GB/T 1094.12-2013 英文版 電力變壓器 第12部分：干式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則

GB/T 1094.12-2013 英文版 Power transformers—Part 12：Loading guide for dry-type power transformers

1 Scope

?

This part of GB 1094 is applicable to dry-type transformers according to the scope of GB 1094.11. It provides the means to estimate ageing rate and consumption of life time of the transformer insulation as a function of the operating temperature, time and the loading of the transformer.

?

Note: For special applications such as wind turbine application transformers, furnace transformers, welding machine transformers, and others, the manufacturer shall be consulted regarding the particular loading curve.

?

2 Normative references

?

The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

?

GB 1094.11 Power transformers - Part 11: Dry-type transformers (GB 1094.11-2007, IEC 60076-11:2004, MOD)

GB/T 11026.1 Electrical insulating materials - Properties of thermal endurance - Part 1: Ageing procedures and evaluation of test results (GB/T 11026.1-2003, IEC 60216-1:2001, IDT)

GB/T 18494.1-2001 Convertor transformers - Part 1: Transformers for industrial applications (IEC 61378-1:1997, IDT)

?

3 Terms and definitions

?

For the purpose of this document, the following terms and definitions apply.

?

3.1

long-time emergency loading

loading resulting from the prolonged outage of some system elements that will not be reconnected before the transformer reaches a new and higher steady state temperature

?

3.2

short-time emergency loading

unusually heavy loading of a transient nature (less than one time constant of the winding) due to the occurrence of one or more unlikely events which seriously disturb normal system loading

?

3.3

hot-spot

if not specifically defined, “hot-spot” means the hottest-spot of the winding

?

3.4

relative thermal ageing rate

for a given hot-spot temperature, the rate at which transformer insulation ageing is reduced or accelerated compared with the ageing rate at a reference hot-spot temperature

?

3.5

transformer insulation life time

the total time between the initial state for which the normal transformer insulation is considered new and the final state when due to thermal ageing, insulating field strength, short-circuit stress, or mechanical movement, which could occur in normal service and result in a high risk of electrical failure

?

3.6

AN cooling

cooling by natural air ventilation

?

3.7

AF cooling

method of cooling to increase the rated capacity of the transformer with fan cooling

?

4 Effect of loading beyond nameplate rating

?

4.1 General

?

Normal life expectancy is a conventional reference basis for continuous duty under design ambient temperature and rated operating conditions. The application of a load in excess of nameplate rating and/or an ambient temperature higher than specified ambient temperatures involves a degree of risk and accelerated ageing. It is the purpose of this part to identify such risks and to indicate how, within limitations, transformers may be loaded in excess of the nameplate rating.

?

4.2 General consequences

?

The consequences of loading a transformer beyond its nameplate rating are as follows:

?

——the temperatures of windings, terminals, leads, tap changer and insulation increase, and can reach unacceptable levels;

?

——products with enclosures are more sensitive to overload, leading to a more rapid increase in insulation temperature to unacceptable levels;

?

——as a consequence, there will be a risk of premature failure associated with the increased currents and temperatures. This risk may be of an immediate short-term character or may come from the cumulative effect of thermal ageing of the insulation in the transformer over many years.

?

Note: Another consequence of overload is an increased voltage drop in the transformer.

前 ?言
? ?GB 1094《電力變壓器》目前包含了下列幾部分：
? ?——第1部分：總則；
? ?——第2部分：液浸式變壓器的溫升；
? ?——第3部分：絕緣水平、絕緣試驗(yàn)和外絕緣空氣間隙；
? ?——第4部分：電力變壓器和電抗器的雷電沖擊和操作沖擊試驗(yàn)導(dǎo)則；
? ?——第5部分：承受短路的能力；
? ?——第6部分：電抗器；
? ?——第7部分：油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則；
? ?——第10部分：聲級(jí)測(cè)定；
? ?——第10.1部分：聲級(jí)測(cè)定應(yīng)用導(dǎo)則；
? ?——第11部分：干式變壓器；
? ?——第12部分：干式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則；
? ?——第14部分：采用高溫絕緣材料的液浸式變壓器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用；
? ?——第16部分：風(fēng)力發(fā)電用變壓器。
? ?本部分為GB 1094的第12部分。
? ?本部分按照GB/T 1.1—2009給出的規(guī)則起草。
? ?本部分代替GB/T 17211—1998《干式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》。GB/T 17211—1998對(duì)應(yīng)的IEC標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為IEC 60905：1987。由于IEC有關(guān)電力變壓器的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)現(xiàn)均調(diào)整為IEC 60076系列，為了與IEC的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)相協(xié)調(diào)且使用方便，本次修訂也將標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)按新IEC標(biāo)準(zhǔn)系列進(jìn)行了調(diào)整。
? ?本部分與GB/T 17211—1998相比，主要技術(shù)變化如下：
? ?——按照GB/T 1.1—2009的規(guī)定，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整。其中，增加了“規(guī)范性引用文件”、“術(shù)語(yǔ)和定義”章節(jié)，并將原“符號(hào)”章調(diào)整為附錄C；
? ?——標(biāo)準(zhǔn)適用范圍增加強(qiáng)迫風(fēng)冷干式變壓器，并增加了“強(qiáng)迫風(fēng)冷”冷卻方式下干式變壓器熱點(diǎn)溫升的計(jì)算方法；
? ?——增加了變壓器超銘牌運(yùn)行危險(xiǎn)的說(shuō)明；
? ?——明確了假定老化引起的絕緣失效是變壓器壽命終結(jié)的原因、假定老化率隨溫度的變化符合阿倫尼烏斯定律，并進(jìn)一步假定絕緣系統(tǒng)溫度每增加6K，老化率加倍；
? ?——增加了銅和鋁導(dǎo)體繞組時(shí)間常數(shù)的計(jì)算方法和試驗(yàn)方法。在計(jì)算方法中，采用了不同于以往經(jīng)驗(yàn)的繞組材料比熱容數(shù)據(jù)；
? ?——增加了依據(jù)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)確定時(shí)間常數(shù)的方法；
? ?——正文中刪除了選擇負(fù)載曲線(xiàn)的實(shí)例；
? ?——增加戶(hù)外環(huán)境條件以及外殼對(duì)變壓器運(yùn)行影響的說(shuō)明；
? ?——增加附錄A“老化率”。該附錄對(duì)固體絕緣材料的老化率和“熱量”的關(guān)系進(jìn)行了介紹，并介紹了基于阿倫尼烏斯定律的耐熱特性分析；
? ?——增加附錄B：“三種負(fù)載模式下的壽命損失示例”。
? ?本部分使用重新起草法修改采用IEC 60076-12：2008《電力變壓器 第12部分：干式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》。
? ?本部分與IEC 60076-12：2008的技術(shù)性差異及其原因如下：
? ?——為適應(yīng)我國(guó)的技術(shù)條件，在規(guī)范性引用文件中用修改采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的GB 1094.11代替IEC 60076-11；
? ?——為符合我國(guó)的實(shí)際情況，在5.10.2中，將繞組的有效熱容量計(jì)算公式中環(huán)氧材料的比熱容數(shù)值24.5W·min/(K·kg)和0.408W·h/(K·kg)分別用符號(hào)C1和C2代替，同時(shí)增加了對(duì)C1和C2的說(shuō)明，并用“注2：在IEC 60076-12：2008中，C1為24.5W·min/(K·kg)，C2為0.408W·h/(K·kg)”代替IEC標(biāo)準(zhǔn)的“注2：繞組也可以使用其他絕緣材料和環(huán)氧材料。對(duì)此類(lèi)變壓器，相應(yīng)的比熱值24.5W·min/(K·kg)或0.408W·h/(K·kg)可用制造方的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)代替”。
? ?為便于使用，本部分對(duì)IEC 60076-12：2008還做了下列編輯性修改：
? ?——引言中，增加了“為便于使用，本部分在附錄B中給出了三種負(fù)載模式下的壽命損失計(jì)算示例，并在附錄C中給出了符號(hào)表”；
? ?——對(duì)表3的格式進(jìn)行了調(diào)整；
? ?——?jiǎng)h除表B.2中最右側(cè)4列的內(nèi)容；
? ?——附錄C中增加了符號(hào)C1和C2。
? ?請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專(zhuān)利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別這些專(zhuān)利的責(zé)任。
? ?本部分由中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)提出。
? ?本部分由全國(guó)變壓器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC 44)歸口。
? ?本部分所代替標(biāo)準(zhǔn)的歷次版本發(fā)布情況為：
? ?——GB/T 17211—1998。
引 ?言
? ?本部分從運(yùn)行溫度和熱老化的觀點(diǎn)提供了干式電力變壓器的規(guī)范和負(fù)載導(dǎo)則。它給出了超銘牌額定值負(fù)載導(dǎo)致的后果，并為設(shè)計(jì)人員選擇新設(shè)備的恰當(dāng)額定參數(shù)和負(fù)載條件提供了指導(dǎo)。
? ?GB 1094.11是合同的基礎(chǔ)，包含了干式電力變壓器在連續(xù)負(fù)載下的溫升值的要求和溫升試驗(yàn)。應(yīng)注意的是，GB 1094.11指的是繞組平均溫升，而本部分主要指熱點(diǎn)溫度，且該值只做指導(dǎo)用。
? ?本部分給出了一些數(shù)學(xué)模型，用來(lái)判斷不同負(fù)載在不同的冷卻介質(zhì)溫度下和該負(fù)載隨時(shí)間周期變化或瞬時(shí)性變化的結(jié)果。該模型提供了變壓器運(yùn)行溫度的計(jì)算方法，尤其是繞組熱點(diǎn)溫度。熱點(diǎn)溫度用于評(píng)估在特定時(shí)間段內(nèi)的壽命損失。
? ?本部分依據(jù)溫度的計(jì)算結(jié)果或者測(cè)量結(jié)果推薦了允許的負(fù)載限值。這些推薦值涉及不同的負(fù)載情況——連續(xù)負(fù)載、短期和長(zhǎng)期急救負(fù)載。附錄A就老化規(guī)律進(jìn)行了解釋。
? ?為便于使用，本部分在附錄B中給出了三種負(fù)載模式下的壽命損失計(jì)算示例，并在附錄C中給出了符號(hào)表。
電力變壓器
第12部分：干式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則
1 ?范圍
? ?GB 1094的本部分適用于GB 1094.11規(guī)定范圍內(nèi)的于式變壓器。本部分提供了干式變壓器絕緣老化率和壽命損失的估算方法，該方法把變壓器絕緣的老化率和壽命損失表示為變壓器的運(yùn)行溫度、時(shí)間和負(fù)載的函數(shù)。
? ?注：對(duì)于風(fēng)力發(fā)電用變壓器、電爐變壓器、電焊機(jī)用變壓器等特殊用途的變壓器，制造方應(yīng)參照相關(guān)特定負(fù)載曲線(xiàn)。
2 ?規(guī)范性引用文件
? ?下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。
? ?GB 1094.11 ?電力變壓器 ?第11部分：干式變壓器(GB 1094.11—2007，IEC 60076-11：2004，MOD)
? ?GB/T 11026.1 ?電氣絕緣材料 ?耐熱性 ?第1部分：老化程序和試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定(GB/T 11026.1—2003，IEC 60216-1：2001，IDT)
? ?GB/T 18494.1—2001 ?變流變壓器 ?第1部分：工業(yè)用變流變壓器(IEC 61378-1：1997，IDT)
3 ?術(shù)語(yǔ)和定義
? ?下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。
3.1
? ?長(zhǎng)期急救負(fù)載 ?long-time emergency loading
? ?由于系統(tǒng)中某些設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間退出運(yùn)行而引起的一種負(fù)載方式，在變壓器達(dá)到一個(gè)新的、較高的穩(wěn)態(tài)溫度之前，這些設(shè)備不會(huì)重新投入運(yùn)行。
3.2
? ?短期急救負(fù)載 ?short-time emergency loading
? ?由于系統(tǒng)中發(fā)生了一個(gè)或多個(gè)事故，嚴(yán)重干擾了系統(tǒng)的正常負(fù)載分配，從而產(chǎn)生的暫態(tài)(小于繞組的一個(gè)時(shí)間常數(shù))嚴(yán)重過(guò)負(fù)載。
3.3
? ?熱點(diǎn) ?hot-spot
? ?若無(wú)另行規(guī)定，“熱點(diǎn)”指各繞組中的最熱點(diǎn)。
3.4
? ?相對(duì)熱老化率 ?relative thermal ageing rate
? ?在給定的熱點(diǎn)溫度下，與參考熱點(diǎn)溫度下的絕緣老化率相比，變壓器的絕緣老化呈降低或加快的速率。
3.5
? ?變壓器絕緣壽命 ?transformer insulation life time
? ?從絕緣起始狀態(tài)(即通常認(rèn)為絕緣是新的)到正常運(yùn)行中由于熱老化、絕緣場(chǎng)強(qiáng)、短路應(yīng)力或機(jī)械位移而導(dǎo)致電氣故障危險(xiǎn)高發(fā)的最終狀態(tài)之間的全部時(shí)間。
3.6
? ?自然風(fēng)冷 ?AN cooling
? ?自然通風(fēng)冷卻的方式。
3.7
? ?強(qiáng)迫風(fēng)冷 ?AF cooling
? ?通過(guò)風(fēng)機(jī)冷卻來(lái)提高變壓器額定容量的冷卻方法。
4 ?超銘牌額定值負(fù)載運(yùn)行的影響
4.1 ?概述
? ?正常預(yù)期壽命值通常是以設(shè)計(jì)的環(huán)境溫度和額定運(yùn)行條件下的連續(xù)工況為基礎(chǔ)的。當(dāng)負(fù)載超過(guò)銘牌額定值和/或環(huán)境溫度高于規(guī)定環(huán)境溫度時(shí)，變壓器將承受一定程度的風(fēng)險(xiǎn)，并且老化加速。本部分的目的是要確認(rèn)這些危險(xiǎn)，并指導(dǎo)變壓器在限定條件下如何進(jìn)行超銘牌額定值負(fù)載運(yùn)行。
4.2 ?一般后果
? ?變壓器超銘牌額定值負(fù)載運(yùn)行后果如下：
? ?——繞組、端子、引線(xiàn)、分接開(kāi)關(guān)和絕緣的溫度升高，且能達(dá)到不可接受的水平；
? ?——帶外殼產(chǎn)品對(duì)過(guò)載更加敏感，會(huì)導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)溫度達(dá)到不可接受的水平；
? ?——導(dǎo)致由于電流和溫度增加而引起的過(guò)早失效的風(fēng)險(xiǎn)。這種風(fēng)險(xiǎn)可能是一種短時(shí)效應(yīng)，也可能來(lái)自多年的絕緣老化的累積效應(yīng)。
? ?注：過(guò)載的另一個(gè)結(jié)果是變壓器的壓降增加。
4.3 ?短期急救負(fù)載的影響和危害
? ?超過(guò)規(guī)定限值的短期急救負(fù)載的主要危害如下：
? ?——由于溫度升高而產(chǎn)生的巨大機(jī)械應(yīng)力，可能達(dá)到引起環(huán)氧澆注變壓器絕緣開(kāi)裂到不可接受的程度；
? ?——短時(shí)和重復(fù)性過(guò)載電流導(dǎo)致繞組受到機(jī)械損傷；
? ?——在環(huán)境溫度超過(guò)規(guī)定值情況下短時(shí)和重復(fù)性電流導(dǎo)致繞組受到機(jī)械損傷；
? ?——在更高的溫度下，機(jī)械特性的劣化會(huì)降低抗短路能力；
? ?——由于溫度升高而降低絕緣強(qiáng)度。
? ?因此規(guī)定，最大的過(guò)載電流不允許超過(guò)額定電流的50％。
? ?當(dāng)過(guò)載超過(guò)50％時(shí)，有必要與制造方協(xié)商，以評(píng)估該過(guò)載的后果。在任何情況下，此類(lèi)過(guò)載時(shí)間應(yīng)盡可能短。
4.4 ?長(zhǎng)期急救負(fù)載的影響
? ?長(zhǎng)期急救負(fù)載的影響如下：
? ?——在較高的溫度時(shí)，導(dǎo)體絕緣的機(jī)械及絕緣性能的累積熱老化效應(yīng)會(huì)加速。如果這種熱老化達(dá)到一定程度，則會(huì)減少變壓器的壽命，特別是當(dāng)設(shè)備遭受系統(tǒng)短路電流時(shí)；
? ?——其他絕緣材料以及結(jié)構(gòu)件和導(dǎo)體在高溫時(shí)也會(huì)加速老化；
? ?——老化率及壽命損失的計(jì)算規(guī)則是以負(fù)載為基礎(chǔ)的。
5 ?老化和變壓器絕緣壽命
5.1 ?概述
? ?經(jīng)驗(yàn)表明，變壓器的正常壽命為幾十年，但難以對(duì)其進(jìn)行更加準(zhǔn)確的規(guī)定。即使是完全相同的變壓器，由于它們的運(yùn)行條件各異，因此每臺(tái)變壓器的壽命也是不相同的。除極少數(shù)情況外，變壓器很少在整個(gè)壽命周期內(nèi)在100％額定電流下運(yùn)行。其他對(duì)溫升有影響的因素，如：冷卻不充分、諧波、過(guò)勵(lì)磁和/或在GB 1094.11中描述的非正常條件都會(huì)影響變壓器的壽命。
? ?當(dāng)主要由變壓器的損耗產(chǎn)生的熱量傳遞到絕緣系統(tǒng)時(shí)，化學(xué)過(guò)程便開(kāi)始了。這個(gè)過(guò)程改變組成絕緣系統(tǒng)的材料的分子結(jié)構(gòu)。傳遞給系統(tǒng)的熱量越多，老化率越大。這個(gè)過(guò)程是累積的且不可逆的，這意味著當(dāng)傳熱停止，溫度下降時(shí)，材料也不會(huì)恢復(fù)到最初的分子結(jié)構(gòu)。絕緣系統(tǒng)溫度會(huì)在制造方提供的文件中說(shuō)明并標(biāo)在銘牌上。假定老化造成的絕緣材料性能失效是變壓器壽命終結(jié)的原因之一。
? ?進(jìn)一步假定老化率隨溫度的變化符合阿倫尼烏斯(Arrhenius)定律。有關(guān)進(jìn)一步的背景信息見(jiàn)附錄A。阿倫尼烏斯定律中的兩個(gè)常數(shù)在理想情況下可以用耐熱試驗(yàn)來(lái)確定。當(dāng)?shù)貌坏竭@樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，本部分提供了估算的常數(shù)，它是以下列假定為基礎(chǔ)通過(guò)計(jì)算得出的：
? ?——溫度增加6K，老化率加倍。6K對(duì)整個(gè)繞組而言是估計(jì)值，該值與繞組使用的特定材料性能有關(guān)；
? ?——當(dāng)按照GB/T 11026.1進(jìn)行整體電氣絕緣系統(tǒng)(EIS)的耐熱試驗(yàn)，得到另一個(gè)老化率加倍的值時(shí)，宜使用該值；
? ?——絕緣材料性能失效是變壓器壽命終結(jié)的原因。
5.2 ?壽命
? ?在恒定的熱點(diǎn)溫度T(單位為K)下，變壓器的預(yù)期壽命L按下式計(jì)算：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(1)
? ?該公式也可以表示為：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2)
? ?盡管任何時(shí)間單位都適用于上述公式，但本導(dǎo)則中用小時(shí)。表1給出了用于不同絕緣系統(tǒng)溫度下常數(shù)a的值，以h為單位。
表1 ?壽命公式中的常數(shù)
絕緣系統(tǒng)溫度TI(耐熱等級(jí)) 常數(shù) 繞組額定熱點(diǎn)溫度θHS，r
a b?
℃ h K ℃
105(A) 3.10E-14 15900 95
120(E) 5.48E-15 17212 110
130(B) 1.72E-15 18115 120
155(F) 9.60E-17 20475 145
180(H) 5.35E-18 22979 170
200 5.31E-19 25086 190
220 5.26E-20 27285 210
? ?注1：不應(yīng)該機(jī)械地理解按本公式計(jì)算的預(yù)期壽命。在按本公式計(jì)算的理論壽命到達(dá)后，變壓器承受過(guò)電壓和系統(tǒng)短路引起的過(guò)電流的能力與新變壓器相比肯定要變?nèi)酢Ｈ绻怀霈F(xiàn)過(guò)電壓和過(guò)電流，則變壓器還可以穩(wěn)定地運(yùn)行許多年。采取措施避免短路和安裝足夠的過(guò)壓保護(hù)裝置可以延長(zhǎng)變壓器的壽命。
? ?注2：下列方程式用于確定繞組額定熱點(diǎn)溫度中的常數(shù)a和b：

? ?表1是按每6K老化率加倍計(jì)算的。
? ?注3：大多數(shù)電力變壓器在實(shí)際壽命中的運(yùn)行負(fù)荷遠(yuǎn)低于滿(mǎn)負(fù)荷，因?yàn)闊狳c(diǎn)溫度如果低于額定值6℃，則壽命損失速率減半，所以典型變壓器的實(shí)際壽命大于20年。表1中的常數(shù)是基于180000h、半差6K得來(lái)的。
5.3 ?穩(wěn)定連續(xù)負(fù)載和溫度間的關(guān)系
? ?繞組的穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)熱點(diǎn)溫度T(K)表示為：
T＝273＋θa＋θHSn ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(3)
? ?式中：
? ?θa——環(huán)境溫度(℃)；
? ?θHSn——所考慮負(fù)載下繞組熱點(diǎn)對(duì)環(huán)境的溫升(K)。
? ?注意環(huán)境溫度可能與負(fù)載無(wú)關(guān)，但也可能是負(fù)載的函數(shù)：
θa＝f(電流) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(4)
? ?該函數(shù)可能隨場(chǎng)所不同而變化。在對(duì)老化率及壽命損失估算時(shí)，有必要了解特定場(chǎng)所的環(huán)境溫度與負(fù)載的相互關(guān)系?？赏ㄟ^(guò)在特定場(chǎng)所的試驗(yàn)來(lái)確定二者間的關(guān)系。如果沒(méi)有這方面的資料，則進(jìn)行不同溫度下(如：10℃～40℃)的等效計(jì)算可得到老化率和壽命損失之間的關(guān)系。
? ?本部分給出的公式將渦流損耗作為繞組的電阻損耗處理。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，由這些公式計(jì)算的壽命損失比預(yù)期的高。如果有諧波電流存在，則過(guò)載時(shí)增加的渦流損耗需要按照GB/T 18494.1—2001的附錄A中的方法考慮。
5.4 ?熱老化率
? ?實(shí)際上，變壓器的正常壽命不低于180000h。公式(5)中使用180000h作為保守的參考值，來(lái)表示老化率k(h/h)，即在恒定熱點(diǎn)溫度T(K)下運(yùn)行每小時(shí)損失的壽命小時(shí)數(shù)：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (5)
? ?在恒定熱點(diǎn)溫度T(K)時(shí)的相對(duì)老化率百分?jǐn)?shù)kr(％)，表示為180000h壽命運(yùn)行t小時(shí)后的壽命百分?jǐn)?shù)(％)，按下式計(jì)算：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (6)
? ?式中：
? ?t——時(shí)間；
? ?a、b——見(jiàn)表1。
5.5 ?壽命損失
? ?在恒定熱點(diǎn)溫度T(K)下，一段時(shí)間t(h)內(nèi)的壽命損失LC(h)按公式(7)計(jì)算：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (7)
? ?式中：
? ?t——時(shí)間；
? ?a、b——見(jiàn)表1。
5.6 ?穩(wěn)態(tài)下的熱點(diǎn)溫度
? ?對(duì)大多數(shù)運(yùn)行中的變壓器來(lái)說(shuō)，很難準(zhǔn)確地知道繞組內(nèi)部的熱點(diǎn)溫度。對(duì)大多數(shù)此類(lèi)變壓器，熱點(diǎn)溫度能通過(guò)計(jì)算來(lái)估計(jì)。
? ?本部分計(jì)算方法中的θHS,r為額定條件(額定電流、額定環(huán)境溫度、額定電壓、額定頻率)下的熱點(diǎn)溫度，單位為℃。它可以用計(jì)算或測(cè)量的方法得到。
? ?注：目前沒(méi)有確定熱點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，如果制造方能用試驗(yàn)來(lái)證明其他熱點(diǎn)溫度值，則制造方可以用這些值來(lái)計(jì)算變壓器壽命損失。
5.7 ?假定的熱點(diǎn)系數(shù)
? ?在下面的考慮中，假定熱點(diǎn)系數(shù)Z是1.25：
θHS,r＝Z×θWr ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (8)
? ?式中：
? ?θHS,r——熱點(diǎn)溫升(K)；
? ?θWr——額定負(fù)載下繞組平均溫升(K)。
5.8 ?在不同的環(huán)境溫度和負(fù)載條件下的熱點(diǎn)溫升
? ?計(jì)算壽命損失要求的基本值是熱點(diǎn)溫度。為此，有必要知道在每個(gè)負(fù)載條件和環(huán)境溫度下的熱點(diǎn)溫升。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (9)
? ?式中：
? ?θHSn——給定負(fù)載下繞組熱點(diǎn)溫升；
? ?In——給定負(fù)載率；
? ?q——自然冷卻(AN)取1.6，強(qiáng)迫風(fēng)冷(AF)取2；
? ?Z——假定為1.25。
? ?θWr盡可能采用試驗(yàn)值，以限制與系數(shù)Z的有效性和與q值相關(guān)的不確定性。經(jīng)驗(yàn)表明，q和Z在不同變壓器及不同的運(yùn)行負(fù)載條件下取不同的值。
? ?注：對(duì)某種繞組結(jié)構(gòu)。θWr只能通過(guò)變壓器樣機(jī)、模型來(lái)確定。
5.9 ?負(fù)載公式
5.9.1 ?連續(xù)負(fù)載
? ?熱點(diǎn)溫度θHS作為穩(wěn)定條件下負(fù)載的函數(shù)，用下式計(jì)算：
θHS＝θa＋θHS ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(10)
? ?對(duì)于自然冷卻方式：
θHS＝θHS,r[I]2m ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(11)
? ?對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)冷方式：
θHS＝θHS,r·(I2CT)X ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (12)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(13)
? ?式中：
? ?θHS——給定負(fù)載下的熱點(diǎn)溫升(K)；
? ?θHS,r——額定負(fù)載下的額定或者測(cè)試的熱點(diǎn)溫度(℃)(用于式(11)中的自然冷卻運(yùn)行的變壓器測(cè)試值與用于式(12)的強(qiáng)迫風(fēng)冷運(yùn)行的變壓器測(cè)試值可能不同)；
? ?I——負(fù)載率(負(fù)載電流與額定電流的比值)；
? ?CT——電阻溫度修正系數(shù)；
? ?m——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，等于0.8(在沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況下的建議值)；
? ?θa——環(huán)境溫度(℃)；
? ?θHS——給定負(fù)載率I下的熱點(diǎn)溫度(℃)；
? ?TK——導(dǎo)體的溫度常數(shù)，鋁為225，銅為235；
? ?X——強(qiáng)迫風(fēng)冷經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，等于1(在沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況下的建議值)。
? ?試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，由上面公式算出的熱點(diǎn)溫度值偏保守。
? ?自然冷卻運(yùn)行的指數(shù)m＝0.8和強(qiáng)迫風(fēng)冷運(yùn)行的指數(shù)X＝1是從自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷傳熱的相互關(guān)系中導(dǎo)出的。試驗(yàn)證明，式(13)給出的電阻溫度修正系數(shù)在預(yù)測(cè)強(qiáng)迫風(fēng)冷運(yùn)行時(shí)由于高損耗而產(chǎn)生的熱點(diǎn)溫升是需要的。
? ?式(11)和式(12)忽略了繞組中的渦流損耗，渦流損耗與溫度呈反向變化。除非有諧波電流存在，渦流損耗通常很低，公式結(jié)果偏于保守。
? ?式(11)和式(12)均需要疊代計(jì)算。即使不考慮渦流損耗，由于使用了推薦的指數(shù)，加上考慮到強(qiáng)迫風(fēng)冷運(yùn)行條件下電阻隨溫度變化，因此也會(huì)導(dǎo)致熱點(diǎn)溫升計(jì)算結(jié)果偏于保守。如果有諧波電流存在的話(huà)，則過(guò)載期間增加的渦流損耗可能要依據(jù)GB/T 18494.1—2001的附錄A進(jìn)行考慮。
5.9.2 ?暫態(tài)負(fù)載
? ?暫態(tài)過(guò)負(fù)載時(shí)的熱點(diǎn)溫升用下列公式確定：
? ? ? ? ? ? ? ?(14)
θHS＝θt＋θa ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (15)
? ?式中：
? ?θi——某負(fù)載率In開(kāi)始時(shí)的起始熱點(diǎn)溫升(K)；
? ?θt——負(fù)載變化t時(shí)間后的熱點(diǎn)溫升(K)；
? ?θU——負(fù)載率Iu不發(fā)生變化情況下的最終熱點(diǎn)溫升(K)；
? ?t——時(shí)間(min)；
? ?τ——給定負(fù)載下繞組的時(shí)間常數(shù)(min)；
? ?θHS——熱點(diǎn)溫度(℃)；
? ?θa——環(huán)境溫度(℃)。
5.10 ?繞組時(shí)間常數(shù)的確定
5.10.1 ?概述
? ?變壓器時(shí)間常數(shù)的概念基于假設(shè)一個(gè)單一熱源為一個(gè)受熱體供熱，而這個(gè)受熱體的溫升和輸入的熱量呈指數(shù)關(guān)系。時(shí)間常數(shù)定義為當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，其溫升達(dá)到超過(guò)環(huán)境溫度的穩(wěn)定值的63.2％所需的時(shí)間。通常在五倍時(shí)間常數(shù)后達(dá)到穩(wěn)態(tài)。因公開(kāi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明高壓和低壓繞組的時(shí)間常數(shù)可能不同，因此，不同負(fù)載下的熱點(diǎn)溫度計(jì)算應(yīng)分別進(jìn)行。兩個(gè)繞組的絕緣系統(tǒng)溫度等級(jí)也可能不同。
? ?時(shí)間常數(shù)可以通過(guò)計(jì)算或者是在變壓器上進(jìn)行試驗(yàn)獲得，具體由供需雙方協(xié)商確定。
5.10.2 ?時(shí)間常數(shù)計(jì)算方法
? ?額定負(fù)載下繞組的時(shí)間常數(shù)τR為：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (16)
? ?式中：
? ?τR——額定負(fù)載下變壓器的時(shí)間常數(shù)(min)；
? ?C——繞組的有效熱容量(W·min/K)；
? ?＝[15.0×鋁導(dǎo)線(xiàn)質(zhì)量(kg)]＋(C1×環(huán)氧材料及其他繞組絕緣質(zhì)量(kg))，或
? ?＝(6.42×銅導(dǎo)線(xiàn)質(zhì)量(kg))＋(C1×環(huán)氧材料及其他繞組絕緣質(zhì)量(kg))；
? ?或
? ?C——繞組的有效熱容量(W·h/K)；
? ?＝(0.25×鋁導(dǎo)線(xiàn)質(zhì)量(kg))＋(C2×環(huán)氧材料及其他繞組絕緣質(zhì)量(kg))，或
? ?＝(0.107×銅導(dǎo)線(xiàn)質(zhì)量(kg))＋(C2×環(huán)氧材料及其他繞組絕緣質(zhì)量(kg))；.
? ?C1——為環(huán)氧材料及其他繞組絕緣材料的比熱容，單位為W·min/(K·kg)；
? ?C2——為環(huán)氧材料及其他繞組絕緣材料的比熱容，單位為W·h/(K·kg)；
? ?Pr——額定負(fù)載和額定溫升下的繞組總損耗(電阻損耗＋渦流損耗)(W)；
? ?θHS,r——額定負(fù)載下的熱點(diǎn)溫升(K)；
? ?θe——空載時(shí)鐵心對(duì)繞組熱點(diǎn)溫升的影響。其值應(yīng)是下面給出的值或變壓器溫升試驗(yàn)時(shí)制造方的測(cè)量值：
? ?＝5K，對(duì)于外側(cè)繞組(通常為高壓繞組)；
? ?＝25K；對(duì)于內(nèi)側(cè)繞組(通常為不超過(guò)1kV的低壓繞組)。
? ?注1：上述的鐵心影響值基于制造方的經(jīng)驗(yàn)；
? ?注2：在IEC 60076-12：2008中，C1為24.5W·min/(K·kg)，C2為0.408W·h/(K·kg)。
5.10.3 ?時(shí)間常數(shù)的測(cè)試方法
? ?時(shí)間常數(shù)可以通過(guò)在溫升試驗(yàn)中獲得的熱電阻冷卻曲線(xiàn)估算。
5.11 ?根據(jù)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)確定繞組時(shí)間常數(shù)
? ?當(dāng)溫升變化時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)m，時(shí)間常數(shù)也發(fā)生變化。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (17)
? ?如果m＝1，則公式(17)對(duì)任何負(fù)載及任何起始溫度都正確。如果m≠1，則任何負(fù)載和任何起始溫度的加熱或冷卻循環(huán)的時(shí)間常數(shù)用公式(18)得出。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(18)
5.12 ?負(fù)載能力計(jì)算
? ?公式(10)～公式(18)宜用于確定在一個(gè)負(fù)載周期中的熱點(diǎn)溫度，也宜用于確定短時(shí)或連續(xù)負(fù)載導(dǎo)致的達(dá)到表1中給出的最大值或達(dá)到任何其他限值的溫度值。
? ?初始負(fù)載率Ii下的初始熱點(diǎn)溫升，可用公式(11)算出，計(jì)算如下：
θi＝θHS，r[Ii]2m ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (19)
? ?式中：
? ?Ii——初始負(fù)載率(負(fù)載電流與額定電流比值)。
? ?從表2中選擇一個(gè)熱點(diǎn)溫度θHS限值。用公式(10)確定在對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度下t時(shí)刻的允許熱點(diǎn)溫升。
表2 ?繞組最高熱點(diǎn)溫度
絕緣系統(tǒng)溫度(GB 1094.11)
℃ 繞組最高熱點(diǎn)溫度
℃
105(A) 130
120(E) 145
130(B) 155
155(F) 180
180(H) 205
200 225
220 245
? ?當(dāng)熱點(diǎn)溫度超過(guò)表2給出的繞組最高熱點(diǎn)溫度時(shí)，計(jì)算壽命是不實(shí)際的，因?yàn)槔@組材料可能發(fā)生變化。變壓器負(fù)載導(dǎo)致的溫度如果超過(guò)表2的限值，會(huì)使變壓器處于在不可預(yù)測(cè)的短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)中。
θHS＝θa＋θHS ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(20)
? ?式中：
? ?θHS——熱點(diǎn)溫度(℃)；
? ?θHS——熱點(diǎn)溫升(K)；
? ?θa——環(huán)境溫度(℃)。
θt＝θHS－θa ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (21)
? ?式中：
? ?θt——負(fù)載變化后t時(shí)刻的熱點(diǎn)溫升(K)。
? ?用公式(14)確定的最終的熱點(diǎn)溫升：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (22)
? ? 式中：
? ?θU——最終熱點(diǎn)溫升(K)。
? ?從5.10可得到時(shí)間常數(shù)τ。選擇一個(gè)時(shí)間t，作為負(fù)載持續(xù)時(shí)間，代入上述公式中。從公式(11)可知，對(duì)應(yīng)的過(guò)載可如下得到：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (23)
? ?式中：
? ?IU——最終負(fù)載率；
? ?時(shí)間常數(shù)的確定也是一個(gè)疊代的過(guò)程。
6 ?限制
6.1 ?電流和溫度限制
? ?當(dāng)負(fù)載超過(guò)銘牌額定值時(shí)，繞組熱點(diǎn)溫度不應(yīng)超過(guò)表3所列的限值，并且還要考慮4.3和5.12的特殊限制。
? ?電流的幅值要限定到1.5倍額定電流，特別是當(dāng)負(fù)載周期短，且為重復(fù)性負(fù)載時(shí)，以避免在繞組上產(chǎn)生機(jī)械損傷。當(dāng)電流值超過(guò)1.5倍額定電流時(shí)，在詢(xún)價(jià)階段就應(yīng)該指出，并由供需雙方協(xié)商一致。對(duì)于所有其他類(lèi)型的負(fù)載周期，電流值要限定到1.5倍額定電流。
表3 ?超銘牌額定值負(fù)載時(shí)的電流和溫度限值
絕緣系統(tǒng)溫度/℃ 最大電流(p.u.) 最高熱點(diǎn)溫度/℃
105(A) 1.5 130
120(E) 1.5 145
130(B) 1.5 155
155(F) 1.5 180
180(H) 1.5 205
200 1.5 225
220 1.5 245
注1：溫度和電流的限值不是同時(shí)有效?？梢詫㈦娏飨拗茷楸缺碇械闹敌?，以滿(mǎn)足溫度限值要求。相反，可以將溫度限制為比表中規(guī)定值小以滿(mǎn)足電流限值要求。
注2：計(jì)算表明，在表中的最高熱點(diǎn)溫度下，一臺(tái)新變壓器的壽命只有幾千小時(shí)。
6.2 ?其他限制
6.2.1 ?金屬結(jié)構(gòu)件的漏磁場(chǎng)
? ?隨著電流的增加漏磁場(chǎng)也增加，這能導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)件溫度過(guò)高，從而限制過(guò)載。負(fù)載電流、熱點(diǎn)溫度及繞組和端子外的其他金屬結(jié)構(gòu)件的溫度均不宜超過(guò)表3的限值。應(yīng)該注意，當(dāng)熱點(diǎn)溫度超過(guò)表3所列的最高溫度時(shí)，絕緣系統(tǒng)特性顯著降低，遠(yuǎn)小于變壓器絕緣耐受最小值水平。
6.2.2 ?附件和其他
? ?除了繞組外，變壓器的其他部件，如：套管、電纜連接頭、分接變換裝置、分接開(kāi)關(guān)、溫度測(cè)量裝置、避雷器和引線(xiàn)也可限制在1.5倍額定電流下運(yùn)行。
6.2.3 ?帶外殼的變壓器
? ?當(dāng)變壓器有外殼時(shí)，過(guò)載情況下的壽命損失更大。
? ?變壓器在戶(hù)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，額定熱點(diǎn)溫升計(jì)算需考慮外殼的影響進(jìn)行修正。
6.2.4 ?戶(hù)外環(huán)境條件
? ?很多戶(hù)外場(chǎng)所，陽(yáng)光直射可急劇增加變壓器的溫度，超過(guò)額定電流運(yùn)行時(shí)，應(yīng)加以考慮。
? ?風(fēng)可改善變壓器的散熱效果，但它是不可預(yù)測(cè)的自然現(xiàn)象，因此不列入考慮范圍。