變壓器壓差式油溫測量方法

陳樹海+張孝云+王進(jìn)

摘 要：作為電網(wǎng)重要設(shè)備之一的電力變壓器，其運行狀況對電網(wǎng)的安全有十分重要的影響。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，在變壓器運行事故中有相當(dāng)一部分是因超負(fù)荷運行引起的。變壓器超負(fù)荷運行使繞組發(fā)熱量增大，繼而引起變壓器油和其他絕緣材料溫度升高，長期如此造成絕緣材料老化，最終發(fā)生繞組絕緣擊穿，燒壞變壓器。因此，變壓器運行時油溫升的監(jiān)控對預(yù)防此類事故的發(fā)生有重要的預(yù)警作用。本文在分析現(xiàn)有變壓器油溫測量方法的基礎(chǔ)上，提出了一種利用兩點間油壓強(qiáng)差來間接測量油溫的方法，該方法對豐富變壓器油溫升測量手段有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 油溫測量；壓強(qiáng)差；變壓器保護(hù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.019

0 引言

電力變壓器在掛網(wǎng)運行過程中，由于空載損耗和負(fù)載損耗的存在，變壓器不可避免地消耗電網(wǎng)的電功量，轉(zhuǎn)化成熱量后通過散熱和冷卻系統(tǒng)散發(fā)到外界環(huán)境中去。變壓器的使用壽命主要是由其內(nèi)部的絕緣材料的壽命決定，溫度每升高6℃，絕緣材料的壽命就要降低一半，變壓器的使用壽命隨之降低一半。油浸式電力變壓器內(nèi)部充有起冷卻和絕緣作用的變壓器油，變壓器產(chǎn)生的熱量，通過變壓器油散發(fā)到外界環(huán)境中，因此油溫的測量和控制是維護(hù)變壓器安全運行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[1-3]。

1 壓力膨脹式油溫測量方法

變壓器的散熱是通過冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)的，而溫度控制指示器（簡稱溫控器）是控制冷卻系統(tǒng)投退和超溫報警的核心裝置。變壓器上用的溫控器主要有油溫溫控器和繞組溫控器，繞組溫控器是在油面溫控器的基礎(chǔ)上增加了加熱元件，通過熱模擬方法實現(xiàn)對繞組溫度的測量。當(dāng)前主流的溫控器，如德國MESSKO公司的MT-ST型油面溫控器和MT-STW型繞組溫控器，瑞典AKM公司34系列油面溫控器和35系列繞組溫控器，均屬于壓力式膨脹測溫儀器（內(nèi)含波登管），由彈性波紋管、毛細(xì)管和溫包組成一個全密封系統(tǒng)，利用這密閉系統(tǒng)內(nèi)部所充的感溫介質(zhì)受溫度變化而產(chǎn)生的壓力變化，使彈性波紋管端部產(chǎn)生位移變化，使彈性波紋管端部產(chǎn)生角位移來帶動指針指示被測溫度值。溫控器一般會帶有電氣接點和遠(yuǎn)傳信號裝置，用來輸出溫度開關(guān)控制信號和溫度變送信號[4-5]。

該種測量方法能反映變壓器某一局部空間內(nèi)的油溫變化，但由于變壓器油箱內(nèi)油溫分布的不均衡性，該種測量方法對反映油溫的整體分布情況并不適用。

2 壓差式油溫測量方法

考慮到變壓器油的密度是隨著溫度的變化而變化的，同時密度也是影響變壓器油壓強(qiáng)大小的一個關(guān)鍵因素，因此壓強(qiáng)的變化能間接反映油溫的變化。基于這一原理，通過測量兩個有一定高度差的測量點的油壓強(qiáng)差，就可間接將兩測點之間的平均油溫測量出來。

如圖1所示，在變壓器油箱壁的不同高度處開設(shè)1#和2#兩個測量點。在作壓強(qiáng)差與油溫的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)前，對有關(guān)符號所代表的意義作如下說明：

T：變壓器油t℃時的油溫；

T0：變壓器油t0℃時的油溫；

ρ：變壓器油t℃時的密度；

V：變壓器油t℃時的體積；

ρ0：變壓器油t0℃時的密度；

V0：變壓器油t0℃時的體積；

ΔT：變壓器油溫升；

ΔV：變壓器油體積變化量；

h： t℃時變壓器油總深度；

h1：1#測點距油箱底深度；

h2：2#測點距油箱底深度；

Δh：2#測點與1#測點的高度差；

p1：1#測點油壓強(qiáng)；p2：2#測點油壓強(qiáng)；

g：重力加速度（9.8m/s2）。

以下公式的推導(dǎo)是以溫度變化前后，變壓器油的總質(zhì)量不變?yōu)榍疤帷?/p>

由于ρ0、g、Δh、T0均為已知量，因此，T就是Δp這唯一變量的函數(shù)，通過測量1#測點與2#測點的壓強(qiáng)差Δp，便可測出變壓器油溫。

3 計算公式簡化處理

為方便記憶和后續(xù)在計算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理，假定以20℃時的變壓器油密度為計算參考點（20℃時變壓器油計算密度為871Kg/m3），并假設(shè)1#和2#測點的相隔垂直間距為1m，于是（10）式可寫成：

T=1428.6（（8535.8/Δp）-1）+ 20 （11）

根據(jù)變壓器運行環(huán)境溫度和變壓器油最高允許溫度的實際情況，T一般處在（-30，95）這個溫度區(qū)間內(nèi)，在該區(qū)間內(nèi)T與Δp的散點分布如圖2所示。

從圖2中可以看出，在（-30，95）溫度范圍內(nèi)，T與Δp的散點分布幾乎按線性規(guī)律分布，經(jīng)擬合計算，得到的近似線性計算式為：

T=-0.17Δp+ 1474 （12）

（12）式便是兩點之間平均變壓器油溫的近似簡化計算式。

4 油溫測量系統(tǒng)的構(gòu)建

圖3為油溫測量系統(tǒng)組成框圖。1#與2#壓力變送器分布在不同位點高度的變壓器油箱壁上。壓力變送器產(chǎn)生兩路4～20mA電流信號，經(jīng)250Ω精密電阻后，轉(zhuǎn)換成兩路1～5V電壓信號，A/D轉(zhuǎn)換器對這兩路電壓信號進(jìn)行采樣，將模擬量電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量電壓信號后送到MCU處理單元。MCU處理單元按照預(yù)先編譯好的處理程序，按照公式（12）基本數(shù)學(xué)關(guān)系式對兩路數(shù)字量電壓信號進(jìn)行處理、解算，解算結(jié)果經(jīng)RS485傳輸電路送后臺上位機(jī)監(jiān)控程序進(jìn)行實時顯示。

變壓器油箱內(nèi)的油溫分布并不是均勻的，總的來說，越靠近繞組油溫越高。因此，為了得到變壓器油溫的總體分布情況，需要在油箱壁上，在不干涉其他裝置或組件的前提下，盡可能多開設(shè)測點，測出相鄰兩點的壓力差，并通過簡化計算公式得出若干個溫度數(shù)據(jù)，據(jù)此估計出變壓器油溫的總體分布情況。

5 總結(jié)

針對現(xiàn)有壓力膨脹式油溫測量方法不能全面反映變壓器油溫的總體分布情況的弱點，本文基于變壓器油密度受溫度影響這一基本關(guān)系，提出了利用兩點油壓強(qiáng)差來間接測油溫的方法，并給出了通過加設(shè)測點數(shù)量以進(jìn)一步提高估算變壓器油溫總體分布情況的建議。該方法對豐富變壓器油溫升測量手段有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁興起，楊雙艷.變壓器油溫監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（10）：626-629.

[2]張斌，盧萍等.變壓器智能組件設(shè)計方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2012（10）：85-88.

[3]李璞，向?qū)W軍等.基于CC1010的變壓器油溫?zé)o線測量設(shè)計[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（08）：331-333.

[4]鄭殿春，王新月等.基于DSP的干式變壓器溫度控制器的設(shè)計[J].變壓器，2010（11）：53-57.

[5]牟龍華，石林等.智能換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與建模[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2013（02）：23-28.

作者簡介：陳樹海（1969-），男，山東沂南人，技師，主要從事變壓器絕緣材料及絕緣件加工生產(chǎn)調(diào)度管理工作。

*為通訊作者