高过载配电变压器设计要点及其经济性能分析

郖冠星 张健飞

摘要：高过载配电变压器具有节能环保、无功损耗低、空载电流小、抗突发短路能力强等良好性能，在年平均负荷低、负荷季节性强、负荷波动大的农村电网中的应用越来越广。根据高过载的性能要求，分析了高过载配电变压器的设计思路及要点和绝缘材料对高过载性能的影响，基于此试制了样机，并对其进行过负载曲线温升计算验证和过负载能力试验证其高过载性能。依据标准中推荐的综合能效费用的计算方法对高过载配电变压器进行经济性能分析。结果表明，提出的高过载配电变压器的设计思路具有可行性和经济性，为高过载配电变压器设计和推广应用提供参考。

关键词：高过载配电变压器;绝缘材料;验证;经济性能

中图分类号：TM41文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）12-0246-05

Key Technology and Economic Performance Analysis of HighOverload Distribution Transformer

Xuan Guanxing，Zhang Jianfei

（ Pearl Electric Co. ，Ltd. ，Guangzhou 511400，China ）

Abstract：High overload distribution transformers have good performance such as energy saving and environmental protection，low reactive power loss，small no-load current，strong anti-sudden short circuit ability and so on. They have been used more and more widely in rural power grids with low annual average load，strong seasonal load and large load fluctuation. Based on the performance requirements of high overload，thedesign ideas and key points of high overload distribution transformers and the influence of insulation materials on high overload performancewere analyzed，according to the design idea and the selection principle of insulating material，the prototype was tri-manufactured and its high overload performance was verified by the temperature rise calculation of the load curve and the over-load capacity test. According to the calculation method of comprehensiveenergy efficiency cost recommended in thestandard，theeconomicperformanceof thehigh overload distribution transformer was analyzed. The results verify the feasibility and economy of the design idea of high-overload distribution transformers and provide reference for the design and popularization of high-overload distribution transformers.

Key words：high overload distribution transformer;insulation material;verification;economic performance

0 引言

隨着我国经济的快速发展，农村及偏远地区用电设备逐渐多样化，居民用电量不断增长，部分地区用电增长量超过了电网规划时的预留容量，形成“过负荷”现象，进而影响农村电网的正常供电，使一些地区在用电高峰时期出现停电现象，严重影响居民的正常生活。解决配电变压器过载运行问题的方法有几种：一种是单纯增加配电变压器的容量，但这样不仅造成电网投资成本的提高，且增加了变压器的空载损耗;另一种是根据居民用电情况选用调容变压器，但这种变压器的投资成本也很高，所以针对农村用电高过载情况，在一定时间段内具有较强的负载运行能力的高过载配电变压器是比较经济和有效[1]。

由于各国的国情和城镇化建设程度的不同[2]，高过载配电变压器在国外研究应用较少，国内关于高载配变的研究也是近几年才开始，实际应用也比较少。为解决农村地区短时段内严重过载的问题，近年来，国网公司积极开展和推动农村地区配电网高过载能力变压器的研制，并于2014年颁布Q/GDW11190-2014《农网高过载能力配电变压器技术导则》以指导农村地区配电网高过载配变的推广应用。

因此，本文根据高过载配电变压器的应用边界条件和运行特点，从设计思路及要点、材料选用和验证等关键技术对其过载性能进行分析，并在基于DL/T985-2012《配电变压器能效技术经济评价导则》推荐的综合能效费用的计算方法，对高过载配电变压器的经济性能进行分析，以便更好地在农村配电网中推广该类变压器的使用。

1 高过载的性能要求

国家电网公司企业标准Q/GDW11190-2014对高过载能力配电变压器的定义为：满足本标准的过载曲线，且不影响正常使用寿命的配电变压器。

根据过载曲线要求[3]，产品在正常温升试验要求的基础上，满足1. 5倍额定容量6h （负荷上升和下降阶段各3h ）、1. 75倍额定容量3 h （负荷上升和下降阶段各1. 5 h ）、2. 0倍额定容量1h 阶段性连续运行且不影响变压器正常使用寿命，温升试验施加电流过程曲线如图1所示。

同时，高过载配电变压器温升应满足绝缘等级限制值，温升限值如表1所示。

2 高过载配电变压器的设计思路及要点

为保证高过载配电变压器的过载能力满足标准Q/GDW11190-2014的要求，在开展配电变压器设计和制造时需采取以下设计思路和设计要点。

2. 1 设计思路

高过载配电变压器其结构和原理与普通变压器相似，其主要是通过产品结构优化、选用高耐温绝缘材料和利用散热原理等进行设计研制，保证配变在高过载运行时，温升限值满足所选用绝缘材料耐热等级标准要求，同时油箱不出现渗、漏油现象，且不会缩短配变的正常使用寿命。

2. 2 结构优化

配变高过载运行，为保证其温升不超过标准温升限值，需尽量增加高、低压绕组的油道数量，增加绕组的散热面积，以降低绕组对油的温升;铁心选用新型优质高导磁低损耗冷轧取向硅钢片，必要时选用具有软磁特性的非晶合金铁心，以降低产品的空载损耗，提高产品的过载能力;增加油箱散热片的数量，可增加油箱的散热面积，以降低变压器顶层油对外部空气的温升。

3 高过载对绝缘材料选用的影响

当配电变压器过载运行时，绕组、线夹、引线和变压器油等绝缘材料的温度将会升高，由于绝缘系统的老化和寿命时间与温度有很大的关系，为得到最佳的变压器热性能和经济性能，按GBZ1094. 14-2011《电力变压器第14部分：采用高温绝缘材料的液浸式变压器的设计与应用》的指导要求，可选取B级绝缘的半混合绝缘系统方案，即针对不同的温度区域选用耐热等级不同的绝缘材料。

3. 1 绕组绝缘材料选用

绕组是热源产生的最主要源头，满足高过载运行，与发热导线接触的绝缘均需用高耐热等级绝缘材料，通过温升仿真分析如图2所示，绕组的最热点并不在绕组的顶部，而是在绕组顶部往下一点的区域，所以对于导线绝缘、层间绝缘必须采用高耐热等级绝缘材料，导线绝缘推荐选用耐热等级为F级的漆包铜导线，层间绝缘推荐选用耐热全胶纸，而其他绝缘包括端绝缘可选用常规绝缘材料。

3. 2 器身绝缘材料选用

器身的绝缘分布在不同的温度区域，撑板、铁轭隔板、相间隔板贴近热源区域，且散热条件较差，需选用耐热等级为B 级及以上的绝缘材料，其他的绝缘材料并没有贴近热源区域，且油的流动性较好，工作区域温度不高，可以选用常规的绝缘材料。

3. 3变压器油选用

过载运行时变压器油温上升，如出现长期周期性过载，若采用矿物油，由于矿物油的耐热等级为A级，会缩短油纸绝缘系统的壽命，降低供电可靠性，同时存在火灾隐患。根据表2所示的适用于液浸式变压器的绝缘液体综合性能参数，从环保、安全可靠性能方面分析，FR3植物油具有更优异的性能，优选采用FR3植物油。

4 高过载对密封性能的影响

变压器的高过载运行会使油箱的油温和内部压力升高，长期作用下，会使油箱出现变形，密封件出现发脆并失去密封作用，严重时会出现油箱漏油问题和附件故障甚至是爆炸事故，严重影响产品的安全运行[4]。针对上述问题，在产品设计时需采取以下控制措施。

（1）对油箱强度进行加强处理，同时考虑在油面与箱盖之间增加气隙或在油箱上部安装储油柜，提高油箱的机械强度和油膨胀量。

（2）选用具有高耐温特性的密封件，如丙烯酸酯橡胶密封件或氟橡胶密封件，保证绕组内部运行温度不会影响密封件的密封性能。

（3）对于有电流参数要求的附件，如分接开关、套管等，需按额定容量电流的1. 5倍以上要求选取，以避免在过载运行时附件出现局部过热现象，保证产品安全运行。

5 高过载性能验证

以绝缘系统耐热等级为B 级的高过载配电变压器S13-M （ B ）-630/10 GZ 设计为例，按以上的设计思路和绝缘材料选用原则，将高过载630 kVA 变压器进行高过载性能验证，以验证其过载性能和产品可靠性。产品的具体设计数据如表3所示。

5. 1 过负载曲线温升计算验证

根据负载曲线特性，采取暂态过负载时的热点温升计算公式，对产品过载曲线下的温升进行计算验证，计算公式：

式中：Δθi 为负载率In 开始时的起始温升，K;Δθt 为负载变化t时间后的温升，K;Δθu 为负载率Iu 不发生变化情况下的最终温升，K;t 为时间，min;τ为给定负载下绕组的时间常数，min，对变压器油一般取150～210 min，保守取值150 min。

计算结果如表4所示。

根据上述计算结果，在全过程的过负载曲线下，油的最高点温升为58. 8 K，绕组的最高点温升为71. 1 K，满足油顶层温升不大于80 K、绕组温升不大于85 K 的要求。

5. 2 过负载能力试验证

对上述设计方案产品进行过负载能力试验证，试验样品如图3所示，试验方法采用短路法，在额定分接下，过载能力试验在变压器正常温升试验后进行，施加总损耗3 h 至温升稳定，接着施加1. 5倍额定电流6 h，再施加1. 75倍额定电流3 h，然后施加2. 0倍额定电流1 h 后，立即切断电源测量绕组热态电阻。

整个试验过程中压力释放阀没有因过载而动作，油箱无渗漏现象，最终的过负载温升结果如表5所示。

2. 0倍额定电流下高低压绕组平均温度变化曲线如图4～5所示。

通过绕组热点温升估算公式：

式中：Δθh 为油箱顶层液体温升，K;g 为绕组对油平均温度梯度;H 为热点系数，这里取1. 1。

求得高低压绕组热点温升估算值，其计算结果如表6所示。

从以上的验证结果可以看出，按以上设计思路设计的高过载配电变压器，可以满足标准Q/GDW11190-2014规定的过载运行性能要求。但通过上述的计算数据和试验数据对比分析，可以发现，绕组平均温升试验值比标准Q/GDW11190-2014规定的低约9 K，说明产品的设计裕度较大，而通过试验数据估算的绕组热点温升比标准Q/GDW11190-2014规定只低2 K，设计值与试验结果基本一致，这是一个矛盾点。从标准GB/T1094. 2规定的额定容量下的温升限值可知，绕组的热点温升限值与绕组平均温升限值之差为13 K，而标准Q/GDW11190-2014规定的高过载绕组热点温升限值与绕组平均温升限值之差为10 K。变压器在高过载曲线下运行，变压器的温升并没有达到稳定状态下的温升，还在持续上升过程，油箱顶层液体温度与底层液体温度之差应该会比稳定状态下的要大，所以，从产品的经济性方面考虑，高过载配变的绕组热点温升限值可考虑适当放宽。

6 经济性能分析

为了分析高过载配电变压器的经济性能，以上述设计方案配变S13-M （ B ）-630/10GZ 为例，将其和大容量变压器作综合对比，依据标准DL/T985-2012中工程经济的基本理论，在变压器整个经济使用期内，从变压器的购置价格、空载运行费用、过负载能力等因素对变压器经济性的影响，分析高过载配电变压器的综合经济性能。

6. 1 初始投资成本

变压器初始投资成本包括设备采购、安装、调试等费用，标准中使用参数CI 表示[5]。

6. 2 运行过程中空载损耗产生的费用

变压器经济使用期内，每年由于空载损耗产生的费用A ·P0表示，其中：

式中：Ee 为企业支付的单位电量电费;Ed 为企业支付的单位容量电费;Hpy 为变压器年带电小时数;kpv 为现值系数。

式中：n 为配电变压器的经济使用年限;i 为贴现率。

6. 3 运行过程中负载损耗产生的费用

每年由于负载损耗产生的费用B ·Pk 表示，对于同一台区，不同方案变压器因负载损耗产生的费用是相同的。

6. 4 综合能效费用

变压器经济试用期内的综合能效费用为：

通过上面综合能效计算公式，可知变压器综合能效费用主要与产品购置费用、空载运行费用相关，下面将以630 kVA 容量产品为对象，将其与不同方案的变压器进行综合分析对比，分析高过载配电变压器的综合经济性能。

6. 5 全寿命周期内TOC 经济性分析

对于适用高过载能力配电变压电器的台区，为保证其运行的安全性，根据其过负载情况，将630 kVA高过载配变与1000 kVA 和1250 kVA 普通标准配变进行综合能效费用计算，3种方案变压器的基本参数和购置费用如表7所示。本文中如无特殊说明，其他参数如贴现率i均取为8%，单位电量电费Ee 取0. 6元/kWh，单位容量电费Ed 取20元/kW，年带电小时数Hpy 取8760 h。基于上述假定，分别选取30年、25年20年经济使用期，计算得到的综合能效费用TOC 如图6所示。

通过计算结果可看出，在不同的经济使用期内，高过载配电变压器的经济性能最好。同理，根据综合能效计算公式，可得出，在不同的年贴现率下，高过载配电变压器的经济性能也是最好。

7 结束语

本文在分析了高过载能力配电变压器的设计思路及要点、绝缘材料选用对高过载的影响，并进行了样机试验证和高过载在全寿命周期内的经济性能研究分析，得到的主要结论如下。

（1）通过样机试验证，本文所论述的设计思路及要点、绝缘材料的选用都是合理的，这种变压器能满足标准所要求的过负荷运行能力。

（2）从全寿命周期内的综合能效费用计算分析，高过载配电变压器在标准要求的过负载曲线运行情况下具有较明显的经济优势，可在农村配电网中大力推广应用。

参考文献：

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[2]文洪君. 高过载配电变压器在农村电网中的应用研究[D]. 北京：华北电力大学，2016.

[3] Q/ZGDW11190-2014，农网高过载能力配电变压器技术导则[ S ].

[4] GB/Z 1094. 14-2011，电力变压器第14部分：采用高温绝缘材料的液浸式变压器的设计和应用[S].

[5]DL/T985-2012，配电变压器能效技术经济评价导则[S].

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第一作者简介：郖冠星（1985-），男，广东广州人，大学本科，研究领域为电力变压器。

（编辑：王智圣）