基于历史负荷趋势的变压器动态过负荷能力评估分析

刘宏亮，田 娜，潘 瑾，何 平，冀增华

（1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.国网河北经研院，石家庄 050021；3.保定天威新域科技发展有限公司，河北 保定 071051）

0 引言

随着国家经济的发展，电网负荷高速增长，造成变压器负荷率居高不下。电网运行遵循“N－1”安全标准，2台及以上并列运行的变压器，要求在其中1台变压器因故障退出运行时，剩余运行的变压器负载率不应超过其短时过负荷能力。为满足“N－1”标准，变压器故障后短时过负荷能力往往成为决定变压器正常运行允许负载率的关键性因素。

目前，电网运行的变压器故障后短时过倍数通常为1.3～1.5，从而导致变压器最大运行负载率相对较低。以短时过载倍数为1.3的变压器为例，当2台变压器并列运行时最大负载率仅达到约65%，导致主变压器负荷率相对较低。另外，这种情况也导致了变电站2台主变压器并列运行维持的时间较短。因此，动态的评估变压器的过负荷能力，挖掘变压器的过负荷能力就显示出对变压器运行的意义。

变压器的过负荷会造成变压器的寿命缩短，因为油浸变压器的绕组多由A 级绝缘材料组成，其耐热温度在105℃左右，超过这个温度，会使绝缘材料老化加剧，长期过负荷运行，会使变压器出现过热甚至烧毁现象。因此总结分析目前运行中的各类变压器，不同冷却控制方式、不同负荷特性、不同季节和环境温度下的变压器油温变化及对负载能力预测的影响。基于统计学原理找出其与上述各影响因素的关联关系。结合现有变压器负载运行导则和冷却器控制策略，基于提高变压器运行效率、延长寿命和节能降耗的原则，建立一套根据具体变压器结构、负荷特点、环境因素参与优化运算的过负荷能力预测的计算模型。

1 变压器过负荷能力制定依据

变压器的绝缘老化［1－2］主要是由于温度、湿度、氧气和油中的劣化产物化学反应引起的，其中高温是促成老化的直接原因。运行中绝缘工作温度越高，化学反应进行的越快，绝缘老化就越快。变压器的预期寿命或老化程度与绕组热点温度成指数比例关系，即高温时绝缘老化的速度远远大于低温时绝缘老化的速度。

根据GB 1094.7－2008《电力变压器 第7 部分：油浸式电力变压器负载导则》设计的变压器，在额定负载和正常环境温度下，最热点温度的基准值为98 ℃，在此温度下，变压器相对老化率为1。为了判断变压器在不同负荷下的绝缘老化的情况，可将变压器在某一段时间间隔内实际损耗的寿命对绕组温度维持恒定98 ℃时所损耗的寿命，求出其比值，称为绝缘老化率V。根据参考文献［3］可知V＞1时，变压器老化率大于正常老化率，预期寿命将大为缩短；如果V＜1，则变压器负荷能力未得到充分利用。因此在一定时间间隔内，维持变压器的老化率接近1，是制定变压器过负荷能力的主要依据。

2 变压器过负荷能力分析

变压器的额定容量，即铭牌容量是在规定的环境温度下，长期能按这种容量连续运行，并能获得经济合理的效率，且具有正常的预期寿命（20～30年）。实际上变压器的负荷变化很大，不可能固定在额定值运行，在短时间间隔内，有时超出额定容量运行，在另一部分时间间隔内又是欠负荷运行。因此，有必要给出一个短时容许负荷及主变压器的负荷能力，它不同于额定容量，变压器的负荷能力指在短时间内所能输出的功率，在一定条件下，它可能超过额定容量。变压器过负荷的直接结果是绕组和变压器油的温度升高，影响变压器的寿命。

变压器负荷能力的大小和持续时间决定于变压器的电流和温度不超过规定的限值；在整个运行期间变压器总的绝缘老化不超过正常值，即过负荷时间绝缘老化多一些，在欠负荷期间绝缘老化要少一些，只要二者可以相互补充，总的损失不超过正常值，能达到正常预期寿命即可。

3 基于历史负荷趋势的过负荷能力算法

基于温度限值的方法是计算变压器过负荷时间的普遍算法，如式（1）所示：

式中：Δθht为热点温度；ΔθOTt为顶层油温升；K1为变压器初始负载系数；K2为变压器负载变化后的负载系数；gr为绕组对油的平均温升；t为负载系数为K2的运行时间，min；τw为绕组热时间常数，min。

根据所给参数和热点温度，求出时间t，该算法是根据变压器的实时数据和目标负荷计算出变压器从当前负荷过负荷到目标负荷后所能坚持的时间。然而该方法只考虑了稳态的负荷，并没有考虑未来时间内可能动态变化的负荷数据，根据大量试验结果推算，利用该算法计算出过负荷时间t后，在实际情况下有时会得到运行时间不到t时变压器就开始出现故障，也就是说变压器的负荷能力没那么高；有时又会得出运行时间比t高出好几倍的结果，这样会大大浪费变压器资源，降低运行效率。因此，提出一种基于历史负荷趋势的变压器动态过负荷能力的评估算法。历史负荷趋势匹配法的流程示意见图1。

图1 历史负荷趋势流程

3.1 滑动窗口匹配法

该方法是可以选择任意1天的负荷趋势、上周平均负荷趋势或上1个月的平均负荷趋势。对于上周平均负荷，要对每1天同一时间段的负荷数据设置权重。同理，对于上个月的平均负荷，要对每1周的负荷数据设置权重，最后得出的都是1天的平均负荷数据。图2、3分别是周历史负荷趋势和月历史负荷趋势计算流程图。

图2 周历史负荷趋势流程

图3 月历史负荷趋势流程

3.2 负荷相似度法

负荷相似度匹配法是自动选择上个月中和当天负荷趋势最相似的一天作为历史负荷趋势，通常通过比较2天负荷数据的Manhattan距离来计算2天负荷数据的相似度。

3.3 平均值法

平均值法是利用历史负荷趋势图进行负荷能力评估的算法。首先根据当前负荷K和目标负荷，利用基于温度限值的算法计算出变压器过负荷时间理论值t，以此为依据，查询历史负荷趋势中当前负荷K1和当前t时间段内平均负荷数据K2，并进行比较。

a.如果负荷没有变化，即K1＝K2，则基于历史负荷趋势的过负荷时间值等于t，说明变压器过负荷时间没有变化。

b.如果负荷下降，即K1＞K2，则基于历史负荷趋势的过负荷时间值将延长运行时间，目标负荷将改为－（K1－K2），然后根据当前负荷K和目标负荷，利用温度限值的算法更新过负荷时间。

c.如果负荷上升，即K1＜K2，则基于历史负荷趋势的过负荷时间值将缩短运行时间，目标负荷将改为＋（K2－K1），然后根据当前负荷K和目标负荷利用温度限值的算法更新过负荷时间。

图4（a）和图4（b）分别是历史负荷和当前负荷示意图，当前负荷为0.8，过负荷到1.1的理论极限时间为t，查看历史负荷趋势t时间段内负荷上升率为0.1，则实际计算负荷为0.8到1.2的极限时间t′，因此显示参考历史趋势的1.1 倍过负荷极限时间为实际变压器1.2倍过负荷的极限时间t′。

图4 历史负荷和当前负荷示意

4 实例分析

试验样机为1台三相三绕组180MVA／220kV变压器，无风扇和潜油泵（ONAN），在各种负荷状态下的热平衡和温度分布历时3天，获得了几万个测量数据。各种负荷状态下，在导则规定的时间内，顶层油温升达到限值且与绕组热点温度达到了热平衡状态，而绕组热点温度并未达到限值。不同负荷状态下热点温度值见图5。

图5 不同负荷状态下热点温度值

首先利用滑动窗口匹配法或者负荷相似度匹配法生成历史负荷趋势图，如图6所示。

图6 历史负荷趋势

变压器当前数据为损耗比6.4，顶层油温升32.8 ℃，油平均温升15.3 ℃，绕组平均温升1.6℃，环境温度40℃，绝缘热点温度140℃，当前负荷70%，变压器样机当前负荷数据如图7所示。根据当前数据利用平均值法和国际标准算法计算出来的变压器过负荷时间见表1。

图7 当前负荷数据

表1 平均值法负荷能力计算结果

由表1中基于历史负荷趋势和基于温度限值2种方法的计算结果可见，在相同环境温度及起始负荷的条件下，采用前者既能保证变压器安全稳定运行，又提高了变压器的资源利用率，挖掘变压器的实际过负荷能力，满足实际运行的需要。

5 结论

a.利用光纤测温技术对220kV 变压器产品进行了温度场温度计算，试验验证动态过负荷评估模型，其模型算法优于国标标准算法，结果表明，此模型充分的挖掘变压器的过负荷能力的潜力。

b.对基于历史负荷趋势和基于温度限值2种方法进行计算及实例比较，论述变压器动态过载能力评估方法，基于历史负荷趋势的计算既能保证变压器安全稳定运行，又提高了变压器的资源利用率，值得推荐采纳。

c.对于运行中的变压器，基于温度限值的算法已经不能满足实际要求，根据变压器历史负荷趋势计算的过负荷能力更能反映变压器的实际过负荷水平。

d.对于变压器的实际过负荷能力，除按照上述算法计算外，还应结合变压器的实际运行情况考虑变压器是否适合过负荷运行。例如，当变压器冷却装置异常、油色谱有过热现象、局部放电异常等。

［1］卞 超，李 军.大型电力变压器过负荷能力计算［J］.江苏电机工程，2005，24（2）：12－14.

［2］刘 润.变压器过负荷能力的探讨［J］.青海师范大学学报，2010（2）：27－28，37.

［3］GB 1094.7－2008，电力变压器 第7部分：油浸电力变压器负载导则［S］.