干式变压器热时间常数的计算和试验方法

干式变压器热时间常数的计算和试验方法
０概述
变压器短时过负荷（以下简称过载）运行是一种发热的过渡过程。

过载某一时刻的绕组温升可按下式计算：
θ＝θ■＋（θ■－θ■）（１－ｅ■）（1）
式中t——过载时间，min；
θ——过载时间为t所对应的绕组平均温升，K；
θ■——t=0时绕组平均温升，即正常运行时绕组初始温升，K；
θ■——过载稳定后绕组的平均温升，K，与变压器过载倍数有关；
τ——在过载状态下的热时间常数，min。

干式变压器和油浸变压器不同的是没有油，因此在讨论干式变压器短时过负荷能力时仅需考虑干式变压器高、低压绕组的短时过负荷能力。

由（1）可知，绕组短时过负荷能力的大小取决于绕组的热时间常数，而热时间常数和绕组的热容量、损耗水平以及额定温升等因素密切相关。

１热时间常数的计算
干式变压器的热时间常数（理想值）是指干式变压器在恒定负债条件下，温升达到变化值的63.2%所需经历的时间，也等于变压器从稳定温升状态下断开负载，在自然冷却状况下，温升下降63.2%所需的时间，对于干式变压器，其高低压相互独立，故计算时需分别处理。

根据IEEE C57.96-1999（R2005）IEEE Guide for Loading Dry-Type Distribution and Power Transformer中A.8.3提供的公式：
τ■＝■（2）
式中：τ■——额定负载下的热时间常数，min；
C——比热容，W·min/K；
Δθ■——额定负载下的稳定温升，K；
θ■——铁心引起的温升对线圈的影响，对于内线圈，取20K，外线圈，取0K;
Ｐ■——线圈的负载损耗，W。

对于比热容C的计算，通常采用以下公式：
Ｃ＝Ｃ■*m■+C■*m■（3）
式中：Ｃ■——导体的比热值，Cu取6.42（W·min）/（kg·K），Al取14.65（W·min）/（kg·K）；
m■——导体质量，单位kg；
C■——绝缘材料的比热，对于树脂取24.5（W·min）/（kg·K）；
m■——绝缘材料质量，单位kg。

需要注意的是，在式（3）中的树脂比热值取24.5（W·min）/（kg·K）与IEEE C57.96-1999（R2005）IEEE Guide for Loading Dry-Type Distribution and Power Transformer中选用的6.35（W·min）/（kg·K）是有很大区别的，这是因为，在美国，应用最广泛的干式变压器主要还是敞开式的，而不是环氧浇注式的，其绝缘材料和组成也不一样。

根据相关参考资料，环氧树脂的比热约2000J/kg·K=33.3（W·min）/（kg·K）,环氧浇注干式变压器绕组中的主要填充材料为玻璃纤维的比热约为800J/kg·K=13.3（W·min）/（kg·K）,绕组中树脂质量与玻璃纤维质量的
比值大于1。

因此，树脂及其它绕组绝缘的比热应不小于23.3（W·min）/（kg·K），根据实际测量约为24.5（W·min）/（kg·K），IEEE C57.96-1999（R2005）中给出的6.35（W·min）/（kg·K）是切实际的。

此外，对于不同的负载条件，变压器的初始温升和稳定温升也各不相同，因此，其热时间常数取值也不相同，根据IEEE C57.96-1999（R2005）IEEE Guide for Loading Dry-Type Distribution and Power Transformer 采用公式（4）进行计算：τ＝τ■*■（4）
式中：m为经验系数，通常取0.8。

２变压器时间常数测量试验
变压器热时间常数测量试验，即测量变压器的平均温升变化到63.2%所需经历的时间，其实质是测量变压器温度上升过程中的电阻变化情况，其试验可与变压器温升试验同时进行，其关键在于带电测温。

以相互负载法进行温升试验为例，试验电路图如图一所示，具体事项如下：
２．１按图1可进行高压、低压带电测温。

２．２测低压热电阻时：Ty低压中点引线可作电流回路，T1低压中点引线可作电压回路。

Tx低压侧中点应引出两跟线：一为电压回路，一为电流回路。

２．３测高压热电阻时：Ty高压中点引线可作电流回路，T2高压中点引线可作电压回路。

（同理）
２．４测低压电阻时：因为电阻很小，应选四端式电桥（即双臂电桥），可测10-6～102Ω,最好是反接法。

２．５测高压电阻时，根据三相并联电阻的预值的大小来选择电桥接法。

若小于100Ω，可采用双臂电桥，大于100Ω以上用单臂电桥。

此图是双臂电桥，按正接法。

２．６送电时，要测（低压侧/高压侧）电压回路的零序电压，应小于1V 以下，否则检流计受电流干扰，测不出数。

如果有较大电压，应设法滤波，并在检流计回路上串联电感—电容低频滤波器。

３计算值与试验值得比较
表1为我公司800～1600kV A常规干式变压器额定电流和半额定电流下的时间常数计算值与试验值的比较。

４结论
干式变压器的负载能力取决于绕组热时间常数。

绕组热时间常数不是固定不变的，它不但取决于绕组本身的热容、额定损耗和额定温升，而且还随初始负载系数和过载系数的大小而变化。

本文所提供的热时间常数计算公式及方法能较准确的计算环氧树脂浇注式干式变压器的热时间常数，并经过试验验证时切实可行的。