變壓器漏磁熱損的光纖Bragg光柵檢測與溫升特性分析*

彭慶軍，粱仕斌，陳興畢，陳曉云，田慶生，李　川（.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南昆明6507；.云南電力試驗研究院（集團）有限公司，云南昆明65005；.昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南昆明650500）

變壓器漏磁熱損的光纖Bragg光柵檢測與溫升特性分析*

彭慶軍1，粱仕斌2，陳興畢3，陳曉云1，田慶生2，李川3
（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南昆明650217；2.云南電力試驗研究院（集團）有限公司，云南昆明650051；3.昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南昆明650500）

變壓器的漏磁場強度隨著變壓器容量的增大而增大，漏磁場強度越大在變壓器各結構中引起的漏磁損耗越大，導致變壓器運行效率低下，進而影響變壓器的正常運行。對35 kV變壓器進行試驗，將漏磁產生最大處的溫度與油箱產生頂端處的溫度進行了對比，試驗得出當開風機時該處與油箱頂端處的最高溫度差為8.7℃、當負荷降至1倍功率時溫差為2.9℃，它們的實時溫度曲線圖與變壓器的運行一致，產生了局部溫升的現象。通過光纖Bragg光柵（FBG）檢測溫度的變化反映變壓器漏磁的情況，從而實現了對變壓器漏磁的實時在線監(jiān)測。

變壓器；漏磁熱損；光纖Bragg光柵（FBG）；溫升特性

0　引言

隨著我國經濟形勢的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的電壓越來越高，變壓器單臺容量也越來越大，統(tǒng)計表明，漏磁場強度每增加20%，由漏磁場引起的散損耗就會增加40%，大容量變壓器中漏磁損耗占到負載損耗的30% ～40%［1～2］。由此引起漏磁損耗急劇上升，造成某些構件局部過熱，嚴重影響變壓器的使用壽命和正常運行［3］。漏磁通會在夾件中產生損耗，這些損耗將轉換成為熱量散發(fā)到周圍介質中去，從而引起變壓器發(fā)熱導致溫度升高［4］。劉重軒等人對處于線圈軸向漏磁場和上部閥側引線橫聯銅排漏磁場最強處的半口字形槽口夾件進行試驗，并得到了該處最高溫升為6.5℃，是由漏磁產生的附加損耗轉換為熱能，使上述部件發(fā)熱，產生了局部過熱的現象［5］；為研究變壓器漏磁對結構件的影響，劉春融等人在A相、C相端用了兩種不同的夾件進行了試驗，其中，A相端為半開口型的夾件對變壓器油溫的溫升為6.6℃［6］；鄭萬長等人在研究變壓器漏磁引起的附加損耗和金屬構件中的溫升問題時，對鐵芯A相、B相頂端對稱處進行試驗分析，得出該處產生的溫升分別為6.4，3.8℃［7］。

本文針對變壓器漏磁引起的發(fā)熱問題對 SFZ11—10000/35型35 kV變壓器進行試驗，試驗得出變壓器的溫度隨著對變壓器通、斷電變化明顯，說明在該處由于變壓器漏磁所致，產生了局部溫升的現象，并根據監(jiān)測溫度的變化來實時監(jiān)測分析變壓器的漏磁情況。

1　變壓器漏磁產生的機理

在許多大型的電力變壓器中，由于容量大，線圈中的大電流將引起非常強的漏磁場，將在變壓器內部的各個結構件（如夾件）中出現一系列附加損耗。這些損耗不僅在變壓器負載損耗中占據相當大的比例，而且它的分布情況極不均勻，在小面積上所集中的損耗很可能會帶來比較大的局部過熱現象［8～12］。

由于變壓器夾件形狀不規(guī)則且距離繞組又比較近，極易產生渦流損耗，而損耗又是產生熱量的主要來源，極易產生局部過熱進而影響變壓器的正常運行。文中運用ANSYS有限元軟件計算了變壓器運行時的漏磁場，對三相繞組加載三相正弦交流電，并對模型施加磁力線垂直和平行邊界條件。當變壓器位于ωt=270°時，磁感應矢量分布同磁力線行進方向一致，磁力線越密，磁感應矢量值越大。磁密最大位置在鐵芯A相與B相間的夾件處、鐵芯A相左側夾件處；鐵芯A相與B相間的心柱磁感應矢量方向沿著心柱向下行進，鐵芯C相磁感應矢量方向沿著心柱向上行進，在鐵芯C相右側鐵軛轉角處匯聚；磁密在鐵芯內，鐵芯外沒有，磁感應強度矢量Bm最大值約為5.48 T。

圖1　磁感應矢量圖Fig 1　Magnetic induction vector diagram

從圖1中A相繞組夾件的漏磁場比較大，這是由于通過夾件閉合的磁力線比較多?？拷F軛區(qū)域夾件漏磁比較大，這是因為受鐵芯、夾件等導磁材料影響，繞組磁力線在該區(qū)域發(fā)生彎曲，通過夾件閉合的磁力線比較多，漏磁比較大，所以，選擇A相繞組頂部夾件處測量。

2　變壓器夾件溫度測量原理與試驗安裝布置

光纖Bragg光柵（FBG）溫度傳感器的測量原理是：將組裝好的光纖Bragg光柵溫度傳感器貼到變壓器上部夾件上進行溫度的測量，當夾件的溫度發(fā)生變化時，與其接觸的光纖Bragg光柵的有效折射率和有效柵距也會隨之改變，最終導致光纖Bragg光柵中心波長移位，其中，波長變化信號由光纖傳出，然后傳輸至信號處理器進行處理，從而實現對變壓器夾件溫度的測量。當變壓器夾件溫度變化時，將引起光纖Bragg光柵的中心波長發(fā)生移位，通過測量光柵中心波長的移位量，便可得到變壓器夾件的溫升情況。

圖2　傳感器結構與實物圖Fig 2　Structure of sensor and physical map

變壓器結構件中，由于夾件正處在線圈軸向漏磁場和上部閥側引線橫聯銅排漏磁場最強處，它產生的磁場復雜和不規(guī)則性導致附加損耗在夾件中分布不均勻，這些集中在小面積上的損耗往往會引起結構件中出現局部過熱，從而影響變壓器的安全運行和使用壽命。對SFZ11—10000/ 35型35 kV變壓器進行試驗，變壓器的夾件件位于箱殼內A相端部，用光纖Bragg光柵溫度傳感器來對變壓器夾件處的溫度測量。其現場安裝圖、安裝部位如圖3所示。

圖3　現場安裝照片Fig 3　Site installation pictures

在試驗過程中，光纖探頭尺寸為長15mm、寬10mm、厚2 mm，總長約3 m，光纖傳輸線由內部的光纖和外部的聚四氟乙烯材料制成的保護層，可方便放置于所需測量的位置。將傳感器安裝于低壓側變壓器漏磁最大處A—B相間頂部夾件處來測量，安裝時將探頭緊貼低壓出線頭，用膠帶粘牢。測量油箱頂部油溫時，把傳感器放置A—B相間立木上，在立木上頂端處，安裝時探頭根部用綁扎帶固定，探頭懸浮。當該處的溫度發(fā)生改變時，與其接觸的光纖Bragg光柵的溫度隨著改變，導致光纖Bragg光柵中心波長變化，實現對該處的溫度測量。

3　試驗數據與分析

試驗主要分為幾種情況：在16：00時對變壓器升溫；18：36時開啟風機對變壓器降溫；次日1：30降負荷至1倍功率；2：30測高壓側直流電阻；2：45斷電后再一次通電；3：45測低壓側直流電阻。

變壓器的最高溫度出現在變壓器油箱的上頂端處，而本次試驗的變壓器漏磁產生最強處的位置處于變壓器油箱的上部與中部。圖4為油箱上頂端處的溫度與變壓器A—B相間頂部夾件的表面的溫度實時曲線圖。

圖4　油箱上頂端處及A—B相間頂部夾件的溫度實時曲線圖Fig 4　Real-time curve of temperature on top of oil tank and top of A—B

在16：00帶1.3倍額定功率開始升溫之前就已經通電1 h，所以，A—B相間頂部夾件處溫度高于油溫高度2.7℃，開始升溫，該處的溫度立刻升高。由于變壓器帶1.3倍額定功率運行變壓器內部的油溫也隨之升高，A—B相間頂部夾件處的溫度遠高于油箱上部的溫度且變化快。

在18：36時開風機對變壓器油箱進行冷卻，各點降溫都存在不同延時是因為開風扇后，油在變壓器內流動相對緩慢，因此，開風機后變壓器內部油溫依舊上升，而散熱器中的油開始降溫，直到散熱器中低溫油流到變壓器底部，底層油溫才開始下降，中層和頂層則隨后依次開始下降。所以，有A—B相間頂部夾件處的溫度一會就下降，頂端油溫則經過較長時間后才下降。

2：30測高壓側直流電阻即對變壓器進行斷電操作，變壓器一斷電A—B相間頂部夾件處溫度立刻下降是因為變壓器斷電此刻它并不產生漏磁，沒有漏磁就有沒有漏磁損耗，所以夾件處的溫度就會下降，變壓器頂層油溫緩慢的下降；2：45對變壓器恢復通電，變壓器一通電A—B相間頂部夾件處溫度立即上升而油箱頂端溫度先下降后才上升，說明變壓器通電產生漏磁，漏磁在該處產生了漏磁損耗，致使溫度立即上升，而油箱頂端溫度則是由于上次斷電后溫度低的油需要通過底部流向頂部再流向頂部的循環(huán)，所以頂部的油溫要先降低后在升高。這就說明A—B相間頂部夾件處發(fā)生了漏磁損耗在該處產生了溫度，導致了局部溫升現象。

從圖中可以看出變壓器通、斷電對A—B相間頂部夾件處的溫度影響很大，說明在變壓器A—B相間頂部夾件處產生漏磁并產生漏磁損耗，導致在該處產生了局部溫升的現象。所以，分析變壓器溫度的變化可以用來實現對變壓器漏磁的實時在線監(jiān)測。

4　結論

本文通過對SFZ11—10000/35型35kV變壓器進行溫度檢測試驗，對變壓器升溫、開啟風機對變壓器降溫、降負荷至1倍功率、測高壓側直流電阻、斷電后再一次通電、測低壓側直流電阻。根據變壓器在各個狀態(tài)下的溫度差，對變壓器上端部的油溫與A—B相間頂端部夾件處溫度進行比較，分析得出高出的溫度部分是變壓器在A—B相間頂部夾件處產生的漏磁所致?？梢酝ㄟ^對溫度的觀測來實現對變壓器漏磁的實時在線監(jiān)測。

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FBG magnetic leakage thermal loss detection and temperature rising characteristics analysis of transformer*

PENG Qing-jun1，LIANG Shi-bin2，CHEN Xing-bi3，CHEN Xiao-yun1，TIAN Qing-sheng2，LI Chuan3
（1.Yunnan Power Grid Limited Liability Company Corporation EPRI，Kunming 650217，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute（Group）Co Ltd，Kunming 650051，China；3.Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）

Strength of magnetic leakage field of transformer increases with increasing of capacity transformer，greater the leakage magnetic field strength increases，the leakage loss caused by the transformer in the structure，resulting in low operating efficiency of the transformer，there by affecting the normal operation of 35kV transformer are tested，magnetic flux leakage generating produced at the top end of the temperatures are compared with the maximum temperature and the fuel tank.The results show that when the fan on the premises and the fuel tank at the top of the highest temperature difference is 8.7℃；when the load is reduced to 1 times the power，temperature difference is 2.9℃，their real-time temperature curve is coincidence with operation of transformer，results in phenomenon of local temperature rise.Situation of magnetic leakage reflected by temperature changes detected by fiber Bragg grating（FBG），real time on-line monitoring on magnetic leakage of transformer is realized.

transformer；magnetic leakage thermal loss；fiber Bragg grating（FBG）；temperature rise property

TP212

A

1000—9787（2016）06—0042—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0042—03

2015—10—14

國家自然科學基金資助項目（51567013）

彭慶軍（1981-），男，山東臨沂人，博士后，高級工程師，主要從事電氣設備外絕緣的研究。