1 主题内容与适用范围

1 主题内容与适用范围

本标准规定了变压器冷却方式的标志、变压器温升限值及温升试验方法。

本标准适用于符合GB 1094.1规定的电力变压器。

2 引用标准

2 引用标准

GB 1094.1-1996 电力变压 器第1部分 总则

GB 3536-83 石油产品闪点和燃点测定法(克利夫兰开口杯法)

GB 6450-86 干式电力变压器

GB 11021-89 电气绝缘的耐热性评定和分级

GB／T 13499-92 电力变压器应用导则

GB／T 15164-94 油浸式电力变压器负载导则

3 冷却方式的标志

3.1 对于干式变压器，冷却方式的标志按GB 6450的规定。

3.2 对于油浸式变压器，用四个字母顺序代号标志其冷却方式。

第一个字母表示与绕组接触的内部冷却介质：

O 矿物油或燃点不大于300℃的合成绝缘液体；

K 燃点大于300℃的绝缘液体；

L 燃点不可测出的绝缘液体。

注：燃点用“克利夫兰开口杯法”试验。

第二个字母表示内部冷却介质的循环方式：

N 流经冷却设备和绕组内部的油流是自然的热对流循环；

F 冷却设备中的油流是强迫循环，流经绕组内部的油流是热对流循环；

D 冷却设备中的油流是强迫循环，(至少)在主要绕组内的油流是强迫导向循环。

第三个字母表示外部冷却介质：

A 空气；

W 水。

第四个字母表示外部冷却介质的循环方式：

N 自然对流；

F 强迫循环(风扇、泵等)。

注：①在强迫导向油循环的变压器中(第二字母代号为D)，流经主要绕组的油流量取决于泵，原则上不由负载决定；从冷却设备流出的油流，也可能有一小部分有控制地导向流过铁心和主要绕组以外的其他部分；调压绕组和(或)其他容量较小的绕组也可为非导向油循环。

②在强迫非导向冷却的变压器中(第二个字母的代号为F)，通过所有绕组的油流量是随负载变化的，与流经冷却设备的用泵抽出的油流没有直接关系。

一台变压器规定有几种不同的冷却方式时，在说明书中和铭牌上，应给出不同冷却方式下的容量值(见GB 1094.1第7.1条m项)，以便在某一冷却方式及所规定的容量下运行时，能保证温升不超过规定的限值。在最大冷却能力下的相应容量便是变压器的(或多绕组变压器中某一绕组的)额定容量。不同的冷却方式一般是按冷却能力增大的次序进行排列。

例1：ONAN／ONAF变压器装有一组风扇，在大负载时，风扇可投入运行，在这两种冷却方式下，油流均按热对流方式循环。

例2：ONAN／OFAF变压器带有油泵和风扇的冷却设备。也规定了在自然冷却方式(例如，辅助电源出现故障的情况下)，降低负载后的冷却能力。

4 温升限值

4.1 概述

变压器的温升限值是根据不同的负载情况而作出规定。

对于连续额定容量下的温升，按4.2条的规定。

对于有明确规定负载周期时，应给出与规定的负载周期图相关的附加要求(见第4.4条)，主要适用于系统中的大型变压器，对大型变压器的急救负载应特别注意。而这些要求通常不能用于标准的小型或中型变压器。

变压器某一部分的运行温度，假设表示为冷却介质(环境空气或冷却水)温度与该部分温升之和。

变压器各部分的温升值是变压器的特性参数之一，是制造厂的保证值，变压器应承受规定条件下的温升试验，在询价和合同中若没有提出“特殊使用条件”时，应以正常的温升限值为准；特殊使用条件下的温升限值应按第4.3条的规定进行修正。

温升限值不允许有正偏差。

4.2 连续额定容量下的正常温升限值

变压器有一个分接范围超过±5％的带分接绕组时，在与每个分接相应的分接容量、分接电压和分接电流下，不同分接的负载损耗是不同的，有时空载损耗也不同(即在分接范围内采用了变磁通调压方式)。温升限值应适用于每个分接(参见GB 1094.1第5.6条)，温升型式试验应在最大电流分接上进行(另有规定除外)。

注：在独立绕组变压器中，最大电流分接一般是最大负载损耗分接。

在带分接的自耦变压器中，温升试验时，应根据分接的布置来选择分接。

对于多绕组变压器，当一个绕组的额定容量等于其他绕组额定容量之和时，温升试验要求所有的绕组同时带各自的容量值。如果情况不是这样，应规定一个或多个特定的负载组合进行温升试验(详见5.2.3条)。

在具有同心式线圈排列的变压器中，两个或多个独立线圈上下排列且容量及尺寸都相同时，绕组温升读数的平均值应不超过绕组温升限值；如果容量和(或)尺寸不相同时，则应按协议进行评估。

油浸式变压器(字母代号为O)在连续额定容量稳态下的温升限值^1]规定如下：

顶层油温升(见5.3.1)

油不与大气直接接触的变压器 60K

油与大气直接接触的变压器 55K

绕组平均温升(用电阻法测量，见5.4条) 65K

对于铁心、绕组外部的电气连接线或油箱中的结构件，不规定温升限值，但仍要求温升不能过高，通常不超过80K，以免使与其相邻的部件受到热损坏或使油过度老化。对于大型变压器，可通过特殊试验进行探讨(见附录B)。

对于更高绝缘等级的绝缘系统和(或)浸于难燃液体中的变压器(字母代号为L或K)，其温升限值应按协议规定。

对不同绝缘耐热等级(按GB 11021评定和分级)的干式变压器，其温升限值按GB 6450的规定。

4.4 规定的负载周期中的温升

如果对某一负载周期需要规定温升的保证值和(或)特殊试验时，应明确以下各项要求：

a. 变压器初始温度条件(或是环境温度，或是与规定的低于额定电流“预负载”相应的稳定温升)；

b. 试验电流(恒定)的幅值(表示为额定电流的倍数)及其持续时间；

c. 试验终了时顶层油温升和绕组平均温升(用电阻法)最大允许值可在没有任何事先协议限制下，只为取信息而进行本试验，该值提出与否均可。

d. 要进行的特殊观察或测量(例如直接测量热点温度，观测油箱发热的热象图及与其有关的可能限值)。

有关对负载周期研究方面所需的进一步讨论、建议以及特殊的测量与评价，见附录B的B4条。

5 温升试验

5.4 绕组平均温度的测定

绕组平均温度是通过绕组电阻确定的。三相变压器中，最好在中柱进行测量。温度θ₂下的电阻R₂与θ₁下的电阻R₁之间的比值为：

变压器应在稳定的环境温度下进行绕组电阻(R₁，θ₁)的测量(见GB 1094.1第10.2.3条)。在另一温度θ₂时测出的电阻为R₂，则可得到温度θ₂值为：

令切断电源时，外部冷却介质的温度为θ_a，则绕组温升为：

绕组电阻是在切断电源并去掉短路接线后进行测量，电源切断瞬间的电阻R₂按第5.5条确定。

5.5 电源切断瞬间的绕组温度的确定

温升试验要求准确测定电源切断瞬间的绕组平均温度，其标准方法如下：

在切断电源和打开短路接线后，立即将要测的绕组接入直流测量电路，由于绕组的电气时间常数(L／R)较大，因而只有经过一段时延后，才能测得准确的电阻值。因绕组在切断电源后开始冷却，绕组电阻随冷却时间变化，故应有足够的测量时间，以便允许用外推法推算电源切断瞬间的绕组温度。

附录C推荐了测量方法以及特殊情况下可采用的更好的方法。

在测量电阻的同时，应尽量排除外界对冷却条件的干扰，以便尽量获得准确的数据，这与强油冷却方式的油浸式变压器有关，附录A就这个问题作了进一步的分析。

附录A

附录A

有关强迫油循环变压器油温的说明

(参考件)

油浸自冷式变压器中，流过绕组的稳态油流量原则上等于流经散热器的油流量。

强油导向循环的变压器中，从冷却器流出的油流，只有部分泄漏，或者有意控制的分流流入油箱内的自由空间，这与油浸自冷式变压器的油流状况相同。

强油非导向冷却的变压器中，流经绕组的油流量不等于流经散热器的油流量。

对于强迫油循环非导向(OF)冷却的变压器，在有限制的过载运行时，泵的总容量必须满足流过绕组最大油流量的要求。因此，在额定负载或降低负载时，流经冷却器中的油，有相当多的一部分是在油箱内绕组外流动的，这部分油流因温度不变而缓慢地上升到绕组顶部，且与从绕组顶部流出的热油相混合。

流经绕组的热油流与油箱内较冷的分路油流以紊流的方式混合，绕组出口处到油箱顶部间充满了温度比较均匀的混合油，混合油的温度比刚离开绕组顶部的油要低。

通常测出的顶层油的温度就是该混合油的温度，若将此测量值用于确定绕组内部的油平均温度和绕组与油之间的温差，则所得的结果是不真实的，当用于计算热点温度和研究负载能力时，可能导致错误。

确定绕组内部油温度的另一可用的方法，是“外推平均油温法”。根据这个方法，在切断电源后，继续以测量电阻的方式对绕组平均温度再监测一段时间。电阻变化率约在5 min～20 min内逐渐下降到零，由于绕组内已没有损耗，绕组的温度将逐渐接近于周围油的温度。为此，假设油平均温度是不变的(或者只随变压器内总体油温度下降而略有下降)。上述假设是不科学的，对于某些结构的变压器，用此方法测试的结果是相当不真实的。

事实上，还没有仅依靠在绕组以外测量的方法来确定OF冷却方式变压器“绕组周围油温度”的准确方法。

电源切断后，进行绕组温度测量同时，应尽量减少对冷却条件的干扰(见5.5条)。电源切断前，绕组周围自由空间的油含有“底部油”的温度，绕组也得到这个温度下的油，冷却器得到的油是绕组油出口上方的油箱顶部的混合油。

切断电源后，油仍以不同的方式继续循环：

a. 泵和风扇继续运行时，冷却器继续接受混合油，并继续向油箱内提供具有底部油温度的油，因此混合油的温度开始下降，底部油的温度也随之下降。

b. 泵继续运行，但风扇停止时，冷却器向油箱底部提供几乎等于顶层油温的油，此油又从油箱底部上升，并与绕组周围的油混合。

c. 泵和风扇都停止运行时，绕组继续对油箱顶部提供热油，顶层油和底部油之间的分界线开始下降到低于由绕组流出的油出口处的水平线。因而，将逐渐改变绕组外部由温度引起的油压差，并影响绕组内部油流的上升。

一般都倾向于保持泵和风扇继续运行，不同方式之间在试验结果上的差别与绕组内油温分布的很不确定性相比，确实是不重要。

附录B

B1 概述

稳态温升试验的结果，可用来估算不同负载状态下的稳态温升值(见5.2条)，若变压器热时间常数已知的情况下，也可用来估算暂态温升。

对于中型和小型变压器，可根据传统数学模型进行估算(见B2和B3条)。

对于任何特指的大型变压器，传统的数学模型的有效性较之中型和小型变压器要差。因此，进行负载能力研究时(例如，高于额定容量的急救负载)，建议按具体变压器求得的有关数据，用超过额定容量的暂态负载进行特殊试验，B4条推荐了有关试验程序及观察的方法。

B2 油浸式变压器绕组内部温度分布的数学模型――热点概念

冷却油流入绕组底部，并且具有“底部油温度”，底部油向上流经绕组，并假设其温度是随绕组高度呈线性上升，绕组损耗产生的热量从绕组表面向油传递，热量的传递要求绕组本身和绕组周围油之间存在温度差(假设：在所有不同高度处的温差均相同)，所以，绕组温度分布线与油温度分布线呈两条平行直线(见图B1)。

出现在绕组绝缘系统某部位的最高温度叫做“热点温度”。热点温度被假设为代表变压器负载的热极限值，变压器的其他部件(如套管、电流互感器、分接开关等)均不应限制变压器的负载能力(见GB 1094.1第4.2条)。

靠近绕组上端部位，涡流损耗往往比较集中，并可能还要特殊加强电气绝缘，从而增加了隔热程度，因此，这部位的导体与油之间的温差比较高，这一特性用热点系数来体现。对配电变压器，热点系数取1.1；对中型电力变压器取1.3；对于大型变压器，依结构而异，此系数值变动较大，制造厂应按要求提供数据(除非按B4条的要求进行了实际测量)。

绕组与油之间的稳态温差沿绕组高度的平均值，是用电阻法测得的绕组平均温度与油平均温度之间的差(分别见5.4条和5.3条)。

高于外部冷却介质(空气或水)的稳态热点温升等于：

[高于冷却介质的顶层油温升]+[热点系数]×[绕组高于油的平均温差]

对强迫非导向油循环的冷却变压器(标志为OF)，仅按5.3条和5.4条进行测量时，其顶层油温度和油平均温度的概念是不明确的(见附录A)。

不同负载下的温升值，可用规定负载下的稳态温升测量值进行计算(见5.6条规定的指数函数计算法)，随结构的不同，只在限定的负载范围内才有一定的准确性，第5.6条给出了相当狭窄的负载变化范围，当估算的准确度要求较低时，负载范围可适当地放宽，用指数计算，仍可得到有用的结果。

B3 热时间常数

负载和(或)冷却条件变化时，绕组和油的温度将经过一段时延而随着变化，通常，用两个时间常数来描述：

其中一个，反应整个变压器的热容量(之中，油的热容量占主要地位)，一般在1 h～5 h，较小者适用于结构紧凑的大型强油循环冷却的变压器；较大者适用于自冷式变压器。另一个时间常数小，约在5 min～20 min，反映了绕组与油之间的温差随着损耗变化的过程。

在变化的状态下，绕组高于冷却空气(或水)的温升表示为时间常数大的油温升与时间常数小的绕组高于油的温升之和。关于暂态温升随时间变化的数学表达式，按GB／T 15164―94《油浸式电力变压器负载导则》的规定。

干式变压器的数学模型，见有关标准。

B4 暂态负载下的温升试验(推荐方法)

可按协议用4.4条的方法，在限定的持续时间内，用高于额定电流的负载进行温升试验(如：可有意模仿作为急救负载一天内的峰值负载时间)。

推荐的试验负载方式是施加恒定电流值(表示为额定电流的倍数)，在持续规定的时间之后，切断电源。若取短路接线法进行试验时，与额定负载稳态温升试验方法相同(选用负载电流的规定值，可以适当考虑空载损耗)。

对实际负载周期是可以计算的(例如，按照GB／T 15164―94《油浸式电力变压器负载导则》的方法，根据最大温度值，确定近似等效的简化负载周期)。应规定试验开始时变压器是处于工厂的实际环境温度还是处于与某一特定的“预负载”电流(额定电流的分数值)下相应稳态温度条件。

温度传感器的数量至少应与额定稳态温升试验时所用的相同，切断电源时的油和绕组温度(平均值，用电阻法测量)按标准的方法来确定。

经协商同意时，在油箱内还可附加装置温度传感器，若以记录绕组热点温度为目的时，应将温度传感器置于绕组内部，由于最热点的位置很难预先准确确定，加之油流的随机变化，各不同位置的温度也会随之变化，因此最好同时用多个传感器。对大型变压器，实测的某点温度，也可能与按B2条以及GB／T 15164―94《油浸电力变压器负载导则》所推荐的传统数学模型(估算值)有较大的差异。除非已有在结构相似的产品上测量的经验，否则本研究只属探索性的工作。必须特别注意有关变压器的温升的具体技术参数。

为减少试验对试品损坏的风险，可应用红外摄影技术对油箱和电气端子的局部温度进行监测。还可临时装置温度传感器，对油箱内部金属结构件进行监测。温升试验前后均应进行油中气体分析，以判断有无潜伏性的过热隐患(见附录C4条)。

附录C

C1 稳态温升试验截尾

符号含义

θ 温度，℃；

θ(t) 随时间(t)变化的油温度(顶层油温或油平均温度)，℃；

θ_a 外部介质温度(环境空气温度或水温度)，假设为恒定，℃；

Δθ 高于θ_a的油温升，K；

θ_u 稳态温度，℃；

Δθ_u 稳态温升，K；

e(t) 时间(t)时，偏离稳态温度的剩余偏差；

T₀ 油温升按指数变化的时间常数，min(或h)；

h 两次读数时间间隔；

θ₁、θ₂、θ₃间隔为h的连续3个温度，℃；

温升试验原则上应一直进行到能确定油稳态温升时为止，环境温度或冷却水温度应尽可能保持恒定不变。假设油温θ(t)按时间常数T₀呈指数函数将趋近于稳态温度θ_u，其环境温度为θ_a，最终稳态温升为Δθ_u，则：

（1)

(2)

因此，偏离稳态温升Δθ_u的剩余偏差为：

(C3)

在相同时间间隔下的诸ε值，构成一个几何级数。故允许按图C1所示的图解外推法来计算最终温升值。

对曲线任何两个相邻点，其时间间隔为h时，则有：

(C4)

(C4a)

在任何稍后的时间(t+t₁)下：

(C5)

试验截尾准则，遵守温度的变化率降到每小时1 K。即：

h=1且Δ(Δθ)_t＜1时，公式(C4a)给出：

试验还应进行3 h，然后停止。最后一个小时中的平均温升，便是试验结果值T₀=3 h时，截尾误差从理论上说大约为1 K；若时间常数较之还小，则此误差更小；反之则大。

时间常数T₀可用不同的方式估算。

按变压器铭牌上的数据进行估算：

(C6)

式中：Δθ_u是估算的最终顶层油温升，K；

重量，t；

损耗，kW。

油重量，去掉储油柜中的油重量(因为其不参与油温变化)。

按试验过程中时间间隔均为h的连续几个读数进行估算：

已知连续三个读数Δθ₁，Δθ₂，Δθ₃，若指数函数式(2)有效地逼近温度曲线时，那么，其增量的关系如下：

则：

(C7)

用式(7)所用的几个读数也可推断稳态(最终)温升值：

(C8)

应连续几次进行估算，并且应一致收敛，为避免较大的随机数学误差，其时间间隔应近于T₀，而且Δθ₃／Δθ_u应不小于0.95。

稳态温升更准确的计算值，可由高于60％Δθ_u(Δθ_u通过三点法来计算)的各测量点，用最小二乘法外推求出。

用另一公式估算稳态(最终)温升值：

(C9)

C2 电源切断后绕组电阻测量程序

按第5.5条指出的，在试验达到稳定后，通常是用测量绕组直流电阻的方法来确定绕组的温升。由于绕组的温度以及电阻是随时间变化的，确定电源切断瞬间的绕组电阻是至关重要的程序(此外推程序见第C3条)。

切断试验电源后应尽快地开始电阻测量，由于直流测量时，电流稳定需要一段时间，绕组中存有电感的电压降，因而开始测量时的读数可靠性要差，为减少电流稳定所需的时间，可采用下述方法：

使铁心饱和，将有效电感从一高的“空载”值下降到与短路电感同一数量级的值。

使用恒流电源，选用电子式稳定电源或带有一个大的附加串联电阻器的大容量蓄电池。

铁心饱和是指建立一定数量的磁通(其量纲为伏秒“Vs”)，在电路中用高电动势，因而减少了时延，可降到几秒钟。

被试的一对绕组，可以分别接到两个独立的直流电路或串联后接到一个共用的电源，应使电流方向与铁心磁饱和相配合。

饱和后的电时间常数既使在不利的条件下，也可降到几秒钟。温差1 K对应于电阻相对误差约1／300，作为指数衰减的误差，将对应于5～6倍电气时间常数的时延。因而，在达到饱和后不到一分钟的时间内，即可测得有用的电阻值。

对于特殊的情况，可选用其他方法进行测量，有一种方法是取用一个绕组上电压的电感分量，该绕组是开路的，且不是直流回路的一个部分，并用此电感分量来校正被测绕组上的电压。

当一个绕组具有两个并联且平衡良好的“半线圈”时，可以将直流接入其中的一个“半线圈”，而从另一个返回，这种方法允许对电阻进行监测，原则上不存在电感的影响，甚至在变压器施加交流的同时，也可以进行测量。

C2 电源切断后绕组电阻测量程序

按第5.5条指出的，在试验达到稳定后，通常是用测量绕组直流电阻的方法来确定绕组的温升。由于绕组的温度以及电阻是随时间变化的，确定电源切断瞬间的绕组电阻是至关重要的程序(此外推程序见第C3条)。

切断试验电源后应尽快地开始电阻测量，由于直流测量时，电流稳定需要一段时间，绕组中存有电感的电压降，因而开始测量时的读数可靠性要差，为减少电流稳定所需的时间，可采用下述方法：

使铁心饱和，将有效电感从一高的“空载”值下降到与短路电感同一数量级的值。

使用恒流电源，选用电子式稳定电源或带有一个大的附加串联电阻器的大容量蓄电池。

铁心饱和是指建立一定数量的磁通(其量纲为伏秒“Vs”)，在电路中用高电动势，因而减少了时延，可降到几秒钟。

被试的一对绕组，可以分别接到两个独立的直流电路或串联后接到一个共用的电源，应使电流方向与铁心磁饱和相配合。

饱和后的电时间常数既使在不利的条件下，也可降到几秒钟。温差1 K对应于电阻相对误差约1／300，作为指数衰减的误差，将对应于5～6倍电气时间常数的时延。因而，在达到饱和后不到一分钟的时间内，即可测得有用的电阻值。

对于特殊的情况，可选用其他方法进行测量，有一种方法是取用一个绕组上电压的电感分量，该绕组是开路的，且不是直流回路的一个部分，并用此电感分量来校正被测绕组上的电压。

当一个绕组具有两个并联且平衡良好的“半线圈”时，可以将直流接入其中的一个“半线圈”，而从另一个返回，这种方法允许对电阻进行监测，原则上不存在电感的影响，甚至在变压器施加交流的同时，也可以进行测量。

C4 油中气体分析

在温升试验中，即使存在着局部过热，也不一定会显示出异常的温升值，而采用溶解于油中气体的色谱分析，可以有效地探测可能存在的局部过热。

经溶解于油中气体分析，一般能判断绕组或结构件轻度过热，比如说170℃～200℃，或者判断出严重局部过热，比如说300℃～400℃(例如，因存在着不应有的接触而引起涡流电流)。

随着变压器容量的增大，漏磁通的影响是个潜在的危险因素，特别是对于大型变压器，用油中气体分析来判断局部过热更有意义。