變壓器壓差式油溫測量方法

陳樹海+張孝云+王進

摘 要：作為電網重要設備之一的電力變壓器，其運行狀況對電網的安全有十分重要的影響。據有關資料統計，在變壓器運行事故中有相當一部分是因超負荷運行引起的。變壓器超負荷運行使繞組發熱量增大，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控對預防此類事故的發生有重要的預警作用。本文在分析現有變壓器油溫測量方法的基礎上，提出了一種利用兩點間油壓強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。

關鍵詞： 油溫測量；壓強差；變壓器保護

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

0 引言

電力變壓器在掛網運行過程中，由于空載損耗和負載損耗的存在，變壓器不可避免地消耗電網的電功量，轉化成熱量后通過散熱和冷卻系統散發到外界環境中去。變壓器的使用壽命主要是由其內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部充有起冷卻和絕緣作用的變壓器油，變壓器產生的熱量，通過變壓器油散發到外界環境中，因此油溫的測量和控制是維護變壓器安全運行的基礎和關鍵[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實現的，而溫度控制指示器（簡稱溫控器）是控制冷卻系統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上增加了加熱元件，通過熱模擬方法實現對繞組溫度的測量。當前主流的溫控器，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（內含波登管），由彈性波紋管、毛細管和溫包組成一個全密封系統，利用這密閉系統內部所充的感溫介質受溫度變化而產生的壓力變化，使彈性波紋管端部產生位移變化，使彈性波紋管端部產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傳信號裝置，用來輸出溫度開關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的油溫變化，但由于變壓器油箱內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大小的一個關鍵因素，因此壓強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1#和2#兩個測量點。在作壓強差與油溫的數學函數關系推導前，對有關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；p2：2#測點油壓強；

g：重力加速度（9.8m/s2）。

以下公式的推導是以溫度變化前后，變壓器油的總質量不變為前提。

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，通過測量1#測點與2#測點的壓強差Δp，便可測出變壓器油溫。

3 計算公式簡化處理

為方便記憶和后續在計算機中的數據處理，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）

根據變壓器運行環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）這個溫度區間內，在該區間內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，T與Δp的散點分布幾乎按線性規律分布，經擬合計算，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 油溫測量系統的構建

圖3為油溫測量系統組成框圖。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。壓力變送器產生兩路4～20mA電流信號，經250Ω精密電阻后，轉換成兩路1～5V電壓信號，A/D轉換器對這兩路電壓信號進行采樣，將模擬量電壓信號轉換成數字量電壓信號后送到MCU處理單元。MCU處理單元按照預先編譯好的處理程序，按照公式（12）基本數學關系式對兩路數字量電壓信號進行處理、解算，解算結果經RS485傳輸電路送后臺上位機監控程序進行實時顯示。

變壓器油箱內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據，據此估計出變壓器油溫的總體分布情況。

5 總結

針對現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系，提出了利用兩點油壓強差來間接測油溫的方法，并給出了通過加設測點數量以進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：

[1]袁興起，楊雙艷.變壓器油溫監控系統研究與實現[J].河南理工大學學報（自然科學版），2014（10）：626-629.

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

[3]李璞，向學軍等.基于CC1010的變壓器油溫無線測量設計[J]. 三峽大學學報（自然科學版），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測系統的設計與建模[J].電力系統及其自動化學報，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調度管理工作。

*為通訊作者