油浸式变压器的冷却与油流.pdf

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1、-精品文档-仅供参考学习第 1 页 油浸式变压器的冷却与油流 1 油浸式变压器的冷却原理分析 通常，油浸式变压器内部的冷却介质为矿物油，外部冷却介质为空气或者是水。根据国家标准电力变压器 温升 GB1094.2-1996的规定，油浸式变压器外部冷却介质为空气时的冷却方式如表 1 所示。同时，表 1 中也指出了变压器的绕组中冷却介质（变压器油）的流动状态。表 1 外部冷却介质为空气的油浸式变压器冷却方式与绕组中的油流 冷却方式 标志符号 绕组中变压器油的流动状态 油浸自冷 ONAN 绕组中的变压器油按自然对流方式流动 油浸风冷 ONAF 同上 强迫油循环风冷 OFAF 绕组中的变压器油按自然对流

2、方式流动 强迫油循环导向冷却 ODAF 绕组中的变压器油为强迫导向流动 在油浸自冷（ONAN）或油浸风冷（ONAF）的冷却方式中，由于变压器油在整个油路系统中为自然对流循环流动，通常称为 ON 冷却方式。在 ON 冷却方式下，作为变压器冷却介质的变压器油，在变压器闭合的油-精品文档-仅供参考学习第 2 页 路系统中通过油的浮力、重力的变化而对流循环流动。即在变压器油箱内部，被变压器油所包围的发热元件（例如绕组与铁心等）加热了周围的变压器油，受热的变压器油密度变小而形成浮力向上浮动，下部温度较低的油随之取代了上浮的油，使变压器油在变压器绕组及铁心等发热元件中自下而上的流动。发热元件表面热流密度较

3、大的地方，其油的流动速度也将自然加快。热油至油箱顶部流入散热器，热油在散热器中将从变压器绕组等发热元件中带出的热量通过散热元件的外表面散失在周围空气中而使油的温度降低、比重变大，在重力作用下向下流动，又重新回流到变压器的油箱下部，从而形成了变压器油在其封闭的油路系统中自然对流循环流动。变压器油的密度与其温度的关系可以用（1-1）式表示。0000111 3kgm （1-1）式中变压器油的温度，C0；变压器油温度为0C 时的变压器油密度，3kgm；0变压器油温度为 00C 时的变压器油密度，3kgm；0变压器油温度为 00C 时的变压器油受热体积膨胀系数，10C。-精品文档-仅供参考学习第 3 页

4、 相似地，变压器油的比重与其温度的关系也可以用（1-2）式表示。001 3kgm （1-2）式中变压器油温度为0C 时的变压器油比重，3kgm；0变压器油温度为 00C 时的变压器油比重，3kgm；其余符号意义见（1-1）式。由（1-1）式和（1-2）式可见，两者均随温度上升而下降。因此，在 ON 冷却方式的变压器中，器身中（绕组与铁心等发热元件中）的变压器油受热后向上流动，散热器中的变压器油冷却后向下流动。众所周知，容量较小的变压器通常采用油浸自冷（ONAN）的冷却方式，变压器油在变压器的封闭油路系统中流动状况如图 1-1 所示。在油箱内部，油主要在变压器器身的发热元件中向上流动。在绕组与油

5、箱壁之间的空间内，一方面是由于热流密度很小，而且油箱壁也有一定的散热能力，另一方面是这个空间的截面积很大，因此这个空间内的变压器油流动速度非常缓慢。图 1-1 油浸自冷（ONAN）式变压器的冷却原理示意图 图 1-1 的右侧，用直角坐标示出了变压器油的温度与其几何高度h的关系曲线，图中 A、B、C、D 各点-精品文档-仅供参考学习第 4 页 与左图中相应点对应。在 A 点油进入绕组等发热元件下部并在绕组的高度区域被连续加热，油的密度连续降低并逐步增大向上的浮力而向上流动，至 B 点处热油离开绕组。热油经由 B 与 C 之间的一段路径流入散热器，热油在这段路径中几乎不被冷却，只是在几何高度上有所

6、增加。热油在散热器中从 C 到 D 的路径上，变压器油从绕组等发热元件中带出的热量通过散热器逐步散失在周围空气中而被冷却，油的比重逐渐增加而在重力作用下向下流动，而后经由 D 与 A 之间的一段路径从 D 点回流到 A 点重新进入绕组等发热元件。如此循环往复，使变压器油在变压器的封闭油路系统中对流循环流动。图 1-1 中，温差ao是在散热器中逐渐冷却的变压器油与散热器周围被加热的空气之间的对数平均温差，通常称其为油对空气的平均温升；温差wo是变压器油进入绕组与离开绕组的温差，也就是变压器油在绕组高度区域被加热的温升值；温差co是变压器油进入散热器与离开散热器的温差，一般认为它与wo相等。换句话

7、说，根据热平衡原理，在最终的稳定状态下，封闭系统中的变压器油在器身中被发热元件加热的温度必然等于变压器油在散热器中被冷却的温度，从而达到变压器在稳态运行情况下发热与散热的平衡。也-精品文档-仅供参考学习第 5 页 就是说，在变压器稳态运行时，在封闭的发热与冷却油路系统中流动的变压器油，沿变压器的油循环系统几何高度的温度分布曲线（即图中右侧的-h关系曲线）成为封闭曲线。与此同时，散热器除了辐射散热外，包围散热器的空气被散热器所加热也自下而上的对流循环流动，即散热器下部的空气以环境温度进入散热器区域，沿着散热器的高度被逐步加热而从散热器上部流出散热器区域。沿着散热器高度的空气温度a的变化规律如图4

8、-1的-h关系曲线中的a变化曲线所示。此外，调整散热器的安装高度，可以改变整个油循环回路的浮力，改变油的自然热对流循环的流动速度。图 1-2 油浸自冷式变压器散热器安装高度抬高的冷却原理示意图 图 1-2 表示将散热器的安装高度提高，可以增加变压器油循环回路的浮力，使变压器油在绕组与散热器中的流动速率适当提高。油的流动速率适当提高的结果也适当提高了对绕组的冷却效果，从而使温差wo=co适当降低。但在变压器发热量（损耗）不变的情况下，油对空气的平均温升ao仍然保持不变。在油浸风冷（ONAF）的冷却方式下，用以冷却散热器的冷却空气通过风扇通常是自下而上吹过散热器。-精品文档-仅供参考学习第 6 页

9、 由于空气的流动速度较高，与空气自然对流相比，沿着散热器高度的空气温度a的变化也大为减小。空气流动速度的提高，使散热器空气侧的放热系数增大而大大提高了空气侧的对流散热能力，使热油冷却较快，提高了对变压器油的冷却效果。如果散热器需要散出的热量（变压器的损耗）与空气自然对流（即 ONAN 冷却）时相等，则油对空气的平均温升ao将会大为降低，从而也提高对变压器的冷却效率。图 1-3 为自然油循环吹风冷却（ONAF）的冷却原理图，在变压器的绕组等发热元件中，变压器油的流动原理与 ONAN冷却方式相同。但是，由于散热器散热能力的提高，热油中在散热器中冷却更快，从而加快了整个油循环系统的油流速度，使 ON

10、AF 冷却方式比 ONAN冷却方式对变压器有更好的冷却效果。图 1-3 油浸风冷式变压器的冷却原理示意图 提高散热器的安装高度，也会与 ONAN 冷却方式一样取得更好的冷却效果。十分有意义的是：在 ON 冷却方式下，流经绕组等发热元件的稳态变压器油流量等于流经散热器（散热元件）的变压器油流量，因而在油箱顶部测量而得到的变压器顶部油的温度，就是从绕组顶部流出的变压器油的温度，也就是变压器中油的最高温度。这一个特点也成了这类变压器设计、运-精品文档-仅供参考学习第 7 页 行的重要特点。此外，在采用油浸风冷（ONAF）的冷却方式时，除了通常采用如图 4-3 所示的冷却风机垂直送风的型式外，有时也采

11、用冷却风机水平方向送风的结构。图 1-4 为强迫油循环的非导向冷却方式（OF）的冷却原理示意图，这时，冷却器中的变压器油通过油泵仅仅送入变压器油箱的下部。进入油箱下部的变压器油如图所示分为a、b两个支路流动，而且相当大一部分变压器油是在油箱与绕组之间的空间b支路流动，这部分变压器油在油泵的作用下、在温度在几乎不变的情况下向上流动到油箱的上部B点，与流经绕组的a支路并从绕组顶部 B 流出的热油相混合，使得从绕组顶部到油箱盖的空间充满了这种混合油 6。图 1-4 强迫油循环的非导向（OF）冷却变压器的冷却原理示意图 从绕组顶部到油箱盖间的空间内充满的混合油温度显然要比流经绕组并且刚刚离开绕组顶部

12、B 点的热油温度要低，显然，采用 OF 冷却方的变压器从油箱顶部测量而得到的变压器顶层油的温度，也是这种混合油的温度 6。而后，混合油经过C-C 这段管路进入冷却器，变压器油在冷却器中（图中 C-D 路径）得到冷却，再通过油泵送入变压器油箱的下部（图中 A 点）。显然，-精品文档-仅供参考学习第 8 页 进入冷却器与离开冷却器的变压器油温差co也是指这种混合油被冷却而言的。因此，变压器在 OF 冷却方式下，变压器油进入绕组与离开绕组的温差wo（油温度上升值），与变压器油进入冷却器与离开冷却器的温差co（油温度下降值）不再相等，其间的差值就是热油与温度较低的油（流经b支路的油）混合时，热油的温度

13、降低值。事实上，对于采用强迫油循环非导向（OF）冷却方式的变压器，迄今还没有一种仅依靠在绕组以外的测量方法能确定OF冷却方式变压器绕组顶部的油温度 6。因此，对于采用 OF 冷却方式变压器的冷却系统设计，是让冷却系统的油泵输送更多温度较低的混合油，使其进入绕组下部的变压器油温度更低。由于采用 OF 冷却方式的变压器冷却系统的油流有这样一个特点，因此，一般而言，采用 OF 冷却方式变压器，油箱顶部混合油温升的设计控制值通常不超过 40K（在年平均环境温度较低的国家，也有按 45K 进行设计控制的）。这就是说，对于采用 OF 冷却的变压器，若将变压器顶层油温的测量值用来确定绕组内部油的平均温度和绕

14、组与变压器油之间的温度差（铜-油的平均温差），或者用于计算绕组的热点温度从而研究变压器过负荷能力，都将是不真实的，甚至会导致错误 6。-精品文档-仅供参考学习第 9 页 在 AF 冷却方式下，风机送入风冷却器排管的冷却介质（空气）为环境温度ai，而吹出冷却器排管的热风为温度0a。计算变压器油与环境温度的平均温差ao时，应当采用ai与0a的平均值，如图 1-41-5 右侧的图中所示。在 OF 冷却方式下，由于b支路的存在（见图 1-4），变压器流经绕组的稳态的油流量与流经冷却器（或散热器）的油流量无关。而且，变压器绕组内部的油仍是按照自然对流方式循环 6，绕组内部的热交换过程受油泵的影响很小。也

15、就是说，绕组中的油流速度相对于自然油循环（ON）冷却时的油流速度变化很小。如果变压器绕组的热负荷相同时，那么即使采用OF冷却，变压器油进入绕组与离开绕组的温差wo也几乎与采用ON 冷却方式时相同。所不同的是由于油泵存在产生了两个不同效果：其一是热油在冷却元件（冷却器）中的流速大为增加，而且加强了热油的冷却；其二是比自然油循环（ON 冷却）能够输送更多经过冷却而温度更低的变压器油进入变压器的油箱下部，使进入绕组下部的油温更低。图 1-5 为变压器强迫油循环导向（OD）冷却方式冷却原理示意图，冷却器中的变压器油通过油泵直接送入变压器的器身。尽管它似乎只是取消了图 1-4 中-精品文档-仅供参考学习

16、第 10 页 油箱与绕组之间的并联油流支路 b，但两者在变压器器身中的油路结构却很有区别。变压器在 OD 的冷却方式下，除了极少的油因油路泄漏和为了控制绕组中油的流速度而对变压器油在进入绕组之前对少量油进行分流外，绝大部分变压器油都流经绕组等发热元件而进入冷却设备。因此，进入冷却器的热油的温度可以认为是从绕组顶部流出的、具有变压器中最高油温的变压器油。因而从油箱顶部测量而得到的变压器顶层油温度，几乎就是从绕组顶部流出的变压器油的温度。图 1-5 强迫油循环导向（OD）冷却变压器的冷却原理示意图 变压器在 OD 的冷却方式下，流经绕组等发热元件稳态的油流量与流经散热器（冷却器）的油流量有关。由于

17、绕组中的变压器油是按照设定的油流路径强迫循环，因而绕组中的油流速度远高于其他任何冷却方式。绕组中油流速度的提高使导线表面的放热系数大为提高，因此，这种冷却方式不仅对绕组的冷却效果最好，而且更重要的是降低了绕组平均温升与热点温升之间的温差。正是因为绕组热点温升的降低，国际电工委员会提出的 IEC76.2 标准将这种冷却方式的变压器绕组平均温升的容许值提高到 70K（我们国家的标准-精品文档-仅供参考学习第 11 页 GB1094.2 没有采用这样规定，这对变压器绝缘的热寿命将更加有利）。变压器在 OD 的冷却方式下，为了控制绕组中油的流速度而在必要时对变压器油在进入绕组之前即使进行了小部份分流，

18、由于分流的油量小而且流经绕组与油箱之间的空间流道截面积很大，流速相当缓慢。因此，在油箱顶部测量而得的变压器顶部的油温度，基本上为绕组顶部流出的热油温度。为了控制变压器在OD的冷却方式下的绕组中油流速度，必须要对变压器的器身中油流分布与整个油循环回路的压力损失进行较为精确的复杂计算。这一方面是为了计算各绕组温升的需要，另一方面也是控制绕组中的油流速度、决定是否需要分流，以便防止可能危及变压器安全运行的油流放电发生。顺便指出，采用风冷却器作为变压器热油的冷却元件时，冷却器的风扇既可以采用吹风的方式，也可以采用吸风的方式。图 1-4 与图 1-5 的冷却原理示意图中如箭头所示空气流向为吹风的方式。吹

19、风方式的缺点在于不仅将热风吹向变压器油箱壁，不利于油箱壁的散热，而且被油箱壁阻挡的热风可能向上和向下流动。向下流动的热风经地面阻挡而外流动，有可能被重新吸入风机循环，使得风机进口风温提高。风冷-精品文档-仅供参考学习第 12 页 却器进口风温的提高，将会大为降低风冷却器的冷却容量。很显然，在变压器制造厂无论是设计油浸式变压器的冷却系统还是改造油浸式变压器已有的冷却系统，清楚了解不同冷却方式下变压器绕组中油流的流动特征以及相应于不同冷却方式的绕组热点温升的状况，以便采取技术措施在设计变压器冷却系统时能使变压器的温升符合国家标准，在改造变压器的冷却系统时能维持变压器各部位的温升（含绕组的热点温升）

20、保持不变或者略有降低，对确保变压器绝缘的热寿命十分重要。事实上，了解油浸式变压器在不同冷却方式下变压器绕组中油的流动特征以及相应于不同冷却方式的绕组热点温升的状况，对于变压器的使用部门也很重要。特别是对于那些负荷变化较大的变压器，如何合理而可靠的根据负载的变化来变更冷却系统的运行方式，即采用甚么样的方式来控制冷却系统的运行才更合理，也显得十分重要。特别是在提倡节能的时候，所得到的信息表明采用甚么样的方式来控制冷却系统的运转方式，已经提上了电力部门的议事日程。这些相关的信息，将在下面的第 4.2 节中进一步说明。应当指出，图 1-1图 1-5 中没有画出变压器绕组-精品文档-仅供参考学习第 13

21、 页 的温度变化曲线，它可以认为是绕组中变压器油的温度变化曲线（右图 A-B 曲线）向右平移一个温升值0w，温升0w为绕组的平均温升与油的平均温升之间的温差（铜-油的平均温差）。2 油浸式变压器的冷却系统的改造 2.1 冷却系统改造的基本设计原则 a 变压器绕组的热点温升（或者热点温度），是涉及变压器绝缘热老化、涉及变压器绝缘热寿命的关键点。在油浸式变压器中，在变压器设计阶段，当变压器的冷却方式及绕组的结构型式（包括它的冷却结构）被确定以后，绕组热点温升与其平均温升之间的温差也就基本上被确定了。当然，在变压器设计中精心调整绕组的导线规格及各绕组间的磁势分布状况，调整绕组的冷却油路结构（例如在饼

22、式绕组的线饼中间设置冷却油道或者设置折流隔板使变压器油在绕组的高度上分区曲折流动等），可以相应的在不同程度上降低绕组的热点温升。毫无疑问，调整绕组的导线规格、调整绕组的冷却油路结构将需要增加变压器的制造成本，只是在必要时才分别采取或同时采取的技术措施。然而，在对变压器冷却系统进行改造时，如果不是实施这种改造的制造厂所生产的变压器，就有可能存在对被改造变压器的绕组结构不能准确把握的情-精品文档-仅供参考学习第 14 页 况。这时，就应当保守地估计绕组热点温升与其平均温升之间的温差，并且采用比较保守的冷却系统来保证对被改造变压器的绕组先前所保守估计的热点温升不变（或稍有下降），以确保变压器绕组绝缘

23、的热寿命，这就是大型变压器冷却系统改造的基本设计原则。这一点，还将在下面 4.2.2 节中进一步说明。b 为了满足上述基本设计原则，制造厂历年的试验研究成果和多年的实验验证、可靠的工程分析计算及实际应用的实践经验，以及对世界主要变压器制造厂的变压器结构的基本了解就显得非常重要。在冷却系统改造中，如果是采用散热器配合风机的双重冷却系统代替原用风冷却器的单一冷却系统，使变压器由单一冷却方式变为双重冷却方式。那么，从多方案比较中精心选择散热器的总散热面积和与散热器相适应的吹风装置（风机）、确保冷却系统的管路有足够的截面、调整散热器的安装高度等，使改造后的（新）冷却系统有足够的冷却能力，以满足被改造变

24、压器在可能涉及的各种运行工况下的温升与绝缘的热寿命要求，这通常是大型变压器这种冷却方式的冷却系统改造中，满足上述基本设计原则的技术措施。即使是对被改造变压器的绕组结构不能准确把握的情况下进行冷却系统改造，结合我们对国内外主要变压-精品文档-仅供参考学习第 15 页 器制造厂的惯用结构的了解与自己丰富的实践经验，采用比较保守的（冷却容量更大的）新冷却系统也能成功的进行这种改造。在我们对多制造厂、多台变压器的冷却系统改造的实践经验中，已经证明了这一点。2.2 改造冷却系统后的变压器热点温升分析 计算分析与试验研究表明，变压器额定负载运行时，不同冷却方式的变压器绕组热点温升（温度）也不尽相同。保守地

25、说，当绕组采用导向冷却方式、即变压器采用 ODAF 冷却方式时，绕组热点与绕组平均温升之间的差值通常不超过 8K；绕组采用其他冷却方式时，这个差值通常按 13K 考虑。两者有 5K 的差值，也是国际电工委员会标准 IEC76.2 将导向冷却绕组的平均温升容许值提高到 70K 的依据。除法国 ALSTOM 公司外，世界心式变压器制造厂几乎无例外的在大型变压器中采用饼式绕组。饼式绕组导线的最高温升（热点温升）通常在绕组上端部的几个线饼中，这一方面是由于该区域的油温更高（见第 1节分析），另一方面也由于绕组端部区域导线中的涡流损耗更大的缘故。文献1中列举了一台采用 ONAF 冷却方式的 400kV、

26、400MVA变压器的实际测量例子以及我们工厂的计算分析与实际进行的测量也证明了绕组热点在绕组上端部区域。但是，计算分析应当在了解变压-精品文档-仅供参考学习第 16 页 器一个铁心柱上的所有绕组结构布置的基础上才能进行。它包含变压器的漏磁场分析、绕组中损耗分布分析、油流分布分析等内容。由于拟进行冷却系统改造的变压器为 OFAF 单一冷却方式，绕组中油的流动状态为对流方式循环（见表 1或国家标准 GB1094.2）。将变压器由 OFAF 冷却方式改造成为 ONAF 冷却方式后，绕组中油的流动状态仍然保持对流方式循环，绕组中的油流速仍然保持对流循环的流速6,3,2。因此，采用 OFAF 方式变压器

27、的绕组热负荷（单位表面积的损耗）应当不高于采用 ONAF 冷却方式变压器的绕组热负荷 3。换句话说，一台采用 OFAF 方式的变压器改为 ONAF 冷却方式后，变压器油与绕组导线间的温差（铜-油温差）将保持不变，绕组的热点温升也将保持不变。因此，在国家标准 GB/T15164 中对两种冷却方式的推荐热点系数均为 1.3（上述 400kV、400MVA变压器实际测量结果是：400kV绕组为1.2，120kV绕组为1.22）。但是，由于 OFAF 冷却方式中的冷却器加强了热油的冷却效果，使经由油泵进入变压器油箱下部从而进入绕组下部的油温更低。也就是说，采用 OFAF 方式的变压器，油对空气的平均温

28、升较低，从而降低了绕组对空气的平均温升。众所周知，绕组对空气的平均温升-精品文档-仅供参考学习第 17 页 为铜-油的平均温差与油对空气的平均温升两者相加。即：绕组平均温升(65K)铜-油的平均温差+ao)1 (2-1)将变压器由 OFAF 冷却方式改为 ONAF 方式后，有可能使油对空气的平均温升提高 3C0左右。因此，在保持绕组与冷却介质（油）的平均温差（即铜-油的平均温差）不变的情况下，必须降低冷却介质（油）对空气的平均温升（ao）3C0以上，才能使绕组的平均温升保持不变，才能保持绕组绝缘的热寿命不变。毫无疑问，我们将通过采用足够的片式散热器以及增高其安装高度等措施，保守地进一步地降低油

29、对空气的平均温升（对照表 2 与附录表 A2 可见，在变压器三个绕组均额定运行情况下，初步估算结果是油（对空气）的平均温升降低了近 8K）。从而达到进一步降低绕组平均温升、绕组热点温升、保证绕组绝缘热寿命的目的。注 1):绕组平均温升 65K 为国家标准规定。变压器在设计或试验中得到的铜-油的平均温差与油对空气的平均温升（ao）之和（即绕组平均温升）不得大于65K，因此，取符号。油对空气的平均温升ao见本研究开发计划的第 4.1 节中所述。2.3 关于油浸式变压器绝缘的寿命-精品文档-仅供参考学习第 18 页 定性地说，变压器绝缘的寿命是变压器从新绝缘的从初始状态到由于热老化、绝缘的场强、短路

30、应力或机械位移而导致最终变压器在正常运行中发生高危险电气故障之间的全部时间1。变压器的相关标准这样定义变压器绝缘的寿命，显然在实际工程中很难操作。尽管绝缘老化以后会有聚合度降低、丧失弹性（变脆）、机械强度降低等现象，造成变压器在正常运行中会因为机械力的作用而损坏。然而，至今还没有简单且唯一的寿命终止准则可用来定量地阐述变压器绝缘的剩余寿命4,1。由可查文献显示，尽管学者们对变压器绝缘的寿命研究已经进行了近 80 年，比较有影响的有阿仑尼斯定律，蒙特辛格公式 4等。事实上，影响变压器绝缘老化的因素除了温度以外，湿度（水分）、氧气等也影响变压器绝缘的老化速率。就温度影响绝缘老化而言，绝缘的老化是以

31、绕组的热点温度为基准，温度每高于热点参考温度 6C0，热点区域的绝缘热老化寿命就缩短一半（或者热老化的速率提高 1 倍）业已成为大家的共识，这称为 6 度规则。由此，将变压器运行中绕组实际热点温度Ch0下的绝缘热老化速率，与绕组热点在参考温度下的绝缘热老化率相比，称为绝缘的相对热老化率V4,3,1。-精品文档-仅供参考学习第 19 页 对于按照GB1094系列国家标准设计的A级绝缘油浸式变压器，热点参考温度为 98C0，绝缘在热点参考温度下的相对热老化速率为 1。当变压器实际运行温度在CC0014080范围，绝缘的相对热老化速率V与热点温度h间关系可表示为4,3,1：6/)98(2hV （2-

32、2）式中h变压器运行时的实际热点温度，C0。显然，公式（2-2）中变压器实际运行的热点温度Ch0既可能高于热点参考温度 98C0，也可能低于这个参考温度。这是由于按照 GB1094 系列国家标准设计的、A级绝缘的油浸式变压器，绝缘的热寿命是按照：变压器使用环境的年平均温度为 20C0、变压器在额定负载下连续运行的绕组平均温升为 65K 这样的条件。如果变压器始终保持额定负荷连续运行，则当环境温度高于 20C0时，热点温度Ch0将高于 98C0，绝缘将加速热老化；反之，当环境温度低于 20C0时，热点温度Ch0也将低于 98C0，绝缘的热老化将减缓，并认为加速热老化被延缓热老化所弥补。由（2-2

33、）式可见，当Ch0高于热点参考温度 6C0时，绝缘的热寿命损失将加倍；当Ch0低于热点参考温度6C0时，绝缘的热寿命损失将减半。通常认为，在变压器-精品文档-仅供参考学习第 20 页 在额定负载运行的一年之中，绝缘的加速热老化将被绝缘的延缓热老化所弥补。如果变压器的负载经常低于额定负载，显然更加延长了变压器绝缘的热老化寿命。如果变压器有正常周期性负载，即尽管在某段时间内的环境温度较高或者施加的电流高于额定电流。但是，从相对热老化率的观点来看，这种负载方式与正常环境温度下的额定负载可以等效。即利用负载周期的其余时间内较低的环境温度或者施加较低的负载电流而能使热寿命损失得到补偿就能达到目的。也就是

34、说，只要相对热老化率大于 1 的运行时间能够被相对热老化率小于 1 的运行时间所补偿就能达到目的4,1。上述考虑也适合变压器安装地点的海拔高度超过1000米或者年平均环境温度超过 20C0的变压器，因为使用在海拔高度超过1000米而由于空气散热能力的降低、或者年平均环境温度超过 20C0的变压器，其温升限值在设计时就已经按照国家标准GB1094.2 进行了降低。参考温度 98C0意味着：对于按 GB1094 系列国家标准设计的 A 级绝缘油浸式变压器变压器，其使用环境的年平均温度为 20C06,5,4,3,1，那么绕组的热点温升就为78K 4，。如果额定负载时绕组的平均温升为 65K，则额定负

35、载时绕组热点与其平均温升间的差值为 13K。显-精品文档-仅供参考学习第 21 页 然，如果额定负载时变压器绕组的平均温升低于 65K，则额定负载时的热点参考温度也将低于 98C0。严格地说，影响变压器绝缘老化的因数不仅仅是温度，而且变压器绝缘的老化从变压器制造就开始了。尽管学者们研究了这么多年的变压器绝缘寿命，也提出过计算变压器绝缘寿命的方法4,3,2，然而，迄今还没有简单且唯一的寿命终止准则可用来定量地阐述变压器绝缘的剩余寿命。事实上，变压器始终在额定负载下连续运行的情况比较罕见，即使是发电机变压器的负载实际上也是变化的。而且，变压器由于绝缘老化而寿终正寝的例子也相当少见，只有文献 7中提

36、到的变压器故障例子，被认为是绝缘热老化而造成的故障。但这种由于结构上的局部缺陷或者材料的局部缺陷而造成变压器绕组局部绝缘的过热现象，制造厂早已从根本上进行了纠正。2.4 关于运行中的变压器冷却系统的调节 对于外部为空气冷却的变压器，无论变压器是额定负载运行或非额定负载运行，都可以明显观察到变压器顶部的油面温度随着气温变化而变化。其时，变压器各部位的温升（绕组平均温升、油的平均温升等）也将随着气温变化。对于长期在额定负载下连续运行的变压器，按照上-精品文档-仅供参考学习第 22 页 面第 e 点中对变压器绝缘热寿命的分析可知，环境气温较高的夏天绝缘加速热老化的恶果会被环境气温较低的冬天所获得的绝

37、缘热老化的延缓所弥补。如果用户在夏天加强了对变压器的冷却能力，例如采取投入备用冷却器等等措施，自然就进一步使变压器绝缘的老化得到延缓。用户这种在夏天加强变压器冷却能力的措施，显然已经超出了 GB1094 系列国家标准的要求范畴。对于长期处于轻负载运行的变压器，特别是系统用变压器更加突出。由于负载较轻而使变压器的负载损耗降低，用户往往对变压器冷却系统的运行状况有进行调节的愿望。例如，退出一部分冷却器或者风机的运行。用户如果要对轻负载变压器的冷却系统运行方式进行调节，可以采用温升、或者负载来控制冷却系统运行。如果采用温升来控制，例如，采用一个保持一年四季恒定的温面温升值来控制冷却系统运行。这时会出

38、现两种情况：第一种情况是变压器的实际运行方式（含分接的位置或多绕组变压器的某负载组合）与变压器在制造厂温升试验时情况相同，那么，这个油面温升的控制值可以按照试验得到的油面温升来控制；第二种情况是变压器实际运行方式（含分接的位-精品文档-仅供参考学习第 23 页 置或多绕组变压器的某负载组合）与变压器在制造厂温升试验时情况不同，这时要根据变压器实际运行方式（含分接的位置或多绕组变压器的某负载组合）下的总损耗与温升试验时所施加的总损耗进行比较，并将原来试验得到的油面温升值进行修正得到油面温升的控制值。一句话，这种控制方法就是用变压器实际运行工况下（含分接位置及多绕组变压器的某负载组合）在额定负载时

39、的油面温升来控制。从变压器制造厂的观点来看，变压器本来就可以在额定负载下（含任何分接位置及多绕组变压器任何负载组合）长期连续运行，除了变压器本身具有降低容量分接者外（见国家标准 GB1094.1）。进一步说，变压器在轻负载下运行时，总的负载损耗将大为降低（负载损耗大体上与负载电流的平方成比例）。如果变压器在轻负载运行时的冷却系统如同它在额定负载情况时一样的运行，变压器的油面温升、油的平均温升、绕组平均温升等将会降低。然而，各部位温升降低的状况并不与总损耗的降低成正比，这时由于冷却系统的冷却容量也将随着热油与外部冷却介质之间的温差降低而使散热能力降低的缘故。如果将轻负载变压器的冷却容量降低（关闭

40、部分冷却元件），即使变压器的油面温升与油的平均温升提高（恢-精品文档-仅供参考学习第 24 页 复）到额定负载时的水平（如上述的控制方法），其导线对油的平均温升（由于负载电流的降低），即铜-油的平均温差与绕组平均温升也将比额定负载时低。对上述第二种情况根据总损耗对油面温升的试验值进行修正时，对于 ON 冷却的变压器，这个油面温升的控制值与两种工况总损耗比值的 0.8 次方成比例；对于强迫油循环冷却的变压器，则与两种工况总损耗比值成正比。显然，根据总损耗对油面温升的试验值进行修正所计算的油面温升控制值不比制造厂提供的油面温升试验值更高，当运行工况与试验工况相同时，总损耗的比值为 1，则两者油面温

41、升相等。倘若按照负载大小来控制，在计算出（或者已知）运行工况的最大损耗分接、额定负载的总损耗后，再按照上述方法计算出油面温升的控制值。自然，使用部门可能还有一套比较保守（保险）的控制方法。为甚么不能直接按制造厂提供的油面温升试验值来控制油面温升呢？因为按照国家标准 GB1094.2，制造厂对变压器的油面温升试验是在产品的各种可能运行方式中产生最大的总损耗运行工况进行的（例如最大负载损耗分接的负载损耗或者多绕组变压器在额定容量下运行时产生最大负载损耗的负载组合）。当变压-精品文档-仅供参考学习第 25 页 器的运行工况与试验工况不同时，其额定负载时的油面温升显然会比工厂提供的试验值低。若以工厂提

42、供的油面温升试验值作为控制值，显然不合理。事实上，对于是否需要调节轻负载变压器冷却系统的运行方式，还有另一种观点。他们认为虽然增加了一些变压器的辅机损耗，但这不仅延长了绝缘的热老化寿命，而且变压器绕组的直流电阻也会降低，从而也降低了变压器的直流电阻损耗。例如，绕组平均温升降低 6C0，绕组的直流电阻损耗就会降低 1.9%左右，而且绝缘的热老化寿命也将延长一倍。假定某变压器额定运行的负载损耗为 450kW，如果变压器实际负载率为 40%，则实际负载损耗大约为72kW。绕组平均温升在此时如果降低 6C0，其负载损耗将会再降低约 1.4kW。如果这时停止风机运行节省的电能损耗大于 1.4kW，风机停

43、止运转显然是值得的。顺便指出，变压器油的冷却介质如果是水，国家标准 GB1094.1 规定冷却水的最高温度为 25C0（变压器油的冷却介质为空气时的空气最高温度为 40C0）。显然，水冷却变压器中油的平均温升、油面温升、绕组平均温升等都会比空气冷却的变压器更低。由于水冷却器在运行中水侧管壁经常容易受到污染（积沙、异物堵塞等），如果要调节它的冷却方式需要特别小心。-精品文档-仅供参考学习第 26 页 3 控制绕组热点温度的途径 绕组的热点温度是影响变压器绝缘热老化寿命的关键，从变压器冷却的角度来看，为了控制绕组的热点温度，通常有两个途径：其一是降低铜导线与冷却介质（油）之间的平均温差，即适当降低

44、绕组导线中的电流密度以适当降低绕组导线中的直流电阻损耗；其二是降低冷却介质（油）的平均温升，即适当增大冷却系统的冷却容量。在进行技术经济综合分析的情况下，也可以二者兼用，已保证变压器绝缘的热老化寿命。从变压器设计的角度来看，降低绕组导线中的电流密度就意味着要增大导线的尺寸，这将是绕组导线中涡流损耗增加。好在一般情况下，变压器导线中直流电阻损耗的降低会比涡流损耗的增加来得更快，因此，降低负载损耗往往采用降低电流密度的方法。在大型变压器中，为了降低绕组导线中的涡流损耗，制造技术比较复杂的换位导线也就应运而生。-精品文档-仅供参考学习第 27 页 参考文献 1 国家标准：GB1094.7 电力变压器 第七部分 油浸式电力变压器负载导则（报批稿）2（苏）瓦修京斯基，变压器的理论与计算 机械工业出版社 1983 年 3（匈牙利）K.KARSI D.Sc.等，大型电力变压器 天威集团大型变压器公司译 4 国家标准：GB/T15164-1994 油浸式电力变压器负载导则 5 国家标准：GB1094.1-1996 电力变压器 第一部分 总则 6 国家标准：GB1094.2-1996 电力变压器 第二部分 温升 7 王世阁 钟洪壁，电力变压器故障分析与技术改进中国电力出版社 2004 年