一 种 农 网 高 过 载 配 电 变 压 器 杨 庆 福 沈 山 林 陈 荣 勤 ( 江 苏 宏 源 电 气 有 限 责 任 公 司, 江 苏 南 京 211103; 杜 邦 ( 中 国 ) 研 发 管 理 有 限 公 司, 上 海,201203) 摘 要 : 本 文 介 绍 了 农 网 高 过 载 配 电 变 压 器 的 性 能 参 数 要 求 设 计 要 点 设 计 思 路 全 寿 命 周 期 计 算 及 经 济 效 果 的 分 析 本 文 所 述 的 高 过 载 配 电 变 压 器 是 采 用 美 国 杜 邦 公 司 生 产 的 耐 温 等 级 130 (B) 级 的 NOMEX 910 绝 缘 材 料 与 普 通 变 压 器 油 设 计 制 造 的 一 种 新 型 混 合 绝 缘 配 电 变 压 器, 该 变 压 器 过 负 荷 能 力 强 成 本 低, 另 外 还 具 有 高 寿 命 高 可 靠 性 高 容 量 密 度 等 特 点 关 键 词 : 变 压 器 ; 高 过 载 ; 混 合 绝 缘 ; 全 寿 命 周 期 ; 1 前 言 农 网 配 电 变 压 器 虽 然 全 年 绝 大 部 分 时 间 处 于 轻 载 运 行 状 态, 年 平 均 负 载 率 偏 低, 但 爆 发 性 负 荷 较 强, 如 春 节 农 忙 等 时 期 农 村 用 电 负 荷 急 剧 增 长, 我 国 部 分 地 区 配 电 变 压 器 短 时 段 严 重 过 载 运 行, 导 致 停 电 配 电 变 压 器 烧 毁 等 严 重 事 故 的 频 繁 发 生 解 决 配 电 变 压 器 过 载 运 行 问 题 的 方 法 有 几 种, 单 纯 增 加 配 电 变 压 器 的 容 量 是 最 直 观 的 一 种, 但 这 样 既 造 成 电 网 投 资 成 本 的 大 幅 提 高, 又 会 增 加 配 电 变 压 器 的 空 载 损 耗, 使 得 电 网 运 行 效 益 显 著 降 低 采 用 可 调 容 变 压 器 虽 然 能 使 总 体 运 行 损 耗 降 低, 但 投 资 成 本 大 幅 增 加 是 个 硬 伤 而 采 用 一 种 在 一 定 时 间 内 具 有 较 强 过 负 载 运 行 能 力 的 配 电 变 压 器, 是 经 济 高 效 地 解 决 这 一 难 题 的 理 想 方 案 2013 年 初 开 始, 在 国 家 电 网 公 司 就 立 项 开 发 适 合 农 村 地 区 使 用 的 高 过 载 能 力 配 电 变 压 器, 经 过 一 年 半 以 来 变 压 器 厂 家 和 电 力 运 行 部 门 以 及 试 验 部 门 的 努 力, 产 品 方 案 已 定 型 并 制 定 了 相 关 标 准 Q/GDW11190-2014 农 网 高 过 载 能 力 配 电 变 压 器 技 术 导 则 江 苏 宏 源 电 气 有 限 责 任 公 司 是 参 与 开 发 试 制 的 主 要 变 压 器 厂 之 一 在 高 过 载 变 压 器 的 开 发 过 程 中, 过 载 能 力 的 界 定 产 品 设 计 成 本 控 制 变 压 器 全 寿 命 周 期 计 算 是 其 中 的 关 键 技 术 工 作 2 性 能 参 数 要 求 国 家 电 网 公 司 企 业 标 准 Q/GDW11190-2014 农 网 高 过 载 能 力 配 电 变 压 器 技 术 导 则 对 高 过 载 能 力 配 电 变 压 器 的 定 义 是 满 足 本 标 准 规 定 的 过 载 曲 线, 且 不 影 响 配 电 变 压 器 正 常 使 用 寿 命, 而 该 标 准 指 出, 目 前 我 国 农 网 中 比 较 典 型 的 过 载 情 况 是 : 1
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 3 小 时 1.75 倍 额 定 容 量 3h( 负 荷 上 升 和 下 降 阶 段 各 1.5 小 时 ) 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 ; 高 过 载 变 压 器 温 升 应 满 足 绝 缘 等 级 限 制 值, 温 升 试 验 施 加 电 流 过 程 曲 线 见 图 1 而 产 品 的 损 耗 值 和 温 升 限 值 如 何 规 定 方 面, 经 过 多 方 的 论 证, 最 后 统 一 到 如 Q/GDW11190-2014 的 规 定 图 1 高 过 载 配 变 温 升 试 验 施 加 电 流 过 程 曲 线 3 设 计 要 点 及 思 路 3.1 高 过 载 变 压 器 绝 缘 等 级 及 绝 缘 材 料 的 选 择 综 观 此 项 目 产 品 技 术 要 求, 核 心 问 题 是 满 足 Q/GDW11190-2014 要 求 的 过 负 载 能 力 要 求 如 何 定 量 地 满 足 过 载 要 求 是 国 内 外 变 压 器 行 业 探 索 和 争 论 多 年 的 话 题, 在 国 内, 参 考 IEC TS 60076-14 修 订 的 标 准 文 件 GBZ 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 >> 是 最 有 直 接 指 导 意 义 的 文 件, 按 该 标 准 指 导, 我 们 选 取 固 体 B 级 绝 缘 的 半 混 合 局 部 混 合 方 案, 为 了 保 险 起 见, 我 们 把 所 有 绕 组 内 部 带 电 部 分 看 作 是 可 能 过 热 的 部 分, 依 据 标 准, 变 压 器 绕 组 导 线 接 触 的 固 体 绝 缘 采 用 耐 温 130 级 的 材 料, 其 他 常 温 或 低 温 下 工 作 的 固 体 绝 缘 材 料 采 用 常 规 固 体 绝 缘, 液 体 绝 缘 采 用 普 通 矿 物 油 作 为 绝 缘 冷 却 介 质 在 选 材 方 面, 层 绝 缘 是 较 为 不 容 易 的, 因 为 市 场 上 没 有 成 熟 的, 也 就 是 经 得 起 试 验 论 证 和 时 间 考 验 的 130 级 油 浸 绝 缘 材 料, 本 文 所 述 的 农 网 高 过 载 配 电 变 压 器 最 后 选 用 的 材 料 就 是 美 国 杜 邦 公 司 生 产 的 耐 温 130 级 的 NOMEX 910 绝 缘 材 料 3.2 设 计 思 路 总 的 来 说, 本 文 所 述 的 高 过 载 能 力 配 电 变 压 器 技 术 是 优 化 配 变 结 构, 通 过 增 加 变 压 器 高 低 压 绕 组 油 道 数 量 ( 即 增 加 绕 组 散 热 面 积 ), 降 低 绕 组 对 油 的 温 度, 防 止 变 压 器 过 载 后 线 圈 局 部 过 热 ; 增 加 油 箱 的 散 热 面 积, 降 低 变 压 器 顶 层 油 对 外 部 空 气 的 温 升 ; 通 过 选 用 耐 高 温 绝 缘 材 料, 提 高 相 关 元 件 和 绝 缘 部 件 的 耐 热 性 能 等, 增 强 配 电 变 压 器 耐 高 温 能 力, 达 到 提 高 配 电 变 压 器 过 载 能 力 的 设 计 方 法 2
3.2.1 过 负 荷 温 升 理 论 计 算 根 据 GB/T 1094.7 [2] 油 浸 式 电 力 变 压 器 负 载 导 则 中 相 应 绕 组 热 点 计 算 公 式 ( 式 1) 1 R K 1 R y t f t Hg K f t h a ht oi or oi 1 a hi r hi 2 ot : 负 载 时 间 后 油 顶 层 温 度 计 算 值 / ; ht: 负 载 时 间 后 绕 组 热 点 对 顶 油 温 升 /K; 2 x ( 式 1) 计 算 后 可 得 如 下 表 1, 表 1 过 负 载 温 升 理 论 计 算 值 负 载 系 数 额 定 容 量 1.5 1.75 2 环 境 温 度 / 25 25 25 25 初 始 负 载 系 数 1 1 1 1 负 载 时 间 /min 60 180 90 60 初 始 负 载 系 数 0.3 0.3 0.3 0.3 负 载 时 间 后 油 顶 层 温 度 / 59.0 77.0 87.8 97.6 负 载 时 间 后 绕 组 热 点 温 度 / 69.9 97.8 114.4 130.6 从 表 1 中 可 以 看 出, 其 顶 层 油 温 115, 绕 组 热 点 温 度 140, 符 合 短 期 急 救 负 载 的 相 关 规 定 及 限 值 要 求 3.2.2 高 过 载 变 压 器 结 构 设 计 要 点 1) 绕 组 及 器 身 绝 缘 材 料 按 其 不 同 部 位 的 温 度 选 用 不 同 的 绝 缘 材 料, 控 制 绕 组 热 点 温 度 2) 过 负 荷 状 态 下 与 额 定 负 荷 运 行 时 的 温 度 分 布 是 不 同 的, 合 理 计 算 控 制 过 负 荷 状 态 下 变 压 器 各 部 位 的 温 升 3) 控 制 液 体 油 箱 等 随 温 度 变 化 引 起 的 热 膨 胀 变 形 强 度 等 影 响, 辅 以 优 质 密 封 件, 以 保 证 变 压 器 在 其 允 许 的 温 度 范 围 内 正 常 运 行 4) 组 件 按 其 所 在 位 置 的 温 度, 选 用 相 应 等 级 的 绝 缘 材 料 5) 变 压 器 发 生 故 障 短 路 时, 绕 组 内 流 过 的 短 路 电 流 值 很 大, 但 时 间 很 短 考 虑 多 次 短 路 重 合 闸 状 态 下 的 热 的 积 累 和 散 热 效 应 进 行 计 算 3.3 全 寿 命 周 期 计 算 与 分 析 以 高 过 载 S13-M(B)-100/10GZ 设 计 为 例, 按 以 上 设 计 理 念 及 思 路, 将 高 过 载 100kVA 变 压 器 进 行 寿 命 计 算 分 析, 具 体 数 据 如 表 1: 3
类 别 短 路 主 抗 空 载 损 耗 负 载 损 耗 空 载 电 流 高 压 过 载 绕 组 温 升 低 压 过 载 绕 组 温 升 油 顶 层 过 载 温 升 标 准 值 4.0% 150W 1580W 0.7% 85K 85K 80K 设 计 值 3.97% 145W 1320W 0.34% 76.5K 75K 72.5K 试 测 值 4.02% 131W 1302W 0.16% 79K 78.5K 73K 注 : 空 负 载 损 耗 主 抗 空 载 电 流 按 额 定 容 量 下 测 试 ; 高 低 压 绕 组 油 顶 层 温 升 按 国 网 公 司 企 标 标 准 (Q/GDW11190-2014) 进 行 测 试 根 据 标 准 的 定 义, 也 是 一 般 的 变 压 器 技 术 原 理, 满 足 规 定 的 特 定 条 运 行 条 件, 不 影 响 正 常 的 使 用 寿 命 是 这 种 变 压 器 的 义 务 和 特 点 但 这 个 寿 命 特 性 如 何 分 析 和 验 证, 在 这 个 行 业 是 一 个 国 际 性 的 问 题 这 里, 我 们 参 照 IEEE Std C57.91-2011 的 计 算 方 法, 进 行 计 算 验 证 以 下 为 3.4.1 所 述 样 机 S13-M(B)-100/10GZ 在 标 准 规 定 的 过 负 载 曲 线 下 的 周 期 温 度 特 性 ( 假 设 当 天 环 境 温 度 25 度 恒 定 不 变 ): 上 图 显 示, 在 这 个 负 载 周 期 中, 线 圈 热 点 温 度 约 为 118⁰C( 温 升 93K), 油 顶 温 度 接 近 98 度 ( 温 升 73K), 两 个 温 升 值 都 没 有 超 过 Q/GDW11190-2014 标 准 限 值, 但 超 过 A 级 绝 缘 纸 的 耐 热 能 力 如 本 文 2.1 中 所 述, 国 网 的 技 术 导 则 Q/GDW11190-2014 规 定 这 种 变 压 器 在 规 定 过 载 条 件 下 没 有 超 过 正 常 情 况 的 寿 命 损 失 我 们 知 道, 在 IEEE 标 准 中 规 定, 30⁰C 下 运 行 一 天 绝 缘 寿 命 正 常 损 失 是 24 小 时 进 一 步 的 计 算 表 明 在 这 个 设 计 方 案 里, 如 果 采 用 A 级 绝 缘 材 料 每 天 的 寿 命 损 失 为 37 小 时, 比 正 常 寿 命 损 失 高 出 一 半, 不 符 合 国 网 的 技 术 要 求 而 采 用 130 度 的 NOMEX 910 绝 缘 纸 的 话, 寿 命 损 失 才 5 小 时, 满 足 并 优 于 国 网 要 求, 能 大 大 延 长 变 压 器 的 寿 命 4
4 经 济 效 果 分 析 为 了 分 析 本 设 计 方 案 产 品 的 经 济 性, 我 们 把 它 和 大 容 量 及 有 载 调 容 变 压 器 作 综 合 对 比 根 据 以 Q/GDW11190-2014 所 规 定 的 50kvA 100kvA 200kvA 三 种 容 量 产 品 为 对 象 从 变 压 器 销 售 成 本 空 载 年 运 行 费 用 过 载 能 力 进 行 综 合 分 析 对 比 上 一 年 度 最 大 负 荷 P max (kw) 变 压 器 选 择 方 案 市 场 销 售 价 ( 万 ) 空 载 年 运 行 费 用 ( 元 ) 过 载 能 力 台 区 ( 一 ) 20<P max <30 方 案 一 : 选 择 高 过 载 S11-M(B)-50/10GZ 1.2 569 满 足 1.5 倍 3h, 1.75 倍 1.5h,2 倍 1h 方 案 二 : 选 择 大 容 量 S11-M-80/10 1.3 788 满 足 国 标 方 案 三 : 选 择 调 容 变 S11-M.ZT-100(30)10 3.75 546 满 足 国 标 台 区 ( 二 ) 30<P max <40 方 案 一 : 选 择 高 过 载 S11-M(B)-100/10GZ 1.8 876 满 足 1.5 倍 3h, 1.75 倍 1.5h,2 倍 1h 方 案 二 : 选 择 大 容 量 S11-M-160/10 2.0 1226 满 足 国 标 方 案 三 : 选 择 调 容 变 S11-M.ZT-200(63)10 4.85 862 满 足 国 标 方 案 一 : 选 择 高 过 载 S11-M(B)-200/10GZ 2.8 1489 满 足 1.5 倍 3h, 1.75 倍 1.5h,2 倍 1h 台 区 ( 三 ) 80<P max <180 方 案 二 : 选 择 大 容 量 S11-M-315/10 方 案 三 : 3.0 2102 满 足 国 标 选 择 调 容 变 7.05 1408 满 足 国 标 S11-M.ZT-400(125)10 1. 高 过 载 变 压 器 和 大 容 量 变 压 器 空 载 年 运 行 费 用 Cy=(365 24 P0+ 0.05 Io SN/100) 0.5; 2. 调 容 变 空 载 运 行 费 用 Cy=(2160 P0( 大 )+0.05 Io( 大 ) SN( 大 )/100+6600 P0( 小 )+0.05 Io ( 小 ) SN( 小 )/100) 0.5; 注 : 假 设 调 容 变 为 三 个 月 大 容 量 运 行, 九 个 月 小 容 量 运 行 变 压 器 年 运 行 费 用,( 元 ); 空 载 损 耗, (kw); 额 定 容 量, (kva); 空 载 电 流 百 分 数,(%); 电 价, 元 /(kwh) Cy P0 SN Io 0.5 5
从 表 格 可 以 看 出, 有 载 调 容 变 压 器 空 载 年 运 行 费 用 与 高 过 载 变 压 器 相 当, 但 调 容 变 压 器 市 场 售 价 是 高 过 载 配 电 变 压 器 的 3 倍 左 右 ; 选 择 大 容 量 变 压 器 市 场 销 售 价 与 高 过 载 配 电 变 压 器 相 当, 但 大 容 量 变 压 器 空 载 年 运 行 费 用 是 高 过 载 配 电 变 压 器 1.4 倍 左 右 从 变 压 器 销 售 成 本 空 载 年 运 行 费 用 过 载 能 力 年 均 增 长 率 综 合 评 估, 农 村 公 用 台 区 在 上 一 年 度 平 均 负 荷 率 低 于 25% 时, 选 择 高 过 载 配 电 变 压 器 是 最 经 济 最 合 理 最 节 能 5 结 束 语 通 过 对 农 网 高 过 载 变 压 器 的 性 能 设 计 前 分 析, 然 后 进 行 技 术 创 新, 采 用 NOMEX 910 等 新 材 料, 从 理 论 计 算 和 实 地 测 试 的 角 度 都 可 以 肯 定, 这 种 变 压 器 能 满 足 农 网 的 特 定 过 负 载 要 求 在 保 证 性 能 质 量 的 前 题 下, 还 降 低 了 材 料 用 量, 提 高 了 变 压 器 的 过 负 荷 能 力 和 可 靠 性, 同 时 节 约 了 大 量 电 能, 为 国 家 的 节 能 减 排 低 碳 经 济 做 出 了 贡 献 为 社 会 节 约 了 大 量 资 源, 具 有 良 好 的 推 广 价 值 参 考 文 献 (1) 尹 克 宁 : 采 用 高 温 绝 缘 材 料 的 液 浸 式 变 压 器, 电 力 设 备,2004,5, (2) 国 家 标 准 GB/T15164 94 油 浸 式 电 力 变 压 器 负 载 导 则, (3)GBZ 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, (4)Q-GDW 11190-2014 农 网 高 过 载 能 力 配 电 变 压 器 技 术 导 则 (5)IEEE Std C57.91-2011 液 浸 变 压 器 负 载 导 则 作 者 简 介 : 杨 庆 福 (1985.3-), 男, 江 苏 扬 中 人, 工 程 师, 现 任 上 海 置 信 电 气 研 发 ( 技 术 ) 产 品 经 理, 从 事 变 压 器 设 计 开 发 工 作 联 系 电 话 : 杨 庆 福,18351892168 6