油浸式電力變壓器熱點溫度在線監測方法的研究

摘 要:變壓器熱點溫度是影響繞組絕緣狀態最重要的原因，熱點位置也是變壓器油紙絕緣老化最嚴重的區域之一，監測熱點溫度具有重要意義。由熱電類比理論，建立了頂層油溫油浸式電力變壓器內部溫升熱路模型，推導出變壓器熱點溫度計算公式，并提出了一種油浸式電力變壓器熱點溫度在線監測方法。這種在線監測方法需要采集的信息量少且易于獲取，計算過程簡單，計算精度較高，能為變壓器的運行管理提供有效的技術支持。

關鍵詞:變壓器熱路模型熱點溫度在線監測

中圖分類號:TM4文獻標識碼:A文章編號:1672-3791 (2010)7(b)-0090-02

1 引言

電力變壓器是電力系統最重要和最昂貴的電氣設備之一，其運行的穩定性和安全性直接關系著供電質量和電網穩定性。油浸式電力變壓器絕緣采用油紙絕緣結構型式，溫度是促使絕緣老化的主要因素[1]。熱點區域是溫度對絕緣狀態影響最嚴重的區域，也是油紙絕緣老化最快的區域之一，因此監測變壓器熱點溫度能為變壓器運行管理提供有效的技術支持。

目前測量熱點溫度主要分為直接測量法和間接測量法。直接測量法指在繞組中靠近導線部分埋設傳感器，由溫度測量儀直接測溫，測量結果精確并能確定熱點位置，但需要在變壓器設計制造時預埋傳感器，維護技術復雜，價格昂貴。因此，工程中常采用間接測量法，主要包括數值計算法[2-4]，該方法基于建立變壓器內部熱傳遞模型，根據傳熱學理論和邊界條件求解變壓器內部溫度場，計算精度較高，可以獲取求解區域內任一位置的溫度，但計算過程復雜，對計算機性能要求較高;熱模擬法[5]是將從電流互感器取得的附加電流在電熱元件上所產生的附加溫升，疊加到變壓器頂層油溫上，從而獲得變壓器的繞組熱點溫度，但目前使用的技術仍存在一定的誤差。國家標準推薦法[6]計算過程簡單，但負荷變化時計算精確度需待提高;熱路模型法[7-12]是基于熱電類比法，把變壓器內部熱傳遞過程轉化為熱路模型，可以直觀的反應出變壓器熱傳遞過程，并可根據熱電類比原理推導出各種特征溫度的計算公式，是目前研究變壓器內部溫升比較常用的一種方法。

本文根據熱路模型法，提出了一種基于頂層油溫的油浸式電力變壓器熱點溫度在線監測方法，利用實時采集的變壓器頂層油溫度和負荷電流數據計算變壓器熱點溫度，實現變壓器熱點溫度在線監測的目的。該方法需要采集的數據量少其易于采集，計算過程簡單，計算精確度較高，能滿足變壓器運行管理的需要。

2 變壓器內部溫升熱路模型

2.1 變壓器內部熱傳遞過程

在變壓器運行時，鐵心、繞組和金屬結構件產生的損耗轉化為熱量發散到周圍介質中去，引起變壓器溫度升高。隨著繞組及鐵心溫度的升高，與周圍的變壓器油產生一定的溫度差，將一部分熱量傳給變壓器油，使油的溫度升高。變壓器油通過散熱器將熱量傳遞給外部冷卻介質(空氣)，如圖1所示。如果負荷和環境溫度保持不變，經過一段時間后，繞組、鐵心和油的溫度上升達到平衡狀態，各部位溫度達到穩定，即熱平衡狀態。但實際上，負荷和環境溫度處于長期變化的過程中，必將引起變壓器內部溫度的變化。

2.2 熱電類比法原理

熱路和電路具有相同的微分方程形式以及相似的幾何形狀和邊界條件，因此可以根據電路的物理量形式來描述熱路，其對照關系如表1所示。

根據U=IR可得θ=qRth，根據I=CdU/dt可得q=Cthdθ/dt。

基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律同樣類比適用于熱路。

在任何時刻，對任一閉合回路

(1)

在任何時刻，對任一結點

(2)

2.3 油浸式電力變壓器熱路模型

根據熱電類比原理，變壓器內部熱傳遞過程可以用熱路模型表示，如圖2所示。考慮到因鐵耗產生的熱量相對較小且變化不大，為了簡化模型，省去了鐵心的熱阻和對油的熱容。

圖2中，qcu表示變壓器銅耗，qfe表示變壓器鐵耗，Rth.H表示繞組熱點區域對頂層油的熱阻，Rth.oil表示頂層油對空氣的熱阻，Cth.H表示繞組的熱容，Cth.oil表示油的熱容，θH表示熱點溫度，θTO表示頂層油溫度，θamb表示環境溫度。

根據熱路的計算規則，由圖2可得變壓器內部溫升計算公式，如式和式所示。

(3)

(4)

式中，下角標R表示額定情況下，n表示溫升修正系數，由變壓器的冷卻方式決定，如表2所示。

在非額定情況下，

(5)

式中，I表示實際負荷電流，IR表示額定電流。

式可以表示為:

(6)

額定情況下，繞組熱點溫度和頂層油溫的差值△θH.R為:

(7)

繞組熱時間常數τW為:

(8)

△θH.R、τW可以通過變壓器銘牌參數和出廠溫升實驗直接或間接獲得。通常τW取值為5min。

因此，式可表示為:

(9)

這樣，只需要實時采集負荷電流I和頂層油溫度θTO，通過求解式即可得到變壓器繞組熱點溫度，而I、θTO都比較易于采集。

3 在線監測系統的設計

油浸式電力變壓器熱點溫度在線監測系統分為3層，第一層為數據采集層，第二層為數據處理層，第三層為IE用戶層。

3.1 數據采集層

數據采集層包括變壓器頂層油溫度采集模塊、負荷電流采集模塊，進行頂層油溫度、負荷電流的傳感、采集、預處理(轉化為數字信號)和對上層通信的任務。

頂層油溫度θTO通過多個Pt100鉑電阻傳感器進行采集。Pt100鉑電阻傳感器安裝在變壓器頂部溫度計座處，為了消除引線電阻，提高采集的精確度，接線方式采用三線制接線法。

負荷電流采集模塊安裝在變電站控制室監控屏內，作用是采集變壓器低壓側A、B、C三相電流信號。考慮到電力系統三相不平衡度較小，A、B、C三相電流有效值的平均值即為式中的I。

3.2 數據處理層

數據處理層包括前置通信單元和數據服務器兩個部分。前置通信單元用于接收并處理來自數據采集層上傳的數據，并將信息上傳到數據服務器;數據服務器由數據處理單元與通信接口兩部分組成。數據處理單元將原始數據進行儲存，并且對數據進行在線分析計算，供WEB服務器查詢;通信接口負責數據服務器與WEB服務器、數據服務器與前置通信單元間的通信任務，確保每個交互命令能夠正確完成。

3.3 IE用戶層

IE用戶層由WEB服務器和IE用戶客戶端組成。WEB服務器將IE客戶端程序的請求進行解釋后轉發給數據服務器，并將結果返回給IE客戶端程序，顯示給終端用戶，達到遠程監控的目的。

所有用戶功能皆可通過IE客戶端程序實現，實現的功能包括:

(1)數據管理功能。系統數據庫采用微軟公司MSDE數據庫，存儲數據服務器上傳的監測時間、設備信息、監測結果等信息，并可根據用戶需求進行各個監測數據量的查詢。

(2)報警設置功能。用戶可以根據設備管理和運行的需要設置多級越限報警。

(3)報表輸出功能。系統配置打印機，支持實時數據打印和報表打印，可以根據用戶設置，對監測數據進行不同類型的輸出，如Excel表格、圖片等，便于對監測數據進行直觀分析。

4 實例計算

某110kV/38.5kV、50MVA油浸自冷式式電力變壓器，低壓側額定電流IR=750A，額定情況下繞組熱點溫度和頂層油溫度的差值△θH.R=25℃、繞組熱時間常數τW=5min。

5 結束語

通過分析變壓器內部熱傳遞過程和熱電類比法原理，建立油浸式電力變壓器內部溫升模型，推導了基于頂層油溫度的熱點溫度計算模型。根據所建立的熱點溫度計算模型，提出了一種基于頂層油溫的變壓器內部溫度在線監測方法，并進行了實例分析，與IEC推薦的變壓器內部溫升計算模型的仿真結果基本一致。

參考文獻

[1]路長柏.電力變壓器絕緣技術[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1997.10.

[2]傅晨釗，汲勝昌，王世山，李彥明.變壓器繞組溫度場的二維數值計算[J].高電壓技術，2002，28(25):10～12.