趙文航，郭海全

(1.河北國(guó)華定洲發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 定州 073000;2.河北省電力公司,石家莊 050021)

變壓器溫度監(jiān)測(cè)主要目的是利用測(cè)溫裝置控制冷卻系統(tǒng)，發(fā)出高溫報(bào)警、高溫跳閘指令和實(shí)時(shí)顯示溫度，以保護(hù)和保證變壓器的安全運(yùn)行。國(guó)產(chǎn)油浸變壓器測(cè)溫裝置包括2套油面溫度控制器和1套繞組溫度控制器，油面溫度控制器和繞組溫度控制器均能分別啟停冷卻系統(tǒng)、啟動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，如果油面溫度控制器和繞組溫度控制器不帶遠(yuǎn)傳功能，需另外配置1套或2套鉑(銅)溫電阻溫度計(jì)。溫度監(jiān)測(cè)主要是測(cè)量變壓器繞組溫度和頂層油面溫度。

1 繞組溫度監(jiān)測(cè)方法

1.1 直接測(cè)量法

直接測(cè)量法是在繞組中埋設(shè)傳感器，由光纖傳播信號(hào)在高電壓、高磁場(chǎng)條件下實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)地測(cè)量繞組的熱點(diǎn)溫度。光纖溫控器是通過(guò)測(cè)量磷光體單獨(dú)的固有參數(shù)(衰減時(shí)間)而確定的，不會(huì)因?yàn)楣饫w的物理變化而改變，是一個(gè)無(wú)需校驗(yàn)的系統(tǒng)。溫度傳感器由一種穩(wěn)定的耐高溫的熒光材料制成,直接附于光纖探頭末端，該探頭與油浸變壓器長(zhǎng)期兼容，具有優(yōu)良電氣性能。光纖探頭測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)2～16個(gè)獨(dú)立輸出和顯示的測(cè)量通道傳送到溫度控制器。

直接測(cè)量的工作原理是當(dāng)LED 光源發(fā)出的光脈沖通過(guò)光纖送到與繞組接觸的溫度傳感器時(shí)，該脈沖激勵(lì)傳感器的熒光材料，使其產(chǎn)生波長(zhǎng)較長(zhǎng)的熒光。根據(jù)返回?zé)晒獾乃p時(shí)間測(cè)出該傳感器的溫度，然后通過(guò)處理，顯示出溫度值和有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，并同時(shí)將溫度信息傳輸?shù)娇刂剖摇?/p>

直接測(cè)量裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)繞組溫度，但是價(jià)格昂貴，也存在測(cè)量誤差。由于探頭的位置在繞組絕緣的外部，探頭所測(cè)的溫度均為貼近導(dǎo)線絕緣層的溫度。根據(jù)傳熱學(xué)的導(dǎo)熱機(jī)理，銅線表面和絕緣紙外表面之間有一個(gè)溫度梯度，因而測(cè)量溫度與熱點(diǎn)的真實(shí)值有一個(gè)差值，測(cè)量值需要修正。

1.2 熱模擬測(cè)量法

目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用一種以GB 1094.7-2008《電力變壓器第7部分 油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》[1]為基礎(chǔ)的“熱模擬”技術(shù)，間接測(cè)量變壓器繞組溫度。該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為變壓器繞組溫度(Tw)為變壓器油箱頂層油溫(To)和變壓器銅油溫差(Two)之和，即Tw=To+Two。其中油溫可由壓力式溫度計(jì)測(cè)量獲得，但銅油溫差是隨變壓器負(fù)荷大小而變化的數(shù)據(jù)，需要通過(guò)“熱模擬”獲得。

“熱模擬”技術(shù)的工作原理是從變壓器的電流互感器取得的與負(fù)載電流成正比的附加電流Ict,經(jīng)復(fù)合變送器變流成Ih(Ih是對(duì)Ict進(jìn)行調(diào)整后，根據(jù)變壓器銅油溫差人為給出的工作電流)。Ih對(duì)溫控器內(nèi)一組特別設(shè)計(jì)的電熱元件進(jìn)行加熱，該電流在電熱元件上所產(chǎn)生的正比于負(fù)載電流的附加溫升即模擬的銅油溫差Two，迭加到變壓器頂層油溫To上，從而使得繞組溫控器獲得變壓器的繞組溫度Tw=To+Two。

熱模擬測(cè)量法原理簡(jiǎn)單易懂，溫控器校驗(yàn)時(shí)要外加模擬電流在恒溫槽中進(jìn)行，電流匹配器、溫度變送器、溫度顯示儀設(shè)定工序繁瑣。負(fù)荷電流的引入和加裝電流匹配器使得二次回路復(fù)雜化，在運(yùn)行中受外界條件影響經(jīng)常發(fā)生溫度跳變或擾動(dòng)。繞組溫控器的測(cè)溫元件位于油箱頂部，雖有人為引入補(bǔ)償電流，但還是存在測(cè)量誤差和時(shí)滯誤差，不能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的顯示繞組熱點(diǎn)溫度。

1.3 間接計(jì)算法

間接計(jì)算法是基于IEC 60076.7-2005《油浸變壓器負(fù)載導(dǎo)則》[2]中熱點(diǎn)計(jì)算公式間接計(jì)算的，是根據(jù)假設(shè)變壓器熱模型，結(jié)合實(shí)用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算的，是傳統(tǒng)的經(jīng)典估算方法。其中，穩(wěn)態(tài)溫度方程是假設(shè)油、繞組的溫升為線性的前提下對(duì)熱點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算，暫態(tài)溫度方程是考慮了負(fù)載的實(shí)時(shí)變化量對(duì)溫升進(jìn)行計(jì)算。

1.3.1 穩(wěn)態(tài)溫度方程式

對(duì)于自然油循環(huán)(ON)冷卻的變壓器，在任何負(fù)載下的最熱點(diǎn)溫度等于環(huán)境溫度、頂層油溫升和熱點(diǎn)與頂層油之間的溫度差等三者總和,計(jì)算公式為

(1)

式中：θh為熱點(diǎn)溫度；θα為環(huán)境溫度；Δθor為頂層油溫升；R為損耗比；K為負(fù)載系數(shù)；Hgr為熱點(diǎn)對(duì)繞組頂部油的溫差；x為油的指數(shù)；y為繞組的指數(shù)。

（6）強(qiáng)化變電運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的檢查和監(jiān)督制度。變電運(yùn)維安全檢查和監(jiān)督要包括安全重點(diǎn)檢查、日常常規(guī)檢查、以及安全綜合檢查等。

對(duì)于強(qiáng)迫油循環(huán)(OF)冷卻的變壓器，計(jì)算方法是以底層油溫和油平均溫度作為基礎(chǔ)的。在任一負(fù)載下的最終熱點(diǎn)溫度等于環(huán)境溫度、底層油溫升、繞組的頂部油溫升與底層油溫升之差,以及繞組熱點(diǎn)溫度與頂部油溫之差的總和，計(jì)算公式為

(2)

式中：Δθbr為底部油溫升；Δθimr為油平均溫升。

對(duì)于強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向(OD)冷卻的變壓器，計(jì)算基本上與OF冷卻方式一樣，但是考慮到導(dǎo)線電阻隨溫度的變化，還要加上校正系數(shù)，計(jì)算公式為

(3)

使用上述公式來(lái)計(jì)算最終熱點(diǎn)溫度，要進(jìn)行某些修正，例如溫度變化時(shí)，應(yīng)作負(fù)載損耗，繞組的純電阻損耗和渦流損耗之間的關(guān)系，油的粘度的修正。對(duì)于采用ON和OF冷卻方式的變壓器，隨溫度變化油粘度將抵消導(dǎo)線電阻變化的影響。因此，在計(jì)算時(shí)不考慮導(dǎo)線電阻變化的影響。對(duì)于OD冷卻方式，油粘度對(duì)溫升的影響較小，必須考慮導(dǎo)線電阻變化的影響。

1.3.2 暫態(tài)溫度方程

經(jīng)過(guò)時(shí)間t后的油溫升(例如底層油)，可用下式求出

Δθbt=Δθbi+(Δθbu-Δθbi)(1-e-t/τo)

(4)

式中：Δθbi為起始的底層油溫升；Δθbu為時(shí)間t內(nèi)所加負(fù)載的穩(wěn)態(tài)底部油溫升；τo為油時(shí)間常數(shù)。

隨著負(fù)載的增加，繞組和油的溫差將按繞組的時(shí)間常數(shù)上升到一個(gè)新的值。由于繞組的時(shí)間常數(shù)很小(5～10 min),既使在短時(shí)大負(fù)載下，它對(duì)熱點(diǎn)溫度的影響很小，因此在計(jì)算中將此時(shí)間常數(shù)近似地看成零，可以忽略不計(jì)。公式(1)的最后一項(xiàng)和公式(2)的最后二項(xiàng)均假定為與這新的負(fù)載系數(shù)Ky相應(yīng)的數(shù)值。

間接計(jì)算法適用于各種冷卻方式的變壓器熱點(diǎn)溫度的計(jì)算，但是計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、理論性強(qiáng)，公式中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要借助測(cè)溫裝置采集，同樣存在測(cè)量誤差和計(jì)算誤差。由于能夠熟練掌握間接計(jì)算法理論的人較少，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)很少使用。

2 油面溫度監(jiān)測(cè)方法

油面溫度主要采用壓力傳感式溫度控制器和電阻式溫度計(jì)2種裝置測(cè)量。壓力傳感式溫度控制器和繞組溫度控制器都是以感溫介質(zhì)熱脹冷縮為基本原理制造的，不同的是后者加入了負(fù)荷電流的熱補(bǔ)償。電阻式溫度計(jì)是利用金屬在溫度變化時(shí)，其電阻隨著發(fā)生變化的特征來(lái)測(cè)量溫度的。

2.1 壓力傳感測(cè)量法

壓力傳感式溫度控制器主要由彈性元件、毛細(xì)管、感溫包三部分組成的，并形成一個(gè)密封系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部充滿感溫介質(zhì)，當(dāng)溫度變化時(shí)感溫介質(zhì)的體積隨之變化，體積變量通過(guò)毛細(xì)管傳遞到儀表內(nèi)的彈性元件，使之產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)應(yīng)的位移。位移經(jīng)過(guò)機(jī)構(gòu)放大后，帶動(dòng)指針指示溫度變化，并驅(qū)動(dòng)微動(dòng)溫度開(kāi)關(guān)，控制相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)，達(dá)到監(jiān)視溫度和控制溫升保護(hù)變壓器目的。最新型溫控器采用復(fù)合傳感技術(shù)，通過(guò)裝在溫包內(nèi)的Pt100鉑電阻信號(hào)遠(yuǎn)傳到控制室內(nèi)的二次儀表，可以同步顯示和控制變壓器的頂層油溫。還可以給計(jì)算機(jī)提供4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或0～5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。

壓力傳感式溫控器能夠?qū)崿F(xiàn)啟停冷卻系統(tǒng)、啟動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器油面溫度。壓力溫控器無(wú)電流匹配器，造價(jià)較低，校驗(yàn)時(shí)不用附加模擬電流回路，相對(duì)簡(jiǎn)單。壓力式溫控器的測(cè)溫元件位于油箱頂部，存在測(cè)量誤差和時(shí)滯誤差，不能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的顯示繞組熱點(diǎn)溫度。

2.2 電阻式溫度計(jì)測(cè)量法

電阻式溫度計(jì)測(cè)量法一般采用鉑電阻或銅電阻作為測(cè)溫元件，測(cè)溫元件安置在變壓器頂部的測(cè)溫座套內(nèi)，當(dāng)溫度變化時(shí)其電阻也隨著發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)溫度變送器轉(zhuǎn)換成可讀的值。工作儀表便顯示出阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。

電阻式溫度計(jì)測(cè)量精度高、機(jī)械強(qiáng)度高、回路簡(jiǎn)單、性能可靠穩(wěn)定，能夠顯示變壓器的溫度。但是由于電阻式溫度計(jì)沒(méi)有配套開(kāi)關(guān)接點(diǎn)，因此不能實(shí)現(xiàn)控制冷卻系統(tǒng)和發(fā)出高溫報(bào)警、跳閘指令，不能保護(hù)變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論與展望

壓力傳感式溫控器完全滿足DL 572-2010《電力變壓器運(yùn)行規(guī)程》[3]中關(guān)于油浸式變壓器的測(cè)量頂層油溫、指示頂層油溫最高值、信號(hào)溫度遠(yuǎn)傳、控制啟停冷卻系統(tǒng)、發(fā)出高溫報(bào)警及高溫跳閘指令等各項(xiàng)規(guī)定。采用2套四接點(diǎn)的壓力傳感式溫控器就能夠?qū)崿F(xiàn)雙重顯示油面溫度、啟停冷卻系統(tǒng)、發(fā)高溫報(bào)警信號(hào)、高溫跳閘指令等功能。壓力傳感式溫控器兼容了繞組溫控器和電阻式溫度計(jì)的所有功能，可以不配置繞組溫控器和電阻式溫度計(jì)。

根據(jù)華北地區(qū)帶正常周期性負(fù)載變壓器(不包括水冷的)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，變壓器溫度跟隨季節(jié)的變換基本處在10～75 ℃，現(xiàn)有大中型變壓器冷卻系統(tǒng)電源采用能夠自動(dòng)切換的雙套配置，大大提高了變壓器安全運(yùn)行的可靠性。壓力傳感式溫控器雖然不能實(shí)時(shí)地、精確地測(cè)量變壓器繞組溫度，但是從功能和可靠性方面都已經(jīng)滿足了變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求?；诿尚粮駸崂匣?guī)則變壓器高溫?fù)p失壽命可用低溫補(bǔ)償?shù)脑瓌t及借鑒俄羅斯、烏克蘭、法國(guó)等的成熟經(jīng)驗(yàn)，在直接測(cè)量繞組溫度技術(shù)沒(méi)有普及的今天，建議帶正常周期性負(fù)載變壓器采用油面溫度監(jiān)測(cè)方法中的壓力傳感測(cè)量法。今后應(yīng)加強(qiáng)以下方面的研究。

a. 紅外測(cè)量法的研究，利用紅外測(cè)溫遠(yuǎn)離測(cè)量目標(biāo)的特點(diǎn)，克服環(huán)境、反射率、距離系數(shù)等誤差，在變壓器油箱表面鑲嵌紅外測(cè)溫裝置，監(jiān)測(cè)繞組、油及鐵心溫度。

b. 熱脹冷縮變形傳遞測(cè)量法的研究，克服高強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響，在變壓器部分繞組中附加雙金屬片，利用雙金屬片膨脹變形，觸動(dòng)絕緣桿件傳動(dòng)，推動(dòng)絕緣齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)表盤指示溫度。

c. 簡(jiǎn)化計(jì)算方法的研究，根據(jù)變壓器發(fā)熱的原理，利用負(fù)荷電流、負(fù)載損耗、空載損耗、冷卻功率及其它雜散損耗的平衡關(guān)系簡(jiǎn)化計(jì)算公式。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB 1094.7-2008,電力變壓器第7部分 油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則[S].

[2] IEC 60076.7-2005,油浸變壓器負(fù)載導(dǎo)則[S].

[3] DL 572-2010,電力變壓器運(yùn)行規(guī)程[S].