()nTO,R 超油量温度上涨超过满负荷的环境温度K 影响的比例超过额定载荷的负荷R 在额定载荷负载损耗的空载损耗比n 衍生指数的实证研究,用来计算TO的变化,变化的负荷。变压器不同冷却模式下会有不同的n值, 这近似电阻变化的影响与变
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