高原环境对油浸式高压并联电抗器温升的影响

俞军伟，张智泉

摘要：高原环境大气压力较低，日照辐射较强，在夏季极端高温天气下，户外油浸式电抗器实际温升可能会超过设计值从而影响电抗器运行工况和绝缘材质使用寿命。本文旨在分析高原户外油浸式电抗器温升受高原环境的影响。

关键词：强日照辐射、油浸式电抗器、温升、绝缘材质

0 前言

某大型水电站安装有3台单相500kV户外油浸式自冷高压并联电抗器，该电抗器为气隙铁心式产品，容量60MVar，电压等级500kV。电抗器采用单芯柱加两旁轭的铁心结构，芯柱带有气隙垫块；线圈采用饼式结构；散热器安装于本体一侧。

该电站平均海拔3000m，电抗器投运后在夏季高温高原强日照辐射情况下，运行环境温度达37℃以上，电抗器油温最高达75℃，绕组温度最高达96℃，而油面温度高报警定值85℃，绕组温度高报警定值为100℃，电抗器实际运行温度较为接近温度报警限值。电抗器运行振动值变大，绝缘油色谱分析结果检测出微量乙炔。

1 高原地区的气候特点

高原地区由于海拔较高，空气压力和密度较低，温度低、温差大，高原日照时间长且辐射照度较高。[1]从表1[2]可看出，海拔每升高1000m，相对大气压降低约12%，空气密度降低约10%，相对湿度和气温随海拔高度的升高而降低，日照辐射照度随海拔高度的升高而高。

表1 环境参数与海拔高度的基本关系

环境参数	海拔高度（m）
	0	1000	2000	3000	4000	5000
平均空气压力(kPa)	101.3	90	79.5	70.1	61.7	54
最高气温(℃ )	40	40	35	30	25	20
最低气温(℃ )	5	-5	-15	-25	-40	-45
最大日温差(K)	15	15	25	25	30	30
最大太阳直接辐射照度(W/m2)	1000	1000	1060	1120	1180	1250

2 高原气压变化对电抗器温升的影响

较低的大气压力或空气密度会降低空气介质冷却效果。对于以自然对流、强迫通风或空气散热器为主要散热方式的电气产品，温升会由于散热能力降低而增加。海拔每升高1000米，平均气压会降低7.7~10.5kPa，温升会增加3%~10%；对于电力变压器或电抗器，海拔每增加100 m，油浸自冷变压器或电抗器的温升增量为额定温升的0.4%。[3]

3 高原温度变化对电抗器温升的影响

高原环境空气温度随海拔高度的增加而降低，绝缘材料的热老化寿命取决于设备平均运行温度。高原环境空气温度的降低可以部分或全部补偿因气压降低而引起的电气设备温升增加。海拔每升高100米，环境空气温度补偿值为0.5K。高原型气候日夜温差较大，较大的温度变化使电抗器各类材质产生变形、皱裂，或者影响密封结构。

4高原强日照辐射对电抗器温升的影响

（1）电抗器温升设计值

经查询厂家资料得知，按照国标绕组温升为65K，年平均温度为20℃，即绕组温度按85℃考虑，在1000m海拔下，油平均温升30.1K；油顶层温升39.2K；绕组平均温升45.6K；绕组热点温升59.2K。

（2）日照辐射对电抗器温升的影响计算[4]

按照本体的摆放方向，防火墙为东西方向摆放，下午15时接收日照辐射的功率最大，以下计算日照辐射功率按照下午15点进行计算。

1）来自日照辐射吸收的功率

①油箱上部面积Ac=8.85m2，太阳辐射功率密度qrc=674W/m2，对太阳辐射的吸收率为ac=0.95，油箱上部吸收的功率为

Pc=0.95×674×8.85=5667W

②面向西方的暴露在阳光下的散热器侧面的面积为7.17m2，箱壁散热面积7.275m2，太阳辐射功率为610W/m2，散热器侧面吸收的功率为

Pa=0.95×610×(7.17+7.275)=8371W

电抗器总的吸收功率为

P1=5667+8371=14038W

2）油箱辐射出去的功率

①油箱上部辐射的功率

按照环境温度20℃，油顶层温升50K。

油箱上部辐射功率密度q12=350W/ m2，油箱上部辐射功率P12=8.85×350=3101W

②散热器辐射的功率

按照环境温度20℃，油平均温升39K。

散热器的辐射散热面积Ar=25.12 m2，辐射功率密度q12=259W/ m2。

散热器辐射功率Pr=25.12×259=6506W

③油箱壁辐射的功率

油箱箱壁辐射面积30.08m2，辐射功率密度q12=259 W/ m2。

油箱箱壁辐射功率Pb=30.08×259=7791W

④油箱辐射出的总功率

P= P12+Pr+Pb=3101+6506+7791=17398W

在上述条件下，油箱实际辐射的功率为(17398-14038）=3360W。即虽然在日照条件下，电抗器从日照辐射中吸收功率，但同时也辐射出功率，实际电抗器在上述条件下，仍然净辐射出3360W的功率。按照国标规定，海拔高于1000m时，海拔每上升400m，温升需修正1K，本电站海拔为3000m，需修正(3000-1000 )/400=5K。结合海拔修正，在日照辐射影响下对温升重新计算结果如表2。

表2 结合海拔修正和日照辐射后温升值

	1000m海拔下各温升计算值（K）	结日照辐射影响1000m海拔下各温升计算值（K）	结日照辐射影响3000m海拔下各温升计算值（K）
油顶层温升	39.2	41.4	46.4
绕组平均温升	45.6	47.4	52.4
绕组热点温升	59.2	61.5	66.5

（3）太阳辐射照度(含紫外线辐射照度)增加对电气设备温升的影响

经上述计算可知，当结合日照辐射影响并经海拔修正后的温升值较低海拔环境下增加了7K左右。日照辐射照度随着海拔的升高而增加，海拔1000 m以上，高度每增加1000 m，日照辐射照度增加6%。高原紫外线辐射照度随海拔升高的增加率比太阳总辐射照度的增加率大得多，紫外线会引起有机绝缘材料加速老化，使空气容易电离，导致外绝缘强度降低，电晕起始电压降低。[5]

5 结论

在高原环境下，大气压力、温差变化、日照强度等因素所产生的气候特点会对电抗器的温升造成影响。电抗器的绝缘系统主要由绝缘油、绝缘纸板、层压木等液、固绝缘体组成，较高的温升会引起电抗器绝缘材质热老化。当电抗器温升越高，绝缘材质的劣化速度就越快，电抗器使用寿命就越短。因此，对于高原环境下的油浸式电抗器，当出现异常温升时，应加强监测分析，采取相应措施，控制设备温升防止超出设计限值，以免影响设备安全稳定运行。

参考文献：

[1] 中国国家标准化委员会. GB/T 4797.1～6 电工电子产品自然环境条件[S].2005

[2] 中国国家标准化委员会. GB/T 14597 电工产品不同海拔的气候环境条件[S].2010

[3] 文华，蒋石林. 高原环境条件及其对输配电设备的影响[J]. 云南电力技术，2001,29(11)

[4] 谢毓城. 电力变压器手册[S]. 机械工业出版社，2003

[5] 李德龙. 高原型气候对电气设备的影响[J]. 青海大学学报（自然科学版），2009