本文研究了IEC标准60076-2测试程序在测定ONAN油浸式配电变压器温升中的应用。该变压器在实验室进行了不同电压谐波条件下的热运行试验。谐波失真由可编程电压源产生，油温由安装在变压器内部的分布式光纤传感器测量。得到了油温升和冷却油温，并应用该标准确定了最热点绕组温度。试验结果表明，变压器注入谐波电压后，热点温度升高。测定了热时间常数，结果表明，存在谐波畸变时，热时间常数的值较小。这些影响将影响变压器的稳态和瞬态热额定值。
θto 顶部油温
θao 平均油温
θbo 底部油温
θa 环境温度
∆θto 油顶温升
∆θbo 底油温升
∆θao 平均油温升
g 绕组对油温度平均梯度
θaw 绕组平均温度
R1 在环境温度下，在稳定状态下测量的所有绕组直流电阻的参考值
1. 简介
变压器是电网的重要组成部分，它们通常在工频下工作(即50/60 Hz)。然而，非线性负荷的增加会造成相当大的供电畸变，并导致电网谐波污染。研究人员已经研究了畸变波形对变压器和旋转电机等设备产生的负面影响。非正弦波对静态磁性设备(即变压器)的不利影响之一是它们在设备中产生额外的热量。由此产生的过大的热应力会加快变压器绝缘系统(液体和固体绝缘材料)的老化速度，缩短设备寿命。为了缓解这个问题，通常会降低变压器的使用容量。然而，如何准确地确定配电变压器在畸变励磁电压下的温升仍然是一个挑战。 已经开发了许多方法来预测变压器绕组中的热点。然而，这些方法主要针对大型电力变压器，它们可能不适用于热容量相对较小的配电变压器。通常使用国际标准IEC 60076-2作为确定变压器温升的方法。本研究对一台11/0.25 kV、25 kVA的油浸式配电变压器进行了室内实验，确定了其在各种励磁条件下的温升。 以油浸式单相配电变压器为试验对象，在不同电压激励条件下进行了短路试验。变压器规格如表1所示，实验设置如图1所示。
规格 |
|
额定容量 (kVA) | 25 |
频率 (Hz) | 50 |
V1 (V) | 11000 |
V2 (V) | 250 |
I1 (A) | 2.27 |
I2 (A) | 100 |
RDC 1 (Ω) | 31.68 |
RDC 2 (Ω) | 0.01212 |
绕组最高温升 (o C) | 65 |
油顶最高温升 (o C) | 60 |
冷却方式 | ONAN |
图1 -实验设置
电压源采用可编程电源AMETEK CSW555。励磁电源能够产生具有单独频率和/或组合频率的不同电压。与电源通信连接的计算机(PC)可以控制和设置输出波形。电压和电流用探头监测并数字化，然后用软件计算所消耗的功率。
变压器内部安装有3个独立通道的光纤传感器，用于监测温升。每个通道携带四个分布式传感器，这些传感器位于变压器高度的不同位置，以便测量不同点的油温。每两分钟记录一次温度。进行试验的实验室有空调；在整个试验过程中，环境温度得到控制并保持稳定。
变压器绕组绝缘的老化很大程度上取决于热应力。然而，如何准确地预测和定位变压器绕组中最热的部分仍然是一个挑战。IEC 60076-2标准提出了一种估算充油变压器温升的方法。该方法基于以下几个假设:3. 绕组上任意位置的铜的温升等于该位置的油温加上一个常数。4. 相邻绕组顶部的油温与相邻绕组底部的油温之间的温度差对于所有绕组是相等的。 顶部油温(θto)通常是通过在变压器油箱顶部附近的油中放置一些传感器来确定的。传感器的数量取决于变压器的容量。如果放置了多个传感器，则使用读数的平均值作为温度值的代表。底部油温(θbo)由放置在变压器箱底部的传感器测量。平均油温为上油温与下油温的平均值: 断开电源后测量绕组(R2)的直流电阻。绕组温度的平均值可由式5确定: 对该变压器进行了短路工况下的热运行试验。由于忽略铁芯损耗和介质损耗，变压器负载损耗被认为是唯一的发热源。短路试验中在工频基础上选择三次和五次谐波，因为它们在配电网中较为常见。此外，IEEE标准519-2014也对配电网的电压谐波百分比进行了限制，因此选择了这些谐波的3%。变压器在不同的电压谐波条件下分别进行了三次热运行试验：纯基波工频、基波结合3%三次谐波(案例一)和基频结合3%五次谐波(案例二)。变压器内部的嵌入式温度传感器记录了每种情况下的油温升。在加热和冷却期间记录油温。根据IEC标准，在加热期间，当油顶温升的变化率低于1度/小时并保持3小时时，即为稳态温度。虽然本标准没有讨论冷却期的测量，但同样的要求适用于降温期间。 热运行试验结束后，立即测量变压器绕组直流电阻，确定绕组平均温度和绕组对油温平均梯度。结果见表2、表3。
| 绕组平均温升 (ᵒC) | 绕组对油平均温升梯度 (ᵒC) |
50 Hz | 76.7 | 3.1 |
案例1 | 79.6 | 3.6 |
案例2 | 81.2 | 4.5 |
绕组平均温度比额定工况分别提高了3.8%和5.9%，绕组对油温平均梯度分别提高了18.4%和46.3%。 根据IEC，建议配电变压器的热点系数为1.1，电力变压器的热点系数为1.3。需要注意的是，标准中推荐的热点系数适用于工频。然而，目前还没有提出谐波条件下的热点系数。因此，选择1.1来确定热点温度(尽管需要注意的是，这可能与谐波含量不同)。在表4中，我们确定了绕组中的热点，并给出了热点温升。在案例1和案例2中，热点温升分别增加了8.2%和11.8%。 变压器绕组最高温度在允许工作温度范围内。然而，热点温度的显著升高会加速绕组绝缘中的化学反应速率(受Arrhenius定律支配)，降低其使用寿命。
| 热点温度 (ᵒC) | 热点温度超过环境温度 (ᵒC) |
50 Hz | 80.5 | 56.5 |
案例1 | 85.1 | 61.1 |
案例2 | 87.1 | 63.1 |
由于电阻对温度的依赖性，绕组温度的额外升高会导致绕组总电阻的增加。此外，导体集肤深度与频率的平方根成反比，因此高谐波频率下的有效绕组电阻也增加。因此，需要考虑额外的欧姆损耗。在研究案例中，案例1和案例2的总绕组电阻分别在正常情况下增加22.2%、23.4%和24%。因此，建议在电压谐波条件下，在总欧姆损耗上增加一个因数。由于本研究在全尺寸(绕组最大电流)下进行了热运行试验，由于绕组电阻对温度和频率的依赖关系，建议25%的修正系数可能是较好的选择。
图2 在基波下(50 Hz)，油顶温升与环温变化的关系。 另一个观察结果是：两种情况的THDV相同(即3%)，但温升结果存在差异。因此，在研究谐波对变压器损耗或温度的影响时，应针对不同次谐波采用不同的因素。 图2显示了在工频下顶部油温高于室温的情况。可以看出，温度随时间呈指数上升。正常工况与工况一、工况二的顶油温度差异如图3所示。需要说明的是，测量一直持续到达到稳态温度，即温度保持1小时不变。 图2显示了在工频下顶部油温高于室温的情况。可以看出，温度随时间呈指数上升。正常工况与工况一、工况二的顶油温度差异如图3所示。需要说明的是，测量一直持续到达到稳态温度，即温度保持1小时不变。
图3 -工况一和工况二的顶部油温与工频基波条件的偏差 热时间常数定义为达到稳态温度63.2%所需的时间。通过记录时间和温度，可以确定变压器冷却介质的热时间常数，如表5所示。
| 热时间常数 (分钟) |
50 Hz | 298 |
案例1 | 290 |
案例2 | 280 |
有趣的是，当系统中存在电压谐波时，观察到热时间常数略有下降。这意味着变压器达到其最高允许温度所需的时间更短，因此应降低变压器的瞬态热额定值(用于运行期间的短期过载)
图5 案例1、2和50Hz的初始时间周期内的顶部油温度差。 在达到最高温升后，变压器断电并继续散热。冷却周期也被监控，直到其温度与环境温度相等。基频情况下的记录如图4所示。温度随时间呈指数下降。另外，在时间常数初始阶段，工况I和工况II的顶油温度与正常工况的顶油温度的偏差如图5所示。 冷却时段的热时间常数由63.2%的温度耗散时间确定，见表六。可以看出，冷却时段的热时间常数是相似的。冷却过程受散热系数(h)控制，散热系数(h)与设备温度有关。但是，由于三种情况的温差很小，因此系数(h)的变化可以忽略不计。因此，三种情况的冷却热时间常数具有相似的值。
| 冷却期油热常数（分钟） |
50 Hz | 300 |
案例1 | 302 |
案例2 | 303 |
谐波对配电变压器热时间常数的影响在实际运行中引起了人们的关注。在配电网中，通常允许变压器在高峰时段短时间处于过载状态。而电网中非正弦励磁的存在会导致变压器热时间常数的降低，从而加速变压器的温升。为了避免超过允许的温度限制，应减少过载持续时间或过载水平。 本文研究了IEC标准60076-2测试程序在测定充油配电变压器温升中的应用。对变压器进行了无谐波、基波加3%三次谐波(案例1)和基波加3%五次谐波(案例2)三种不同电压激励条件下的热运行试验，结果表明，在案例1和案例2下，平均绕组至油温梯度分别增加了18.4%和46.3%。这导致案例1和案例2的热点温度上升幅度分别为8.2%和11.8%。热点温度的显著升高是一个值得关注的问题，因为它将缩短绝缘寿命。此外，还测定了被测变压器的热时间常数，发现其略有下降。因此，当变压器在谐波污染条件下必须经历短时过载时，应降低变压器的暂态热额定值。
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