電力變壓器繞組熱點溫度軟測量技術研究

黃　超，彭道剛，鄭　凱

(1.上海電力學院 自動化工程學院，上海發(fā)電過程智能管控工程技術研究中心，上?！?00090；2.國網(wǎng) 浙江寧波市鄞州區(qū)供電公司,浙江 寧波　315100)

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電力變壓器繞組熱點溫度軟測量技術研究

黃超1，彭道剛1，鄭凱2

(1.上海電力學院 自動化工程學院，上海發(fā)電過程智能管控工程技術研究中心，上海200090；2.國網(wǎng) 浙江寧波市鄞州區(qū)供電公司,浙江 寧波315100)

摘要：電力變壓器是發(fā)電系統(tǒng)中最重要的設備之一，變壓器繞組熱點溫度是影響繞組絕緣壽命和變壓器過載運行的主要原因；傳統(tǒng)的熱電類比模型忽略了變壓器各器件之間的溫度差及其在運行中可能出現(xiàn)的冷卻系統(tǒng)運行方式的改變，實際應用中存在一定的誤差；因此，在熱電類比模型和IEEE導則推薦的熱點溫升模型基礎之上，提出了一種軟測量模型；該模型充分考慮了運行中不同的變壓器實際操作情況的不同，添加了輔助變量(油黏度、冷卻風扇運行個數(shù)等)對主導變量進行計算和優(yōu)化；模型的有效性通過與某ONAN自然油循環(huán)冷卻方式的變壓器的實際溫升數(shù)據(jù)對比得到了驗證，其仿真結果相比于IEEE導則推薦的熱點溫升模型，具有更加精確的預測能力和更高的暫態(tài)過程準確性。

關鍵詞：變壓器繞組；熱點溫度；軟測量模型；熱電類比

0引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中輸變電能的首要高壓電氣設備，擔負著電壓、電流的轉換和電能傳輸?shù)穆毮?。變壓器繞組溫度，尤其是繞組熱點溫度已經(jīng)成為影響變壓器絕緣壽命的決定性因素，其異常變化是變壓器安全運行隱患的重要變現(xiàn)形式。因此，為避免因繞組過熱導致變壓器故障，有必要對變壓器繞組熱點溫度進行測量，從而保證電網(wǎng)安全運行。

國內(nèi)外學者們對變壓器內(nèi)部產(chǎn)熱散熱機理已經(jīng)進行了一些研究工作，目前獲得變壓器內(nèi)部繞組溫度的方法主要有直接測量法和間接計算測量法兩種。直接測量法采用直接置入光纖傳感器的方法來獲得繞組熱點溫度，雖然其結果較為直觀和精確，但難度大，成本高，且會影響甚至破壞變壓器的內(nèi)部絕緣性能，因此很少應用。變壓器繞組熱點溫度的間接測量法主要依據(jù)的是國際電工委員會IEEE Std C57.91-1995和國標GB/T15164-1994中推薦的變壓器繞組熱點溫度計算公式。在文獻[1-2]這兩個標準中，熱點溫度等于環(huán)境溫度，變壓器頂層油溫升或底層油溫升加上繞組熱點溫升之和。另外，Swift在熱模型和電路圖模型的類比基礎上提出了基于變壓器頂層油溫的繞組熱點溫度計算模型[3-4]，該模型從傳熱學角度出發(fā)，利用電路中的基爾霍夫定律，建立了含有環(huán)境溫度、輸入電流和頂層油溫等變量的熱路模型和微分方程。該模型可較為準確地求得變壓器繞組熱點溫度，但在暫態(tài)過程具有中對熱點溫度計算不準確的特點。文獻[5-6]在熱電類比方法的基礎上充分考慮了油粘度、變壓器內(nèi)部損耗等變量隨溫度的變化，從而提出了基于頂層油溫、底層油溫的變壓器繞組熱點溫度計算模型。

本文在熱電類比模型的基礎上，提出了一種變壓器繞組熱點溫度軟測量的方法，即以變壓器運行時可測得的變量以及出廠參數(shù)為輸入量，建立熱模型對變壓器熱特性進行評估和研究。由于在電力系統(tǒng)中不同的變壓器實際運行情況都會有所不同，且影響變壓器繞組熱點溫度的變量有很多，有些難以直接測量，因此我們就需要對其進行主元分析，選取與測量變壓器繞組溫度主導變量相關性較高的幾組輔助變量，通過構造某種數(shù)學關系，實現(xiàn)對主導變量的估計，最后采用相應建模方法來建立軟測量模型，從而完成測量。該模型由于添加了輔助變量對主導變量的計算和優(yōu)化，通過仿真可知使模型具有了更加精確的預測能力。

1變壓器熱點溫度軟測量模型的建立

1．1油浸式變壓器產(chǎn)熱散熱機理研究

油浸式電力變壓器運行時的損耗包括空載損耗和負載損耗，可以表示如下：

(1)

Pr為總損耗(W)；Pc為空載損耗(W)；Pl為負載損耗(W)。

從發(fā)熱角度來看，繞組導線中的負載損耗是造成繞組熱點溫升的決定因素，其表示如下:

Pl=I2R+PW+PZ

(2)

I2R為直流電阻損耗(W)；PW是內(nèi)部渦流損耗(W)；PZ為其余雜散損耗(W)。

1.2軟測量模型描述

由于傳統(tǒng)的熱電類比模型忽略了變壓器各器件之間的溫度差及其在運行中可能出現(xiàn)的冷卻系統(tǒng)運行方式的改變，因此實際應用中存在著誤差。本文在IEEE導則推薦的熱點溫升模型的基礎之上，充分考慮了輔助變量(如油黏度、冷卻風扇使用數(shù)量等)的影響，建立了變壓器繞組熱點溫度的軟測量模型以提高測量準確性。圖1即為軟測量模型的基本結構。

圖1　軟測量模型結構圖

其中：輸入變量u，b2，測量對象輸出變量y均為可測得的變量，x為被估計變量，b1為難以準確測得的變量，x*的測量值可用于在線自校正。這樣即可建立可測得的變量與被估計變量x之間的相應模型：

(3)

在運行中不同的變壓器實際操作情況都會有所不同，且影響繞組熱點溫度的變量有很多，有些數(shù)據(jù)不可以直接測得，因此需要對其進行主元分析，選取與主導變量相關性較高的幾組輔助變量，通過建模來實現(xiàn)對主導變量的估計，最后結合熱點類比理論建立軟測量模型，從而實現(xiàn)熱點溫度的估計。

1．3輔助變量的選擇

首先進行主元分析，選取熱電類比理論模型中的自變量為主導變量，根據(jù)工程運用中的實際情況，可選取與主導變量相關的幾組輔助變量如下：

1)冷卻風扇運行個數(shù)。計算主導變量負載系數(shù)K的決定因素是變壓器的額定電流Irated，而不同的風扇投入數(shù)量則會對其有一定影響，因此，可選擇冷卻風扇運行個數(shù)為其輔助變量。風冷變壓器(ONAF)在風扇全停時運行于自冷狀態(tài)(ONAN)，而變壓器的額定電流在這兩種運行狀態(tài)下是不同的。在自冷狀態(tài)下運行時，變壓器的額定容量只有風扇全部投入使用時的70%或80%。因此，設風冷變壓器共風扇總數(shù)為m, 投入使用的風扇個數(shù)為t，全部運行時變壓器(ONAF)的額定容量為S，則變壓器額定容量可調(diào)整為:

(4)

(5)

這樣即可通過輔助變量冷卻風扇運行個數(shù)實現(xiàn)對變壓器運行方式的負載系數(shù)計算基數(shù)的估計。

2)散熱片運行組數(shù)。散熱片運行個數(shù)也會影響到變壓器的散熱能力，從而影響變壓器繞組熱點溫度的計算，因此，我們將其考慮進去作為另一輔助變量。假設變壓器共有散熱片x組，其中有y組投入使用，則式(4)可修正為：

(6)

3)變壓器有載分接開關的位置。對于配置了有載分接開關調(diào)壓裝置的變壓器，當其運行在不同的位置時，相對應的額定運行電流也是不同的。工程應用中應根據(jù)有載分接開關所運行的分接位置，確定計算負載系數(shù)用的額定電流值，因此也可選擇有載分接開關分接位置作為其輔助變量。

由熱傳導理論可得傳熱系數(shù)h

(7)

其中:L為熱傳導面的尺寸;g為重力常數(shù);k為油熱傳導率;ρ為油密度;β為油熱膨脹系數(shù);Δθoil為油的溫度梯度;μ為油粘度。由于其他物理參數(shù)(ρ、β、k) 隨溫度的變化沒有油粘度隨溫度的變化強烈，因此可把其他物理參數(shù)近似看作常數(shù)，從而求得非線性熱阻和額定油熱容如下：

(8)

(9)

1．4軟測量建模

IEEE Std C57.91國家標準推薦了變壓器頂層油溫熱點溫度模型，根據(jù)其指數(shù)方程可推出其微分方程如下：

(10)

通過以上關于馬克思宗教觀三個研究向度的概括，可以看出，目前的研究已經(jīng)形成穩(wěn)定的研究入路和方向，學界著力于對于馬克思宗教思想本真面目的恢復和深度探究，并取得具有一定特色的研究成果。但是同時應該看到，目前的研究對于馬克思宗教批判與人的解放、自由發(fā)展的終極關懷維度之間內(nèi)在關聯(lián)性的梳理工作做得不夠，缺少這一維度馬克思思想進程的整體性研究。

(11)

由熱電類比理論可推導得出頂層油溫θoil的微分方程：

(12)

(a)　變壓器繞組熱點溫度軟測量模型仿真

(b)　頂層油溫軟測量值計算模塊Subsystem

(c)　熱點溫升計算模塊Subsystem1

(d)　頂層油溫IEEE計算模塊Subsystem1圖2　模型仿真圖

負載的改變會引起變壓器內(nèi)部繞組損耗的變化，從而改變繞組熱點溫度，因此熱點溫升方程可由如下微分方程表示：

(13)

根據(jù)GB/T 15164-1994《油浸式電力變壓器負載導則》即可得出變壓器繞組熱點溫度：

(14)

2變壓器繞組熱點溫度軟測量模型的驗證

2．1軟測量系統(tǒng)模型建立

利用MATLAB中的simulink平臺可搭建如圖2所示的變壓器繞組熱點溫度軟測量模型仿真。根據(jù)式(10~14)，分別搭建了simulink模型。Subsystem模塊為頂層油溫軟測量值計算模塊，Subsystem1為熱點溫升計算模塊，Subsystem2為頂層油溫IEEE計算模塊。

2．2算例

試驗變壓器采用ONAN自然空氣冷卻方式，自然油循環(huán)，散熱片全部投入使用，因此由輔助變量可優(yōu)化得到主變量額定負載電流為：

(15)

負載試驗變壓器參數(shù)如表1所示。其中通過與負載導則IEEE中給出的計算方法和從試驗得到的實測數(shù)據(jù)進行比較，額定負載和變負載情況下，頂層油溫和熱點溫度驗證結果如圖3和圖4所示。

表1　仿真參數(shù)

圖3　額定負載下軟測量值與IEEE值對比驗證結果

圖4　變負載下軟測量值與IEEE值對比驗證結果

2．3驗證結果分析

從圖中可看出，當變壓器運行在額定負載和變負載兩種情況下時，變壓器繞組熱點溫度軟測量預測值、IEEE模型計算值和變壓器繞組溫度實測值在圖中都具有較好的一致性,說明兩種模型均可預測出熱點溫度隨時間的變化。軟測量模型得出的熱點溫度值與實際數(shù)據(jù)更接近，說明其具有較高的精度。尤其在溫升變化時的暫態(tài)過程中，軟測量模型的預測準確性明顯優(yōu)于IEEE指數(shù)模型。

3結論

1)影響變壓器繞組熱點溫度的變量有很多，因此為了充分考慮變壓器運行時各因素的影響，本文添加了輔助變量(油黏度、冷卻風扇運行個數(shù)等)對主導變量進行計算和優(yōu)化，通過仿真可知使模型具有了更加精確的預測能力。

2)在熱電類比模型基礎上，提出了一種更有變負載計算優(yōu)勢的軟測量模型，使其更加貼合實際工程運用情況，試驗證明該模型具有更大的開發(fā)和應用潛力。

3)與負載導則法的模型相比，軟測量模型得出的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)更接近，尤其在暫態(tài)過程中，其預測準確性明顯優(yōu)于負載導則法模型。但是，軟測量模型在輔助變量的選擇與優(yōu)化上還有待驗證加強。并且由于智能方法在解決復雜非線性系統(tǒng)控制方面有獨到之處，在后續(xù)研究中有必要引入智能方法。

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Research of Soft-measurement Technology of the Transformer Winding Hot Spot Temperature

Huang Chao1，Peng Daogang1，Zheng Kai2

(1.School of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai Engineering Research Center of Intelligent Management and Control for Power Process, Shanghai 200090,China 2.State Grid Zhejiang Ningbo Yinzhou District Power Supply Company, Ningbo315100, China;)

Abstract:Power transformer is one of the most important equipment in the power system，the hot spot temperature of transformer winding is the main reason for the winding insulation life and the power transformer overloading capability. Traditional thermoelectricity analogy model ignores the temperature difference between transformer devices and its possible mode change of cooling system in the operation, some errors will be caused by these reasons in the practical application. Therefore, based on thermoelectricity analogy model and the GB/T 15164-1994 loading guide method, a soft measurement model is put forward. The model fully considers different transformers’ operation situations and adds auxiliary variables (oil viscosity, the number of cooling fans, etc.) to figure out and optimize the leading variables. The model is proved to be effective by comparing the calculation results of the measured data obtained from a natural oil circulation cooling ONAN transformer. Finally, the simulation results from this model are compared with IEEE guide method results. The comparison proves the model presented is more adequate and has higher accuracy in transient process.

Keywords：transformer winding；hot spot temperature; soft measurement model; thermal electric analogy

文章編號：1671-4598(2016)02-0046-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.012

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A

作者簡介：黃超(1991-)，女，碩士研究生，主要從事變壓器在線監(jiān)測方向的研究。彭道剛(1977-)，男，博士，教授，主要從事發(fā)電自動化技術、節(jié)能發(fā)電調(diào)度優(yōu)化技術、電力設備狀態(tài)監(jiān)測與健康診斷等方向的研究。

基金項目：上海市"科技創(chuàng)新行動計劃"高新技術領域科研項目(14511101200)；上海市發(fā)電過程智能管控工程技術研究中心項目(14DZ2251100)；上海市電站自動化技術重點實驗室開放課題(13DZ2273800)。

收稿日期：2015-08-28；修回日期：2015-09-25。