西安西变组件有限公司 梁 栋

高压直流输电系统开发中，过负荷能力的计算精准度对系统的性能影响较大。由于换流变压器易受环境温度影响特性发生改变，所以计算不同工况下过负荷能力显得尤为重要。依据能力计算结果采取不同补救措施，从而保证变压器得以正常作业[1]。按照时间持续长短不同可将此能力划分为持续过负荷、秒级过负荷、小时级过负荷3种状态，本文着重对这3种状态下的能力计算进行研究。

1 换流变压器温升特性分析

当高压直流输电系统处于过负荷运行状态时，可将线路中负荷变化规律看作阶跃函数求解问题，图1中当负荷产生阶跃变化时不同位置温度以指数递增方式上升。本文以位于底层的油温变化规律为例，假设为t，计算此时暂态温升方法为τbt=τbi+(τbu-τbi)(1-e-t/T)，式中T 代表油时间常数；τbu代表K2负荷率状态下油稳定温升；τbi代表K1负荷率状态下油稳定温升；τbt代表持续t时间后油温升。考虑到变压器内部绕组发热时间在15min 以内，通常情况下发热最短时间为5min，因而本研究认为当负荷率发生跃升情况，即K1跃升至K2，油温升发生瞬间跃变，而后趋于稳定[2]。

图1 换流变压器温度升高变化规律

图2 工程直流换流变压器接线方式

2 换流变压器过负荷能力计算

2.1 持续过负荷状态下的变压器运行能力计算

第一步确定换流变压器所属冷却类型；第二步判断变压器作业期间是否易受导线电阻的影响，如易受影响则利用公式θ'h=θh+0.15(θh-θhr)（θh为不考虑电阻影响情况下的热点温度；θ'h为考虑电阻影响情况下的热点温度；θhr为额定负荷作业状态下的热点温度）计算求取热点温度，反之直接跳转至第三步；第三步依据变压器空载损耗及短路损耗计算阻值R，取额定功率作业状态下的温升数据作为热点系数H，将这些数据代入式（1）计算，得到长期过负荷率K；式中θa代表环境温度；R 代表短路与空载两种工况下损耗之比；H 代表热点系数；gr代表绕组与油平均温升数值之差；τimr代表额定负荷作业状态下的油温升平均值；τbr代表底层额定负荷作业状态下的油温升。

第四步判断当前热点温升是否超出了限定值，如超出输出长期过负荷率K 数值，反之以热点温升作为限定值，计算过负荷率K’，输出长期过负荷率数值。

2.2 小时级过负荷状态下的变压器运行能力计算

该作业状态下负荷能力计算可用阶跃函数表示，该函数由两部分组成，其中一部分为下降阶跃函数，复函延时特性，另外一部分为上升阶跃函数[3]。利用式（2）计算负荷持续时间，式中τlim代表热点温度限定值，τ2、τ1代表稳定温升且前者数值大于温度限定值。

2.3 秒级过负荷状态下的变压器运行能力计算

通常系统正常作业期间秒级过负荷能力大约1.55p.u.，能在短时间内完成功率输送，满足大量功率输送需求。由于绕组热时间很少超过15min 而变压器油时间在1h 以上，所以当变压器作业时间为4s～10s 情况下温升变化幅度较小，对系统作业影响最大的是晶闸管、并非变压器[4]。考虑到电压器作业进入过负荷状态，金属部分产生涡流导致装置温度升高，为保证现场作业安全要求过负荷能力不可以超过1.5p.u.。

3 案例分析

本文以某工程换流站为例，探究不同过负荷工况下变压器运行能力，按图2所示接线方式连接线路。相关参数为：换流变压器型号EFPH 8554；额定电压为230kV/3kV/198.5kV/3kV/198.5kV；空载损耗为182kW，负载损耗900kW；网侧容量337MVA；阀侧容量168.5MVA；阀侧容量168.5MVA；额定频率50Hz；冷却方式为强油循环风冷。

表1 1．05p．u．起始负荷率状态下的过负荷能力数据统计结果

表2 1．15p．u．起始负荷率状态下的过负荷能力数据统计结果

表3 1．25p．u．起始负荷率状态下的过负荷能力数据统计结果

3.1 持续过负荷状态下的变压器运行能力计算

按照前文设计的接线方式搭建变压器作为环境，采集持续过负荷状态下的变压器运行能力数据，将该数值与本算法计算数值进行差值运算，如果误差在±0.02p.u.以内，则认为本文提出的算法符合计算精度要求。另外还可通过统计数据获取此状态下变压器运行能力变化规律，以每5℃为间隔统计环境温度从0～40℃状态下持续过负荷状态下的变压器实际运行能力（p.u.），其实际数值、本算法计算数值及差值分别为1.18、1.19、0.01，1.18、1.19、0.01，1.18、1.19、0.01，1.18、1.19、0.01，1.18、1.19、0.01，1.15、1.17、0.02，1.12、1.14、0.02，1.09、1.11、0.02，1.06、1.08、0.02。

依据以上统计结果，本文提出的持续过负荷状态下运行能力计算算法精准度较高，与变压器实际运行能力差值在0.02p.u.以内，在误差允许范围之内。因此该模型可用于分析持续过负荷状态下运行能力变化规律。当变压器作业环境温度未达到25℃时，随着温度的增加，持续过负荷状态下运行能力保持不变，稳定在1.18p.u.。随着温度的增加运行能力随之逐渐下降，两者间存在线性关系。当温度达到40℃时运行能力降低至1.06p.u.。

3.2 小时级过负荷状态下的变压器运行能力计算

本研究以起始负荷率1.05p.u.、1.15p.u.、1.25p.u.作为分析条件，利用本文提出的算法计算3个小时级下的过负荷能力，结果如表1、表2、表3所示。

依据表中统计结果可知，不同起始负荷率情况下，当温度保持不变时过负荷能力与持续时间存在正相关关系，当过负荷能力逐渐降低时持续时间随之减少。当起始负荷率、过负荷能力相同时，随着温度的增加持续时间逐渐下降。另外，3种起始负荷率工况下，过负荷能力随着起始过负荷率的增加而降低，持续时间也将缩短。

综上，本文构建的算法可准确计算相关数值，持续过负荷状态下变压器运行能力先保持稳定，而后随着温度的升高而下降，小时级过负荷状态下的变压器运行能力与持续时间存在正相关关系。