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变压器常识ABC⑥

   

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    作者简介:本文作者朱英浩同志系沈阳变压器研究所总工程师,我国变压器行业唯一的中国工程院院士。 

1.绝缘电阻

2.新国标中对温升试验的修正内容

3.确定油顶层温升新方法

4.确定绕组平均温升的说明

5.温升试验时变压器绕组电阻测量

1.绝缘电阻

   对任何绝缘材料而言,将足够的电压施加在绝缘材料上,就会在绝缘材料内或沿绝缘材料表面就会有泄漏电流产生,施加的电压越高,泄漏电流就越大。对正常绝缘材料而言,施加的电压一定时,泄漏电流大小基本保持不变。

   绝缘材料的绝缘电阻并不是一个恒定的值,当绝缘材料吸收水份或表面有灰尘或瓷件表面有污垢时,绝缘材料的绝缘电阻就会大大地降低。绝缘电阻之所以会降低是由于吸收水份受脏后相当于并联了一个相当数值的电阻,使绝缘材料的总电阻下降。绝缘电阻降低后泄漏电流就增大。所以绝缘电阻可以判断内部绝缘材料是否受潮,或外绝缘表面是否有缺陷。对外绝缘而言,如果擦干净后,即可恢复其绝缘性能,说明不了外绝缘的绝缘性能本质。对内绝缘而言,也不能表示其老化程度与损伤情况(这些绝缘性能要由介质损失角及局部放电试验来测定)。所以绝缘电阻,吸收比试验,极化指数是一项在低电压下测定的绝缘性能。它们能反映一部分影响绝缘性能的原因,但它代替不了高电压下的绝缘性能试验。

   绝缘电阻与温度的关系很大,温度上升后绝缘电阻就下降,因此在测定绝缘电阻时必需记录测绝缘电阻时的温度,必须换算到同一温度后才能对比绝缘电阻值。一般而言,每增加10° C,绝缘电阻下降一半。详细换算公式可参见变压器的性能参数标准。

   绝缘电阻与温度的关系是基于下列原因:绝缘材料内部含有的一些水份是形成极细的纤维状线条,温度上升后,水份受热膨胀时,纤维条就伸长,它们会互相交联在一起,使泄漏电流容易通过,绝缘电阻就下降。如在水中还溶有盐类时,温度越高,溶解度也越大,也使绝缘电阻下降。

   当绝缘材料在直流电压作用下,吸收特性还与时间有关,包括充电电流在内的吸收电流是随时间而衰减的,有一衰减的时间常数,到一定时间后吸收电流就降为很低的值。这就提出可用60秒时绝缘电阻绝对值与15秒时绝缘电阻的比值来表示低直流电压下的绝缘性能。但是,大容量变压器的吸收电流衰减慢,即充电时间长,又提出用极化指数来表示绝缘性能。极化指数是10分时绝缘电阻与1分绝缘电阻的比值。

   变压器的绝缘系统相当于一个电容器,有充放电作用,刚加电压时,就有泄漏电流和充电电流及吸收电流,总电流大,即绝缘电阻低,但随着充电的充够,过一定时间后,总电流中只有泄漏电流,因充电电流与吸收电流已下降到接近零。

   当绝缘材料在交流电压作用下,电容量会变化,介质损失也会变化。所以,介质损失角要用交流电源来测试。

   绝缘电阻、吸收比、极化指数都要用摇表(实际上是小型直流发电机),摇表产生的直流电压有几种,如500V1000V2500V。如果要测低压绕组匝间绝缘的好坏时,测量又在半成品过程中测,那么,不能用高电压摇表,只能用500V的摇表。

   一台产品在不同时间测得的绝缘电阻或吸收比、极化指数,在换算到同一温度后,就可对比这台产品的绝缘特性的现状。如这些参数已发现有问题,就不应该进行局部放电等绝缘试验,应找出原因,恢复绝缘电阻值、吸收比或极化指数后才能进行高压绝缘试验。运行中变压器还要查明是变压器油的原因还是绝缘结构的原因。

   对电压等级较高的变压器而言,考核绝缘性能的绝缘电阻绝对值应高些,电压等级低的变压器的绝缘电阻绝对值可低些。但这是指同一温度下的相对允许值。

   再强调一句:绝缘电阻等直流电压下参数不能代替高电压的绝缘性能试验。

2.新国标中对温升试验的修正内容

   GB1094.2-1996《电力变压器第二部分温升》的国标中,作了大量的修正,今后应按新国标规定,进行电力变压器的温升试验。

   (1)温升试验是型式试验项目之一,温升限值是变压器特性参数之一,是变压器制造厂应满足的保证值,标准中规定的绕组平均温升与顶层油温升限值不允许有正偏差。对变压器安装场所与出厂试验场所处于海拔高度超过1000m时允许作温升修正值。只有试验场所高于1000m而安装场所低于1000m时温升限值可有修正的增加值,修正到最接近温度的整数。对水冷式变压器而言,冷却水温度超过新国标规定值时,变压器温升限值应按冷却水温超过规定而使温升限值修正。

   (2)分接范围在±5%以内,且额定容量小于2500kVA的变压器,仅保证主分接电流与负载损耗下的温升限值,温升试验仅在主分接上进行。

   分接范围超过±5%,或额定容量大于2500kVA的变压器则应保证所有分接容量下温升限值都不超过。但温升试验仅在一个分接上进行,一般要选极限负分接,即最大电流分接。温升试验中所施加的总损耗与规定的总损耗之差应在±20%之内,施加的电流与规定电流之差应在±10%之内。根据一般的实践经验,发电机容量不足时可用电容器组补偿而增加输出电流值。

   (3)温升试验的截尾规则,即达到什么条件可停止施加电流。1976年IEC-76-2标准中规定了两个可选截尾规则,第一个规则,即“变压器以总损耗加热,直到顶层油温的变化速率降到3K/h 以下,那么稳态油温升可通过图解外推法确定。”这一确定稳态油温升的试验终止方法是不合适的,因可能产生显著的随机误差或系统误差。另外,准确确定稳态油温升试验时间太短了,一般应为三倍的时间常数。所以第一个规则已被取消,未列入新标准。

   新IEC76-2或新GB1094.2-1996温升标准中保留了原标准的第二个规则,即“变压器以总损耗加热,连续四次每小时读数中,顶层油温升变化小于1K,那么最后一小时测得的顶层油温升平均值就认为是稳态顶层油温升值。但在使用这个规则时必须遵守的条件是油的热时间常数必须小于3h,如果超过3h,也将有很大的系统误差。

   GB1094.2-1996标准引入了新的三点法来确定油面温升值。这个方法可节省温升试验时间,也可提高准确性,这是新方法的优点。

   采用三点法时,应连续几次进行估算,并且应一致收敛,为避免较大的随机数学误差,三点读数的时间间隔应近于T0。最后一个读数应不小于稳定油面温升值的0.95。第一个读数取0.6倍以上稳定油面温升值。第二个读数取第一次与最后一次读数时间的中间值时读。即第一次与第二次读数间时间间隔和第二次与第三次读数间时间间隔相等。设第一、二、三次读数分别为△θ01、△θ02、与△θ03,那么最终稳态油面温升为:

            

   在负载导则国标与变压器温升国标中都列入上述公式,详细推导可见这两个标准,或下一节介绍。

   (4)强油循环变压器在切断电源测电阻瞬间,泵与风扇是否运转。

   原有标准规定,在切断电源测变压器电阻时,泵保持运转,而风扇停运。在新标准中改了规定。新标准认为:为获得尽可能准确的结果,在切断电源进行电阻测量时,冷却条件应尽量少受到外界的干扰,最好保持泵与风扇继续运转。

   (5)新温升标准还要求在温升试验前泵必须进行油中含气色谱分析(另有国标规定判断准则),以间接法判断有无局部过热。

   附带说明一下,因声级测量标准也已修改,大容量变压器的负载电流产生的声级水平也不可忽视。所以可利用温升试验的机会进行负载下声级水平的测量。

   对500kV级变压器而言,一般厂控标准中应有油流带电性能的考核,这项试验也可在散热装置全装上的温升试验时一并进行。

3.确定油顶层温升新方法

   新国标GB1094.2-1996《电力变压器第二部分温升》规定了油顶层温升新的确定方法,对方法的说明已在上一节中作过介绍,今就新方法的计算公式推导作一说明:

        

 

图1 确定油的最终温升的方法

   图1是油顶层温升测量曲线,时间为t时,油顶层温升为△θ0(t),当△t=1h,△θ1≤1K,在连续三个△t=1h时,△n+1≤1,则认为可以确定油顶层温升。

   设时间为t时的△θ0(t)=△θ01;油顶层稳定温升为△θu,则油顶层温升读数为:

    △θ01=△θu(1-e-t/T) (1)

     T为变压器油的时间常数。

     时间为t+△t(△t=1h);t+2△t时的油顶层温升读数为

    (2)

    (3)

   由式(1)可得:

    (4)

   由式(2)、式(3)可得:

   (5)

   (6)

   由式(4)与式(5)

   (7)

   由式(5)与式(6)

   (8)

   根据式(7)等于式(8)可得:

  

   另外,从式(2)减式(1),及式(3)减式(2)可得:

   (9)

   (10)

   从式(9)及式(10)得到:

  

  

   可用方法同样证明:

  

   

图2 从油温升曲线确定的有效的油时间常数

 

   在实际求T时,可利用图2说明进行。实际测得的油顶层温升曲线为虚线所示。在曲线上截取△θ03,使△θ03=0.95△θ0u,另取△θ01,使△θ01≥0.6△θ0u,由△θ03及△θ01取时间t1与t3,然后取t1与t3间的中间值t2即可读取△θ02。这些读数读出后,即可按T公式算出变压器油的时间常数。这里要注意的是△θ01必须大于0.6△θ0u,否则计算误差就大了。

   对变压器具有两种散热方式时,如100%额定容量时为油浸风冷,额定容量时为油浸自冷,那么油顶层温升曲线就有两条,可分列出油浸风冷与油浸自冷时变压器油时间常数。

   另外要注意的是,△θ0u为实测稳定油顶层温升值,不是油顶层温升的标准规定的限值。测油顶层温升时必须放尽散热器或冷却器顶部存气。

   变压器油的时间常数是较长的,当负载作瞬时变化时,油温不能立即变化,而绕组时间一般较小,绕组温度能随负载变化而有反映。

4.确定绕组平均温升的说明

   1)用图解法确定切断电源瞬间的绕组电阻及油的平均温度。

   在国标中推荐图1作为确定切断电源瞬间绕组电阻及油的平均温度的方法。

   按照切断电源后绕组在不同时间的电阻值画成曲线,然后取相同时间间隔的温度下降值△R1,照图1即可求得R与R2

   R2表示切断电源瞬间的电阻值,R相当于油平均温度为θ0时的电阻。

  

   式中R1为冷态电阻,θ01为测冷态电阻时绕组温度。铜导线时T=235,铝导线时T=225。

 

   

   图1 确定切断电源瞬间绕组电阻及油的平均温度的方法

   但是,在测量绕组电阻时,油温是下降的,绕组温度也是下降的,所以在国标中对图1有一说明,对绕组测得电阻要根据与平均油温的差值加以校正,而国标上没有讲如何校正。

   这一校正在负载导则的国标上有了说明。

   在负载导则国标的附录B中说明:为了尽可能减少任何冷却方式下的热暂态现象对温度(即对电阻)冷却曲线的瞬变影响,有必要使此冷却期间内的冷却条件与断电前的温升试验时相同,考虑到断电后变压器的冷却,每次试验读数必须加以校正。

   照这一说明可看出,强油循环冷却时,泵与风扇仍应运转。要校正的原因可从图2看出,即:

   认为油平均温升不随时间变化,为一稳定的值,而实际是下降的,如图2中实线。为了将绕组平均温升校到油平均温度稳定值,负载导则国标的附录B,提出了修正公式。

 

         

图2 绕组平均温升必须校正的原因

 

   对每个电阻实际测量值下的绕组平均温升为:

   (1)

   式中Rt为断电后在时间t时测得的绕组电阻,Rc为冷态电阻,θRC为测冷态电阻时温度,θa为断电时环境温度,t为离断电时间,T0为变压器油时间常数(见另一节介绍),铜导线T=235,铝导线T=225。校正系数Exp≥1。

   同时负载导则国标又给出图3所示的曲线,从此曲线可求出绕组平均温升,绕组对油的温差与绕组时间常数。

   图3与图1属同一类型,只不过图1以电阻表示,而图3以温升表示。

   相当于切断电源瞬间的R2是由校正过的温升值用回归分析法求得。由R2可求出绕组平均温升,即图上的A+B。相当于R的温升即A,为绕组附近的油平均温升。此图都已校正到稳态值。因校正系数大于等于1,故校正后值都增大了。

   负载导则国标还指出,如断电后不可能在至少30分钟期间保持冷却不变,则可在加热期内维持输入损耗和冷却条件不变,由油发热曲线,求出变压器油的时间常数(见另一节介绍)。

 

         

 

图3 根据电阻冷却曲线确定绕组平均温升,

绕组对油的温差和绕组时间常数

5.温升试验时变压器绕组电阻测量

   当温升试验达到稳态而要切断电源时,通常是用测量绕组电阻来确定绕组温升,因测出的电阻是平均值,故电阻法仅能确定绕组的平均温升。电阻测量是在温升试验结束后切断电源电流而开始的,将交流试验电源改为直流测量电源。

   由于绕组的激磁电感,使直流测量中有一过渡过程,其时间常数为L/R,电流要有一过程才能达稳定值。

   所以必需要采取措施尽量减少达到稳定电流所必需的时间。这是测准电阻或绕组平均温升的关键。

   以下方法可减少电流达稳定值所必需的时间,即可减少时间常数:

   (1)使铁心饱和,从而使影响时间常数的有效电感从较高的‘空载’激磁电感值下降到与‘短路’电感同一数量级的值。

   (2)用大容量蓄电池并附加串联电阻作为试验电源。

   (3)铁心饱和是指建立一定数量的磁通,单位为Vs即伏秒,在电路中用高值电动势以达到减少的时延,具体来讲,可用以下各测量电路:

   1).短路去磁法(以单相为例)

 

         

   将二次绕组短接测一次绕组电阻,或一次绕组短接测二次绕组电阻。

   测一次绕组电阻时,在一次回路中接入一高值电阻以消除过渡过程,充电电流很快达稳定值,如R足够大,可在K合闸瞬间i1(t)即达稳态值。

   2).测电阻的感应电压校正法(以单相为例)

 

           

 

   在相同铁心柱上有不通电流的绕组,可通过这一绕组而测得感应电压,然后按匝数比而折算到被测绕组上。二块电压表与一块电流表要同时读,或利用微机测试系统监测。

            

   测d接绕组的电阻时,要用三块电压表与一块电流表,也要同时读数。

   这是一种在新国标中推荐的记录各开路绕组电感分量电压的办法,而不是记录直流电路中任一部分的电感分量电压,并用此电压来校正正在进行电阻测量的绕组上的电压值。

   3).无电感影响的测试法

   这种测试法有使用上的局限性,仅适用于由两个平衡良好并接成并联的“半线圈”的情况,如轴向双分裂变压器的低压绕组。新国标介绍了这一试法。

   将直流进入其中一个“半线圈”,而从另一个“半线圈”返回,通入的电流使两个“半线圈”不在铁心中产生磁场,因此不存在电感的影响。两个“半线圈”的联结似同双折无感导线中通流一样。

   4).双绕组变压器的一对绕组可以分别接到两个独立的直接电路或串联后接到一个公共的直流电源上。在这种情况下,其电流方向应与铁心的磁饱和相配合,即助磁法,高压侧电流应使铁心能饱和。下图是这种方法一个例子。两个绕组串联在一起后接直流电源。

   在图中高压绕组与低压绕组的同名端相联,用数字电压表同时测电压。

      

 

         

   Rac中包括三个绕组的电阻,根据低压绕组a相中电流,可求a相低压绕组电阻,

     

   此时假设三个低压绕组的电阻都相同。

   以上是测量电阻用一些直流电源电路,以及减少电感影响所产生的过渡过程的一些测量方法。可作为温升试验切断电源后绕组电阻的测量,可较快、较准地测出绕组电阻,以便推算绕组平均温升。当然还有其它较为敏捷的测量法可取。