變壓器繞組熱點溫度分布的研究.doc

變壓器繞組熱點溫度分布的研究1 概述大型變壓器在運行時, 繞組溫度分布是不均勻的。通過傳統(tǒng)的熱模擬法測量的技術，運行繞組的溫升過程與模擬不盡相同，誤差較大，法國電網已停用該測溫裝置1。在頂層油溫處于正常水平的情況下，繞組的熱點溫度可能已發(fā)生局部過熱。繞組過熱一方面會造成該處油的分解并產生氣泡, 另一方面還會造成該處局部絕緣累積性的老化(多次重復過熱)，最終將導致絕緣擊穿而損壞變壓器。因此從設備安全的角度考慮，繞組熱點溫度的有效監(jiān)測意義重大。變壓器絕緣運行壽命一般認為應遵循六度法則:年平均溫度為98時具有正常壽命，當超過或達不到98時,每上升或降低6,則變壓器壽命降低一半或延長一倍，如圖1所示2。從資產管理的角度考慮，繞組熱點溫度的有效監(jiān)測將保證資產在正確的工況條件下使用，而不影響變壓器的壽命。因為繞組熱點溫度是變壓器負載的最主要限定因素，應盡力準確測出3。標準4中提出“由于熱點的位置很難預先準確確定，加之油流的隨意變化，各不同位置的溫度也會隨之變化，因此最好同時用多個傳感器”。變壓器熱點溫度直接測量技術在變壓器熱點溫度直接測量技術上，主要采用光纖測溫技術。光纖為sio2材料，具有非常優(yōu)異的絕緣特性，敏感組件測量和信號的傳輸均由光來完成，由于沒有電信號的引入，使得光纖傳感技術在變壓器熱點溫度監(jiān)測上成為可能。目前使用光纖傳感技術測量變壓器熱點溫度主要有三種測量技術：熒光式測量，半導體式測量和光纖光柵測量。采用光纖熒光吸收式測溫技術5和光纖半導體吸收式測量技術6的的繞組測溫技術，受制于1根光纖只能接1個傳感器的技術特點，難以實現(xiàn)多點的監(jiān)測。光纖光柵式測量技術則可實現(xiàn)多點測溫。2.1 熒光式測溫熒光式測溫方法是在光纖末端鍍上熒光物質，經過一定波長的光激勵后，熒光物質受激輻射出熒光能量。由于受激輻射能量按指數(shù)方式衰減，衰減時間常數(shù)根據溫度的不同而不同，通過測量衰減時間，從而得出測量點的溫度。由于衰減時間常數(shù)的計算是通過熒光物質受激輻射后的光強測量而換算得到的，而光強受光纖彎曲所產生的損耗、光纖接頭處的插入損耗以及外接光纜的光損耗等因素影響，可能導致衰減時間常數(shù)測量誤差，從而影響溫度測量精度。2.2 半導體測溫半導體測溫原理是在光纖末端加入砷化鎵晶體，當光源發(fā)出多重波長的光照射到砷化鎵晶體時，該晶體在不同的溫度會吸收不同波長的光，同時將剩余不能吸收的波長的光反射回去。通過檢測反射光的光譜，換算出測量溫度。半導體測溫由于測量的是光的頻譜，不是光強，因此測量不受光功率影響，但是在實際操作過程中，光路的變化(如光纜的重新布置, 傳感器的重新熔接)還會影響測溫的準確性，還須重新定標，確保溫度測量的準確性7。同熒光式測溫技術一樣，溫度敏感組件都是處于光纖的末端，單根光纖只能接一個傳感器。2.3 光纖光柵測溫光纖光柵是在光纖上制作的、只反射特定波長的光傳感組件。該器件反射的波長與溫度具有優(yōu)異的線性關系，和溫度線性擬合的相關系數(shù)可達99.99%。通過測量光纖光柵反射回的光的波長，即可換算出測量點的溫度。在單根光纖上的不同位置可以刻寫不同波長的光纖光柵傳感器，通過波分復用技術，實現(xiàn)單根光纖多達18個光纖光柵傳感器的串聯(lián)。2.4 三種光纖測溫技術的比較3 光纖光柵繞組熱點測溫原理光纖光柵是通過相位掩模板制造技術，光纖經過激光照射形成光波長反射器件。一定帶寬的光與光纖光柵場發(fā)生作用，光纖光柵反射回特定中心波長的窄帶光，并沿原傳輸光纖返回;其余寬帶光沿光纖繼續(xù)傳輸。反射的中心波長隨作用于光纖光柵的溫度變化而線性變化，從而使光纖光柵成為性能優(yōu)異的溫度測量元件。通過測量光纖光柵反射的中心波長，即可測量出光纖光柵溫度傳感器測量點相應的溫度值。沿光纖繼續(xù)傳輸?shù)耐干涔饫^續(xù)傳輸給其它具有不同中心波長的光纖光柵，并逐一反射各個光纖光柵的中心波長，通過測量各反射光的中心波長，從而實現(xiàn)一根光纖上多個光纖光柵溫度傳感器的串聯(lián)。4變壓器繞組測溫系統(tǒng)主要構成4.1 光纖光柵測溫主機該測溫主機是光纖光柵測溫主機，除了具備在線測量繞組熱點溫度的功能之外，還有多路光纖通道和8路繼電器及數(shù)據傳輸接口，內置了modbus和iec61850傳輸協(xié)議。4.2 光纖光柵溫度傳感器光纖光柵溫度傳感器不受電磁干擾，與變壓器油相容，可耐受諸如煤油氣相干燥，熱油循環(huán)等變壓器制造過程。傳感器可方便的安裝到變壓器繞組、鐵心、母線排、電氣接點等熱點區(qū)域。4.3 光纖接口板光纖接口板由不銹鋼材料制成(專利號：zl201120115532.1)，安裝在變壓器油箱壁上，在保證變壓器不漏油的情況下，實現(xiàn)光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕牡蛽p耗傳輸。5 深圳電網110kv主變溫度測量案例5.1傳感器監(jiān)測位置和數(shù)量經與變壓器廠商議，在a，b，c三相高壓繞組上，每相安裝2個傳感器，位置分別在第二和第三個線餅之間、第四和第五個線餅之間;頂層和底層油溫部分，各安裝兩個傳感器;鐵芯上安裝2個傳感器;母線排上安裝3個傳感器。如圖6所示：5.2傳感器在變壓器中的安裝傳感器在繞組、鐵芯、母線排及頂層油的安裝如圖7-10所示：5.3 測量結果及分析5.3.1 繞組熱點溫度、頂層油溫度及溫升分析表2是溫升試驗中，繞組、鐵芯、母線與油溫度穩(wěn)定后的測量結果。注：*1，表示傳感器安裝在第2、3線餅間;*2，表示傳感器安裝在第4、5線餅間;所測量的繞組最高溫度在c相高壓繞組上第二個線餅和第三個線餅之間，為110.6，根據標準4，該點即作為繞組熱點溫度。根據標準4中規(guī)定的溫度分布模型，已知銅油溫差為20k，作圖如下：該臺變壓器的銅油溫差為20k，根據熱點溫度模擬計算法，熱點系數(shù)選擇1.3，則模擬計算的熱點溫度=頂層油溫(油溫計測量溫度為81.6)+熱點系數(shù)銅油溫差，為107.6，計算的熱點溫升為107.6-27.3=80.3k。標準4中規(guī)定了頂層油溫升限制為60k，但沒有規(guī)定熱點溫升限制，標準8則規(guī)定了熱點溫升限制為78k。5.3.2 繞組溫度分析從測量結果看，第二、三個線餅間的溫度高于第四、五線餅間的溫度;相同位置不同繞組的測量溫度較為接近。因為繞組熱點溫度是變壓器負載的最主要限定因素, 應盡力準確測出3，標準4中提出“由于熱點的位置很難預先準確確定，加之油流的隨意變化，各不同位置的溫度也會隨之變化，因此最好同時用多個傳感器”。由于在2、3餅之間各放置了1個傳感器，為了更加準確的評估變壓器的繞組熱點溫度，因此傳感器數(shù)量有必要增加，以測量出繞組可能存在的更高溫度。5.3.3 頂層油溫測量結果比較采用傳統(tǒng)的pt100油溫計與采用光纖光柵技術測量的油溫比較如圖12所示，可看出當溫度穩(wěn)定之后：(1)光纖測量的兩個頂層油溫非常接近，相差0.2;(2)pt100油溫計測量的兩個頂層油溫相差2.3，最大值比光纖測量溫度差大約0.5。pt100油溫計2在5:00-5:30時間段，溫度突變9.4，判斷可能存在測量故障。在變壓器投運不久，該pt100傳感器果然出現(xiàn)故障，并更換。5.3.4光纖測溫數(shù)據穩(wěn)定性分析從圖13可看出，繞組、鐵芯，還是母排在溫升試驗期間溫度數(shù)據變化均非常平穩(wěn)，本項目所采用光纖測溫系統(tǒng)測溫數(shù)據穩(wěn)定、準確。5.3.5變壓器運行后的數(shù)據比較圖14是變壓器投運后連續(xù)6天的繞組溫度計測量溫度(線溫)、光纖測量的熱點溫度和對應的電流負載關系圖，圖15是油溫計和光纖測量的頂層油溫和對應的電流負載關系圖。由圖14和圖15可以看出：1) 光纖測量的溫度能夠更準確的跟蹤電流負載的變化;2) 所測量到繞組上的熱點溫度隨負載電流不一樣高于線溫0-8k。3) 鐵芯溫度高于繞組熱點溫度。6 共性問題探討應該看到，光纖測溫技術為變壓器繞組熱點溫度的監(jiān)測提供了一種有效的技術手段。為了更準確測量到繞組熱點溫度，有必要增加測點數(shù)量，增加發(fā)現(xiàn)最高熱點溫度的幾率。所測量溫度數(shù)據如何系統(tǒng)的指導變壓器使用方對變壓器運行、維護和檢修等工作，甚至結合油色