干式變壓器溫度保護研究

馮建勤，康國平，陳志武，鄭安平

（鄭州輕工業(yè)學院 河南省信息化電器重點實驗室，河南 鄭州 450002）

干式變壓器以其體積小、重量輕、占用空間少、結構簡單、易于安裝和維護等優(yōu)點贏得了越來越多的市場。干式變壓器的繞組長期處于過高溫環(huán)境下使用壽命會縮短，甚至會燒毀繞組，不利于變壓器的安全運行。由于干式變壓器只能通過自然空氣冷卻或風機強迫冷卻降溫，其溫度測控系統(tǒng)相當重要。因此，國內外眾多公司和學者投入大量的人力和財力于干式變壓器溫度保護技術的研究。

1 溫度采樣技術的發(fā)展

自從變壓器被發(fā)明以來，變壓器溫度保護技術取得了長足的發(fā)展，其中最顯著的體現(xiàn)就是溫度采樣技術的發(fā)展。油浸式變壓器最初采用酒精溫度計來測量油溫，只能起到溫度測量的作用。后來又采用在水銀溫度計兩端設置觸點的方式，可以實現(xiàn)溫度報警和斷電保護的作用。變色涂料也曾經(jīng)被應用于變壓器溫度測量上。這些方法無論從測量精度、反應速度還是可靠性上都達不到太高的標準，因而隨著科技的發(fā)展被一一淘汰。現(xiàn)階段干式變壓器應用較為廣泛的溫度采集技術主要有接觸式溫度傳感器如熱電阻和熱電偶，非接觸式傳感器如紅外傳感器。另外，新發(fā)展起來的光纖傳感測溫技術在國外某些公司生產(chǎn)的變壓器中也有所應用。

1.1 接觸式溫度傳感技術

接觸式溫度傳感器通過熱交換來測量溫度，目前在工業(yè)生產(chǎn)和科研工作中廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要有熱電阻傳感器和熱電偶傳感器。

1）熱電阻傳感器是基于鉑、銅等金屬導體的電阻值隨溫度增加而增加這一特性來測量溫度的，其具有測量精度高，穩(wěn)定性能好的優(yōu)點。常用的熱電阻傳感器有pt100、pt1000等。干式變壓器溫度保護最常用的是pt100熱電阻傳感器[1]。

2）熱電偶的測量原理為：由兩種不同材質的導體構成閉合回路，利用兩端因溫度差產(chǎn)生的電動勢來測量溫度。熱電偶具有結構簡單、測溫范圍寬、熱慣性小、準確度高、輸出信號便于遠傳等優(yōu)點。

接觸式測溫具有結構簡單、測量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是目前干式變壓器溫度保護應用最廣泛的溫度采集手段，不足之處是響應速度較慢，可達1～2 min左右。

1.2 紅外傳感測溫技術

非接觸式溫度測量技術即傳感器不與被測物體發(fā)生接觸，紅外傳感技術是一種典型的非接觸式溫度傳感技術。溫度高于絕對零度的物體都會向外界輻射，物體溫度不同，其輻射波的波長也不同，但總是包含紅外輻射在內[2]。且物體溫度越高，發(fā)出紅外輻射的能量也就越大。因此，可以通過測量物體自身輻射的紅外能量來測量該物體的溫度。

紅外傳感測溫技術具有反應速度快、測量范圍廣、安全性高等優(yōu)點，其不足之處是靈敏度不高。紅外溫度傳感器的測量誤差一般為20℃左右，性能好的可達5～10℃，并且經(jīng)濟性能較熱電阻和熱電偶低，通常應用于對安全等級要求較高的大型干式變壓器。

1.3 光纖傳感測溫技術

近年來光纖測溫技術成為溫度保護領域研究的熱點，根據(jù)相關原理研發(fā)的傳感器種類繁多，正在成為電力變壓器溫度保護系統(tǒng)中溫度測量手段的一個發(fā)展方向。

1）熒光光纖測溫技術

熒光光纖測溫技術采用一種熒光材料作為溫度傳感器，LED光源發(fā)出的光脈沖通過光纖送至預埋在繞組靠近導線部分的光纖傳感器，熒光材料在該脈沖激勵下產(chǎn)生波長較長的熒光，系統(tǒng)根據(jù)返回熒光的衰減時間來測量溫度[3]。這種光纖測溫技術在20世紀80年代就有所應用，其中較為典型的是Luxtron公司研制的WTS－11型變壓器繞組溫度熒光光纖監(jiān)測系統(tǒng)。

2）半導體吸收式光纖溫度傳感技術

利用半導體材料的吸收光波長隨溫度增加向長波長位移的關系，可以制成半導體吸收式光纖溫度傳感器。選擇光譜范圍在半導體材料吸收范圍的光源，這樣透過半導體材料的光強隨溫度的增加而減少，而從半導體材料反射回來的光強隨溫度的增加而增加，通過光探測器檢測光強變化就可以檢測出溫度變化[4]。國外已嘗試在大型電力設備的溫度檢測方面使用半導體吸收式光纖溫度傳感器，相信不久的將來這種技術也會應用于干式變壓器的溫度保護系統(tǒng)。

3）光纖光柵溫度傳感技術

光纖光柵溫度傳感技術是20世紀90年代發(fā)展起來的新技術，根據(jù)熱光效應使折射率改變和熱膨脹效應使光柵周期改變，通過測量光纖光柵中心波長的漂移率來推導溫度的變化[5]。目前光纖光柵傳感技術還出于研發(fā)階段，尚有許多關鍵技術和工藝問題需要進一步完善。

光纖光柵溫度傳感技術安裝和維護技術較為復雜，而且費用較高，目前在干式變壓器溫度保護應用較少。但是，因其具有測量精度高、靈敏度高、測量速度快等優(yōu)點，將會越來越廣泛地應用于干式變壓器溫度保護系統(tǒng)中。

2 干式變壓器溫度保護系統(tǒng)

隨著干式變壓器技術的不斷進步，其溫度保護系統(tǒng)也得到了相應的發(fā)展。目前市場上存在多種干式變壓器溫度保護系統(tǒng)，比較常見的有單片機、PLC控制的熱電阻式智能溫度保護系統(tǒng)，比較先進的有采用非接觸式紅外測溫、分布式光纖測溫等溫度保護系統(tǒng)。

現(xiàn)有的干式變壓器溫度保護系統(tǒng)主要可以實現(xiàn)以下功能：1）溫度顯示功能。三相繞組巡回顯示或者同時顯示，最高溫度值顯示；2）存儲功能。可以記錄故障前最高溫度值，以供參考；3）溫度值設定功能。可以設置風機啟停、報警、跳閘等門檻溫度值；4）自檢功能。系統(tǒng)自檢，當溫度傳感器出現(xiàn)故障時，自動報警；5）手動功能。可以手動啟停風機；6）通信功能。可以與PC通信，實現(xiàn)遠程控制。

2.1 熱電阻溫度保護系統(tǒng)

熱電阻因其測量精確度高、穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點，在干式變壓器溫度保護系統(tǒng)中應用最為廣泛。目前最常用的方案是在三相繞組鐵芯中預埋鎧裝的pt100熱電阻來測量鐵芯溫度，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 熱電阻溫度保護系統(tǒng)Fig.1 Thermal resistance temperature measurement and control system

通過預埋在變壓器鐵芯中的熱電阻采集溫度信號，在MPU的控制下，將采集到的三相溫度信號進行放大、A/D轉換等處理，然后分相巡回或者同時顯示出來，以供實時溫度監(jiān)控。MPU將測量到的溫度值與預設的門檻溫度值相比較，對應采取啟停風機、報警、跳閘等動作[6]。這種鐵芯預埋熱電阻的溫度保護系統(tǒng)結構簡單、操作簡便、運行穩(wěn)定，加之成本低，應用比較廣泛。

2.2 紅外溫度保護系統(tǒng)

對于較高級別的干式變壓器，僅通過預埋熱電阻測量鐵芯的溫度，顯然無法滿足保護的需要。因此，近年來在國內外一些公司研制的35 kV和110 kV級別的干式變壓器上，已經(jīng)開始采用非接觸式紅外測溫技術來監(jiān)控繞組的溫度。常見的紅外溫度保護系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 紅外溫度保護系統(tǒng)Fig.2 Infrared temperature measurement and control system

通過位于變壓器繞組上方的紅外傳感器來測量繞組的溫度分布情況，所采集到的溫度信號經(jīng)放大和A/D轉換后送入DSP進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)測得的溫度值和預設的門檻溫度值比較，啟停風機對溫度進行調節(jié)，還可以實現(xiàn)報警、跳閘等控制。

紅外測溫系統(tǒng)可以實時監(jiān)控變壓器內部和繞組的溫度分部情況，適用于測量準確性要求不高，而對于工作可靠性要求較高的干式變壓器。

2.3 分布式光纖光柵溫度保護系統(tǒng)

在分布式光纖光柵溫度保護系統(tǒng)中，溫度信號由設置于變壓器高壓繞組和低壓繞組上的多組光纖光柵采集，測得的信號經(jīng)通過兩組光纖傳輸，數(shù)據(jù)處理電路對每一組數(shù)據(jù)進行相應處理后送至DSP，DSP通過對分析數(shù)據(jù)，可以了解繞組整體溫度和具體溫度分布情況，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 分布式光纖光柵保護系統(tǒng)Fig.3 Distributed FBG temperature measurement and control system

分布式光纖光柵保護系統(tǒng)可以較全面地反映繞組溫度分布狀況，有利于監(jiān)控繞組熱點和發(fā)現(xiàn)繞組局部短路[7]。目前國內對于光纖溫度傳感技術在高壓電力設備的應用還處于試驗階段，在制造工藝和質量監(jiān)控等方面難以滿足市場的要求，另外儀器較昂貴的價格也限制了分布式光纖保護系統(tǒng)的發(fā)展。

3 干式變壓器溫度測控算法

近年來干式變壓器溫度保護系統(tǒng)的發(fā)展多體現(xiàn)在溫度采集技術和信號傳輸上，而在信號處理技術和測控算法方面則比較單一落后，大多數(shù)系統(tǒng)在原理上仍是“測量－比較－動作”的過程，溫度測量速度極慢。顯然，有必要引進更先進的測控算法以提高干式變壓器溫度保護的速度。

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的溫度測控算法可以有效提高溫度保護的反應速度，它可以通過測量電量來預測溫度。因為電量的測量速度比溫度的測量速度快很多，所以使用預測控制算法的系統(tǒng)反應速度極快。另外，由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡具有獨特的非線性表達能力和學習能力，可以精確地預估變壓器溫度值。事實上，預測控制算法已經(jīng)成功地運用于油浸式變壓器的溫度保護系統(tǒng)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡是一種采用誤差反向傳播算法的多層感知結構，一般由輸入層、隱層、輸出層組成。其自學習過程是一個反復迭代的過程[8]。對于干式變壓器的繞組溫度預測可以通過圖4所示的3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)。

圖4 3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型Fig.4 Three layers BPneural network

其輸入層有3個神經(jīng)單元，隱層有9個神經(jīng)單元，輸出層有6個神經(jīng)單元。其自學習過程如下：

1）給定一個輸入樣本集 S（I，U，cosψ，θ1，θ2…θ6），對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，其中I是一次側繞組的電流，U是一次側繞組的電壓，cosψ是相位角，θ1到θ6是設于變壓器繞組上的 6個傳感器測量的溫度數(shù)據(jù)。

2）第1層第j個節(jié)點的輸入值為xi，輸出值為 yi，逐層計算每一個節(jié)點的實際輸出值。

其中yj是通過權與神經(jīng)元i聯(lián)接的神經(jīng)元j的輸出，wij為神經(jīng)元i至j的權值，f（xlj）是節(jié)點j的激活函數(shù)。

3）從輸出層開始反向逐層計算期望輸出與實際輸出之間的差值：

4）通過差值來調整初始權值，權值調整公式為：

其中η為步長。

當總的誤差E小于期望的誤差ε時，學習停止，否則重新輸入樣本進行學習。通過輸入樣本進行反復的學習訓練，即可得到干式變壓器一次繞組溫升值與輸入量I，U和cosψ之間的關系。

事實上，在諸如化學、冶煉等工業(yè)過程中，已經(jīng)廣泛地應用預測控制和模糊控制來進行溫度測控，而這些算法同樣也可以應用于干式變壓器溫度保護。

4 結束語

1）應用于干式變壓器溫度保護系統(tǒng)的溫度采樣技術主要有：熱電阻溫度傳感技術、紅外溫度傳感技術、光纖傳感測溫技術。

2）現(xiàn)有的干式變壓器溫度保護系統(tǒng)主要有熱電阻接觸式溫度保護系統(tǒng)和非接觸式紅外溫度保護系統(tǒng)兩種。另外，最新的分布式光纖光柵溫度保護系統(tǒng)具有測量精度高、速度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，將成為干式變壓器溫度保護系統(tǒng)發(fā)展的方向。

3）現(xiàn)有的溫度保護系統(tǒng)測量速度較慢，無法實現(xiàn)短路保護作用。通過將BP神經(jīng)網(wǎng)絡、預測控制等算法引入到干式變壓器溫度保護系統(tǒng)，可以起到較為理想的效果。

[1]Pradhan M K，Ramu T S.Prediction of hottest spot temperature （HST） in power and station transformers [J].IEEE Transactions on Power Delivery，2004，18（4）:1275-1283.

[2]楊武，王小華，榮命哲，等.基于紅外測溫技術的高壓電力設備溫度在線監(jiān)測傳感器的研究[J].中國電機工程學報，2002，22（9）：113-117.YANGWu，WANGXiao-hua，RONGMing-zhe，et al.On-line temperature measurements with infrared technology on high voltage device[J].Proceedings of the CSEE，2002，22 （9）:113-117.

[3]金曉丹，廖延彪，賴淑蓉，等.一種高精度補償式雙折射型光纖溫度傳感系統(tǒng)[J].中國激光，1996，5（23）:465-469.JIN Xiao-dan，LIAO Yan-biao，LAI Shu-rong，et al.An optical fiber temperature sensor system based on the birefringent effect with high accuracy and compensation function[J].Chinese journal of asers，1996，5（23）:465-469.

[4]王廷云，羅承沐，申燭.半導體吸收式光纖溫度傳感器[J].清華大學學報，2001，3（41）:59-61.WANG Yan-yun，LUO Cheng-mu，SHEN Zhu.Semiconductor absorption fiber-optic temperature sensor[J].Tsinghua Science and Technology，2001，3（41）:59-61.

[5]Theune N M，Mller M，Hertsch H，et al.Investigation of Stator Coil and Lead Temperatureon High Voltage Inside Large Power Generators via Use of Fiber Bragg Gratings[J].Proceedings of IEEE sensors，2006，1（2）:1603-1607.

[6]錢政，孫焦德，袁克道，等.電力變壓器繞組熱點狀態(tài)的在線監(jiān)測技術[J].HIGH Voltage Engineering，2003，29（9）:26-28.QINA Zheng，SUN Jiao-de，YUNA Ke-dao，et al.On-line monitoring of hot-spot temperature in transformer winding[J].High Voltage Engineering，2003，29（9）:26-28.

[7]Gregg J，Todd Michael D，Bryan LA，et al.Fiber Bragg grating interrogation and multiplexing with a 3×3 coupler and a scanning filter[J].Journal of lightwave technology，2006，8（18）:8.

[8]He Q， Si J， Tylavsky D J.Prediction of top-oil temperature for transformers using neural networks[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2000，15（4）:1205-1211.