變壓器繞組熱點溫度檢測研究現狀綜述

張衛慶 王成亮 徐 洪 高愛民 于國強 殳建軍 李 燕

（1.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102；2.南京理工大學化工學院，江蘇南京210094）

0 引言

近年來，我國電力工業迅速發展，作為電能輸送的重要設備之一，變壓器的安全性已經成為一個重要課題。由于大容量高電壓變壓器供電范圍大，其運行狀況對電網供電的穩定性至關重要。變壓器故障對輸變電系統造成的影響極大[1-3]，其中，繞組溫度異常引起的變壓器故障非常普遍，直接影響到工農業生產和人民生活用電的正常供應，很大程度上制約了國民經濟的發展[4-5]。

大部分變壓器壽命的終結是因為其喪失了應有的絕緣能力，而影響絕緣能力的最主要因素是變壓器運行時的繞組溫度，如果變壓器運行時的繞組最熱點溫度過低，變壓器的能力就得不到充分利用，經濟效益降低；而熱點溫度過高，不僅會影響變壓器的使用壽命，還將對變壓器的安全運行造成極大的威脅。

因此，監測變壓器繞組及其溫升對保障變壓器正常工作和使用壽命至關重要[6-7]。

1 變壓器溫升試驗研究

為了改善變壓器運行時存在的各種問題，針對變壓器繞組溫升會對變壓器產生的影響，國內外的許多專家和工程研究者們利用變壓器溫度熱點的獲取及測量方法，設計了研究變壓器溫度場的實驗裝置，并進行了大量的實驗探索與研究，形成了以熱電偶法、繞組法、電阻法和光纖測溫法等為主的變壓器溫升測量方法[8-10]。

王恩龍[11-12]搭建了分布式光纖光柵溫度傳感系統，通過采集變壓器不同部位的溫升數據并進行比較與分析，采用外推法計算得出變壓器繞組的平均溫升與熱點溫升之間的關系。為了解決接觸式測溫時會出現的低安全性、低準確性、低效率、靈活性不足和功耗過高等問題，尚志軍等[13]提出了一種變壓器溫升試驗的無線測溫系統。朱瑞華等[14]從發熱和散熱這兩大因素出發，針對近年溫升試驗不合格的原因，提出了能使變壓器溫升控制在標準范圍內的應對措施和建議。

通過對溫升試驗數據的分析、處理和曲線擬合，張樂等[15]實現了對變壓器繞組溫升的不確定度分析。徐蓮環[16]針對雙百萬特高壓電力變壓器，首先基于TranCalc集成計算軟件對變壓器繞組溫升及熱點溫升進行了計算，再通過建立三維流動模型和二維繞組模型，完成了不同軟件下計算的繞組溫度梯度的對比與研究。李晶晶等[17]詳述了采用電阻法測量變壓器繞組溫升的方法及過程，并運用曲線擬合計算方法和MATLAB編程方法對實驗數據進行了擬合分析。

眾多學者還從影響溫升試驗的因素出發，研究了不同影響因素下變壓器溫升的規律。于清明[18]根據電磁場基本理論，以油浸式電力變壓器為例，建立三維有限元模型，采用CFD方法解得全域溫度分布，并得到了在直流偏磁現象下變壓器高壓繞組溫升的分布規律。翟麗珍等[19]選取三臺參數相同的樣機，利用模擬負載法完成其在不同低壓繞組風道大小、風道數量和風道位置下的溫升試驗，比較得出了不同繞組風道對溫升將產生不同影響的結論。

2 變壓器繞組熱點溫度理論研究

2.1 變壓器繞組熱點溫度仿真計算

李春華等[20]利用傳熱理論和流體動力學理論對干式變壓器的繞組熱點溫度分布情況展開了一系列的仿真試驗與計算研究，并準確地計算出繞組溫度及其分布位置。侯丹等[21]為了能夠實時測量繞組溫度的變化，提出了一種基于FBG的繞組熱點測溫方法。王永強等[22]提出了一種計算干式變壓器繞組熱點溫度的三維反傳熱模型，利用共軛梯度法綜合分析出繞組的溫度分布從而獲得其最熱點溫度。

此外，工程師們還探索出了其他測量熱點溫度的新方法，如：（1）在變壓器的繞組上預埋光纖測溫裝置[23-24]；（2）利用數學模型進行準確計算[25-28]。

李樹卿等[29]通過構建變壓器繞組熱點溫度的灰色神經網絡模型，并結合實驗室的溫度數據，驗證了該方法的可行性；劉興謀等[30]設計了電磁熱耦合變壓器的三維模型，計算出節點的熱源和溫度分布，結合紅外測溫儀的測試結果，比較了理論值與實際值的誤差程度。李靜等[31]將微分方程解法應用到熱點溫度的在線監測上；高鵬等[32]和翟云飛等[33]也采用適用于任意時變負載系數和時變環境溫度的差分方程解法，完成了對繞組熱點溫度的在線測量。黃超等[34]在熱電類比模型和IEEE導則推薦的熱點溫升模型的基礎之上，充分考慮輔助變量的選擇，改善了傳統的熱電類比模型，建模并驗證了該模型較高的預測準確性。

2.2 變壓器溫度場的研究

溫度場的建立更有利于全面分析變壓器繞組的溫度分布特性[35-36]。黃嬌[37]根據變壓器現場實際運行情況，利用FLUENT軟件對自然換熱條件下的變壓器溫度場進行分析，得出變壓器在縱向和橫向的溫度變化趨勢及內部最熱點的位置。楊碩[38]采用Comsol對S11-2000/10/0.4型油浸式變壓器內自然和強迫油循環下的瞬態溫度場進行了數值模擬與分析比較。薛飛等[39]應用傳熱學和流體力學原理建立了流固耦合的變壓器溫度場有限元分析模型，并采用ANSYS軟件計算了變壓器內部的溫度場分布，確定了熱點的溫度及位置。

2.3 變壓器冷卻方式對溫升的影響

變壓器的冷卻方式對繞組的溫升影響很大[40-41]。吳楠楠等[42]對10 kV配電變壓器進行了改造，研制了一套可靈活調節油流量、改變冷卻器垂直布置位置及水平布置位置的模擬試驗裝置，通過Comsol軟件搭建相應的仿真模型并進行熱學仿真分析，研究了散熱器中心高度對變壓器溫度場分布的影響。王珊珊等[43]用有限元熱—流耦合仿真的方法計算了不同冷卻條件下的變壓器溫升，研究了自然冷卻和強迫風冷兩種冷卻條件下變壓器繞組熱點的溫度和位置，總結了冷卻條件對變壓器溫升的影響情況。

3 結語

變壓器繞組溫度尤其是繞組熱點溫度已經成為影響變壓器絕緣壽命的決定性因素，其異常變化是變壓器安全運行隱患的重要表現形式。目前，國內研究熱點集中在變壓器繞組的溫度在線動態測量裝置及數學模型方面，能夠實時提供變壓器繞組的熱點及位置信息，從而為變壓器繞組溫度的在線故障報警以及指導變電站運行、維護與檢修工作提供必要的理論與實踐保障，這將產生重要的經濟和社會效益。