海南金盤智能科技股份有限公司 孟春雅

保證變壓器運(yùn)行安全性與可靠性的措施之一，是對干式變壓器在運(yùn)行過程中的真實(shí)溫度值進(jìn)行可視化分析，在掌握變壓器溫度變化的內(nèi)在規(guī)律后，采用更加精準(zhǔn)的溫度監(jiān)測技術(shù)為干式變壓器的快速散熱提供支持。而平行坐標(biāo)可視化技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多維數(shù)據(jù)的可視化處理，精準(zhǔn)排查出干式變壓器現(xiàn)場運(yùn)行的薄弱點(diǎn)，避免因散熱過慢導(dǎo)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(shè)備在運(yùn)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(yùn)行產(chǎn)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(qiáng)的傳導(dǎo)性能，會通過對流或者輻射的形式將熱量傳導(dǎo)給周圍的絕緣介質(zhì)。在變壓器實(shí)際運(yùn)行期間，若各個設(shè)備以及介質(zhì)之間的熱源保持平衡穩(wěn)定的狀態(tài)，變壓器的各個溫度點(diǎn)也會保持穩(wěn)定。但由于變壓器內(nèi)的各點(diǎn)溫度受負(fù)載、點(diǎn)位及結(jié)構(gòu)的影響可能會產(chǎn)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(yùn)行[1]。

其次，受鐵心磁通的影響，變壓器會產(chǎn)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(jù)公式可知，變壓器電磁載體會出現(xiàn)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(chǎn)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(shù)，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(shù)，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(dǎo)作用的影響下還會產(chǎn)生負(fù)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(dǎo)均會造成損耗，這種損耗是導(dǎo)致變壓器局部溫度異常升高的主要原因，需通過科學(xué)的溫度監(jiān)測和分析技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)異常并解決問題。

1.2 干式變壓器傳熱原理

在變壓器傳導(dǎo)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(jìn)行發(fā)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(shù)(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(fù)載運(yùn)行的過程中，電磁載體會產(chǎn)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(zhì)、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(dǎo)致變壓器的運(yùn)行年限縮短，因此找到各種干式變壓器的薄弱點(diǎn)，開發(fā)有利于熱量快速散出的技術(shù)，是干式變壓器亟需解決的問題，也是低壓配電網(wǎng)未來研究發(fā)展的主要方向和內(nèi)容。

2 干式變壓器溫度場可視化分析中平行坐標(biāo)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 平行坐標(biāo)可視化技術(shù)的原理

平行坐標(biāo)可視化技術(shù)指的是以多維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過平行軸相交的折線對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，以便于技術(shù)人員掌握各個樣本數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。在平行坐標(biāo)的二維空間中，多維數(shù)據(jù)n與多條相互平行且等距離的垂直坐標(biāo)軸實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的可視化，其中代表樣本數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yīng)1個多維數(shù)據(jù)，通過折線的形式，將不同維度的數(shù)據(jù)全部連接到一起后，整體結(jié)構(gòu)的表示方法就是該公式。

通過對平行坐標(biāo)可視化技術(shù)工作原理的分析可知，這種技術(shù)的數(shù)學(xué)思維較強(qiáng)，能夠?qū)?shù)據(jù)之間的關(guān)系清晰明確的表達(dá)出來，實(shí)現(xiàn)利用二維空間表達(dá)高維數(shù)據(jù)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(xué)應(yīng)用該技術(shù)，有利于提高研究質(zhì)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(yàn)中，主要對象為本廠的礦用采煤機(jī)專用牽引變壓器，這種設(shè)備具有較強(qiáng)的隔爆性能，具體技術(shù)參數(shù)如下：聯(lián)結(jié)組別Yd11、額定頻率50Hz、額定容量65kVA、高壓側(cè)額定電壓1.14kV、低壓側(cè)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(diào)壓裝置的一次側(cè)與外接斷路器連接到一起，對變壓器的額定流量進(jìn)行調(diào)整后，將調(diào)壓裝置的二次側(cè)與干式變壓器的高壓側(cè)連接到一起；對變壓器的低壓側(cè)展開絕緣處理，同時設(shè)置三相短路連接[2]；在調(diào)壓裝置的作用下對干式變壓器的高壓側(cè)電流進(jìn)行有效調(diào)整和控制，主要的操作方法為：調(diào)節(jié)控壓器的二次電壓，當(dāng)調(diào)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(fù)荷下干式變壓器的工況。

在負(fù)荷測試的過程中，主要是對變壓器滿載狀態(tài)下內(nèi)部各組件的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)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(jìn)一步提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、確保溫度測試值具有參考價值，要將溫度傳感裝置設(shè)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(shè)有相應(yīng)的溫度傳感器；在滿負(fù)荷測試中，干式變壓器需要保持12h 以上的滿負(fù)荷狀態(tài)，并在溫度檢測儀的支撐下，對變壓器壓外表皮、側(cè)面溫度以及鐵心的頂端溫度進(jìn)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(biāo)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(guī)律，在溫度場平行坐標(biāo)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(jī)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(guī)律的過程中，同時對其他型號變壓器的溫度規(guī)律進(jìn)行測試，并對最終的測試結(jié)果進(jìn)行綜合對比分析后找到各種變壓器的共性問題，在此基礎(chǔ)上制定溫度場的散熱方案，提高干式變壓器的運(yùn)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(biāo)多維可視化分析技術(shù)，對A、B、C、D 四臺干式變壓器的溫度變化情況進(jìn)行檢測后，各個溫度大數(shù)據(jù)點(diǎn)會以平行線的形式呈現(xiàn)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(diǎn)，另一個是多維溫度相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的關(guān)系。通過對變化特點(diǎn)以及變量關(guān)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(xì)記錄檢測到溫度的數(shù)據(jù)后，根據(jù)變壓器B 的溫升測試結(jié)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(nèi)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(biāo)可視化技術(shù)，對變壓器的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對性的選擇。通過對數(shù)據(jù)的二維可視化處理后，能夠明確變壓器的運(yùn)行時長與繞組以及鐵心的溫度呈正相關(guān)，即隨著運(yùn)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(dǎo)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(yàn)結(jié)束后鐵心一直保持高溫的狀態(tài)，在這種情況下展開負(fù)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?yàn)锳 與B 的結(jié)構(gòu)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(jīng)超過32℃。因此，變壓器熱源的橫向分布受結(jié)構(gòu)影響較大，想要掌握電磁載體最高升溫點(diǎn)，需對熱量的縱向傳遞情況進(jìn)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(biāo)技術(shù)對A、B、C、D 四個設(shè)備的溫測數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析。主要的操作方法為對變壓器縱向測量點(diǎn)展開標(biāo)量化，取值范圍控制在(0,1)。當(dāng)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(jìn)行監(jiān)測和記錄。在這一過程中，要借助平行坐標(biāo)技術(shù)對各個溫度數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)系。

最終的結(jié)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(diǎn)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(shè)置溫度監(jiān)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?qū)囟缺O(jiān)測誤差控制在最小范圍內(nèi)[5]。

2.3.3 諧波特征

在低壓配電網(wǎng)運(yùn)行的過程中會產(chǎn)生諧波，這是導(dǎo)致變壓器各種損耗加大的關(guān)鍵原因。低壓繞組的損耗有所升高后，就會產(chǎn)生熱源并傳導(dǎo)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(jìn)而給變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行造成不良影響。在平行坐標(biāo)技術(shù)的支持下，測試干式變壓器受諧波影響的溫度參數(shù)后，能夠明確當(dāng)配電網(wǎng)中諧波的含量增多后電磁載體的損耗也會增加，導(dǎo)致低壓繞組的溫度升高，因此為保證變壓器的運(yùn)行年限、提高運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)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(xiàn)低壓繞組溫度過高的情況。

2.4 測試結(jié)果綜合分析

利用平行坐標(biāo)技術(shù)對干式變壓器溫升過程進(jìn)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(wǎng)的諧波過多加大損耗就會造成局部高速升溫，導(dǎo)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(shè)高度控制在0.7～0.8以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對變壓器溫度的有效監(jiān)測；另一方面是增設(shè)濾波裝置控制諧波量，以延長變壓器的使用年限[6]。

3 結(jié)語

利用平行坐標(biāo)技術(shù)對變壓器升溫過程進(jìn)行可視化分析，能夠掌握影響變壓器內(nèi)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(yùn)行質(zhì)量，延長電力設(shè)備的工作壽命，促進(jìn)配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。