非晶合金干式變壓器溫升異常監(jiān)測方法研究

曹金京，張 村

(國網(wǎng)山東省電力公司 博興縣供電公司，山東 濱州 256500)

非晶合金干式變壓器是一種損耗量低、能效轉(zhuǎn)化率高的電力型變壓器件，以非晶態(tài)的鐵基類金屬作為鐵芯。由于材料本身性能受限，非晶合金干式變壓器不具備有序型的長程結(jié)構(gòu)分子，與變壓器相關(guān)的磁化及消磁反應(yīng)均比一般磁性材料更易發(fā)生。鐵損量也叫空載損耗量，是非晶合金干式變壓器所具備的固有理化性能，該項(xiàng)物理系數(shù)的實(shí)值水平比以硅鋼作為鐵芯材質(zhì)的傳統(tǒng)型變壓器低75%左右[1-2]。由于非晶型合金材料的飽和磁密度較低，在設(shè)計(jì)變壓器時不宜選擇過高的額定磁通密度數(shù)值，通常在1.3 T或1.35 T的磁通密度水平下，可以獲得較高的空載損耗量實(shí)值。為收獲更好的使用效果，非晶合金干式變壓器及與之相關(guān)的電器類產(chǎn)品，都必須保持全密封的結(jié)構(gòu)化形式。

變壓器溫度與周圍空氣溫度間的差變值叫做變壓器的溫升，在完整的使用壽命周期內(nèi)，溫度是引起絕緣材質(zhì)老化的主要原因。由于變壓器內(nèi)部的熱量傳播行為并不完全均勻，各部位之間的溫度差別始終較大，因此在變壓器保持額定負(fù)荷水平時，必須對各部分的溫度升高量做出嚴(yán)格規(guī)定，這也是變壓器唯一允許的溫升條件[3]。在實(shí)際應(yīng)用過程中，變壓結(jié)構(gòu)體的工作頻率會隨使用時間的延長而開始不斷提高，從而導(dǎo)致元件重量及體積逐漸減小，造成變壓器在溫度方面的實(shí)際損耗量持續(xù)增加，這也是導(dǎo)致溫升性問題的主要原因之一。為避免上述情況的發(fā)生，非晶合金干式變壓器溫升異常監(jiān)測方法通過計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)與三維溫度場的方式，確定高頻溫升形態(tài)下的磁芯損耗與繞組損耗總量，從而實(shí)現(xiàn)對異常性溫升行為的實(shí)時監(jiān)測。

1 非晶合金干式變壓器的溫度場分析

在試驗(yàn)狀態(tài)下，對非晶合金干式變壓器溫度場的分析共包含熱源計(jì)算、導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算、三維溫度場計(jì)算三個環(huán)節(jié)。

1.1 熱源計(jì)算

在變壓器溫度場中，熱源是指高頻溫升漏感量最高的區(qū)間。由于額定電流的輸出水平較高，必須先借助升壓裝置將上段輸入電流提升至指定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)。在此情況下，變壓器高壓側(cè)采取“三角形”接線原則，將非晶合金干式熱源結(jié)構(gòu)體放置在變壓環(huán)路的中心位置，在其邊緣設(shè)置多個獨(dú)立的變壓結(jié)構(gòu)體。因其中最長接線端電壓數(shù)值的平方等于其他較短接線端電壓數(shù)值的總和，與直角三角形勾股定理的思路較為相似，因此將其定義為“三角形”接線原則[4-5]。

接線場景如圖1所示。

圖1 非晶合金干式變壓器的“三角形”接線場景布置

在整個變壓器回路中，由于電子傳輸速率不斷變化，不同接線端的溫升量也均不相同。假設(shè)T0為初始狀態(tài)下非晶合金干式變壓器的最小溫升監(jiān)測數(shù)值；T1為非晶合金干式變壓器的最大溫升監(jiān)測數(shù)值；Δt為溫度場內(nèi)的溫升變化時長；μ為變壓器升溫系數(shù)，聯(lián)立上述各項(xiàng)物理量，可將非晶合金干式變壓器的熱源計(jì)算式定義為

(1)

1.2 導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

因“三角形”接線原則的限制作用，變壓器在三維溫度場中存在明顯的“過導(dǎo)”和“半導(dǎo)”狀態(tài)，且兩種作用狀態(tài)均能造成變壓器出現(xiàn)異常性溫升的情況。所謂“過導(dǎo)”是指在導(dǎo)熱系數(shù)過大的情況下，傳輸電流在非晶合金干式變壓器中大量累積，進(jìn)而造成已抒發(fā)熱值總量的提升，從而引發(fā)變壓器的異常溫升。而“半導(dǎo)”則是指在導(dǎo)熱系數(shù)過小的情況下，傳輸電流無法正常進(jìn)入非晶合金干式變壓器中，導(dǎo)致變壓器結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實(shí)際電壓難以達(dá)到理想消耗條件，從而導(dǎo)致缺電型異常溫升的現(xiàn)象[6-7]。由于導(dǎo)熱系數(shù)的存在，非晶合金干式變壓器的溫升異常行為不會無限增大，而是始終在異常值邊界區(qū)間內(nèi)不斷波動。在整個異常值邊界區(qū)間內(nèi)，最小值約等于常規(guī)溫升的最大值，而最大值則有可能遠(yuǎn)高于常規(guī)溫升數(shù)值的幾倍或幾十倍。聯(lián)立式(1)，可將非晶合金干式變壓器的導(dǎo)熱系數(shù)表示為

(2)

1.3 三維溫度場計(jì)算

非晶合金干式變壓器的三維溫度場由xz平面、xy平面、yz平面三結(jié)構(gòu)組成。假設(shè)Cx、Cy、Cz分別代表xy平面、yz平面、xz平面的實(shí)際變壓器溫升數(shù)值，聯(lián)立公式(2)，建立非晶合金干式變壓器的三維溫度場模型如下：

(3)

式中：σx、σy、σz為代表不同溫升平面內(nèi)的變壓器電阻變化量，Ω;Bx、By、Bz分別為不同溫升平面內(nèi)的變壓器溫感電流變化量，A。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合三維溫度場模型，利用紅外測溫設(shè)備獲得xz平面、xy平面、yz平面上的溫升圖(見圖2～圖4)。

從圖2所示的xz平面溫升圖來看，變壓器鐵心溫度由底部到頂部始終保持階梯狀分布狀態(tài)，平均溫度數(shù)值先上升再降低?？傮w來說，下段鐵心部件的溫度數(shù)值較低，而中上段的溫度數(shù)值較高[8]。

圖2 zx平面溫升圖

從圖3中xy平面溫升圖來看，非晶合金干式變壓器的高壓繞組端溫度最高，而鐵心處的溫度最低，整個低壓繞組端與鐵心之間的氣隙溫度大體上與鐵心處的溫度數(shù)值保持一致。高壓繞組結(jié)構(gòu)之間的氣道溫度數(shù)值只能呈現(xiàn)梯度分布狀態(tài)，且絕緣擋板處的溫度數(shù)值必須時刻保持最低[9]。

圖3 xy平面溫升圖

從圖4中yz平面溫升圖來看，非晶合金干式變壓器鐵心處的實(shí)際溫度數(shù)值不是很高，最熱點(diǎn)也只能達(dá)到37.6 ℃，這也充分顯示了非晶狀鐵心結(jié)構(gòu)體損耗低、溫升低的特點(diǎn)。

圖4 yz平面溫升圖

2 溫升異常監(jiān)測方法設(shè)計(jì)

在非晶合金干式變壓器溫度場條件的支持下，按照確定變壓器高頻溫升漏感、計(jì)算磁芯損耗與繞組損耗的流程，實(shí)現(xiàn)對變壓器溫升異常的有效監(jiān)測。

2.1 變壓器高頻溫升漏感計(jì)算

由于變壓器高頻溫升場中集中了全部的漏感電量，因此可以根據(jù)壓流轉(zhuǎn)換情況確定等效的漏感計(jì)算數(shù)值。

在已知非晶合金干式變壓器結(jié)構(gòu)尺寸與額定電流輸出能力的前提下，計(jì)算已出漏的電量，可得到漏感實(shí)值。對首次繞組的電壓模型作簡化處理，在異常溫升條件下，將繞組等效為一種簡易的變壓器長螺線管，由于每次繞組處理的電量動勢值完全相等，而繞組結(jié)構(gòu)間流過的電流方向卻正好相反，因此可將各層繞組元件間的漏感電量等效為由匝數(shù)相同線管所產(chǎn)生的電量場[10]。受到變壓器臨近效應(yīng)的影響，每個繞組中的電流分布情況都是不同的，處于方便性考慮，可對其進(jìn)行初步簡化處理，人為規(guī)定初次級繞組所產(chǎn)生的電量場與流過其中的應(yīng)用電流始終保持正比關(guān)系。圖5顯示了非晶合金干式變壓器繞組的斷面以及其電量場分布情況。

圖5 非晶合金干式變壓器中的高頻溫升場分布

圖5中，H1、H2、H3、H4分別為變壓器高頻溫升場中四個不同方向上的電量強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上，聯(lián)立式(3)，可將變壓器高頻溫升漏感量的計(jì)算式定義為

(4)

2.2 磁芯損耗

當(dāng)去掉外部溫升漏感電場時，非晶合金干式變壓器的一部分電量材料可以在最短時間內(nèi)的恢復(fù)到初始位置。然而，還有一部分電量材料始終無法恢復(fù)到初始位置。即在外加溫升漏感電場的作用下，這部分電量材料會出現(xiàn)剛性轉(zhuǎn)動行為，此時即使去掉外界電場作用，也可保持原有電量傳輸方向[11]。由于這部分電量在溫升變化的過程中會克服物理摩擦力使磁芯快速發(fā)熱從而損耗能力，而這部分被損耗的熱量也就是磁芯損耗。在磁芯被動升溫的一個周期內(nèi)，每單位體積電量的損耗都等于變壓器回線所包圍的面積。相對來說，變壓器磁芯的電感回線越狹窄，與之相關(guān)的磁芯損耗量也就越?。浑娏哭D(zhuǎn)換頻率越高，磁芯的密度數(shù)值也就越大，變壓器電感回線所包圍的面積也就越大，與之相關(guān)的磁芯損耗量也就越大[12]。聯(lián)立式(4)，可將變壓結(jié)構(gòu)體在溫升異常情況下的磁芯損耗量表示為

(5)

式中：假設(shè)N0為非晶合金干式變壓器線圈的原邊匝數(shù);N1為副邊匝數(shù);V1為非晶合金干式變壓器線圈的副邊電壓有效值，kV;I0為原邊電流的有效值,A;θ為V1與I0之間的實(shí)際相位差。

2.3 繞組損耗

在高頻溫升條件下計(jì)算變壓器繞組損耗時，需要同時考慮鄰近效應(yīng)與集膚效應(yīng)的作用影響。當(dāng)兩根相鄰導(dǎo)線距離極近時，彼此之間的電量影響并不能完全忽略，而在高頻電流反向流過變壓結(jié)構(gòu)體時，電流會因?yàn)闇厣└须妶龅淖饔枚诶@組臨近側(cè)快速流動，這種現(xiàn)象被稱為變壓器繞組損耗的鄰近效應(yīng)。在已出漏電量保持相對高頻的輸出情況時，電流集中在非晶合金干式變壓器的外表層，即電流流過的導(dǎo)線實(shí)際截面減小會導(dǎo)致變壓結(jié)構(gòu)體的交流電阻增大，即損耗功率也隨之增加，這種現(xiàn)象被稱為變壓器繞組損耗的集膚效應(yīng)[13-14]。對于繞組損耗來說，鄰近效應(yīng)的影響強(qiáng)度遠(yuǎn)高于集膚效應(yīng)。聯(lián)立式(5)，可將非晶合金干式變壓器的溫升繞組損耗表示為

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3 實(shí)用監(jiān)測能力分析

為驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的非晶合金干式變壓器的溫升異常監(jiān)測方法的實(shí)際應(yīng)用能力，設(shè)計(jì)如下仿真實(shí)驗(yàn)。

首先將高低壓繞組分別與非晶合金干式變壓器的可調(diào)直流電源相連，然后將等效鐵心與可調(diào)交流電源相連，再在連接溫度傳感器與數(shù)值記錄儀表的同時，打開升溫控制設(shè)備與超聲波流速傳感器。

一般來說，非晶合金干式變壓器在沖擊負(fù)荷或空載狀態(tài)下運(yùn)行，因此，本次實(shí)驗(yàn)主要研究在溫度損耗數(shù)值不斷上升的情況下，非晶合金干式變壓器溫度場及所承擔(dān)電子沖擊負(fù)荷量的變化趨勢，并根據(jù)所記錄數(shù)值繪制場強(qiáng)負(fù)荷曲線。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的溫升試驗(yàn)平臺如圖6所示。

圖6 非晶合金干式變壓器溫升試驗(yàn)平臺

已知非晶合金干式變壓器的可控溫度場范圍為[10E，90E]。在此基礎(chǔ)上，選取50、100、150 ℃三個溫度損耗量作為參考數(shù)值，記錄在溫升異常情況下，非晶合金干式變壓器溫度場強(qiáng)的具體變化情況，其溫度場強(qiáng)負(fù)荷曲線如圖7所示。

圖7 非晶合金干式變壓器的溫度場強(qiáng)負(fù)荷曲線

分析圖7可知，隨溫度損耗量的增加，非晶合金干式變壓器的溫度場強(qiáng)整體呈現(xiàn)一種波動性上升的變化態(tài)勢。當(dāng)溫度損耗量為50 ℃時，可取變壓器溫度場強(qiáng)的最小值20E，高于最低可控場強(qiáng)數(shù)值10E；當(dāng)溫度損耗量為150 ℃時，可取變壓器溫度場強(qiáng)的最大值75E，低于最高可控場強(qiáng)數(shù)值90E。由此可知，應(yīng)用本研究設(shè)計(jì)的溫升異常監(jiān)測方法后，非晶合金干式變壓器的溫度場強(qiáng)一直處于可控范圍內(nèi)，在很大程度上保證了變壓器工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。

表1所示為當(dāng)溫度損耗量分別等于50、100、150 ℃時，隨監(jiān)測時間的延長，非晶合金干式變壓器的實(shí)際電子沖擊負(fù)荷量變化情況。

分析表1可知，當(dāng)溫度損耗量為50 ℃時，電子沖擊負(fù)荷量共出現(xiàn)兩次穩(wěn)定的數(shù)值波動狀態(tài)；當(dāng)溫度損耗量為100 ℃時，電子沖擊負(fù)荷量只出現(xiàn)一次穩(wěn)定的數(shù)值波動狀態(tài)；當(dāng)溫度損耗量為150 ℃時，電子沖擊負(fù)荷量共出現(xiàn)三次穩(wěn)定的數(shù)值波動狀態(tài)。綜上可知，溫度損耗量的變化不會影響非晶合金干式變壓器電子沖擊負(fù)荷量的穩(wěn)定波動狀態(tài)，表明應(yīng)用本研究設(shè)計(jì)的溫升異常監(jiān)測方法后，變壓器電子沖擊負(fù)荷量變化情況穩(wěn)定，與理想化情況保持一致。

表1 非晶合金干式變壓器的電子沖擊負(fù)荷量

4 結(jié) 語

在熱源計(jì)算量、導(dǎo)熱系數(shù)等溫度場條件的支持下，本研究設(shè)計(jì)的新型非晶合金干式變壓器溫升異常監(jiān)測方法可在確定變壓器高頻溫升漏感的同時，計(jì)算獲得準(zhǔn)確的磁芯損耗與繞組損耗數(shù)值。在溫度損耗量持續(xù)增加的環(huán)境下，非晶合金干式變壓器溫度場強(qiáng)與電子沖擊負(fù)荷量均滿足理想化運(yùn)行條件，證明該方法可有效解決變壓結(jié)構(gòu)體的連續(xù)性溫升問題，維護(hù)變壓器工作狀態(tài)的穩(wěn)定。