配電變壓器中熱模型的油溫估計(jì)改進(jìn)

潘振 朱孟兆 王善龍 喬福泉

摘 要：本文提出了一種針對(duì)油浸自冷式配電變壓器油溫估計(jì)的方法。同時(shí)提出了一種提高標(biāo)準(zhǔn)IEC 60076-7熱模型可靠性的列文伯格-馬夸爾特算法。并將基于標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的油溫模型與所提出的模型進(jìn)行了比較。對(duì)從160kVA到800kVA的三個(gè)配電變壓器進(jìn)行了溫度估計(jì)的改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：油溫傳感器；熱模型；配電變壓器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.149

1 簡(jiǎn)介

在電網(wǎng)服務(wù)連續(xù)性的控制中，配電變壓器起著重要的作用，為了減少配電變壓器替換零件的損耗，很有必要研究一種配電變壓器油溫的檢測(cè)方法。在大多數(shù)檢測(cè)方法中，熱檢測(cè)是最有效的檢測(cè)方法之一，這種方法可以提供有關(guān)老化和過(guò)載能力的有效的信息。其中，在檢測(cè)方面，熱點(diǎn)溫度是一個(gè)非常重要的參數(shù)[1]。許多研究人員認(rèn)為熱點(diǎn)溫度是燃料箱頂部油溫升高的總和，以及額定電流對(duì)油頂層的梯度。在這項(xiàng)研究中，微分方程的參數(shù)均取自IEC 60076-7標(biāo)準(zhǔn)，這是一種基于列文伯格-馬夸爾特算法的識(shí)別程序，該方法早就用于400kVA油浸自冷式配電變壓器的熱模型參數(shù)估計(jì)。研究發(fā)現(xiàn)，估計(jì)得到的參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)不同，從而提高了最高的油溫估計(jì)。本文中另外一個(gè)重要的問(wèn)題得到了解決，在標(biāo)準(zhǔn)中，提出的一系列寬功率范圍的單一參數(shù)，從而導(dǎo)致了溫度估計(jì)的顯著誤差。在本文中，熱模型的參數(shù)估計(jì)了三個(gè)容量分別為160kVA，400kVA和800kVA的油浸自冷式配電變壓器。本文著重介紹了三種變壓器油溫估計(jì)的改進(jìn)。

2 變壓器熱模型

這里描述了利用熱傳遞微分方程來(lái)估計(jì)分布式變壓器的油溫隨著時(shí)變的負(fù)載電流和時(shí)變的環(huán)境溫度的變化而變化。其方法是以軟件處理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以便把油溫定義成時(shí)間的函數(shù)。這種方法特別適用于在線監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)于負(fù)載簡(jiǎn)檔沒(méi)有任何限制。當(dāng)傳熱原理應(yīng)用于變壓器的情況時(shí)，微分方程只對(duì)直流部分的冷卻是線性的，對(duì)于其他形式的冷卻，冷卻介質(zhì)的循環(huán)率取決于冷卻劑溫度本身。換句話說(shuō)，如果沒(méi)有風(fēng)扇，散熱器的氣流速度取決于它的溫度，而如果有風(fēng)扇，則不會(huì)如此。總而言之，在冷卻過(guò)程中，微分方程是非線性的，這意味著頂部油溫的響應(yīng)在負(fù)載電流變化時(shí)，不是一個(gè)線性函數(shù)。

3 使用使用標(biāo)準(zhǔn)IEC 60076-7參數(shù)進(jìn)行油溫估計(jì)

采用以下容量為160 kVA、400kVA和800kVA的3個(gè)配電變壓器來(lái)驗(yàn)證所提出的方法。在每個(gè)油箱頂部10cm處安裝了一個(gè)傳感器，以便測(cè)量油溫。為了調(diào)整負(fù)載系數(shù)，在變壓器的前部，連接一個(gè)自耦變壓器，可用的測(cè)量值是三個(gè)二次側(cè)電流，距離變壓器兩米處的環(huán)境溫度和變壓器內(nèi)部的油溫由傳感器提供。安裝Matlab/Simulink的計(jì)算機(jī)連接到數(shù)據(jù)采集DSpace卡[2]。為了得到二次電流，變壓器應(yīng)該提供15760V的電壓側(cè)電壓，這是很難達(dá)到的，較低的一次側(cè)電壓可以使用，這樣會(huì)可能會(huì)造成暫時(shí)的一次側(cè)電流和二次側(cè)電流超過(guò)其額定值，由于一次側(cè)側(cè)電壓值比較低，鐵損非常低，熱模型中的參數(shù)會(huì)受到影響。

在采集輸入的負(fù)載因素和環(huán)境溫度，輸出的測(cè)量油溫之后，Matlab程序?qū)⑹褂脴?biāo)準(zhǔn)IEC給出的參數(shù)對(duì)三個(gè)變壓器的估計(jì)油溫進(jìn)行參數(shù)計(jì)算[3]。在這個(gè)方法中，對(duì)于容量為50kVA到1000kVA的油浸自冷式變壓器，有4個(gè)參數(shù)被認(rèn)為是恒定的，它們分別是油的指數(shù)（x），額定電流負(fù)荷損失與無(wú)負(fù)載損耗之比（R），平均油冷卻時(shí)間（t0），在額定損耗下油箱頂部油溫的溫升（Δθ）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)明顯的誤差，這個(gè)誤差的產(chǎn)生是由于采取的IEC標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)是根據(jù)大量的電力變壓器給出的，為了減少這個(gè)誤差，必須使用識(shí)別算法對(duì)每個(gè)變壓器進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。

4 參數(shù)識(shí)別

列文伯格-馬兒夸克 （LM）算法是一種迭代技術(shù)，它定位一個(gè)多變量函數(shù)的最小值，該函數(shù)表示為非線性實(shí)值函數(shù)的平方和。它已成為非線性最小二乘問(wèn)題的一種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于廣泛的學(xué)科領(lǐng)域。在本研究中，使用LM算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以盡量減小真實(shí)值和估計(jì)溫度之間的誤差。熱模型有兩個(gè)相同的傳遞函數(shù)輸入，且依賴于模型的輸入，系統(tǒng)的四個(gè)參數(shù)的識(shí)別是非線性的[4]。

LM算法可以看作是最速下降和高斯-牛頓法的結(jié)合。當(dāng)當(dāng)前的解決方案與正確的方法相差甚遠(yuǎn)時(shí)，該算法的表現(xiàn)就像一個(gè)最速下降法：它不是快速的，而是保證收斂的。當(dāng)電流解接近正確的解時(shí)，它就變成了高斯-牛頓法。試驗(yàn)中進(jìn)行了大約40種不同的加熱測(cè)試，最終驗(yàn)證了該算法具有參數(shù)識(shí)別的算法速度快，且參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文提出了一種對(duì)電力變壓器油溫進(jìn)行精確估計(jì)的模型。利用列文伯格-馬夸爾特算法確定熱模型參數(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)IEC 60076-7參數(shù)的比較中表明，這些參數(shù)必須根據(jù)變壓器功率進(jìn)行調(diào)整。在將來(lái)這種溫度檢測(cè)方法可能集成在工業(yè)能量計(jì)中，或者包括電力變壓器的跟蹤損耗在內(nèi)的更大的系統(tǒng)之中。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭偉.淺談電力計(jì)量裝置的故障與檢測(cè)技術(shù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（35）：156.

[2]GB/T15164-1994，油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則[S].

[3]K.Levenberg，A method for the solution of certain non-linear problems in least squares，Quart.Appl.Math.2（02） （1944）：164-168.

[4]駱光.電力計(jì)量裝置異常原因及監(jiān)測(cè)方法研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（08）：59.