曹金京，张 村

(国网山东省电力公司 博兴县供电公司，山东 滨州 256500)

非晶合金干式变压器是一种损耗量低、能效转化率高的电力型变压器件，以非晶态的铁基类金属作为铁芯。由于材料本身性能受限，非晶合金干式变压器不具备有序型的长程结构分子，与变压器相关的磁化及消磁反应均比一般磁性材料更易发生。铁损量也叫空载损耗量，是非晶合金干式变压器所具备的固有理化性能，该项物理系数的实值水平比以硅钢作为铁芯材质的传统型变压器低75%左右[1-2]。由于非晶型合金材料的饱和磁密度较低，在设计变压器时不宜选择过高的额定磁通密度数值，通常在1.3 T或1.35 T的磁通密度水平下，可以获得较高的空载损耗量实值。为收获更好的使用效果，非晶合金干式变压器及与之相关的电器类产品，都必须保持全密封的结构化形式。

变压器温度与周围空气温度间的差变值叫做变压器的温升，在完整的使用寿命周期内，温度是引起绝缘材质老化的主要原因。由于变压器内部的热量传播行为并不完全均匀，各部位之间的温度差别始终较大，因此在变压器保持额定负荷水平时，必须对各部分的温度升高量做出严格规定，这也是变压器唯一允许的温升条件[3]。在实际应用过程中，变压结构体的工作频率会随使用时间的延长而开始不断提高，从而导致元件重量及体积逐渐减小，造成变压器在温度方面的实际损耗量持续增加，这也是导致温升性问题的主要原因之一。为避免上述情况的发生，非晶合金干式变压器温升异常监测方法通过计算导热系数与三维温度场的方式，确定高频温升形态下的磁芯损耗与绕组损耗总量，从而实现对异常性温升行为的实时监测。

1 非晶合金干式变压器的温度场分析

在试验状态下，对非晶合金干式变压器温度场的分析共包含热源计算、导热系数计算、三维温度场计算三个环节。

1.1 热源计算

在变压器温度场中，热源是指高频温升漏感量最高的区间。由于额定电流的输出水平较高，必须先借助升压装置将上段输入电流提升至指定数值标准。在此情况下，变压器高压侧采取“三角形”接线原则，将非晶合金干式热源结构体放置在变压环路的中心位置，在其边缘设置多个独立的变压结构体。因其中最长接线端电压数值的平方等于其他较短接线端电压数值的总和，与直角三角形勾股定理的思路较为相似，因此将其定义为“三角形”接线原则[4-5]。

接线场景如图1所示。

图1 非晶合金干式变压器的“三角形”接线场景布置

在整个变压器回路中，由于电子传输速率不断变化，不同接线端的温升量也均不相同。假设T0为初始状态下非晶合金干式变压器的最小温升监测数值；T1为非晶合金干式变压器的最大温升监测数值；Δt为温度场内的温升变化时长；μ为变压器升温系数，联立上述各项物理量，可将非晶合金干式变压器的热源计算式定义为

(1)

1.2 导热系数计算

因“三角形”接线原则的限制作用，变压器在三维温度场中存在明显的“过导”和“半导”状态，且两种作用状态均能造成变压器出现异常性温升的情况。所谓“过导”是指在导热系数过大的情况下，传输电流在非晶合金干式变压器中大量累积，进而造成已抒发热值总量的提升，从而引发变压器的异常温升。而“半导”则是指在导热系数过小的情况下，传输电流无法正常进入非晶合金干式变压器中，导致变压器结构内部的实际电压难以达到理想消耗条件，从而导致缺电型异常温升的现象[6-7]。由于导热系数的存在，非晶合金干式变压器的温升异常行为不会无限增大，而是始终在异常值边界区间内不断波动。在整个异常值边界区间内，最小值约等于常规温升的最大值，而最大值则有可能远高于常规温升数值的几倍或几十倍。联立式(1)，可将非晶合金干式变压器的导热系数表示为

(2)

1.3 三维温度场计算

非晶合金干式变压器的三维温度场由xz平面、xy平面、yz平面三结构组成。假设Cx、Cy、Cz分别代表xy平面、yz平面、xz平面的实际变压器温升数值，联立公式(2)，建立非晶合金干式变压器的三维温度场模型如下：

(3)

式中：σx、σy、σz为代表不同温升平面内的变压器电阻变化量，Ω;Bx、By、Bz分别为不同温升平面内的变压器温感电流变化量，A。在此基础上，结合三维温度场模型，利用红外测温设备获得xz平面、xy平面、yz平面上的温升图(见图2～图4)。

从图2所示的xz平面温升图来看，变压器铁心温度由底部到顶部始终保持阶梯状分布状态，平均温度数值先上升再降低。总体来说，下段铁心部件的温度数值较低，而中上段的温度数值较高[8]。

图2 zx平面温升图

从图3中xy平面温升图来看，非晶合金干式变压器的高压绕组端温度最高，而铁心处的温度最低，整个低压绕组端与铁心之间的气隙温度大体上与铁心处的温度数值保持一致。高压绕组结构之间的气道温度数值只能呈现梯度分布状态，且绝缘挡板处的温度数值必须时刻保持最低[9]。

图3 xy平面温升图

从图4中yz平面温升图来看，非晶合金干式变压器铁心处的实际温度数值不是很高，最热点也只能达到37.6 ℃，这也充分显示了非晶状铁心结构体损耗低、温升低的特点。

图4 yz平面温升图

2 温升异常监测方法设计

在非晶合金干式变压器温度场条件的支持下，按照确定变压器高频温升漏感、计算磁芯损耗与绕组损耗的流程，实现对变压器温升异常的有效监测。

2.1 变压器高频温升漏感计算

由于变压器高频温升场中集中了全部的漏感电量，因此可以根据压流转换情况确定等效的漏感计算数值。

在已知非晶合金干式变压器结构尺寸与额定电流输出能力的前提下，计算已出漏的电量，可得到漏感实值。对首次绕组的电压模型作简化处理，在异常温升条件下，将绕组等效为一种简易的变压器长螺线管，由于每次绕组处理的电量动势值完全相等，而绕组结构间流过的电流方向却正好相反，因此可将各层绕组元件间的漏感电量等效为由匝数相同线管所产生的电量场[10]。受到变压器临近效应的影响，每个绕组中的电流分布情况都是不同的，处于方便性考虑，可对其进行初步简化处理，人为规定初次级绕组所产生的电量场与流过其中的应用电流始终保持正比关系。图5显示了非晶合金干式变压器绕组的断面以及其电量场分布情况。

图5 非晶合金干式变压器中的高频温升场分布

图5中，H1、H2、H3、H4分别为变压器高频温升场中四个不同方向上的电量强度，在此基础上，联立式(3)，可将变压器高频温升漏感量的计算式定义为

(4)

2.2 磁芯损耗

当去掉外部温升漏感电场时，非晶合金干式变压器的一部分电量材料可以在最短时间内的恢复到初始位置。然而，还有一部分电量材料始终无法恢复到初始位置。即在外加温升漏感电场的作用下，这部分电量材料会出现刚性转动行为，此时即使去掉外界电场作用，也可保持原有电量传输方向[11]。由于这部分电量在温升变化的过程中会克服物理摩擦力使磁芯快速发热从而损耗能力，而这部分被损耗的热量也就是磁芯损耗。在磁芯被动升温的一个周期内，每单位体积电量的损耗都等于变压器回线所包围的面积。相对来说，变压器磁芯的电感回线越狭窄，与之相关的磁芯损耗量也就越小；电量转换频率越高，磁芯的密度数值也就越大，变压器电感回线所包围的面积也就越大，与之相关的磁芯损耗量也就越大[12]。联立式(4)，可将变压结构体在温升异常情况下的磁芯损耗量表示为

(5)

式中：假设N0为非晶合金干式变压器线圈的原边匝数;N1为副边匝数;V1为非晶合金干式变压器线圈的副边电压有效值，kV;I0为原边电流的有效值,A;θ为V1与I0之间的实际相位差。

2.3 绕组损耗

在高频温升条件下计算变压器绕组损耗时，需要同时考虑邻近效应与集肤效应的作用影响。当两根相邻导线距离极近时，彼此之间的电量影响并不能完全忽略，而在高频电流反向流过变压结构体时，电流会因为温升漏感电场的作用而在绕组临近侧快速流动，这种现象被称为变压器绕组损耗的邻近效应。在已出漏电量保持相对高频的输出情况时，电流集中在非晶合金干式变压器的外表层，即电流流过的导线实际截面减小会导致变压结构体的交流电阻增大，即损耗功率也随之增加，这种现象被称为变压器绕组损耗的集肤效应[13-14]。对于绕组损耗来说，邻近效应的影响强度远高于集肤效应。联立式(5)，可将非晶合金干式变压器的温升绕组损耗表示为

(6)

3 实用监测能力分析

为验证本研究设计的非晶合金干式变压器的温升异常监测方法的实际应用能力，设计如下仿真实验。

首先将高低压绕组分别与非晶合金干式变压器的可调直流电源相连，然后将等效铁心与可调交流电源相连，再在连接温度传感器与数值记录仪表的同时，打开升温控制设备与超声波流速传感器。

一般来说，非晶合金干式变压器在冲击负荷或空载状态下运行，因此，本次实验主要研究在温度损耗数值不断上升的情况下，非晶合金干式变压器温度场及所承担电子冲击负荷量的变化趋势，并根据所记录数值绘制场强负荷曲线。

实验设计的温升试验平台如图6所示。

图6 非晶合金干式变压器温升试验平台

已知非晶合金干式变压器的可控温度场范围为[10E，90E]。在此基础上，选取50、100、150 ℃三个温度损耗量作为参考数值，记录在温升异常情况下，非晶合金干式变压器温度场强的具体变化情况，其温度场强负荷曲线如图7所示。

图7 非晶合金干式变压器的温度场强负荷曲线

分析图7可知，随温度损耗量的增加，非晶合金干式变压器的温度场强整体呈现一种波动性上升的变化态势。当温度损耗量为50 ℃时，可取变压器温度场强的最小值20E，高于最低可控场强数值10E；当温度损耗量为150 ℃时，可取变压器温度场强的最大值75E，低于最高可控场强数值90E。由此可知，应用本研究设计的温升异常监测方法后，非晶合金干式变压器的温度场强一直处于可控范围内，在很大程度上保证了变压器工作状态的稳定性。

表1所示为当温度损耗量分别等于50、100、150 ℃时，随监测时间的延长，非晶合金干式变压器的实际电子冲击负荷量变化情况。

分析表1可知，当温度损耗量为50 ℃时，电子冲击负荷量共出现两次稳定的数值波动状态；当温度损耗量为100 ℃时，电子冲击负荷量只出现一次稳定的数值波动状态；当温度损耗量为150 ℃时，电子冲击负荷量共出现三次稳定的数值波动状态。综上可知，温度损耗量的变化不会影响非晶合金干式变压器电子冲击负荷量的稳定波动状态，表明应用本研究设计的温升异常监测方法后，变压器电子冲击负荷量变化情况稳定，与理想化情况保持一致。

表1 非晶合金干式变压器的电子冲击负荷量

4 结 语

在热源计算量、导热系数等温度场条件的支持下，本研究设计的新型非晶合金干式变压器温升异常监测方法可在确定变压器高频温升漏感的同时，计算获得准确的磁芯损耗与绕组损耗数值。在温度损耗量持续增加的环境下，非晶合金干式变压器温度场强与电子冲击负荷量均满足理想化运行条件，证明该方法可有效解决变压结构体的连续性温升问题，维护变压器工作状态的稳定。