220 kV气体绝缘变压器空载过励磁能力计算分析

涂昊曦，刘连兴，张喜乐

(1.深圳供电局有限公司，广州 深圳 518000；2.保定保菱变压器有限公司，河北 保定 071056；

3.保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071056)



220 kV气体绝缘变压器空载过励磁能力计算分析

涂昊曦1，刘连兴2，张喜乐3

(1.深圳供电局有限公司，广州 深圳 518000；2.保定保菱变压器有限公司，河北 保定 071056；

3.保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071056)

摘要:文中介绍了SF6气体绝缘变压器空载过励磁能力，给出了220 kV气体绝缘变压器空载过励磁能力的分析计算方法。

关键词：空载过励磁能力；平均温升；铁心饱和；磁通密度；热点温升

随着大中城市的发展，人口集中的城市变电站对防火、防爆的安全性要求越来越高，而SF6气体绝缘变压器防火、防爆的性能优良，城市变电站对SF6气体绝缘变压器的需求越来越多。目前，北京、上海、深圳已经批量使用了110 kV电压等级的气体绝缘变压器。为了更好地优化变电站设计、节约变电成本，提出了220 kV气体绝缘变压器的设想。本文介绍了该类产品的变压器空载过励磁能力的计算分析。

1　空载过励磁后对变压器的影响分析

气体绝缘变压器的空载过励磁能力也可以理解成变压器过电压后铁心内部磁通密度升高，甚至使铁心处于饱和状态，针对此问题，首先考虑过励磁后铁心的温升情况，其次考虑铁心饱和后线圈的励磁电流大幅度增加导致线圈的温度升高。

对于220 kV气体绝缘变压器产品，空载过励磁的要求为1.3倍，运行5 min。假设1.3倍过励磁后，变压器铁心磁通密度为2.117 T，对于高导磁硅钢片，其饱和磁通密度按2.0 T计算。以下就该要求进行铁心及绕组温升的计算。

1.1　励磁电流计算

在此运行条件下，变压器励磁绕组(高压绕组)的励磁电流可分成两个部分，一部分为铁心饱和所需的励磁电流，另一部分为气体中漏磁的励磁电流。

变压器过励磁的磁通量导致铁心高度饱和后，将有一部分进入铁心以外的空间。由于磁场强度的切向分量在相邻介质中是连续的，因此，可以近似地认为铁心柱中的磁场强度与铁心柱之外非磁性物质空间的磁场强度相同，那么，变压器总的磁通量为：

(1)

(2)

式中，过激磁后的磁通密度Bm= 2.117 T ；铁心饱和磁通密度Bc= 2.0 T ；H为励磁绕组高度；W为励磁绕组匝数；Sc为铁心柱截面积；Sδ为磁通所交链的非磁性物质等值截面积；DA为励磁绕组的平均直径。

将该产品相关数据代入式(1)、式(2)，可以得出

激磁电流：

1.2　该工况下变压器气体温升计算

(1) 该工况下的损耗计算

空载损耗：

负载损耗：

Wp= 10 815 W

总损耗：

W=W0+Wp=146 185+10 815=157 000 W

式中，k为空载损耗工艺系数；Ps为硅钢片单位损耗；G为铁心用硅钢片重量。

(2)气体稳态温升计算

气体稳态温升计算可根据变压器散热面积及热负荷按气体绝缘变压器的温升计算方法进行，计算结果如下。

气体稳态平均温升：

顶层稳态气体温升：

(3)运行5 min时的顶层气体暂态温升

过励磁前气体平均温升为：36.3 K

过励磁前顶层气体温升为：47.4 K

暂态气体平均温升：

顶层暂态气体温升 ：

1.3　该工况下的绕组温升

(1) 高压绕组(励磁绕组)温升

a.绕组热负荷计算

绕组的热负荷与绕组导线中单位长度上产生的损耗、线饼散热面积、导体的涡流损耗系数等有密切的关系，计算方法与同型油浸式变压器相同，其计算结果为。

b.线圈表面的热传导

对于线圈表面的热传导率，可通过变压器线圈温升计算方法进行，在此不列出，只给出相关的数据。

c.线圈稳态平均温升计算

铜气温差△θc=q/αcoil=1.0

绕组平均温升θc=△θg+△θc

=26.3 K+1=27.3 K

d.线圈稳态热点温升计算

θcmax=△θg+△θc

=33.5 K+1.3×1 K=34.8 K

注意：热点系数按1.3计算。

e.运行5 min后绕组的暂态热点温升

过励磁前绕组的热点温升为：66.8 K

△θgmax=66.8 K+(34.8-66.8)×(1-e-5/12.9)

=56.5 K

f.运行5 min后绕组的暂态热点温度

θgmax=56.5 K+40 K=96.5 K满足运行要求。

注：环境温度按40 ℃考虑

(2)低压绕组温升

由于低压绕组不是励磁绕组，在空载情况下，低压绕组不载流，因此，低压绕组温升和气体温升相当，在此不再对低压绕组的热点温升进行计算。

1.4　该情况下的铁心温度

(1)铁心热负荷计算(按饱和磁通密度2.0计算)

式中，K1为铁心热负荷系数；Pa为过励磁1.3倍时的铁心单位损耗；K2为铁心损耗工艺系数；G为铁心重量；S为铁心散热面积。

(2)铁芯对气体的稳态温差

由铁心的温升计算中可以得到铁心的热传导率为

Αcoil= 40.62

那么铁心平均温升为

△θt=q/αcoil=1 712 K/40.62=42.1 K

(3)铁心顶部表面稳态温升

(4) 运行5 min时的铁心暂态温升

过励磁前的顶部铁心温升62.1 K,其暂态温升为

(5)运行5min时铁心顶部表面温度

注：环境温度按40℃考虑。

2　结束语

如上所述，对于本文所述的220 kV气体绝缘变压器过励磁能力计算，空载过励磁1.3倍、5 min后，变压器绕组热点温度为96.5℃，铁心热点温度为102.7℃。由于该类变压器发热位置绝缘件采用的是E级耐热绝缘件(不影响寿命的情况长期工作温度为115 ℃，在外力作用下热变形温度约为200 ℃)，其耐热温度较高，因此出现短期过励磁后只要温度不高于绝缘件热变形温度，变压器就不会损坏。对于以上变压器的计算分析，由于从变压器噪声等其他方面考虑变压器铁心的磁通密度取值较低，因此其过励磁后铁心和绕组的热点温度的计算值也较低，变压器的过励磁能力也较强，在变压器技术指标要求不严格的条件下可以适当地提高变压器铁心的磁通密度，使变压器设计更加合理。

参考文献：

[1]谢毓城.电力变压器手册[M].北京：机械工业出版社 2003.

[2]陈宗器，丁伯雄.SF6气体绝缘变压器综述(上)[J].变压器，1999，(7)：133-137.

[3]陈宗器，丁伯雄.SF6气体绝缘变压器综述(下)[J].变压器，1999，(8)：24-28.

[4]吴军辉，杨纪明.SF6对大气的影响[J].高压电器，1998(5)：31-33.

[5]尹新光，李伟强.SF6气体绝缘变压器在我国的应用前景探讨[J].电力设备，2004(1)：39-41.

刘连兴(1968-)，男，河北献县人，硕士，高级工程师，研究方向：变压器设计技术；

张喜乐(1964-)，男，河北蠡县人，博士，教授级高工，研究方向：变压器设计技术。

运营探讨

Analysis and Calculation of No-Load Over-Excitation Ability of

220 kV Gas Insulated Transformer

TU Hao-xi1, LIU Lian-xing2, ZHANG Xi-le3

(1.Shenzhen Power Supply Company, Shenzhen 518000, China; 2.Baoding Baoling Transformer Co., Ltd.,

Baoding 071056, China; 3.Baoding Tianwei Group Baobian Electric Co., Ltd., Baoding 071056, China)

Abstract:In this article, no-load over-excitation ability of SF6gas insulated transformer is firstly introduced. Then, the method for analyzing and calculating is presented.

Key words:no-load over-excitation ability; average temperature rise; core saturation; flux density; hot-point temperature rise

中图分类号：TM415

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0141-02

作者简介：涂昊曦(1984-),男,江西景德镇人，硕士研究生，工程师，研究方向：电网规划及输变电新技术；