干式變壓器溫度場可視化分析中平行坐標技術的應用

海南金盤智能科技股份有限公司 孟春雅

保證變壓器運行安全性與可靠性的措施之一，是對干式變壓器在運行過程中的真實溫度值進行可視化分析，在掌握變壓器溫度變化的內在規律后，采用更加精準的溫度監測技術為干式變壓器的快速散熱提供支持。而平行坐標可視化技術，能夠實現多維數據的可視化處理，精準排查出干式變壓器現場運行的薄弱點，避免因散熱過慢導致絕緣損壞等異常問題。

1 干式變壓器溫度場存在的散熱問題分析

1.1 干式變壓器熱源

首先，干式變壓器由多種電力裝置組建而成，其中包括緊固裝置以及高壓、低壓繞組等，這些設備在運行過程離不開電磁載體的支持，如繞組、引線以及鐵心，但電磁載體會隨著干式變壓器的運行產生一定的損耗，這些損耗就是熱源。以鐵心和繞組為例，這兩大熱源擁有較強的傳導性能，會通過對流或者輻射的形式將熱量傳導給周圍的絕緣介質。在變壓器實際運行期間，若各個設備以及介質之間的熱源保持平衡穩定的狀態，變壓器的各個溫度點也會保持穩定。但由于變壓器內的各點溫度受負載、點位及結構的影響可能會產生溫度差異，這種差異會造成局部升溫，不利于干式變壓器的安全運行[1]。

其次，受鐵心磁通的影響，變壓器會產生空載損耗：Pc=Ph+Pe，式中：Pc為空載損耗（W），Ph為磁滯損耗（W），Pe為渦流損耗（W）。根據公式可知，變壓器電磁載體會出現兩種損耗分別是渦流損耗與磁滯損耗，在這兩種損耗的共同作用下會產生空載損耗。在計算渦流損耗的過程中可利用公式：式中：k1為鐵心材料的渦流損耗系數，f為頻率（Hz），Bmax為磁通最大密度（Wb/m2），V為鐵芯體積（m3），d為硅鋼片厚度（mm）。在計算磁滯損耗的過程中可利用公式：式中：k2為鐵心材料的磁滯系數，n為疊片（熱軋取值1.6～2.1，冷軋取值＞2.0）。

最后，干式變壓器在熱源傳導作用的影響下還會產生負載損耗，這種損耗主要是由引線以及低壓繞組的直流電阻損耗引起。具體而言，干式變壓器的漏電磁通以及熱源傳導均會造成損耗，這種損耗是導致變壓器局部溫度異常升高的主要原因，需通過科學的溫度監測和分析技術及時發現異常并解決問題。

1.2 干式變壓器傳熱原理

在變壓器傳導熱源的過程中，熱量會直接作用于電磁載體的外表面，而電磁載體周圍的空氣會通過對流或者輻射的形式對表面的熱量進行發散：ρCP▽T+▽（-k▽T）=Q，式中：ρ代表的是鐵心以及繞組等材料的密度（kg/m3）；k 代表的是熱源傳遞系數(W/m)；CP與Q分別代表的是比熱容（J/kg·K）以及體積熱流密度（W/m3）。

1.3 干式變壓器溫度場存在的散熱問題

在干式變壓器負載運行的過程中，電磁載體會產生損耗并形成熱量，這種熱量會以兩種形式作用到變壓器中，一種是存在于電磁載體的表面促使電磁載體本身的溫度升高，另一種會以對流以及輻射的形式傳遞給周圍的絕緣介質、造成局部升溫，一旦絕緣材料的溫度過高就會加快老化速度，導致變壓器的運行年限縮短，因此找到各種干式變壓器的薄弱點，開發有利于熱量快速散出的技術，是干式變壓器亟需解決的問題，也是低壓配電網未來研究發展的主要方向和內容。

2 干式變壓器溫度場可視化分析中平行坐標技術的應用要點

2.1 平行坐標可視化技術的原理

平行坐標可視化技術指的是以多維數據為基礎，通過平行軸相交的折線對樣本數據進行可視化，以便于技術人員掌握各個樣本數據之間的內在聯系。在平行坐標的二維空間中，多維數據n與多條相互平行且等距離的垂直坐標軸實現了對數據的可視化，其中代表樣本數據的折線可利用公式表示：

（x1-a1）/u1=（x2-a2）/u2=...=（xn-an）/un

以上公式的含義為：在二維空間中，多維數據即xn與an，以互相平行且等距離垂直的方式即un，存在于二維空間中，其中每1個軸線對應1個多維數據，通過折線的形式，將不同維度的數據全部連接到一起后，整體結構的表示方法就是該公式。

通過對平行坐標可視化技術工作原理的分析可知，這種技術的數學思維較強，能夠將數據之間的關系清晰明確的表達出來，實現利用二維空間表達高維數據的效果，有利于提高研究成果的可視化與直觀性。因此在干式變壓器溫度場的可視化分析中，科學應用該技術，有利于提高研究質量和效率。

2.2 變壓器溫升測試

2.2.1 變壓器基本信息在本次溫升試驗中，主要對象為本廠的礦用采煤機專用牽引變壓器，這種設備具有較強的隔爆性能，具體技術參數如下：聯結組別Yd11、額定頻率50Hz、額定容量65kVA、高壓側額定電壓1.14kV、低壓側額定電壓380V、電磁載體30Q120硅鋼片鐵心與無紡布包銅線繞組、層間厚度0.26mm、絕緣形式DMD 紙。

2.2.2 溫升測試過程

將干式變壓器調壓裝置的一次側與外接斷路器連接到一起，對變壓器的額定流量進行調整后，將調壓裝置的二次側與干式變壓器的高壓側連接到一起；對變壓器的低壓側展開絕緣處理，同時設置三相短路連接[2]；在調壓裝置的作用下對干式變壓器的高壓側電流進行有效調整和控制，主要的操作方法為：調節控壓器的二次電壓，當調壓裝置能夠控制變壓器高壓電流后展開模擬測試，即檢測在不同的負荷下干式變壓器的工況。

在負荷測試的過程中，主要是對變壓器滿載狀態下內部各組件的運行數據進行詳細的記錄，如高壓繞組電流33A、低壓繞組電流99A、記錄時間10～12h、記錄頻率每0.5h1次。為進一步提高試驗結果的準確性、確保溫度測試值具有參考價值，要將溫度傳感裝置設置在低壓繞組的上部以及高壓繞組的外部，同時在繞組的A-B-C 相間均要設有相應的溫度傳感器；在滿負荷測試中，干式變壓器需要保持12h 以上的滿負荷狀態，并在溫度檢測儀的支撐下，對變壓器壓外表皮、側面溫度以及鐵心的頂端溫度進行每0.5h 一次的溫度記錄，每次記錄的時間要＞5min。

2.3 干式變壓器溫度場平行坐標多維可視化分析

為分析出不同干式變壓器普遍存在的溫度變化規律，在溫度場平行坐標可視化分析中決定采用對比分析的工作方法，即以本廠的礦用采煤機專用牽引變壓器為主要研究對象，在測試本廠變壓器溫度規律的過程中，同時對其他型號變壓器的溫度規律進行測試，并對最終的測試結果進行綜合對比分析后找到各種變壓器的共性問題，在此基礎上制定溫度場的散熱方案，提高干式變壓器的運行能力。

在本次測試中，本廠干式變壓器型號為KBSG-65/1.14，簡稱A，其他測試對象的型號分別為：SCB10-1250/10(三相干式變壓器)、PSCD/500(海用變壓器)以及礦用變壓器，簡稱B、C、D。利用平行坐標多維可視化分析技術，對A、B、C、D 四臺干式變壓器的溫度變化情況進行檢測后，各個溫度大數據點會以平行線的形式呈現出來，各個平行線之間的折線代表著兩種含義，一種是四臺變壓器的溫度變化特點，另一個是多維溫度相關數據點之間的關系。通過對變化特點以及變量關系的深層次分析和研究，能夠掌握四臺變壓器之間的共性問題。

2.3.1 時間特征

在開展變壓器A 的溫升測試時，詳細記錄檢測到溫度的數據后，根據變壓器B 的溫升測試結果，對A 與B 展開可視化分析，隨著時間的推移，能夠掌握變壓器內部各個電磁載體的溫度變化情況[3]。為更加全面直觀的掌握A 與B 升溫的過程，可借助平行坐標可視化技術，對變壓器的溫度數據進行有針對性的選擇。通過對數據的二維可視化處理后，能夠明確變壓器的運行時長與繞組以及鐵心的溫度呈正相關，即隨著運行時間的不斷推移變壓器電磁載體的溫度也會隨之升高，各個電磁載體的溫度從低到高分別是：鐵心—高壓繞組—低壓繞組，低壓繞組溫度最高的原因在于其位置較為特殊，在高壓繞組與鐵心的中間，因此缺乏良好的散熱條件，導致散熱的速度較慢。

B 鐵心的溫度要明顯高于A，原因在于空載試驗結束后鐵心一直保持高溫的狀態，在這種情況下展開負載溫升測試，在一定程度上會影響到鐵心的溫度。在不同的變壓器中，低壓繞組的溫度存在較大的差異性，這是因為A 與B 的結構有所不同，因此在溫升測試中A 的最大溫差值＞22℃，而B 的溫差值已經超過32℃。因此，變壓器熱源的橫向分布受結構影響較大，想要掌握電磁載體最高升溫點，需對熱量的縱向傳遞情況進行深入探討[4]。

2.3.2 溫度特征

在變壓器縱向溫度分布特征的分析中，主要是利用平行坐標技術對A、B、C、D 四個設備的溫測數據進行可視化分析。主要的操作方法為對變壓器縱向測量點展開標量化，取值范圍控制在(0,1)。當干式變壓器A～D 位置變化后，對電磁載體的縱向溫度變化情況進行監測和記錄。在這一過程中，要借助平行坐標技術對各個溫度數據進行可視化處理后形成二維平面圖，通過對二維平面圖的分析和研究，掌握位置變化與變壓器溫度變化之間的關系。

最終的結論為：A～D 四臺低壓變壓器的高壓繞組溫度要明顯低于低壓繞組溫度，并且溫度最高點在0.8，在0.6～0.9各個變壓器之間的溫差最小。因此電廠在設置溫度監測裝置的過程中，要將測溫裝置安裝到變壓器縱向高度的0.75，能夠將溫度監測誤差控制在最小范圍內[5]。

2.3.3 諧波特征

在低壓配電網運行的過程中會產生諧波，這是導致變壓器各種損耗加大的關鍵原因。低壓繞組的損耗有所升高后，就會產生熱源并傳導給周圍的絕緣材料、致使局部溫度升高，絕緣老化速度會隨著溫度的升高而加快，進而給變壓器的穩定運行造成不良影響。在平行坐標技術的支持下，測試干式變壓器受諧波影響的溫度參數后，能夠明確當配電網中諧波的含量增多后電磁載體的損耗也會增加，導致低壓繞組的溫度升高，因此為保證變壓器的運行年限、提高運行的可靠性與穩定性，可以將濾波裝置安裝到干式變壓器中，控制電磁載體的損耗，避免出現低壓繞組溫度過高的情況。

2.4 測試結果綜合分析

利用平行坐標技術對干式變壓器溫升過程進行可視化分析可知，低壓繞組處于高壓繞組與鐵心的中間，因此散熱條件不佳。在這種情況下，一旦低壓配電網的諧波過多加大損耗就會造成局部高速升溫，導致絕緣材料快速老化。對此要從兩方面入手控制低壓繞組的溫度，一方面是將溫度傳感器的埋設高度控制在0.7～0.8以內，實現對變壓器溫度的有效監測；另一方面是增設濾波裝置控制諧波量，以延長變壓器的使用年限[6]。

3 結語

利用平行坐標技術對變壓器升溫過程進行可視化分析，能夠掌握影響變壓器內部電磁載體快速散熱的原因，再制定行之有效的控制解決措施，有助于提高變壓器的運行質量，延長電力設備的工作壽命，促進配電網的穩定運行。