一種基于DSP的變壓器繞組溫度測量

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(國網(wǎng)成都供電公司變電檢修工區(qū)，四川 成都 610041)

0 引 言

變壓器運行中，如果遇到短路、過載、環(huán)境溫度過高或冷卻通風(fēng)不夠等情況時，會造成變壓器過熱。當(dāng)繞組溫度超過絕緣耐受溫度時會使絕緣破壞，是導(dǎo)致變壓器壽命縮短的主要原因之一。作為變壓器運行工況監(jiān)測的重要參數(shù)，油溫及繞組溫度的測量關(guān)系到運行中的變壓器風(fēng)冷投入，溫高報警，溫度過高跳閘等保護(hù)的正常動作。

由于目前變壓器測溫系統(tǒng)均采用壓力式溫度計。繞組溫度的直接測量需要解決高電壓隔離的問題，是一項世界級難題，國內(nèi)外絕大部分變電站均采用熱模擬方法間接測量變壓器繞組溫度。繞組溫度由變壓器頂層油溫使儀表內(nèi)彈性波紋管產(chǎn)生對應(yīng)的角位移量，疊加儀表內(nèi)發(fā)熱元件產(chǎn)生的角位移量，從而指示變壓器繞組溫度，發(fā)熱元件通過匹配器及變壓器TA二次側(cè)負(fù)載情況變化而補(bǔ)償不同的銅油溫差。

基于熱模擬方式的繞組溫度測量方式，由于通過TA二次側(cè)電流對加熱元件進(jìn)行加熱，根據(jù)銅油溫差曲線產(chǎn)生模擬溫升，這種方式受環(huán)境溫度影響很大，特別是變壓器輕載、重載不同的工況下，變壓器周圍的空氣溫度會有30～40 ℃的差異，導(dǎo)致加熱溫包在不同環(huán)境溫度下產(chǎn)生的加熱溫升差異很大，繞組溫度測量誤差很大，在成都電網(wǎng)某220 kV變電站重載運行工況下繞組溫度誤差達(dá)15 ℃，同時，由于溫度計安裝于變壓器本體，震動較大，傳統(tǒng)的微動開關(guān)受震動影響大，誤動及損壞概率很大，特別是目前大多數(shù)220 kV強(qiáng)油循環(huán)變壓器，溫度投入跳閘接點后這個問題日趨顯著。

1 壓力式溫度計測量原理

1.1 壓力式溫度計測量原理

壓力式溫度計，主要由彈性元件、毛細(xì)管、溫包和微動開關(guān)組成。當(dāng)溫包受熱時，溫包內(nèi)感溫介質(zhì)受熱膨脹所產(chǎn)生的體積增量，通過毛細(xì)管傳遞到彈性元件上，使彈性元件產(chǎn)生一個位移，這個位移經(jīng)機(jī)構(gòu)放大后指示出被測溫度并帶動微動開關(guān)，從而控制冷卻系統(tǒng)、溫度高報警、溫度高跳閘的投入或退出。壓力式溫度計內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓力式溫度計內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 變壓器用繞組溫度計測量原理

繞組溫度的監(jiān)測，當(dāng)前國內(nèi)外絕大部分變電站均采用熱模擬的方法間接測量。所謂熱模擬是用一個流經(jīng)電熱元件的加熱電流所產(chǎn)生的附加溫升，當(dāng)這個附加溫升調(diào)整到等同于銅油溫差時就可以間接獲得變壓器繞組溫度，也就是變壓器繞組溫度T1等于變壓器上層油溫T2以及繞組對油的溫升ΔT之和，即T1=T2+ΔT。目前，獲取繞組溫度的方式是校驗前計算并調(diào)整好加熱電流，即利用在變壓器容量、額定電壓、額定負(fù)荷電流和銅油溫差手動計算出加熱電流，利用標(biāo)準(zhǔn)源通過匹配器輸出加熱電流對繞組溫度計進(jìn)行校驗。當(dāng)變壓器帶上負(fù)荷后，通過變壓器的電流互感器(一般有專用繞組)二次繞組電流，經(jīng)匹配器調(diào)整后，形成與負(fù)荷成正比的加熱電流，流經(jīng)嵌裝的電熱原件，電熱原件產(chǎn)生的熱量使感溫介質(zhì)產(chǎn)生附加膨脹，從而使彈性元件產(chǎn)生附加位移，這個位移量就反映變壓器負(fù)荷電流對繞組的溫升ΔT。因此，在變壓器加載后，測量元件的位移是由變壓器上層油溫和變壓器加載的電流所決定的，這樣就反映了變壓器上層油溫和繞組對油的溫升之和，即變壓器的繞組溫度。全部通過人工進(jìn)行計算、調(diào)整、校驗。繞組溫度計測溫原理如圖2所示。

圖2 繞組溫度計測溫原理

2 變壓器用繞組溫度計應(yīng)用現(xiàn)狀

在實際使用中發(fā)現(xiàn)，基于熱模擬實驗間接測溫的繞組溫度計存在因環(huán)境溫度變化以及匹配電阻長期工作發(fā)熱變質(zhì)而導(dǎo)致的測量不正確的問題。原因在于元件的加熱過程是在溫度計內(nèi)部直接進(jìn)行，存在與外部熱交換的過程，當(dāng)環(huán)境溫度較低時加熱效果達(dá)不到整定值，環(huán)境溫度較高時加熱效果又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出整定值。更重要的是匹配電阻長期發(fā)熱造成調(diào)節(jié)觸點氧化導(dǎo)致電阻值升高，分流作用減小，加熱電流進(jìn)一步偏離正常值。因此繞組溫度計的指示值無法正確反應(yīng)繞組的運行溫度，同時由于溫度指示的影響會使得風(fēng)冷啟動、溫高報警、溫高跳閘等節(jié)點不能正確動作。由于繞組溫度是實時進(jìn)入SCADA系統(tǒng)的，而調(diào)度人員和運行人員都通過綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)來監(jiān)視繞組溫度的，因此如果繞組溫度指示不正確，可能使調(diào)度人員做出錯誤判斷，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

3 基于DSP技術(shù)的繞組溫度監(jiān)測

采用以數(shù)字信號處理器(digital signal processing，DSP)為核心控制芯片，專用的數(shù)字信號處理芯片F(xiàn)reescale公司的16位DSP，在時鐘頻率80 MHz下，有著40 MIPS的指令執(zhí)行進(jìn)度，能夠滿足溫度實時監(jiān)測及通訊的目的。通過熱電阻作為傳感器，進(jìn)行基本油溫溫度測量。熱電阻的工作原理是基于熱電效應(yīng)。如鉑電阻，其特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，尤其是耐氧化性能很強(qiáng)。鉑在很寬的溫度范圍內(nèi)約1 200 ℃以下都能保證上述特性。中國已采用IEC標(biāo)準(zhǔn)制作工業(yè)鉑電阻。按IEC標(biāo)淮，使用溫度已擴(kuò)大到-200～850 ℃，初始電阻有100 Ω和50 Ω兩種，以常用的Pt100為例作為感溫元件。利用護(hù)套將Pt100從傳感器到溫度計這部分保護(hù)，從而不容易遭到外界的破壞。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖3是系統(tǒng)的硬件框圖，其中A/D用于采集Pt100的電阻信號，經(jīng)DSP轉(zhuǎn)換為電流值，TA二次電流經(jīng)隔離后同樣經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為電流值送給DSP，EEPROM存儲銅油溫差曲線值供繞組溫度計計算使用，RAM用于歷史溫度值記錄，RS232、RS485及mA輸出。

圖3 油溫溫度計工作原理

3.2 繞組溫度計的工作原理

圖4是繞組溫度計工作原理流程圖，其中變壓器的油溫溫度通過感溫元件Pt100，經(jīng)隔離后到A/D轉(zhuǎn)換將Pt100的電阻信號轉(zhuǎn)換為電流值，然后送到DSP；繞組平均溫升則是，首先變壓器TA二次電流通過隔離，然后到A/D轉(zhuǎn)換將大電流轉(zhuǎn)換為小電流值后送到DSP，與EEPROM存儲的銅油溫差曲線值進(jìn)行比較計算，在DSP中繞組平均溫升與油溫溫度進(jìn)行疊加，疊加后的電流值mA輸出供測控裝置使用和液晶顯示。當(dāng)溫度到達(dá)接點預(yù)定設(shè)定值，則接點閉合輸出。同時RAM對變壓器的溫度進(jìn)行統(tǒng)計、累加，反映變壓器在溫度過高區(qū)間運行的時間，對變壓器運行溫度區(qū)間進(jìn)行有效統(tǒng)計。并且可以通過RS232、RS485串口直接讀取溫度實時數(shù)值和歷史數(shù)值。

圖4 繞組溫度計工作原理流程

4 繞組溫度計檢定

溫度計檢定項目包括外觀檢查、示值誤差、設(shè)定點誤差、切換差、穩(wěn)定度、絕緣電阻、絕緣強(qiáng)度等項目。繞組溫度計檢定在一般溫度計的檢定項目基礎(chǔ)上，需增加繞組平均溫升試驗。根據(jù)以上檢定項目，基于DSP技術(shù)的繞組溫度在檢定前需收集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行計算整定，具體檢定接線如圖5所示。

圖5 繞組溫度計檢定接線

為了保證在整定過程中對接點整定的可靠性及準(zhǔn)確性，溫度計在整個試驗過程中表頭應(yīng)垂直安裝，溫包必須全部浸沒，引長管浸沒不得小于管長的1/3～2/3，溫度計均要求表頭和溫包之間的高度差不得大于1 m，由于現(xiàn)場應(yīng)用的接點會使用在風(fēng)冷全停延時跳閘回路及溫高跳閘回路，因此要求接點的動作值能真實反映變壓器的溫度，在讀取接點動作值的時候應(yīng)讀取和被試表溫包位于同一恒溫油槽內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計或Pt100標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻。

繞組溫度計接點可根據(jù)現(xiàn)場啟動風(fēng)冷、溫高報警、溫高跳閘的要求進(jìn)行整定，當(dāng)溫度指示達(dá)到整定值時接點閉合動作。

接點動作值設(shè)定完畢后，測試接點動作誤差時，除信號電路和試驗點外，采用與示值基本誤差試驗相同的試驗條件、試驗設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)儀表，測試點按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定點進(jìn)行,具體方法是將被測試溫度計和標(biāo)準(zhǔn)二等水銀溫度計或標(biāo)準(zhǔn)Pt100鉑電阻插在恒溫槽中，并將被試溫度計的端子接到信號電路中，然后均勻改變恒溫槽溫度(溫度變化率應(yīng)不大于1 ℃/min)，使接點產(chǎn)生閉合或斷開的切換動作(信號電路接通或斷開)，在動作的瞬間記錄標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計或標(biāo)準(zhǔn)Pt100鉑電阻的示值，即為接點正行程或反行程的上切換值或下切換值。在同一測試點上，上切換值設(shè)定點的差值即為接點動作誤差；上切換值與下切換值的差值即為接點切換差。接點動作誤差和切換差在各試驗點上就接點閉合和斷開各試驗一次。

繞組溫度計熱模擬試驗如下。

例：某220 kV變電站，變壓器的額定容量為180 000 kVA，額定電壓為220 kV，TA變比為600/5，繞組溫度計接于220 kV側(cè)B相TA，繞組平均溫升ΔT=20 ℃，則計算如下。

P=UI

I=P/U=180 000/(1.732×220)=472.391(A)

二次額定電流Ip=472.391/120=3.937(A)

根據(jù)公式：Y=X2A

式中，Y為溫升ΔT；X為TA二次額定電流。

則：20=3.9372A

A=1.29

先將溫包浸沒入恒定在80 ℃的恒溫油槽中，待繞組溫度計穩(wěn)定后讀取溫度計示值T1，然后將Ip、溫升ΔT和A的數(shù)值分別置入溫度計內(nèi)EEPROM中，待溫度計示值穩(wěn)定45 min后讀取T2，T2與T1的差值即為熱模擬裝置的附加溫升。

穩(wěn)定性試驗(此項目為型式試驗)：首先溫度計在承受24 h、150 ℃的試驗，然后在溫飽處于交變溫度差大于100 ℃且出現(xiàn)頻率不小于50%(每一個變化周期不得超過24 h)的情況下連續(xù)工作1 000 h，試驗后溫度計示值基本誤差、示值回差、環(huán)境溫度影響、接點動作誤差及切換差應(yīng)合格。

絕緣電阻試驗: 用額定直流電壓為500 V的絕緣電阻表分別測量溫度計電接點端子之間、電接點端子與接地端子之間的絕緣電阻應(yīng)不小于20 MΩ。

絕緣強(qiáng)度試驗：試驗應(yīng)在高壓側(cè)電源容量不小于2 500 VA的高壓試驗裝置上進(jìn)行。輸出接點短接后對地施加2 kV、歷時1 min的正弦交流電壓，漏電電流設(shè)定為10 mA，應(yīng)無擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

1)基于DSP繞組溫度計，采用了RAM可以對變壓器的運行溫度區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計、累加，反映變壓器在溫度過高區(qū)間運行的時間，為合理經(jīng)濟(jì)地安排變壓器的運行、檢修提供依據(jù)，特別是在目前電力系統(tǒng)普遍延長檢修周期，全系統(tǒng)推廣狀態(tài)檢修的趨勢下，這套變壓器測溫系統(tǒng)將發(fā)揮更大作用。

2)DSP繞組溫度計采用Pt100作為感溫元件，精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，尤其是耐氧化性能很強(qiáng)。鉑電阻在很寬的溫度范圍內(nèi)約1 200 ℃以下都能保證上述特性。也不會因Pt100出現(xiàn)故障而發(fā)生接點誤動的現(xiàn)象。

3)繞組溫度計減少了溫度補(bǔ)償回路，因此不會發(fā)生因溫度補(bǔ)償回路故障引起遠(yuǎn)傳與本體數(shù)據(jù)不一致，溫度高報警、溫度高跳閘誤動，嚴(yán)重時會導(dǎo)致跳變壓器開關(guān)等嚴(yán)重后果。

4)DSP繞組溫度計安裝于變壓器場地端子箱內(nèi)，起到了有效的防震作用，現(xiàn)場配線簡單，調(diào)試方便。

5)DSP繞組溫度計采用Pt100作為感溫元件，避免因環(huán)境溫度的影響而發(fā)生測量誤差。

6) 可以避免出現(xiàn)繞組溫度計匹配電阻長期發(fā)熱造成調(diào)節(jié)觸點氧化導(dǎo)致電阻值升高、分流作用減小、加熱電流進(jìn)一步偏離正常值的問題。

7)DSP繞組溫度計采用EEPROM存儲銅油溫差曲線值，取代了傳統(tǒng)的加熱元件，能更加準(zhǔn)確地反映變壓器內(nèi)部工作情況。

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