非晶合金干式變壓器溫升異常監測方法研究

曹金京，張 村

(國網山東省電力公司 博興縣供電公司，山東 濱州 256500)

非晶合金干式變壓器是一種損耗量低、能效轉化率高的電力型變壓器件，以非晶態的鐵基類金屬作為鐵芯。由于材料本身性能受限，非晶合金干式變壓器不具備有序型的長程結構分子，與變壓器相關的磁化及消磁反應均比一般磁性材料更易發生。鐵損量也叫空載損耗量，是非晶合金干式變壓器所具備的固有理化性能，該項物理系數的實值水平比以硅鋼作為鐵芯材質的傳統型變壓器低75%左右[1-2]。由于非晶型合金材料的飽和磁密度較低，在設計變壓器時不宜選擇過高的額定磁通密度數值，通常在1.3 T或1.35 T的磁通密度水平下，可以獲得較高的空載損耗量實值。為收獲更好的使用效果，非晶合金干式變壓器及與之相關的電器類產品，都必須保持全密封的結構化形式。

變壓器溫度與周圍空氣溫度間的差變值叫做變壓器的溫升，在完整的使用壽命周期內，溫度是引起絕緣材質老化的主要原因。由于變壓器內部的熱量傳播行為并不完全均勻，各部位之間的溫度差別始終較大，因此在變壓器保持額定負荷水平時，必須對各部分的溫度升高量做出嚴格規定，這也是變壓器唯一允許的溫升條件[3]。在實際應用過程中，變壓結構體的工作頻率會隨使用時間的延長而開始不斷提高，從而導致元件重量及體積逐漸減小，造成變壓器在溫度方面的實際損耗量持續增加，這也是導致溫升性問題的主要原因之一。為避免上述情況的發生，非晶合金干式變壓器溫升異常監測方法通過計算導熱系數與三維溫度場的方式，確定高頻溫升形態下的磁芯損耗與繞組損耗總量，從而實現對異常性溫升行為的實時監測。

1 非晶合金干式變壓器的溫度場分析

在試驗狀態下，對非晶合金干式變壓器溫度場的分析共包含熱源計算、導熱系數計算、三維溫度場計算三個環節。

1.1 熱源計算

在變壓器溫度場中，熱源是指高頻溫升漏感量最高的區間。由于額定電流的輸出水平較高，必須先借助升壓裝置將上段輸入電流提升至指定數值標準。在此情況下，變壓器高壓側采取“三角形”接線原則，將非晶合金干式熱源結構體放置在變壓環路的中心位置，在其邊緣設置多個獨立的變壓結構體。因其中最長接線端電壓數值的平方等于其他較短接線端電壓數值的總和，與直角三角形勾股定理的思路較為相似，因此將其定義為“三角形”接線原則[4-5]。

接線場景如圖1所示。

圖1 非晶合金干式變壓器的“三角形”接線場景布置

在整個變壓器回路中，由于電子傳輸速率不斷變化，不同接線端的溫升量也均不相同。假設T0為初始狀態下非晶合金干式變壓器的最小溫升監測數值；T1為非晶合金干式變壓器的最大溫升監測數值；Δt為溫度場內的溫升變化時長；μ為變壓器升溫系數，聯立上述各項物理量，可將非晶合金干式變壓器的熱源計算式定義為

(1)

1.2 導熱系數計算

因“三角形”接線原則的限制作用，變壓器在三維溫度場中存在明顯的“過導”和“半導”狀態，且兩種作用狀態均能造成變壓器出現異常性溫升的情況。所謂“過導”是指在導熱系數過大的情況下，傳輸電流在非晶合金干式變壓器中大量累積，進而造成已抒發熱值總量的提升，從而引發變壓器的異常溫升。而“半導”則是指在導熱系數過小的情況下，傳輸電流無法正常進入非晶合金干式變壓器中，導致變壓器結構內部的實際電壓難以達到理想消耗條件，從而導致缺電型異常溫升的現象[6-7]。由于導熱系數的存在，非晶合金干式變壓器的溫升異常行為不會無限增大，而是始終在異常值邊界區間內不斷波動。在整個異常值邊界區間內，最小值約等于常規溫升的最大值，而最大值則有可能遠高于常規溫升數值的幾倍或幾十倍。聯立式(1)，可將非晶合金干式變壓器的導熱系數表示為

(2)

1.3 三維溫度場計算

非晶合金干式變壓器的三維溫度場由xz平面、xy平面、yz平面三結構組成。假設Cx、Cy、Cz分別代表xy平面、yz平面、xz平面的實際變壓器溫升數值，聯立公式(2)，建立非晶合金干式變壓器的三維溫度場模型如下：

(3)

式中：σx、σy、σz為代表不同溫升平面內的變壓器電阻變化量，Ω;Bx、By、Bz分別為不同溫升平面內的變壓器溫感電流變化量，A。在此基礎上，結合三維溫度場模型，利用紅外測溫設備獲得xz平面、xy平面、yz平面上的溫升圖(見圖2～圖4)。

從圖2所示的xz平面溫升圖來看，變壓器鐵心溫度由底部到頂部始終保持階梯狀分布狀態，平均溫度數值先上升再降低。總體來說，下段鐵心部件的溫度數值較低，而中上段的溫度數值較高[8]。

圖2 zx平面溫升圖

從圖3中xy平面溫升圖來看，非晶合金干式變壓器的高壓繞組端溫度最高，而鐵心處的溫度最低，整個低壓繞組端與鐵心之間的氣隙溫度大體上與鐵心處的溫度數值保持一致。高壓繞組結構之間的氣道溫度數值只能呈現梯度分布狀態，且絕緣擋板處的溫度數值必須時刻保持最低[9]。

圖3 xy平面溫升圖

從圖4中yz平面溫升圖來看，非晶合金干式變壓器鐵心處的實際溫度數值不是很高，最熱點也只能達到37.6 ℃，這也充分顯示了非晶狀鐵心結構體損耗低、溫升低的特點。

圖4 yz平面溫升圖

2 溫升異常監測方法設計

在非晶合金干式變壓器溫度場條件的支持下，按照確定變壓器高頻溫升漏感、計算磁芯損耗與繞組損耗的流程，實現對變壓器溫升異常的有效監測。

2.1 變壓器高頻溫升漏感計算

由于變壓器高頻溫升場中集中了全部的漏感電量，因此可以根據壓流轉換情況確定等效的漏感計算數值。

在已知非晶合金干式變壓器結構尺寸與額定電流輸出能力的前提下，計算已出漏的電量，可得到漏感實值。對首次繞組的電壓模型作簡化處理，在異常溫升條件下，將繞組等效為一種簡易的變壓器長螺線管，由于每次繞組處理的電量動勢值完全相等，而繞組結構間流過的電流方向卻正好相反，因此可將各層繞組元件間的漏感電量等效為由匝數相同線管所產生的電量場[10]。受到變壓器臨近效應的影響，每個繞組中的電流分布情況都是不同的，處于方便性考慮，可對其進行初步簡化處理，人為規定初次級繞組所產生的電量場與流過其中的應用電流始終保持正比關系。圖5顯示了非晶合金干式變壓器繞組的斷面以及其電量場分布情況。

圖5 非晶合金干式變壓器中的高頻溫升場分布

圖5中，H1、H2、H3、H4分別為變壓器高頻溫升場中四個不同方向上的電量強度，在此基礎上，聯立式(3)，可將變壓器高頻溫升漏感量的計算式定義為

(4)

2.2 磁芯損耗

當去掉外部溫升漏感電場時，非晶合金干式變壓器的一部分電量材料可以在最短時間內的恢復到初始位置。然而，還有一部分電量材料始終無法恢復到初始位置。即在外加溫升漏感電場的作用下，這部分電量材料會出現剛性轉動行為，此時即使去掉外界電場作用，也可保持原有電量傳輸方向[11]。由于這部分電量在溫升變化的過程中會克服物理摩擦力使磁芯快速發熱從而損耗能力，而這部分被損耗的熱量也就是磁芯損耗。在磁芯被動升溫的一個周期內，每單位體積電量的損耗都等于變壓器回線所包圍的面積。相對來說，變壓器磁芯的電感回線越狹窄，與之相關的磁芯損耗量也就越小；電量轉換頻率越高，磁芯的密度數值也就越大，變壓器電感回線所包圍的面積也就越大，與之相關的磁芯損耗量也就越大[12]。聯立式(4)，可將變壓結構體在溫升異常情況下的磁芯損耗量表示為

(5)

式中：假設N0為非晶合金干式變壓器線圈的原邊匝數;N1為副邊匝數;V1為非晶合金干式變壓器線圈的副邊電壓有效值，kV;I0為原邊電流的有效值,A;θ為V1與I0之間的實際相位差。

2.3 繞組損耗

在高頻溫升條件下計算變壓器繞組損耗時，需要同時考慮鄰近效應與集膚效應的作用影響。當兩根相鄰導線距離極近時，彼此之間的電量影響并不能完全忽略，而在高頻電流反向流過變壓結構體時，電流會因為溫升漏感電場的作用而在繞組臨近側快速流動，這種現象被稱為變壓器繞組損耗的鄰近效應。在已出漏電量保持相對高頻的輸出情況時，電流集中在非晶合金干式變壓器的外表層，即電流流過的導線實際截面減小會導致變壓結構體的交流電阻增大，即損耗功率也隨之增加，這種現象被稱為變壓器繞組損耗的集膚效應[13-14]。對于繞組損耗來說，鄰近效應的影響強度遠高于集膚效應。聯立式(5)，可將非晶合金干式變壓器的溫升繞組損耗表示為

(6)

3 實用監測能力分析

為驗證本研究設計的非晶合金干式變壓器的溫升異常監測方法的實際應用能力，設計如下仿真實驗。

首先將高低壓繞組分別與非晶合金干式變壓器的可調直流電源相連，然后將等效鐵心與可調交流電源相連，再在連接溫度傳感器與數值記錄儀表的同時，打開升溫控制設備與超聲波流速傳感器。

一般來說，非晶合金干式變壓器在沖擊負荷或空載狀態下運行，因此，本次實驗主要研究在溫度損耗數值不斷上升的情況下，非晶合金干式變壓器溫度場及所承擔電子沖擊負荷量的變化趨勢，并根據所記錄數值繪制場強負荷曲線。

實驗設計的溫升試驗平臺如圖6所示。

圖6 非晶合金干式變壓器溫升試驗平臺

已知非晶合金干式變壓器的可控溫度場范圍為[10E，90E]。在此基礎上，選取50、100、150 ℃三個溫度損耗量作為參考數值，記錄在溫升異常情況下，非晶合金干式變壓器溫度場強的具體變化情況，其溫度場強負荷曲線如圖7所示。

圖7 非晶合金干式變壓器的溫度場強負荷曲線

分析圖7可知，隨溫度損耗量的增加，非晶合金干式變壓器的溫度場強整體呈現一種波動性上升的變化態勢。當溫度損耗量為50 ℃時，可取變壓器溫度場強的最小值20E，高于最低可控場強數值10E；當溫度損耗量為150 ℃時，可取變壓器溫度場強的最大值75E，低于最高可控場強數值90E。由此可知，應用本研究設計的溫升異常監測方法后，非晶合金干式變壓器的溫度場強一直處于可控范圍內，在很大程度上保證了變壓器工作狀態的穩定性。

表1所示為當溫度損耗量分別等于50、100、150 ℃時，隨監測時間的延長，非晶合金干式變壓器的實際電子沖擊負荷量變化情況。

分析表1可知，當溫度損耗量為50 ℃時，電子沖擊負荷量共出現兩次穩定的數值波動狀態；當溫度損耗量為100 ℃時，電子沖擊負荷量只出現一次穩定的數值波動狀態；當溫度損耗量為150 ℃時，電子沖擊負荷量共出現三次穩定的數值波動狀態。綜上可知，溫度損耗量的變化不會影響非晶合金干式變壓器電子沖擊負荷量的穩定波動狀態，表明應用本研究設計的溫升異常監測方法后，變壓器電子沖擊負荷量變化情況穩定，與理想化情況保持一致。

表1 非晶合金干式變壓器的電子沖擊負荷量

4 結 語

在熱源計算量、導熱系數等溫度場條件的支持下，本研究設計的新型非晶合金干式變壓器溫升異常監測方法可在確定變壓器高頻溫升漏感的同時，計算獲得準確的磁芯損耗與繞組損耗數值。在溫度損耗量持續增加的環境下，非晶合金干式變壓器溫度場強與電子沖擊負荷量均滿足理想化運行條件，證明該方法可有效解決變壓結構體的連續性溫升問題，維護變壓器工作狀態的穩定。