基于温升极限的变压器冷却装置智能控制

訾建华 咸日常 张振亮

1.山东理工大学电气与电子工程学院 山东 淄博 255049 2.淄博供电公司 山东 淄博 255032 3.乌鲁木齐电业局 新疆 乌鲁木齐 830000

0 引言

变压器在实际运行中，由于绕组电流和感应电磁场的存在，在变压器内部会产生功率损耗。 这些损耗将转换成热能， 使变压器各部位的温度升高。变压器运行温度过高， 会降低变压器的带负荷能力，甚至降低变压器的绝缘性能，因此必须采取附加冷却装置散热，控制或降低变压器温升极限。 变压器绕组直流电阻的大小跟温度成正比关系，温度升高，变压器的功率损耗就会随之增加，虽然投入的冷却装置能够加快变压器散热，使绕组直流电阻的温度在一定程度上降低，但投入的冷却装置本身也消耗能量，使变压器损耗在电网的总损耗中占很大比例。目前研究重点大多忽略变压器冷却装置的冷却效益，造成能源的浪费，因此本文着重分析计算冷却装置功率投入与变压器功率损耗降低之间的内在联系， 提出变压器冷却装置的智能控制策略，合理投入冷却装置功率。

1 变压器功率损耗

1.1 变压器温升极限要求

变压器温升限值是根据不同负载情况而设定的。《变压器负载导则》中规定了油浸式电力变压器在连续额定容量下的温升限值要求，如表1所示。

表1 油浸式电力变压器在连续额定容量下的温升限值

绕组温度的高低将直接影响着变压器的使用寿命。 对于油浸式电力变压器而言，绕组温度和油温的升高需要变压器附加冷却散热装置，以降低变压器运行温度，实现温升极限控制。

1.2 变压器有功功率损耗

双绕组变压器有功功率损耗包括空载损耗和负载损耗。 其有功功率损耗ΔP的计算式为：

式中 β—— 变压器负载系数；

P0— 变压器空载损耗；

Pk—变压器短路损耗；

三绕组变压器有功功率损耗包括：空载损耗P0和三侧绕组的短路损耗Pk1、Pk2、Pk3， 因此三绕组变压器有功功率损耗ΔP的计算式为：

式中 β1、β2、β3—变压器一次侧、二次侧、三次侧负载系数；Pk1、 Pk2、Pk3—变压器一次侧、二次侧、三次侧绕组短路损耗。

2 变压器绕组直流电阻与温度的关系

在一定的温度范围内， 包括铜铝在内的大多数金属导体的电阻都与温度有着近似如下的线性关系：

式中 R1——温度为t1℃的电阻值；

R2——温度为t2℃的电阻值；

α——导体的温度系数。

变压器绕组直流电阻参数的测定实验，一般是在温度为75℃的环境下进行的。当外界空气温度为75℃时，变压器绕组的直流电阻表达式为：

因此在一定温度范围内，任意温度时的绕组直流电阻与75℃时的换算关系式：

3 变压器冷却装置智能控制策略的实现

图1描述了变压器冷却装置智能反馈控制的逻辑原理。

图1 变压器冷却装置反馈控制逻辑图

变压器在正常运行时， 冷却装置以一定数量按组投入， 即冷却装置的功率消耗是呈离散分布的。以双绕组变压器为例，说明冷却装置的智能控制策略。

1）变压器带一定负荷运行，此时绕组温度（变压器顶层油温度）为t1℃，假设投入冷却装置的功率为PL，一组冷却装置消耗的功率为Pl，则变压器消耗的总功率表达式为：

若变压器再投入一组冷却装置，绕组温度（变压器顶层油温度）降为t2℃，此时变压器总功率损耗为：

（6）、（7）两式相减，得到变压器总功率损耗的变化值：

式中 P0—变压器空载损耗；

β—变压器负载率；

α—变压器绕组温度系数；

P2k——变压器额定短路损耗。

2）变压器带一定负荷运行，此时绕组温度（变压器顶层油温度）为t1℃，假设投入冷却装置功率为PL，一组冷却装置消耗的功率为Pl，则变压器消耗的总功率表达式为：

若此时变压器停止一组冷却装置， 绕组温度（变压器顶层油温度）升高为t2℃，则变压器总功率损耗为：

（9）、（10）两式相减，则变压器总功率损耗的变化值为：

根据以上对双绕组式变压器冷却装置的投切分析，可以得知：

当ΔP<0时，投入或停止一组冷却装置后，变压器整体的功率损耗降低，运行经济；

当ΔP＞0时，无论是增加一组冷却装置投入，还是停止一组冷却装置，变压器整体的功率损耗都不是处于整体经济运行的区间。 在这种情况下，应保持当前冷却装置的运行状态。

根据以上分析可知：只有当ΔP＜0时，变压器增加或停止一组冷却装置，才会实现变压器整体经济运行。 即：

因此，双绕组变压器冷却装置经济投切的临界值为：

4 实例分析

变压器冷却控制实验在淄博110kV李家变电站上进行的，实验用电力变压器的相关参数：

1）型号：SFPSZ9-150000/220GY 三绕组强油循环有载调压变压器；

2） 各绕组额定容量： 高压绕组容量为150000kVA；中压绕组容量为150000kVA；低压绕组容量为75000kVA；

3）额定高电压：230kW；额定中电压：121kW；额定低电压：38.5kW；

4） 额定电流： 高压绕组： 376.5A； 中压绕组：715.7A；低压绕组： 1124.7A；

5）空载损耗：121.9KW；按负载侧绕组额定容量给出的短路损耗：高中压绕组为510.2kW，高低压绕组为128.2kW，中低压绕组为124kW。

变压器短路损耗是在负载侧绕组额定容量得出的,各侧绕组在额定容量下的短路损耗：

Pk(1-2)＝510.2kW

Pk(3-1)＝128.2×4＝512.8kW

Pk(2-3)＝124×4＝496kW

冷却系统共有冷却器5组， 每组冷却器风扇2只，每只功率1.5kW，潜油泵1只，功率2.2kW。 对于冷却系统来说，变压器冷却投入按组投入，其投入功率是离散的：

PL＝2.2+1.5×2＝5.2kW

在实际运行中，三绕组变压器各个绕组的负载是不断变化的。 根据变压器负载关系，取功率因数近似为1，可得：

三绕组变压器损耗公式变为：

通过上面的公式可知，三绕组变压器损耗是变压器低压绕组和中压绕组负荷率的函数。为了说明变压器温度控制与经济运行的综合措施，在此设变压器低压绕组负荷率β3＝0.2。 则在变压器顶层油温升不超55℃的情况下：

当β1∈[0.1，0.332 ]时，冷却投入一组，变压器整体经济；

当β1∈[0.332，0.468 ]时，冷却投入二组，变压器整体经济；

当β1∈[0.468,0.486 ]时，冷却投入三组，变压器整体经济；

当β1∈[0.486,0.581 ]时，冷却投入四组，变压器整体经济；

当β1∈[0.581,]1 时，冷却投入五组，变压器整体经济。

5 结论

本论文提出的关于变压器冷却装置智能控制的研究方案，针对变压器不同空载和负载损耗参数及不同温升要求和不同冷却装置配置情况，能够保证变压器在任何负载和外部环境温度下的综合损耗功率达到最低水平。

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