电力变压器过载能力评估

陈德

【摘 要】文章针对电力变压器过载运行现象，分析对电力变压器进行过载能力评估的重要性，并介绍了电力变压器过载能力评估方法。

【关键词】电力变压器；过载能力

目前，在部分城市电网中，由于土地资源紧张，征地、拆迁的难度大，变电站选址和线路走廊的落实等电网建设中的难点问题，导致城市中心区域变电容量长期不足，电力变压器负荷率居高不下。因此，电力变压器的过载运行就成为短时间内解决变电容量不足、缓解供电缺口的有效措施。但由于不同变压器厂家的设计结构、所用材料不同，电力变压器的过载运行能力不同，对于无法承受过载或过载能力不足的电力变压器而进行过载运行存在很大安全运行风险。

1 电力变压器过载能力评估的重要性

1.1 电力变压器过载运行的影响

按照《GBT--1094.7-2008电力变压器 第7部分：油浸式电力变压器负载导则》，变压器在不同运行状态下，超铭牌额定值运行的限值规定如下：

变压器的超铭牌额定值运行，即使在正常周期性负载下仍会带来如下影响：

（1）绕组、线夹、引线、绝缘及变压器油的温度将会升高，且有可能达到不可接受的程度。

（2）铁心漏磁通密度将增加，从而使与此漏磁通相耦合的金属部件由于涡流效应而局部过热。

（3）随着温度变化，绝缘和油中的水分和气体含量将会发生变化。

（4）套管、电流互感器等附件也将受到较高的应力，从而使其结构和使用安全裕度受到影响。

（5）随着温度变化，变压器油因膨胀可能会出现油位过高，甚至可能会引起溢油现场。

（6）在绕组热点温度突然升高超过临界温度时，绝缘纸和绝缘油（分解）会出现气泡，使变压器绝缘强度降低，引起故障。

由此可见，过载变压器随着电流和温度的升高，增加了变压器过早损坏的危险性，并且可能加快其老化的速度[1]。

1.2 电力变压器过载能力评估的重要性

变压器温升满足国家相关标准要求，是大型变压器冷却系统设计及改造的基本要求。变压器的绕组温升（或者温度），是涉及变压器绝缘热老化寿命的关键，也影响了变压器的过负载能力。绕组热点温度，是变压器负载最关键的限制因素。但目前，随着制造主材，特别是铜材、绝缘件的价格以及生产制造的成本大幅上涨，而变压器总体价格还不断下降的情况下，各生产厂家都在设计结构和设计裕度上做了调整，减少材料的使用，以适应新的生产成本。虽然大部分产品都能通过出厂试验和型式试验，但由于变压器过载能力并不能在上述试验中的得到考验，因此变压器厂家的设计调整影响到变压器过载能力存在很大的可能性。

从掌握的数据来看，很多厂家标称的绕组温升都趋于临界值，铜油温差高达二十几度，按照《GBT--1094.7-2008电力变压器 第7部分：油浸式电力变压器负载导则》规定：

热点温度=1.3倍铜油温差+顶层油温升+环境温度[1]

按以上公式计算，意味着在迎峰度夏阶段，在外部环境温度达到40度左右，变压器处于过载状态时，绕组上部的热点温度极有可能会超过140℃，超过变压器长期急救负载的绕组热点温度限值，引起故障。另外由于长期高温，对绝缘造成累积性老化损坏，大大降低变压器寿命，也给变压器安全运行带来很大风险。因此，对于需要过载运行的变压器，必须进行过载能力评估。

2 电力变压器过载能力评估方法

电力变压器过载运行能力评估，除了要通过测算各项参数计算推导，还需要通过试验手段加以验證，验证主要从温升试验和分析绝缘老化程度方面入手。

2.1 变压器温升试验方法

参照温升试验方法，分别将额定负载和长期急救负载的电流加入变压器相应的时间，证实在起始负载系数1.0，过负载系数1.3，环境温度30℃，顶层油温不超过115℃，热点温度不超过140℃的状态下，主变超铭牌额定值负载运行时间， 通过测量热点温度来验证评估变压器过载能力。

温升试验采用短路法进行，试验原理接线图如图1所示。将试品的低压侧绕组短路，高压侧供电。采用电容补偿电源容量不足。在高低侧散热器各加装一段温度取样管，测量油箱出口温度。在主变四周设置不少于三个的环温取样点，其热时间常数应接近主变本体，以尽量抵消环温波动的影响。

第一阶段：按常规温升程序进行，输入功率等于总损耗，在顶层油温升稳定后，转为按额定电流输入，保持一小时，利用绕组温度计测量绕组热点温度。并采用红外测温装置监控油箱外部金属件因附加涡流引起的过热情况。

第二阶段：按1.3倍额定电流输入，利用绕组温度计测量绕组热点温度，记录温度变化情况，监控顶层油温是否超过115℃， 监控绕组热点温度是否超过140℃（环境温度30℃）。并采用红外测温装置监控油箱外部金属件因附加涡流引起的过热情况。

2.2 变压器的绝缘老化程度分析

油纸绝缘的老化也会提高水分含量，即便是没有呼吸过程的变压器，水分也可能达到一个危险水平。水分进入油-纸绝缘会产生三种危险后果：降低绝缘强度，加速纤维老化（去聚合）并在高温下释放出气泡。《IEC 60422-2013？？电气设备中的矿物绝缘油.监督和维护指南》中将 6% 以上的潮湿饱和度归类为“中度潮湿”，相当于大约 2.2% 水含量。在这样含水量下的水分子开始变得更活跃，导致被测变压器处于危险的湿度条件下。若绝缘含水量达到2%，变压器在超铭牌额定值的负载运行，热点温度达到140℃时，在高场强区域内可能出现气泡，使绝缘强度下降，危及变压器运行安全[2]。因此评估电力变压器的过载能力，必须分析变压器的绝缘老化程度。

目前变压器绝缘老化程度的检测方法有多种，有：气相色谱法、糠醛含量分析法、聚合度分析法等。在实际应用中可根据自身条件，适当选择来操作，一般情况下，通过多种方法获得检测数据，然后综合分析，所得结论更为准确。endprint

2.2.1 气相色谱法（DGA）

利用气相色谱法分析油中CO、CO2含量，根据CO、CO2的数值大小及变化趋势来判断变压器内部固体绝缘老化程度。当油样中CO、CO2含量与初始数值相比较有快速增长时，往往预示着变压器内部可能存在故障，其中一种情况就是固体绝缘老化。绝缘老化程度越高，变压器油中CO、CO2值越高。变压器油中CO、CO2注意值如表2所示。

表2 变压器油中CO、CO2注意值（N为运行年数）

《T7252-2001变压器油中溶解气体分析和判断导则》推荐的三比值法，是建立在DGA数据基础上的，可用来判断变压器内部故障的性质。当变压器故障涉及固体绝缘材料时，有CO和CO2 产生。在绝缘老化诊断中，将CO、CO2作为特征气体，其含量在一定程度上反映了变压器绝缘老化的状况。《导则》指出：当怀疑变压器固体材料老化时，一般CO2/CO的比值>7；当怀疑故障涉及固体绝缘材料时（>200～C），CO2/CO比值<3。[4]

但是，变压器油中CO、CO2的产生原因众多，除绝缘纸老化外，绝缘油老化、有机漆料、水分、氧气等也不同程度地影响变压器油中CO、CO2含量。因此，直接采用CO、CO2含量判断变压器固体绝缘老化程度不确定性较高，一般只作为参考。

2.2.2 糠醛含量分析法

20世纪80年代初，Buron等人在分析两台主变事故原因时，发现油中溶解了以糠醛为主的呋喃类化合物[5]，其分子式为C5H4O2。由于变压器油中糠醛的产生仅仅来自于纤维素材料的老化分解，而且根据实验分析结果表明，油中糠醛含量与变压器绝缘纸聚合度的大小呈线性反比关系[3]，故而常用油中糠醛含量的高低和变化趋势来评估反映变压器固体绝缘老化程度。《DL593—96电力设备预防性试验规程》中规定了依据糠醛含量判断变压器绝缘老化的相关标准，详见表3[6]。

IEC标准规定：油中糠醛含量≥4.0mg/L可判断变压器内部固体绝缘严重老化。油中糠醛含量≥1.0mg/L可作为变压器绝缘纸严重老化的注意值。一般来讲，油中糠醛含量达到0.5mg/L时，变压器整体绝缘程度处于中度老化。

2.2.3 聚合度分析法（DP）[7]

變压器绝缘纸（板）的聚合度是绝缘老化程度最准确、可靠、有效的判据之一。聚合度的测定过程如下：取样后，首先将纸中的油脂、金属离子及其它充添剂提抽干净，然后粉碎、消化，使之溶解于乙酸乙脂溶剂中，利用乌别洛得粘度计测定纸溶液的粘度，求得纸的聚合度。

由于变压器绝缘纸聚合度随老化时间的延长而降低，纤维素材料的韧性和强度也随之下降。为此，绝缘纸老化寿命的判别标准大致定为：当平均聚合度下降到500时，变压器整体绝缘处于老化中期；当平均聚合度下降到250时，认为变压器完全老化，寿命已终止；聚合度下降到150时，绝缘纸的机械强度几乎为零。对一台变压器而言，取纸样部位不同，其聚合度的数值也不同。正因为聚合度具有一定的分散性，所以要求在变压器上、下部多个点分别取样，以获得平均聚合度，或者每次在代表性部位取样，取样数要统一，以具有可比性、同比性。

考虑到对于运行中的变压器，如果要测定纸样就必须对变压器进行停运吊芯，存在诸多不便，近年来，推广应用了高性能液相色谱分析。该方法可以在变压器不停运情况下，取油样，然后测出油中糠醛含量，再依据糠醛含量与聚合度的线性关系，得到聚合度的值。这样可从糠醛含量、聚合度两个角度来分析、判断绝缘老化问题。糠醛含量与聚合度之间存在对应关系，如图2所示，其对应关系式：log（Furan）=1.5 1-0.O035DP（式中Furan： 糠醛含量，mg/L，DP：聚合度）。糠醛含量与聚合度两者间相关系数为0.9657，所以借助于糠醛分析可近似地估算绝缘纸的平均聚合度。

2.3 变压器过载能力评估

通过分析温升试验的热点温度是否超越规定限值或超越限值时所的运行时间，再综合变压器的绝缘老化程度，来评估认证电力变压器的过载能力、过载倍数和过载时间。

3 结束语

通过对电力变压器进行过载能力评估，为电力变压器运行单位提供可靠的过载运行依据，既保障了电力变压器安全可靠运行，又缓解了部分城市电网容量需求矛盾。因此电力变压器过载能力评估对电网的安全运行和城市电网建设具有一定的实用意义。

【参考文献】

[1]GB/T 1094.7-2008，电力变压器第7部分：油浸式电力变压器负载导则[S].

[2]IEC 60422-2013，电气设备中的矿物绝缘油.监督和维护指南[S].

[3]闵捷，郑作添，周年荣.变压器内部固体绝缘老化监测技术及其应用[J].云南电力技术，2002，30（4）.

[4]T7252-2001，变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].

[5]Burton P J.Recent development by CEGB to improve the prediction and monitoring of transformer performance[C].Paris：1984.

[6]DL593—96，电力设备预防性试验规程[S].

[7]杨启平，薛五德，蓝之达.变压器绝缘老化的诊断与寿命评估[J].变压器，2004，41（2）.

[责任编辑：朱丽娜]endprint