油浸變壓器溫度監(jiān)測方法分析

趙文航，郭海全

(1.河北國華定洲發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 定州 073000;2.河北省電力公司,石家莊 050021)

變壓器溫度監(jiān)測主要目的是利用測溫裝置控制冷卻系統(tǒng)，發(fā)出高溫報警、高溫跳閘指令和實時顯示溫度，以保護和保證變壓器的安全運行。國產(chǎn)油浸變壓器測溫裝置包括2套油面溫度控制器和1套繞組溫度控制器，油面溫度控制器和繞組溫度控制器均能分別啟停冷卻系統(tǒng)、啟動保護系統(tǒng)，如果油面溫度控制器和繞組溫度控制器不帶遠傳功能，需另外配置1套或2套鉑(銅)溫電阻溫度計。溫度監(jiān)測主要是測量變壓器繞組溫度和頂層油面溫度。

1 繞組溫度監(jiān)測方法

1.1 直接測量法

直接測量法是在繞組中埋設(shè)傳感器，由光纖傳播信號在高電壓、高磁場條件下實現(xiàn)在線、實時地測量繞組的熱點溫度。光纖溫控器是通過測量磷光體單獨的固有參數(shù)(衰減時間)而確定的，不會因為光纖的物理變化而改變，是一個無需校驗的系統(tǒng)。溫度傳感器由一種穩(wěn)定的耐高溫的熒光材料制成,直接附于光纖探頭末端，該探頭與油浸變壓器長期兼容，具有優(yōu)良電氣性能。光纖探頭測量數(shù)據(jù)通過2～16個獨立輸出和顯示的測量通道傳送到溫度控制器。

直接測量的工作原理是當(dāng)LED 光源發(fā)出的光脈沖通過光纖送到與繞組接觸的溫度傳感器時，該脈沖激勵傳感器的熒光材料，使其產(chǎn)生波長較長的熒光。根據(jù)返回?zé)晒獾乃p時間測出該傳感器的溫度，然后通過處理，顯示出溫度值和有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，并同時將溫度信息傳輸?shù)娇刂剖摇?/p>

直接測量裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測繞組溫度，但是價格昂貴，也存在測量誤差。由于探頭的位置在繞組絕緣的外部，探頭所測的溫度均為貼近導(dǎo)線絕緣層的溫度。根據(jù)傳熱學(xué)的導(dǎo)熱機理，銅線表面和絕緣紙外表面之間有一個溫度梯度，因而測量溫度與熱點的真實值有一個差值，測量值需要修正。

1.2 熱模擬測量法

目前，國內(nèi)外普遍采用一種以GB 1094.7-2008《電力變壓器第7部分 油浸式電力變壓器負載導(dǎo)則》[1]為基礎(chǔ)的“熱模擬”技術(shù)，間接測量變壓器繞組溫度。該標(biāo)準(zhǔn)認為變壓器繞組溫度(Tw)為變壓器油箱頂層油溫(To)和變壓器銅油溫差(Two)之和，即Tw=To+Two。其中油溫可由壓力式溫度計測量獲得，但銅油溫差是隨變壓器負荷大小而變化的數(shù)據(jù)，需要通過“熱模擬”獲得。

“熱模擬”技術(shù)的工作原理是從變壓器的電流互感器取得的與負載電流成正比的附加電流Ict,經(jīng)復(fù)合變送器變流成Ih(Ih是對Ict進行調(diào)整后，根據(jù)變壓器銅油溫差人為給出的工作電流)。Ih對溫控器內(nèi)一組特別設(shè)計的電熱元件進行加熱，該電流在電熱元件上所產(chǎn)生的正比于負載電流的附加溫升即模擬的銅油溫差Two，迭加到變壓器頂層油溫To上，從而使得繞組溫控器獲得變壓器的繞組溫度Tw=To+Two。

熱模擬測量法原理簡單易懂，溫控器校驗時要外加模擬電流在恒溫槽中進行，電流匹配器、溫度變送器、溫度顯示儀設(shè)定工序繁瑣。負荷電流的引入和加裝電流匹配器使得二次回路復(fù)雜化，在運行中受外界條件影響經(jīng)常發(fā)生溫度跳變或擾動。繞組溫控器的測溫元件位于油箱頂部，雖有人為引入補償電流，但還是存在測量誤差和時滯誤差，不能準(zhǔn)確實時的顯示繞組熱點溫度。

1.3 間接計算法

間接計算法是基于IEC 60076.7-2005《油浸變壓器負載導(dǎo)則》[2]中熱點計算公式間接計算的，是根據(jù)假設(shè)變壓器熱模型，結(jié)合實用經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行估算的，是傳統(tǒng)的經(jīng)典估算方法。其中，穩(wěn)態(tài)溫度方程是假設(shè)油、繞組的溫升為線性的前提下對熱點溫度進行計算，暫態(tài)溫度方程是考慮了負載的實時變化量對溫升進行計算。

1.3.1 穩(wěn)態(tài)溫度方程式

對于自然油循環(huán)(ON)冷卻的變壓器，在任何負載下的最熱點溫度等于環(huán)境溫度、頂層油溫升和熱點與頂層油之間的溫度差等三者總和,計算公式為

(1)

式中：θh為熱點溫度；θα為環(huán)境溫度；Δθor為頂層油溫升；R為損耗比；K為負載系數(shù)；Hgr為熱點對繞組頂部油的溫差；x為油的指數(shù)；y為繞組的指數(shù)。

（6）強化變電運維現(xiàn)場作業(yè)的檢查和監(jiān)督制度。變電運維安全檢查和監(jiān)督要包括安全重點檢查、日常常規(guī)檢查、以及安全綜合檢查等。

對于強迫油循環(huán)(OF)冷卻的變壓器，計算方法是以底層油溫和油平均溫度作為基礎(chǔ)的。在任一負載下的最終熱點溫度等于環(huán)境溫度、底層油溫升、繞組的頂部油溫升與底層油溫升之差,以及繞組熱點溫度與頂部油溫之差的總和，計算公式為

(2)

式中：Δθbr為底部油溫升；Δθimr為油平均溫升。

對于強迫油循環(huán)導(dǎo)向(OD)冷卻的變壓器，計算基本上與OF冷卻方式一樣，但是考慮到導(dǎo)線電阻隨溫度的變化，還要加上校正系數(shù)，計算公式為

(3)

使用上述公式來計算最終熱點溫度，要進行某些修正，例如溫度變化時，應(yīng)作負載損耗，繞組的純電阻損耗和渦流損耗之間的關(guān)系，油的粘度的修正。對于采用ON和OF冷卻方式的變壓器，隨溫度變化油粘度將抵消導(dǎo)線電阻變化的影響。因此，在計算時不考慮導(dǎo)線電阻變化的影響。對于OD冷卻方式，油粘度對溫升的影響較小，必須考慮導(dǎo)線電阻變化的影響。

1.3.2 暫態(tài)溫度方程

經(jīng)過時間t后的油溫升(例如底層油)，可用下式求出

Δθbt=Δθbi+(Δθbu-Δθbi)(1-e-t/τo)

(4)

式中：Δθbi為起始的底層油溫升；Δθbu為時間t內(nèi)所加負載的穩(wěn)態(tài)底部油溫升；τo為油時間常數(shù)。

隨著負載的增加，繞組和油的溫差將按繞組的時間常數(shù)上升到一個新的值。由于繞組的時間常數(shù)很小(5～10 min),既使在短時大負載下，它對熱點溫度的影響很小，因此在計算中將此時間常數(shù)近似地看成零，可以忽略不計。公式(1)的最后一項和公式(2)的最后二項均假定為與這新的負載系數(shù)Ky相應(yīng)的數(shù)值。

間接計算法適用于各種冷卻方式的變壓器熱點溫度的計算，但是計算過程復(fù)雜、理論性強，公式中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要借助測溫裝置采集，同樣存在測量誤差和計算誤差。由于能夠熟練掌握間接計算法理論的人較少，在生產(chǎn)現(xiàn)場很少使用。

2 油面溫度監(jiān)測方法

油面溫度主要采用壓力傳感式溫度控制器和電阻式溫度計2種裝置測量。壓力傳感式溫度控制器和繞組溫度控制器都是以感溫介質(zhì)熱脹冷縮為基本原理制造的，不同的是后者加入了負荷電流的熱補償。電阻式溫度計是利用金屬在溫度變化時，其電阻隨著發(fā)生變化的特征來測量溫度的。

2.1 壓力傳感測量法

壓力傳感式溫度控制器主要由彈性元件、毛細管、感溫包三部分組成的，并形成一個密封系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部充滿感溫介質(zhì)，當(dāng)溫度變化時感溫介質(zhì)的體積隨之變化，體積變量通過毛細管傳遞到儀表內(nèi)的彈性元件，使之產(chǎn)生一個相對應(yīng)的位移。位移經(jīng)過機構(gòu)放大后，帶動指針指示溫度變化，并驅(qū)動微動溫度開關(guān)，控制相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)和保護系統(tǒng)，達到監(jiān)視溫度和控制溫升保護變壓器目的。最新型溫控器采用復(fù)合傳感技術(shù)，通過裝在溫包內(nèi)的Pt100鉑電阻信號遠傳到控制室內(nèi)的二次儀表，可以同步顯示和控制變壓器的頂層油溫。還可以給計算機提供4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號或0～5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。

壓力傳感式溫控器能夠?qū)崿F(xiàn)啟停冷卻系統(tǒng)、啟動保護系統(tǒng)和實時監(jiān)測變壓器油面溫度。壓力溫控器無電流匹配器，造價較低，校驗時不用附加模擬電流回路，相對簡單。壓力式溫控器的測溫元件位于油箱頂部，存在測量誤差和時滯誤差，不能準(zhǔn)確實時的顯示繞組熱點溫度。

2.2 電阻式溫度計測量法

電阻式溫度計測量法一般采用鉑電阻或銅電阻作為測溫元件，測溫元件安置在變壓器頂部的測溫座套內(nèi)，當(dāng)溫度變化時其電阻也隨著發(fā)生變化，經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)換成可讀的值。工作儀表便顯示出阻值所對應(yīng)的溫度值。

電阻式溫度計測量精度高、機械強度高、回路簡單、性能可靠穩(wěn)定，能夠顯示變壓器的溫度。但是由于電阻式溫度計沒有配套開關(guān)接點，因此不能實現(xiàn)控制冷卻系統(tǒng)和發(fā)出高溫報警、跳閘指令，不能保護變壓器安全穩(wěn)定運行。

3 結(jié)論與展望

壓力傳感式溫控器完全滿足DL 572-2010《電力變壓器運行規(guī)程》[3]中關(guān)于油浸式變壓器的測量頂層油溫、指示頂層油溫最高值、信號溫度遠傳、控制啟停冷卻系統(tǒng)、發(fā)出高溫報警及高溫跳閘指令等各項規(guī)定。采用2套四接點的壓力傳感式溫控器就能夠?qū)崿F(xiàn)雙重顯示油面溫度、啟停冷卻系統(tǒng)、發(fā)高溫報警信號、高溫跳閘指令等功能。壓力傳感式溫控器兼容了繞組溫控器和電阻式溫度計的所有功能，可以不配置繞組溫控器和電阻式溫度計。

根據(jù)華北地區(qū)帶正常周期性負載變壓器(不包括水冷的)實際運行經(jīng)驗，變壓器溫度跟隨季節(jié)的變換基本處在10～75 ℃，現(xiàn)有大中型變壓器冷卻系統(tǒng)電源采用能夠自動切換的雙套配置，大大提高了變壓器安全運行的可靠性。壓力傳感式溫控器雖然不能實時地、精確地測量變壓器繞組溫度，但是從功能和可靠性方面都已經(jīng)滿足了變壓器安全穩(wěn)定運行的要求。基于蒙辛格熱老化規(guī)則變壓器高溫損失壽命可用低溫補償?shù)脑瓌t及借鑒俄羅斯、烏克蘭、法國等的成熟經(jīng)驗，在直接測量繞組溫度技術(shù)沒有普及的今天，建議帶正常周期性負載變壓器采用油面溫度監(jiān)測方法中的壓力傳感測量法。今后應(yīng)加強以下方面的研究。

a. 紅外測量法的研究，利用紅外測溫遠離測量目標(biāo)的特點，克服環(huán)境、反射率、距離系數(shù)等誤差，在變壓器油箱表面鑲嵌紅外測溫裝置，監(jiān)測繞組、油及鐵心溫度。

b. 熱脹冷縮變形傳遞測量法的研究，克服高強電場和磁場的影響，在變壓器部分繞組中附加雙金屬片，利用雙金屬片膨脹變形，觸動絕緣桿件傳動，推動絕緣齒輪機構(gòu)帶動表盤指示溫度。

c. 簡化計算方法的研究，根據(jù)變壓器發(fā)熱的原理，利用負荷電流、負載損耗、空載損耗、冷卻功率及其它雜散損耗的平衡關(guān)系簡化計算公式。

參考文獻：

[1] GB 1094.7-2008,電力變壓器第7部分 油浸式電力變壓器負載導(dǎo)則[S].

[2] IEC 60076.7-2005,油浸變壓器負載導(dǎo)則[S].

[3] DL 572-2010,電力變壓器運行規(guī)程[S].