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500kV大型油浸式电力变压器超铭牌 容量运行风险控制 戎春园，曹玉文，李茂峰，陈方之，卢英俊 （中国南方电网超高压输电公司南宁局，广西 南宁 530021） 摘要：分析了500kV大型油浸式电力变压器超铭牌容量运行的危险性及限制条件，介绍了评估大型油浸式电力变 压器正常周期性超铭牌容量运行和事故超铭牌容量运行能力的方法。 关键词：变压器；超铭牌容量运行；风险控制 中图分类号：TM406文献标识码：B文章编号：10018425（2009）02001005 1 引言 500kV大型油浸式电力变压器具有大容量的显 著特点，且电力建设遵循适度超前于经济发展的原 则，以往变压器超铭牌容量运行情况并不多见。 然 而，近年来随着国民经济的高速发展，电源与负载 趋于集中化，500kV大型油浸式电力变压器超铭牌 容量运行情况增多。 以500kV南宁站2号主变为 例，2007年上半年共计超铭牌容量运行38次，其中 5月28日20时10分5月28日20时55分，超铭 牌 容 量 运 行 持 续45min， 期 间 最 大 视 在 功 率 达 8585MVA（额定值为750MVA），高压侧最大电流达 9289A（额定值为8248A），超铭牌容量运行126。 由于500kV大型油浸式电力变压器造价高、容 量大、供电范围广和影响面大，超铭牌容量运行存 在较大的风险性。 传统的查负载表法获得的变压器 超铭牌容量运行能力方便快捷，然而由于图表编制 基于一组通用数据， 对于热特性参数各异的超高 压、大容量油浸式电力变压器来说查阅结果不够准 确，不利于预先对此类变压器的超铭牌容量运行风 险性进行准确评估。 运行人员通过监测变压器热点 温度来确定其超铭牌容量运行能力虽然比较可靠， 但属于事后控制，不符合风险预控的原则。 因此，有 必要根据温升试验数据对500kV大型油浸式电力 变压器的超铭牌容量运行能力进行计算分析， 从而 达到有效控制电网风险、保障供电安全的目的。 2 大型油浸式电力变压器超铭牌容量运行的 风险及限制条件 大型油浸式电力变压器负载超过铭牌额定值运 行时，导体发热急剧上升，绕组和绝缘油温度剧增。 一方面可能使绝缘油加速裂解，产生气体，降低变压 器绝缘强度，发生电击穿而损坏变压器；另一方面过 度的发热将降低绕组的机械强度， 当发生外部短路 时强大的电动力可能在很短的时间内使绕组发生轴 向和辐向变形而损坏变压器；另外，还可能发生密封 材料加速老化引起的渗漏油和分接开关接触电阻增 大导致的节点发热等现象。对于超高压大型变压器， 当发生超额定电流运行时， 相对于中小型变压器而 言，其漏磁磁密、短路应力及受高场强作用的绝缘体 Risk Control of Overload Operation of 500kV OilImmersed Type Power Transformer RONG Chunyuan, CAO Yuwen, LI Maofeng, CHEN Fangzhi, LU Yingjun （Nanning Bureau, CSG EHV Power Transmission Company, Nanning 530021, China） Abstract：The risk and condition of overload operation of 500kV oilimmersed type power transformer are analyzedThe methods to assess the ability of overload operation of large oilimmersed type transformer in normal period and fault are presented Key words：Transformer；Overload operation；Risk control 第 46 卷 第 2 期 2009 年 2 月 TRANSFORMER Vol46 February No2 2009 戎春园、 曹玉文、 李茂峰等： 500kV大型油浸式电力变压器超铭牌容量运行风险控制 第 2 期 积都将增加，因此危险性也就更大。 制造变压器的材料有金属材料和绝缘材料两 大类。 金属材料一般能耐较高温度而不损坏，但绝 缘材料在温度超过某一定值后会很快老化而损坏， 所以温度是影响变压器运行安全的主要因素。 对于 大型油浸式电力变压器而言，绝缘油的温升稳定时 间较长，即油时间常数较大，一般为15h，而导线的 温升稳定时间很短，一般为5min10min。 因此，当变 压器发生超额定电流运行时，更关心的是绕组可能 达到的最高温度。 油浸式电力变压器负载导则 （以下简称导则）根据大型变压器在发生超额定 电流运行时，伴随着绕组热点温度的急剧上升而可 能遇到的危险性，针对不同的负载类型，提出了变 压器超额定电流运行的限值，见表11。 3 大型油浸式电力变压器绕组热点温度计算 方法 计算变压器的超铭牌容量运行能力，首先要确 定变压器内部最热点的温度。 导则提供了ON（自 然油循环）、OF（强迫油循环）和OD（强迫油循环导 向）冷却方式下的热点温度计算公式。 南网超高压南宁局负责运行维护的4台变压器 冷却方式各有不同， 但基本含盖了不同时期的典型 型式， 平果站两台主变对应于额定容量的60、 80、100分别为ONAN（油浸自冷）、ONAF（油浸风 冷）和OFAF（强迫油循环风冷）冷却方式，百色站主 变为ODAF（强迫油循环导向风冷）冷却方式，南宁 站主变为OFAF冷却方式。 显然，对于平果站主变， 在超铭牌容量运行时计算热点温度， 应按照OFAF 冷却方式，对于ODAF冷却方式的百色站主变，其热 点温度计算只需在OFAF冷却方式计算结果的基础 上加一修正系数即可，下面以具有普遍意义的OFAF 冷却方式对变压器热点温度进行计算分析。 对于OFAF冷却方式的变压器， 其热点温度计 算公式为： habr 1RK2 1R ? x 2imrbrK y HgrK y （1） 式中h最热点温度， a环境温度， br温升试验测得的底部油温升，K R实测负载损耗与空载损耗比 K运行负载与额定负载比 imr温升试验测得的油平均温升，K x油的指数 y绕组指数 Hgr热点对绕组顶部油的温差 对于大型强迫油循环变压器，按照负载导则，分 别取x10，y16。 对于强迫油循环导向风冷的变压器， 由于油粘 度对温升的影响较小， 须考虑导线随温度变化的影 响，因此该型变压器的最热点温度在式（1）的基础 上，还要加校正系数： hh015（hhr）（当K1时）（2） 式中hr额定条件下的热点温度， 一般情况下， 变压器运行所带负载随 地区用电负载变化而变化， 在不同负载条 件下的热点温度也将随之变化， 不考虑负 载的短时突变， 认为改变后的负载将持续 一段时间， 经过时间t后的底层油温升可 用下式求出： btbi（bubt）（1e t蛐0） （3） 式中bt经过时间t后的底层油温升，K bi起始的底层油温升，K bu时间t内所加负载的稳态底部油温 升，K 0油时间常数 将式（3）代入式（1）和式（2）中即可计算出任何 负载条件下的变压器最热点温度。 变压器在正常带负载运行过程中， 其绝缘系统 的材料一直在老化， 这过程是积累性的且能导致绝 缘系统失去性能而不可再用。 导则规定在额定负 载和环境温度为20时， 变压器在热点温度98 下，绝缘材料相对老化率为1，在此基础上,温度每 增加6K，老化速度增加1倍,由此给出变压器相对 老化率计算公式如下： V 在h下的热老化率 98下的热老化率 2 （h98）蛐6 （4） 事实上,变压器在运行中，负载及环境温度都在 变化，其运行中消耗的寿命可按下式计算： L 1 t t2 t1 乙Vdt或L 1 N N n1 V（5） 表1负载超过铭牌额定值时的电流和温度限值 负载类型正常周期性负载 长期急救周期性负载 短期急救负载 负载电流（标么值）131315 热点温度及绝缘材料接 触的金属部件的温度蛐 120130160 顶层油温蛐105115115 Table 1Current and temperature limit during overload 11 第 46 卷 4 应用查表法评估大型油浸式电力变压器超 铭牌容量运行能力 导则基于热点温度计算法，采用变压器通用 热特性参数(表2)， 并对变压器负载周期进行简化 (如图1所示，以24h为一个周期)，分别计算了ON、 OF和OD冷却方式下变压器在不同环境温度、不同 起始负载下的正常周期负载能力和急救周期负载 能力，给出了多种条件下的正常周期负载图和急救 周期负载表，可较为直观地查到变压器超铭牌容量 运行能力。 为了不折损变压器寿命， 确保变压器的安全可 靠，通常在制定负载计划时，考虑变压器超铭牌容量 运行能力都是按照导则中提供的通用正常周期性 负载图来确定的。 以南宁站2号主变为例，该主变 为500kV蛐750MVA自耦油浸式变压器， 冷却方式 为OFAF。为确定在环境温度40的条件下，当主变 起始负载为80时的超铭牌容量运行水平时，查负载 表可得变压器允许在116倍额定电流下运行05h （见图2）。 5 按大型油浸式电力变压器自身温升试验数 据计算正常周期性超铭牌容量运行能力 导则中明确指出：由于对变压器的热特性及 运行条件做了很多简化和假设，因而，不能期望由 图表得到很准确的结果。 事实上，随着制造厂设计、 制造工艺水平的提高， 变压器热特性已明显改善， 主要体现在损耗降低和绕组及油的温升降低等方 面。仍以南宁站2号主变（A相）为例，将该台主变出 厂温升试验报告中的热特性参数与表3所列的变 压器通用热特性参数相比(表3)， 油平均温升为 321K， 有139K的裕度， 底部油温升为282K，有 78K的裕度，在额定工况下，负载系数K为1，将表 3数据代入公式（1）计算可得2号主变（A相）低压 绕组热点温升为58K，环境温度为20时，最热点 温度只有78，有20K的裕度。 计算结果与变压器 大型电力变压器冷却方式ONAN和ONAFOFAFODAF 油的指数x091010 绕组指数y161620 损耗比R666 热点系数H131313 油时间常数0蛐h251515 环境温度蛐202020 热点温升hr蛐K787878 绕组平均温升wr蛐K636368 热点对绕组顶部油的温差Hgr蛐K262229 油平均温升imr蛐K434646 绕组顶部油温升ir蛐K525649 底部油温升br蛐K343643 表2变压器通用热特性参数表 Table 2Parameters of general thermal characteristics of transformer K2 K1 t 024 时间蛐h 图1变压器等效二级矩形负载周期图 负载系数 Fig1Two class equivalent rectangular load period diagram of transformer 08 09 10 11 12 13 14 15 16 020304050607080910 a40 05h 1h 2h 4h 8h 24h K2 K1 图240时OF大型电力变压器正常寿命损失下的 负载条件 Fig2Load condition of normal life loss of OF large power transformer at 40 表3变压器热特性参数 参数通用参数出厂温升试验 油平均温升imr蛐K46321 底部油温升br蛐K36282 热点温升hr蛐K7858 损耗比R6533 热点对绕组顶部油的温差Hgr蛐K2222 Table 3Thermal characteristic parameters of transformer 12 戎春园、 曹玉文、 李茂峰等： 500kV大型油浸式电力变压器超铭牌容量运行风险控制 第 2 期 满负载运行时红外测温的结果基本吻合。 由此可 见， 用变压器出厂温升试验数据替代通用参数，利 用热点温度计算法计算变压器超铭牌容量运行能 力，结合红外测温仪掌握的热点温度数据，可以适 度放宽变压器超铭牌容量运行裕度，并在必要的情 况下加以利用。 以不损伤变压器的绝缘为原则、 以表1中正常 周期性负载规定的热点温度120为限、以各变压器 的实测温升数据为基础，应用式（1）、式（2）和式（3） 可以较为准确地求得各种环境温度下， 不同起始负 载系数下变压器允许的超铭牌容量运行倍数及持续 时间。 计算结果仍以南宁站2号主变（A相）为例，在 环境温度为40的条件下， 当主变起始负载为 80时，应用热点温度计算法，以最热点温度h不超 过120为限(见表1)，将表3数据代入式（1）可求得 负载系数K为121， 考虑正常周期性超铭牌容量运 行不应折损变压器寿命， 以24h为1个周期控制相 对热老化率不超过1，应用式（4）可求得在121倍额 定电流下可持续运行167h。 与按查表法得到的结果 比较 （表4）， 变压器超铭牌容量运行裕度可提高 43。 6 大型油浸式电力变压器事故超铭牌容量运 行能力计算及注意的问题 61按大型油浸式电力变压器自身温升试验数据 计算事故超铭牌容量运行能力的方法 导则提出了长期急救周期性负载和短期急救 负载两种运行情况， 也就是当系统发生不正常变化 后，变压器采取的负载策略，也可称之为事故超铭牌 容量运行。 事故超铭牌容量运行是以牺牲变压器寿 命作为代价，来换取变压器更高的输送容量，保证对 电力用户的连续供电或保证电网的安全稳定。 长期急救周期性负载是由于系统中因部分变 压器长期退出运行引起，可能造成变压器绝缘的加 速老化，因此允许的负载电流为额定电流的13倍， 热点温度不超过130（见表1）。短期急救负载是系 统发生事故，破坏了正常的负载分配，使变压器严重 超铭牌容量运行，可能造成变压器绝缘性能下降。虽 然负载恢复正常后，这种危险会消失，但从可靠性角 度看，对变压器的损伤是长期残留的，比长期急救周 期性负载所造成的危险具有更严重的后果。 这种方 式下运行的限制条件为负载电流不大于额定电流的 15倍， 热点温度不超过160（见表1）。 为确保安 全， 建议按照长期急救周期性负载热点温度限值 130进行计算和控制。 确定了绕组热点温度限值后， 仍采用变压器出 厂温升试验中获得的变压器温升试验数据， 利用式 （1）、式（2）和式（3）就可算出变压器事故超铭牌容量 运行能力。仍以南宁站2号主变（A相）为例，在环境 温度40，起始负载为80额定负载下，以长期急 救周期性负载要求的热点温度限值130为限 （见 表1）， 将表3中出厂温升试验数据一并代入式（1） 中， 可求得变压器超铭牌容量运行负载系数为13。 若仍以24h为1个周期控制相对热老化率不超过 1，即不折损变压器寿命，应用式（4）可求得在13倍 额定电流下仍可持续运行052h，若这种长期急救周 期性负载时间超过052h，仍可以牺牲变压器的部分 寿命为代价，为电网事故处理赢得时间，但是应密切 监视最热点温度不能超过130。 若在电网严重事 故下，变压器不得已进入了短期急救负载状态，即负 载系数超过了13，最热点温度超过了130，则在 05h内， 必须控制变压器负载及热点温度脱离这种 状态。 62变压器事故超铭牌容量运行风险的应对措施 由于日照、环境温度变化、冷却系统效率和计算 误差等因素的影响， 变压器事故超铭牌容量运行能 力计算结果与实际情况会有偏差， 为避免变压器绝 缘事故的发生，保证变压器的安全运行，应尽可能避 免事故超铭牌容量运行状态。 但是在电网特殊运行 方式下或者发生较为严重的电网事故时， 迫于供电 压力仍然有可能要求变压器进行超铭牌容量运行， 对此应采取以下应对措施。 （1）为保证主变冷却系统的可靠性，运行单位应 定期对主变冷却器进行冲洗， 并对冷却器的油泵和 电机等进行检查，发现异常及时更换。 （2）为防止油流静电放电导致变压器事故，冷却 系统应按负载和温度情况自动逐台投入或切除相应 数量的冷却器， 维护人员要确保冷却器投切的正确 性和可靠性。 表4变压器正常周期性负载 计算方式查表结果计算结果 环境温度蛐4040 起始负载系数0808 允许超铭牌容量运行倍数116121 可持续运行时间蛐h05167 Table 4Normal periodic loads of transformer （下转第18页） 13 第 46 卷 图5查询结果 Fig5Inquiry results 间的数据不能有效、快速地传输。 铁心裁剪时不达 标的参数未能快速、有效地查询出来，造成不合格 半成品没有及时被检测到就已经投入到卷绕车间 生产，造成生产的浪费和低效率。 除了查询功能，还 可以研发“预测”功能，比如互感器筒体尺寸较小 时，在铁心包扎和绕线时，实时地预测成品的尺寸， 避免发生产品不能装入筒体的情况。 在STREAM原 形系统的基础上研究的节能变压器制造系统数据 流管理系统，能有效地处理系统中大量的、连续的 和无限的数据流， 可对系统中的数据流进行快速的 处理和查询， 满足了传统的数据管理系统无法实现 的数据流处理的要求，提高了生产的合格率和效率。 参考文献: 1万宗顺新型节能配电变压器卷铁芯制造关键技术研究 D上海：中国优秀博硕士学位论文全文数据库，2006 2Choong H K,Park K,Fu J,et al Architectures for streaming data processing in sensor networks CDe- partment of Computer Science,University of Texas at Arlington 2005 IEEE 3Arasu, A,Babu S,Widom JThe CQL continuous query language:semantic foundations and query execu- tionC Technical report, Stanford University, 2003 4Arasu A,Babu S,Widom JThe CQL continuous query language:semantic foundations and query execu- tionJ Stanford University VLDB Journal, 2005 收稿日期：20070903 作者简介：李丹（1982），女，上海市人，上海东华大学硕士研究生，主要从事过程控制、计算机控制、计算机网络等研究工 作； 郭放（1949），女，山东济南人，上海东华大学教授，从事计算机网络、计算机通信、计算机管理等研究工作。 （3）主变进入事故超铭牌容量运行状态时，运行 人员应严密监视主变顶层油温度，顶层油温不得超 过95。 在有条件的情况下，尽可能利用红外测温 仪对主变最热点温度进行不间断扫描，严格控制超 铭牌容量运行后的热点温度不超过表1限值。 （4）由于电网事故造成运行变压器进入超铭牌 容量运行时，调度部门应在规定时间内将主变负载 控制到额定负载。 （5）主变恢复正常负载运行后的第二天，应取 油样做气体色谱分析，以检查主变超铭牌容量运行 对设备的影响程度。 7结束语 本文中分析了500kV大型油浸式电力变压器 超铭牌容量运行的危险性及限制条件， 介绍了查负 载表法和基于变压器自身温升试验数据、 应用热点 温度计算法分析大型油浸式电力变压器正常周期性 超铭牌容量运行和事故超铭牌容量运行能力的方 法， 为超高压大容量油浸式电力变压器的风险预控 提供了依据， 同时给出了变压器事故超铭牌容量运 行时的应对措施， 有利于控制电网风险并保障供电 安全。 参考文献 1GB蛐T151641994油浸式电力变压器负载导则S 2蒋跃强，陆志浩提高500kV变压器过负荷能力的研究 J华东电力，2004,32(1):1317 3敖明，杨伟龙油浸式电力变压器过载限值分析J吉 林电力，2005,177(2):3536 收稿日期：20070920 作者简介：戎春园（1979），男，山西定襄人，中国南方电网超高压输电公司南宁局助理工程师，从事超高压区域控制中心运 行管理和研究工作； 曹玉文（1968），男，广西荔浦人，中国南方电网超高压输电公司南宁局工程师，从事超高压区域控制中心管理 和研究工作； 李茂峰（1979），男，湖南邵阳人，中国南方电网超高压输电公司南宁局助理工程师，从事超高压区域控制中心 安全运行管理和研究工作。 （上接第13页） ! 18