油浸式變壓器繞組溫度的測(cè)量方法研究

楊文琛 畢露月

（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山528000）

0 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中重要的一次設(shè)備，其安全運(yùn)行直接影響到供電可靠性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。大部分變壓器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，極可能因運(yùn)行溫度過(guò)高導(dǎo)致絕緣能力下降，使變壓器使用壽命大為縮短。為了保證變壓器安全可靠運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命，對(duì)變壓器繞組溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)就十分必要。目前，測(cè)量變壓器繞組溫度的方式有如下幾種：直接測(cè)量法、間接計(jì)算測(cè)量法、光纖光柵測(cè)量法、熱模擬測(cè)量法。本文主要介紹了各種不同測(cè)量方法的原理，并對(duì)各種測(cè)量方法進(jìn)行了比較，為以后繞組溫度的測(cè)量提供部分參考。

1 直接測(cè)量法

直接測(cè)量法是在變壓器繞組中直接埋入傳感器，通過(guò)傳感器反映至溫度測(cè)量?jī)x直接顯示繞組溫度，埋入點(diǎn)越多測(cè)量結(jié)果越精確。但該方法維護(hù)技術(shù)復(fù)雜，成本昂貴，主要用于在變壓器實(shí)驗(yàn)過(guò)程中與熱模擬測(cè)量法進(jìn)行比較，校對(duì)熱模擬測(cè)量的誤差。

目前較為成熟的方法是使用光纖技術(shù)，在變壓器繞組制造過(guò)程中埋入熒光式光纖傳感器探頭，利用光信號(hào)為載體，通過(guò)接收設(shè)備測(cè)溫儀把溫度信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，接著經(jīng)過(guò)放大、整形、解調(diào)等一系列過(guò)程，得到探頭所在位置的實(shí)際溫度。

直接測(cè)量法的結(jié)果是否準(zhǔn)確，關(guān)鍵在于埋入的傳感器。但傳感器埋入繞組的工藝十分復(fù)雜，絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高，造價(jià)較高，且容易影響變壓器正常運(yùn)行，同時(shí)傳感器埋設(shè)處不一定是最熱點(diǎn)，因此測(cè)量結(jié)果可能并非繞組的最高溫度，需要埋入多個(gè)傳感器才能精確地測(cè)出繞組實(shí)際溫度，成本比較昂貴，維護(hù)技術(shù)復(fù)雜。

2 間接計(jì)算測(cè)量法

間接計(jì)算測(cè)量法是通過(guò)運(yùn)用幾種變壓器繞組熱點(diǎn)溫度計(jì)算公式來(lái)間接監(jiān)測(cè)繞組熱點(diǎn)溫度。間接測(cè)量計(jì)算模型大致有基于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、基于熱阻和基于熱路等幾類(lèi)。

基于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的模型［1］：重點(diǎn)圍繞能直接引起變壓器繞組熱點(diǎn)溫度升高的導(dǎo)線(xiàn)電阻損耗和渦流損耗對(duì)變壓器熱點(diǎn)溫度的影響，貼近實(shí)際運(yùn)行的變壓器情況，計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際值。

基于熱阻的模型［2］：由于變壓器內(nèi)部包含多種材料，因此運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際散熱和熱分布情況是十分復(fù)雜的。研究人員根據(jù)熱傳導(dǎo)理論和不同情況下非線(xiàn)性熱阻和集總電容的定義，提供了一種可用于估算各種類(lèi)型變壓器繞組熱點(diǎn)溫度的計(jì)算模型。

基于熱路的模型［3］：主要是將變壓器內(nèi)部的熱傳遞過(guò)程模擬為電氣過(guò)程，將變壓器的熱流量、溫度、熱阻及熱容分別與電路中電流、電壓、電阻及電容類(lèi)比，并用相應(yīng)的熱點(diǎn)參數(shù)代替，得到的變壓器熱點(diǎn)溫度模型等效熱路。

間接計(jì)算測(cè)量法以熱點(diǎn)溫度值穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)變化的經(jīng)驗(yàn)公式為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器繞組溫度的測(cè)量，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是建立變壓器熱模型，然后結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)及油浸式變壓器負(fù)載導(dǎo)則中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，將發(fā)熱部位的溫升以公式推導(dǎo)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器繞組溫度的計(jì)算。這種方法可以保證計(jì)算的精度，所以是一種實(shí)用性很強(qiáng)的測(cè)量方法。

3 光纖光柵測(cè)量法

光纖光柵是近年來(lái)受到廣泛關(guān)注的光無(wú)源器件，主要是利用光纖材料的光敏性，通過(guò)紫外光直接射入光纖纖芯形成反射或透射濾波器。目前廣泛采用的是布拉格光柵［4］。光纖光柵變壓器繞組溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖光柵變壓器繞組溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)由寬帶光源、耦合器、VPG模塊（體積相位光柵）、陣列探測(cè)器、驅(qū)動(dòng)電路、微控制器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位機(jī)以及液晶顯示電路組成。寬帶光源發(fā)出光經(jīng)過(guò)耦合器，到達(dá)光柵溫度傳感器，經(jīng)傳感器反射后的光中心波長(zhǎng)與被測(cè)部位溫度有關(guān)。反射光經(jīng)過(guò)耦合器后，進(jìn)入體積相位光柵模塊，將含有不同溫度數(shù)據(jù)的光波長(zhǎng)區(qū)分開(kāi)，再進(jìn)入陣列探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。再由STM32微控制器處理當(dāng)前各溫度傳感器的溫度，將其顯示到液晶顯示屏上，并上傳數(shù)據(jù)到上位機(jī)。

光纖光柵測(cè)量法具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、絕緣性和安全性好等優(yōu)點(diǎn)。但該測(cè)量方法造價(jià)較高，對(duì)變壓器制造工藝要求復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)缺乏經(jīng)驗(yàn)，因此在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中尚未得到廣泛應(yīng)用。

4 熱模擬測(cè)量法

熱模擬測(cè)量法主要是用一個(gè)流經(jīng)電熱元件并與負(fù)載電流成正比的加熱電流產(chǎn)生附加溫升，通過(guò)電流匹配器的調(diào)節(jié)，使得附加溫升剛好等于繞組和油之間的溫差。它不是實(shí)際測(cè)量值，只是一個(gè)模擬量，僅僅反映了變壓器繞組的平均溫升，并不能反映最熱點(diǎn)溫度。熱模擬測(cè)量法的原理如圖2所示。

圖2 熱模擬測(cè)量法原理圖

從原理圖中可以看出，通過(guò)套管CT取得與負(fù)載成正比的電流，經(jīng)電流匹配器調(diào)整后，流進(jìn)嵌裝在波紋管內(nèi)的電熱元件，電熱元件通過(guò)電流發(fā)熱，令波紋管內(nèi)氣體發(fā)生膨脹，導(dǎo)致感溫包內(nèi)液體跟隨膨脹，并將壓力傳送到彈性元件，彈性元件連接到溫度表指針，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使溫度表指針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將當(dāng)前溫度值指示到刻度盤(pán)上。

熱模擬法雖然廣泛地運(yùn)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，但由于其原理，在實(shí)際運(yùn)行中存在很多問(wèn)題：（1）雖然采用了負(fù)荷電流來(lái)模擬繞組溫升，但僅僅是近似地模擬了繞組的平均溫升，卻無(wú)法真實(shí)地反映繞組最熱點(diǎn)溫度。（2）電流回路的存在增大了設(shè)備維護(hù)的難度。如果電流回路開(kāi)路，會(huì)造成設(shè)備損壞。溫度計(jì)需要更換時(shí)，需要在電流回路做復(fù)雜的安全措施。（3）熱模擬方法受環(huán)境因素影響較大，溫度、風(fēng)速等天氣原因都可以影響熱模擬的效果。

5 結(jié)論

影響變壓器絕緣能力的最主要因素是變壓器運(yùn)行時(shí)的繞組溫度，文中分別介紹了幾種測(cè)量變壓器繞組溫度的方法及其原理和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，得出以下結(jié)論：（1）直接測(cè)量法原理簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是傳感器的埋設(shè)位置難以精確，埋設(shè)點(diǎn)過(guò)多又增加了變壓器的成本，增大了維護(hù)的難度。（2）間接計(jì)算測(cè)量法精度比較高，應(yīng)用條件也比較簡(jiǎn)單，但是在建立模型的過(guò)程中，忽略了部分因素，假設(shè)繞組和油溫的溫升特性是線(xiàn)性的，并且部分計(jì)算參數(shù)是由經(jīng)驗(yàn)所得，與實(shí)際溫升有一定的區(qū)別，還需要進(jìn)一步改進(jìn)，從而擴(kuò)大運(yùn)用范圍。（3）光纖光柵測(cè)量法可以得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，從而對(duì)變壓器內(nèi)部溫度進(jìn)行精確的測(cè)量，對(duì)溫升變化反應(yīng)靈敏。但是當(dāng)光路發(fā)生改變或受到變壓器電磁環(huán)境的影響時(shí)，可能會(huì)影響溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，并且該測(cè)量方法能得到繞組的熱點(diǎn)溫度，但是不能準(zhǔn)確反映熱點(diǎn)的位置。（4）熱模擬測(cè)量法目前在工程實(shí)踐中得到了廣泛的運(yùn)用，但這種測(cè)量方法只能反映平均溫升，不能反映繞組最熱點(diǎn)溫度，并且增加了電流回路，需要檢修或更換時(shí)，需要做好防止電流回路開(kāi)路的措施，另外，受環(huán)境因素的影響也比較大，穩(wěn)定性有待改善。

通過(guò)對(duì)幾種繞組溫度測(cè)量方法的比較分析，給油浸式變壓器繞組溫度測(cè)量的進(jìn)一步研究提供了部分理論依據(jù)。嚴(yán)密監(jiān)測(cè)運(yùn)行中變壓器的繞組溫度，對(duì)于保證變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義。

［1］陳偉根，趙濤，江淘莎，等.改進(jìn)的變壓器繞組熱點(diǎn)溫度估算方法［J］.高壓電器，2009，45（1）

［2］海瑛，錢(qián)蘇翔，嚴(yán)拱標(biāo).油浸式大型變壓器熱點(diǎn)溫度的動(dòng)態(tài)模型［J］.機(jī)電工程，2007，24（1）

［3］江淘莎，李劍，陳偉根，等.油浸式變壓器繞組熱點(diǎn)溫度計(jì)算的熱路模型［J］.高電壓技術(shù)，2009，35（7）

［4］廖延彪，黎敏，張敏.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009