复合电能质量下干式变压器寿命的相关问题分析*

尤飘飘，顾胜坚，2，任克宇

（1.上海电力大学 电子与信息工程学院，上海 201306；2.杭州钱江电气集团，浙江 杭州 311243）

电能质量的长期研究和分析表明，不同电能质量问题都会给电气设备，包括变压器带来不同程度的额外能耗。国家标准定义的电能质量指标包括电压暂降、电压暂升、电压中断、谐波、三相不平衡、电压波动与闪变、频率偏差、电压偏差，前四个发生最多，占电能质量投诉的百分之八十以上[1]。目前，国内外主要研究单项电能质量指标对变压器的损耗，并取得一定成果，为研究多电能质量指标复合情况下变压器的损耗和温度场分布奠定了基础。

绝缘树脂热老化是影响干式变压器使用寿命的主导因素，其中决定绝缘树脂热老化的因素包括实际运行中所处的热环境和所承受负载的多少，前者起到决定性作用。目前，现有的文献缺少研究复合电能质量对干式变压器热性能特征表现分析，并且缺少使用寿命研究。变压器的损耗转化为热量，传递到绝缘系统后开始化学反应，就慢慢改变绝缘材料的分子结构，若绝缘材料失效，意味着变压器寿命终结。随着冲击性、非线性负荷的广泛应用以及低压配电网中大量单相负荷的使用，谐波、三相不平衡等电能质量问题日益突出，同时并存时，引起的热损耗占变压器附加损耗很大比重。若变压器在负载率较大且三相不平衡度较高时，容易出现单相过载倍数较大，绕组热点温度超过其允许的最大温度，谐波大大增加变压器整体温度的现象。

因此，本文阐述基于在Simulink 建立仿真平台，介绍变压器在三相不平衡和谐波指标下的综合损耗计算过程，再利用有限元仿真平台建立三维实体模型，数值计算复合电能质量指标下的温度场和热点温度，以及变压器使用寿命研究，为变压器健康状态的监测与设计提供参考，切实保障电网运行的可靠性具有理论研究和现实意义。

1 复合电能质量下变压器温度场理论分析

变压器发热主要由高、低压绕组和铁芯上的损耗引起，温度场仿真时的绕组损耗与铁芯损耗值即为对应部件的热载荷值。在Simulink 中搭建仿真模型如图1 所示，以A、B、C 三相负荷设置部分模拟三相不平衡情况，以二极管整流部分模拟与谐波指标复合后的情况。

1.1 热源值计算

（1）假设变压器各相的不平衡度分别为βA、βB和βC，Dyn11 变压器各相绕组损耗P′wα为

其中，Iα（α=A，B，C）为各相电流有效值；Iαv为平均值，Iαv=（IA+IB+IC）/3；RT为变压器绕组的直流电阻。

图1 Simulink 仿真模型

图2 树脂浇筑式干式变压器整体图与剖面图

（2）在IEC 61378-2 方法的基础上，测量工频下的负载损耗P1、绕组中的涡流损耗PEC.1和铁芯的杂散损耗POSL.1，各次谐波损耗为：

其中，I1为工频电流有效值；Ih为第h 次谐波电流的有效值；THDh为第h 次谐波电流畸变率；fh为第h 次谐波频率；Rh为第h 次谐波下变压器绕组的等效电阻；PI2R为绕组电阻损耗；PEC为涡流损耗；POSL为铁芯杂散损耗。

1.2 温度场理论

首先利用ANSYS WORKBENCH 有限元平台建立干式变压器实体三维模型，如图2。热量传递包括导热、对流、换热这三种基本方式，根据实际散热情况，设置热边界条件是非常重要的过程。最后经有限元求解分析，可得到干式变压器的温度分布云图。假设物质的材料属性不随温度发生变化，控制方程可分别简化为式（6～8）。

式中：T 为模型计算区域温度；kx、ky、kz为热传达率在x，y，z 轴的分量；Q 为热源内密度；PV为变压器热源部分的损耗；V 为热源部分的体积；ρ 为物质密度；c 为比热容；t 为时间。

2 复合电能质量下变压器使用寿命

干式变压器热仿真与分析：

根据1.2 节，得到不同工况下干式变压器三维稳态温度分布云图和热点温度值T′。当仅考虑复合电能质量约束下干式变压器热老化对变压器寿命终结的影响时，根据绝缘材料在使用过程中温度与绝缘材料化学反应速率的近似关系，通过阿伦尼乌斯（Arrhenius）定律进行评估，即根据在恒定的热点温度T′（单位为K）下，变压器的预期寿命L 按下式计算：

其中：L 为绝缘材料预期寿命；a、b 为常数，与绝缘材料的种类和活化能量等参数有关，是通过对其进行耐热实验测得的。

3 结论

综上所述，在针对复合电能质量对干式变压器寿命分析时，可通过Simulink 仿真平台，分析加入不同情况的电能质量指标，再利用有限元思想分析对应工况下干式变压器的热性能特征表现，进而分析供电电能质量干式变压器性能的影响，这可为变压器健康状态的监测与设计提供参考。