變壓器繞組熱點(diǎn)溫度分布的研究.doc

變壓器繞組熱點(diǎn)溫度分布的研究1 概述大型變壓器在運(yùn)行時(shí), 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(shù)，運(yùn)行繞組的溫升過程與模擬不盡相同，誤差較大，法國電網(wǎng)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(diǎn)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(chǎn)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(fù)過熱)，最終將導(dǎo)致絕緣擊穿而損壞變壓器。因此從設(shè)備安全的角度考慮，繞組熱點(diǎn)溫度的有效監(jiān)測意義重大。變壓器絕緣運(yùn)行壽命一般認(rèn)為應(yīng)遵循六度法則:年平均溫度為98時(shí)具有正常壽命，當(dāng)超過或達(dá)不到98時(shí),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(chǎn)管理的角度考慮，繞組熱點(diǎn)溫度的有效監(jiān)測將保證資產(chǎn)在正確的工況條件下使用，而不影響變壓器的壽命。因?yàn)槔@組熱點(diǎn)溫度是變壓器負(fù)載的最主要限定因素，應(yīng)盡力準(zhǔn)確測出3。標(biāo)準(zhǔn)4中提出“由于熱點(diǎn)的位置很難預(yù)先準(zhǔn)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(shí)用多個(gè)傳感器”。變壓器熱點(diǎn)溫度直接測量技術(shù)在變壓器熱點(diǎn)溫度直接測量技術(shù)上，主要采用光纖測溫技術(shù)。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(shù)在變壓器熱點(diǎn)溫度監(jiān)測上成為可能。目前使用光纖傳感技術(shù)測量變壓器熱點(diǎn)溫度主要有三種測量技術(shù)：熒光式測量，半導(dǎo)體式測量和光纖光柵測量。采用光纖熒光吸收式測溫技術(shù)5和光纖半導(dǎo)體吸收式測量技術(shù)6的的繞組測溫技術(shù)，受制于1根光纖只能接1個(gè)傳感器的技術(shù)特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的監(jiān)測。光纖光柵式測量技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。2.1 熒光式測溫?zé)晒馐綔y溫方法是在光纖末端鍍上熒光物質(zhì)，經(jīng)過一定波長的光激勵后，熒光物質(zhì)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(shí)間常數(shù)根據(jù)溫度的不同而不同，通過測量衰減時(shí)間，從而得出測量點(diǎn)的溫度。由于衰減時(shí)間常數(shù)的計(jì)算是通過熒光物質(zhì)受激輻射后的光強(qiáng)測量而換算得到的，而光強(qiáng)受光纖彎曲所產(chǎn)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(dǎo)致衰減時(shí)間常數(shù)測量誤差，從而影響溫度測量精度。2.2 半導(dǎo)體測溫半導(dǎo)體測溫原理是在光纖末端加入砷化鎵晶體，當(dāng)光源發(fā)出多重波長的光照射到砷化鎵晶體時(shí)，該晶體在不同的溫度會吸收不同波長的光，同時(shí)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(dǎo)體測溫由于測量的是光的頻譜，不是光強(qiáng)，因此測量不受光功率影響，但是在實(shí)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(zhǔn)確性，還須重新定標(biāo)，確保溫度測量的準(zhǔn)確性7。同熒光式測溫技術(shù)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(gè)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(guān)系，和溫度線性擬合的相關(guān)系數(shù)可達(dá)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(diǎn)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(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單根光纖多達(dá)18個(gè)光纖光柵傳感器的串聯(lián)。2.4 三種光纖測溫技術(shù)的比較3 光纖光柵繞組熱點(diǎn)測溫原理光纖光柵是通過相位掩模板制造技術(shù)，光纖經(jīng)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(diǎn)相應(yīng)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(gè)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(shí)現(xiàn)一根光纖上多個(gè)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(gòu)成4.1 光纖光柵測溫主機(jī)該測溫主機(jī)是光纖光柵測溫主機(jī)，除了具備在線測量繞組熱點(diǎn)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(jù)傳輸接口，內(nèi)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(diǎn)等熱點(diǎn)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(shí)現(xiàn)光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕牡蛽p耗傳輸。5 深圳電網(wǎng)110kv主變溫度測量案例5.1傳感器監(jiān)測位置和數(shù)量經(jīng)與變壓器廠商議，在a，b，c三相高壓繞組上，每相安裝2個(gè)傳感器，位置分別在第二和第三個(gè)線餅之間、第四和第五個(gè)線餅之間;頂層和底層油溫部分，各安裝兩個(gè)傳感器;鐵芯上安裝2個(gè)傳感器;母線排上安裝3個(gè)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(jié)果及分析5.3.1 繞組熱點(diǎn)溫度、頂層油溫度及溫升分析表2是溫升試驗(yàn)中，繞組、鐵芯、母線與油溫度穩(wěn)定后的測量結(jié)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(gè)線餅和第三個(gè)線餅之間，為110.6，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)4，該點(diǎn)即作為繞組熱點(diǎn)溫度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(jù)熱點(diǎn)溫度模擬計(jì)算法，熱點(diǎn)系數(shù)選擇1.3，則模擬計(jì)算的熱點(diǎn)溫度=頂層油溫(油溫計(jì)測量溫度為81.6)+熱點(diǎn)系數(shù)銅油溫差，為107.6，計(jì)算的熱點(diǎn)溫升為107.6-27.3=80.3k。標(biāo)準(zhǔn)4中規(guī)定了頂層油溫升限制為60k，但沒有規(guī)定熱點(diǎn)溫升限制，標(biāo)準(zhǔn)8則規(guī)定了熱點(diǎn)溫升限制為78k。5.3.2 繞組溫度分析從測量結(jié)果看，第二、三個(gè)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?yàn)槔@組熱點(diǎn)溫度是變壓器負(fù)載的最主要限定因素, 應(yīng)盡力準(zhǔn)確測出3，標(biāo)準(zhǔn)4中提出“由于熱點(diǎn)的位置很難預(yù)先準(zhǔn)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(shí)用多個(gè)傳感器”。由于在2、3餅之間各放置了1個(gè)傳感器，為了更加準(zhǔn)確的評估變壓器的繞組熱點(diǎn)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(jié)果比較采用傳統(tǒng)的pt100油溫計(jì)與采用光纖光柵技術(shù)測量的油溫比較如圖12所示，可看出當(dāng)溫度穩(wěn)定之后：(1)光纖測量的兩個(gè)頂層油溫非常接近，相差0.2;(2)pt100油溫計(jì)測量的兩個(gè)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(jì)2在5:00-5:30時(shí)間段，溫度突變9.4，判斷可能存在測量故障。在變壓器投運(yùn)不久，該pt100傳感器果然出現(xiàn)故障，并更換。5.3.4光纖測溫?cái)?shù)據(jù)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(yàn)期間溫度數(shù)據(jù)變化均非常平穩(wěn)，本項(xiàng)目所采用光纖測溫系統(tǒng)測溫?cái)?shù)據(jù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確。5.3.5變壓器運(yùn)行后的數(shù)據(jù)比較圖14是變壓器投運(yùn)后連續(xù)6天的繞組溫度計(jì)測量溫度(線溫)、光纖測量的熱點(diǎn)溫度和對應(yīng)的電流負(fù)載關(guān)系圖，圖15是油溫計(jì)和光纖測量的頂層油溫和對應(yīng)的電流負(fù)載關(guān)系圖。由圖14和圖15可以看出：1) 光纖測量的溫度能夠更準(zhǔn)確的跟蹤電流負(fù)載的變化;2) 所測量到繞組上的熱點(diǎn)溫度隨負(fù)載電流不一樣高于線溫0-8k。3) 鐵芯溫度高于繞組熱點(diǎn)溫度。6 共性問題探討應(yīng)該看到，光纖測溫技術(shù)為變壓器繞組熱點(diǎn)溫度的監(jiān)測提供了一種有效的技術(shù)手段。為了更準(zhǔn)確測量到繞組熱點(diǎn)溫度，有必要增加測點(diǎn)數(shù)量，增加發(fā)現(xiàn)最高熱點(diǎn)溫度的幾率。所測量溫度數(shù)據(jù)如何系統(tǒng)的指導(dǎo)變壓器使用方對變壓器運(yùn)行、維護(hù)和檢修等工作，甚至結(jié)合油色