，

(國(guó)網(wǎng)成都供電公司變電檢修工區(qū)，四川 成都 610041)

0 引 言

變壓器運(yùn)行中，如果遇到短路、過(guò)載、環(huán)境溫度過(guò)高或冷卻通風(fēng)不夠等情況時(shí)，會(huì)造成變壓器過(guò)熱。當(dāng)繞組溫度超過(guò)絕緣耐受溫度時(shí)會(huì)使絕緣破壞，是導(dǎo)致變壓器壽命縮短的主要原因之一。作為變壓器運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)，油溫及繞組溫度的測(cè)量關(guān)系到運(yùn)行中的變壓器風(fēng)冷投入，溫高報(bào)警，溫度過(guò)高跳閘等保護(hù)的正常動(dòng)作。

由于目前變壓器測(cè)溫系統(tǒng)均采用壓力式溫度計(jì)。繞組溫度的直接測(cè)量需要解決高電壓隔離的問(wèn)題，是一項(xiàng)世界級(jí)難題，國(guó)內(nèi)外絕大部分變電站均采用熱模擬方法間接測(cè)量變壓器繞組溫度。繞組溫度由變壓器頂層油溫使儀表內(nèi)彈性波紋管產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的角位移量，疊加儀表內(nèi)發(fā)熱元件產(chǎn)生的角位移量，從而指示變壓器繞組溫度，發(fā)熱元件通過(guò)匹配器及變壓器TA二次側(cè)負(fù)載情況變化而補(bǔ)償不同的銅油溫差。

基于熱模擬方式的繞組溫度測(cè)量方式，由于通過(guò)TA二次側(cè)電流對(duì)加熱元件進(jìn)行加熱，根據(jù)銅油溫差曲線產(chǎn)生模擬溫升，這種方式受環(huán)境溫度影響很大，特別是變壓器輕載、重載不同的工況下，變壓器周圍的空氣溫度會(huì)有30～40 ℃的差異，導(dǎo)致加熱溫包在不同環(huán)境溫度下產(chǎn)生的加熱溫升差異很大，繞組溫度測(cè)量誤差很大，在成都電網(wǎng)某220 kV變電站重載運(yùn)行工況下繞組溫度誤差達(dá)15 ℃，同時(shí)，由于溫度計(jì)安裝于變壓器本體，震動(dòng)較大，傳統(tǒng)的微動(dòng)開關(guān)受震動(dòng)影響大，誤動(dòng)及損壞概率很大，特別是目前大多數(shù)220 kV強(qiáng)油循環(huán)變壓器，溫度投入跳閘接點(diǎn)后這個(gè)問(wèn)題日趨顯著。

1 壓力式溫度計(jì)測(cè)量原理

1.1 壓力式溫度計(jì)測(cè)量原理

壓力式溫度計(jì)，主要由彈性元件、毛細(xì)管、溫包和微動(dòng)開關(guān)組成。當(dāng)溫包受熱時(shí)，溫包內(nèi)感溫介質(zhì)受熱膨脹所產(chǎn)生的體積增量，通過(guò)毛細(xì)管傳遞到彈性元件上，使彈性元件產(chǎn)生一個(gè)位移，這個(gè)位移經(jīng)機(jī)構(gòu)放大后指示出被測(cè)溫度并帶動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，從而控制冷卻系統(tǒng)、溫度高報(bào)警、溫度高跳閘的投入或退出。壓力式溫度計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓力式溫度計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 變壓器用繞組溫度計(jì)測(cè)量原理

繞組溫度的監(jiān)測(cè)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外絕大部分變電站均采用熱模擬的方法間接測(cè)量。所謂熱模擬是用一個(gè)流經(jīng)電熱元件的加熱電流所產(chǎn)生的附加溫升，當(dāng)這個(gè)附加溫升調(diào)整到等同于銅油溫差時(shí)就可以間接獲得變壓器繞組溫度，也就是變壓器繞組溫度T1等于變壓器上層油溫T2以及繞組對(duì)油的溫升ΔT之和，即T1=T2+ΔT。目前，獲取繞組溫度的方式是校驗(yàn)前計(jì)算并調(diào)整好加熱電流，即利用在變壓器容量、額定電壓、額定負(fù)荷電流和銅油溫差手動(dòng)計(jì)算出加熱電流，利用標(biāo)準(zhǔn)源通過(guò)匹配器輸出加熱電流對(duì)繞組溫度計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)。當(dāng)變壓器帶上負(fù)荷后，通過(guò)變壓器的電流互感器(一般有專用繞組)二次繞組電流，經(jīng)匹配器調(diào)整后，形成與負(fù)荷成正比的加熱電流，流經(jīng)嵌裝的電熱原件，電熱原件產(chǎn)生的熱量使感溫介質(zhì)產(chǎn)生附加膨脹，從而使彈性元件產(chǎn)生附加位移，這個(gè)位移量就反映變壓器負(fù)荷電流對(duì)繞組的溫升ΔT。因此，在變壓器加載后，測(cè)量元件的位移是由變壓器上層油溫和變壓器加載的電流所決定的，這樣就反映了變壓器上層油溫和繞組對(duì)油的溫升之和，即變壓器的繞組溫度。全部通過(guò)人工進(jìn)行計(jì)算、調(diào)整、校驗(yàn)。繞組溫度計(jì)測(cè)溫原理如圖2所示。

圖2 繞組溫度計(jì)測(cè)溫原理

2 變壓器用繞組溫度計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀

在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，基于熱模擬實(shí)驗(yàn)間接測(cè)溫的繞組溫度計(jì)存在因環(huán)境溫度變化以及匹配電阻長(zhǎng)期工作發(fā)熱變質(zhì)而導(dǎo)致的測(cè)量不正確的問(wèn)題。原因在于元件的加熱過(guò)程是在溫度計(jì)內(nèi)部直接進(jìn)行，存在與外部熱交換的過(guò)程，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)加熱效果達(dá)不到整定值，環(huán)境溫度較高時(shí)加熱效果又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出整定值。更重要的是匹配電阻長(zhǎng)期發(fā)熱造成調(diào)節(jié)觸點(diǎn)氧化導(dǎo)致電阻值升高，分流作用減小，加熱電流進(jìn)一步偏離正常值。因此繞組溫度計(jì)的指示值無(wú)法正確反應(yīng)繞組的運(yùn)行溫度，同時(shí)由于溫度指示的影響會(huì)使得風(fēng)冷啟動(dòng)、溫高報(bào)警、溫高跳閘等節(jié)點(diǎn)不能正確動(dòng)作。由于繞組溫度是實(shí)時(shí)進(jìn)入SCADA系統(tǒng)的，而調(diào)度人員和運(yùn)行人員都通過(guò)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)來(lái)監(jiān)視繞組溫度的，因此如果繞組溫度指示不正確，可能使調(diào)度人員做出錯(cuò)誤判斷，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 基于DSP技術(shù)的繞組溫度監(jiān)測(cè)

采用以數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processing，DSP)為核心控制芯片，專用的數(shù)字信號(hào)處理芯片F(xiàn)reescale公司的16位DSP，在時(shí)鐘頻率80 MHz下，有著40 MIPS的指令執(zhí)行進(jìn)度，能夠滿足溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及通訊的目的。通過(guò)熱電阻作為傳感器，進(jìn)行基本油溫溫度測(cè)量。熱電阻的工作原理是基于熱電效應(yīng)。如鉑電阻，其特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，尤其是耐氧化性能很強(qiáng)。鉑在很寬的溫度范圍內(nèi)約1 200 ℃以下都能保證上述特性。中國(guó)已采用IEC標(biāo)準(zhǔn)制作工業(yè)鉑電阻。按IEC標(biāo)淮，使用溫度已擴(kuò)大到-200～850 ℃，初始電阻有100 Ω和50 Ω兩種，以常用的Pt100為例作為感溫元件。利用護(hù)套將Pt100從傳感器到溫度計(jì)這部分保護(hù)，從而不容易遭到外界的破壞。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖3是系統(tǒng)的硬件框圖，其中A/D用于采集Pt100的電阻信號(hào)，經(jīng)DSP轉(zhuǎn)換為電流值，TA二次電流經(jīng)隔離后同樣經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為電流值送給DSP，EEPROM存儲(chǔ)銅油溫差曲線值供繞組溫度計(jì)計(jì)算使用，RAM用于歷史溫度值記錄，RS232、RS485及mA輸出。

圖3 油溫溫度計(jì)工作原理

3.2 繞組溫度計(jì)的工作原理

圖4是繞組溫度計(jì)工作原理流程圖，其中變壓器的油溫溫度通過(guò)感溫元件Pt100，經(jīng)隔離后到A/D轉(zhuǎn)換將Pt100的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流值，然后送到DSP；繞組平均溫升則是，首先變壓器TA二次電流通過(guò)隔離，然后到A/D轉(zhuǎn)換將大電流轉(zhuǎn)換為小電流值后送到DSP，與EEPROM存儲(chǔ)的銅油溫差曲線值進(jìn)行比較計(jì)算，在DSP中繞組平均溫升與油溫溫度進(jìn)行疊加，疊加后的電流值mA輸出供測(cè)控裝置使用和液晶顯示。當(dāng)溫度到達(dá)接點(diǎn)預(yù)定設(shè)定值，則接點(diǎn)閉合輸出。同時(shí)RAM對(duì)變壓器的溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、累加，反映變壓器在溫度過(guò)高區(qū)間運(yùn)行的時(shí)間，對(duì)變壓器運(yùn)行溫度區(qū)間進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)。并且可以通過(guò)RS232、RS485串口直接讀取溫度實(shí)時(shí)數(shù)值和歷史數(shù)值。

圖4 繞組溫度計(jì)工作原理流程

4 繞組溫度計(jì)檢定

溫度計(jì)檢定項(xiàng)目包括外觀檢查、示值誤差、設(shè)定點(diǎn)誤差、切換差、穩(wěn)定度、絕緣電阻、絕緣強(qiáng)度等項(xiàng)目。繞組溫度計(jì)檢定在一般溫度計(jì)的檢定項(xiàng)目基礎(chǔ)上，需增加繞組平均溫升試驗(yàn)。根據(jù)以上檢定項(xiàng)目，基于DSP技術(shù)的繞組溫度在檢定前需收集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算整定，具體檢定接線如圖5所示。

圖5 繞組溫度計(jì)檢定接線

為了保證在整定過(guò)程中對(duì)接點(diǎn)整定的可靠性及準(zhǔn)確性，溫度計(jì)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中表頭應(yīng)垂直安裝，溫包必須全部浸沒(méi)，引長(zhǎng)管浸沒(méi)不得小于管長(zhǎng)的1/3～2/3，溫度計(jì)均要求表頭和溫包之間的高度差不得大于1 m，由于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的接點(diǎn)會(huì)使用在風(fēng)冷全停延時(shí)跳閘回路及溫高跳閘回路，因此要求接點(diǎn)的動(dòng)作值能真實(shí)反映變壓器的溫度，在讀取接點(diǎn)動(dòng)作值的時(shí)候應(yīng)讀取和被試表溫包位于同一恒溫油槽內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)或Pt100標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻。

繞組溫度計(jì)接點(diǎn)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)風(fēng)冷、溫高報(bào)警、溫高跳閘的要求進(jìn)行整定，當(dāng)溫度指示達(dá)到整定值時(shí)接點(diǎn)閉合動(dòng)作。

接點(diǎn)動(dòng)作值設(shè)定完畢后，測(cè)試接點(diǎn)動(dòng)作誤差時(shí)，除信號(hào)電路和試驗(yàn)點(diǎn)外，采用與示值基本誤差試驗(yàn)相同的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)儀表，測(cè)試點(diǎn)按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行,具體方法是將被測(cè)試溫度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)二等水銀溫度計(jì)或標(biāo)準(zhǔn)Pt100鉑電阻插在恒溫槽中，并將被試溫度計(jì)的端子接到信號(hào)電路中，然后均勻改變恒溫槽溫度(溫度變化率應(yīng)不大于1 ℃/min)，使接點(diǎn)產(chǎn)生閉合或斷開的切換動(dòng)作(信號(hào)電路接通或斷開)，在動(dòng)作的瞬間記錄標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)或標(biāo)準(zhǔn)Pt100鉑電阻的示值，即為接點(diǎn)正行程或反行程的上切換值或下切換值。在同一測(cè)試點(diǎn)上，上切換值設(shè)定點(diǎn)的差值即為接點(diǎn)動(dòng)作誤差；上切換值與下切換值的差值即為接點(diǎn)切換差。接點(diǎn)動(dòng)作誤差和切換差在各試驗(yàn)點(diǎn)上就接點(diǎn)閉合和斷開各試驗(yàn)一次。

繞組溫度計(jì)熱模擬試驗(yàn)如下。

例：某220 kV變電站，變壓器的額定容量為180 000 kVA，額定電壓為220 kV，TA變比為600/5，繞組溫度計(jì)接于220 kV側(cè)B相TA，繞組平均溫升ΔT=20 ℃，則計(jì)算如下。

P=UI

I=P/U=180 000/(1.732×220)=472.391(A)

二次額定電流Ip=472.391/120=3.937(A)

根據(jù)公式：Y=X2A

式中，Y為溫升ΔT；X為TA二次額定電流。

則：20=3.9372A

A=1.29

先將溫包浸沒(méi)入恒定在80 ℃的恒溫油槽中，待繞組溫度計(jì)穩(wěn)定后讀取溫度計(jì)示值T1，然后將Ip、溫升ΔT和A的數(shù)值分別置入溫度計(jì)內(nèi)EEPROM中，待溫度計(jì)示值穩(wěn)定45 min后讀取T2，T2與T1的差值即為熱模擬裝置的附加溫升。

穩(wěn)定性試驗(yàn)(此項(xiàng)目為型式試驗(yàn))：首先溫度計(jì)在承受24 h、150 ℃的試驗(yàn)，然后在溫飽處于交變溫度差大于100 ℃且出現(xiàn)頻率不小于50%(每一個(gè)變化周期不得超過(guò)24 h)的情況下連續(xù)工作1 000 h，試驗(yàn)后溫度計(jì)示值基本誤差、示值回差、環(huán)境溫度影響、接點(diǎn)動(dòng)作誤差及切換差應(yīng)合格。

絕緣電阻試驗(yàn): 用額定直流電壓為500 V的絕緣電阻表分別測(cè)量溫度計(jì)電接點(diǎn)端子之間、電接點(diǎn)端子與接地端子之間的絕緣電阻應(yīng)不小于20 MΩ。

絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)：試驗(yàn)應(yīng)在高壓側(cè)電源容量不小于2 500 VA的高壓試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。輸出接點(diǎn)短接后對(duì)地施加2 kV、歷時(shí)1 min的正弦交流電壓，漏電電流設(shè)定為10 mA，應(yīng)無(wú)擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

1)基于DSP繞組溫度計(jì)，采用了RAM可以對(duì)變壓器的運(yùn)行溫度區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、累加，反映變壓器在溫度過(guò)高區(qū)間運(yùn)行的時(shí)間，為合理經(jīng)濟(jì)地安排變壓器的運(yùn)行、檢修提供依據(jù)，特別是在目前電力系統(tǒng)普遍延長(zhǎng)檢修周期，全系統(tǒng)推廣狀態(tài)檢修的趨勢(shì)下，這套變壓器測(cè)溫系統(tǒng)將發(fā)揮更大作用。

2)DSP繞組溫度計(jì)采用Pt100作為感溫元件，精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，尤其是耐氧化性能很強(qiáng)。鉑電阻在很寬的溫度范圍內(nèi)約1 200 ℃以下都能保證上述特性。也不會(huì)因Pt100出現(xiàn)故障而發(fā)生接點(diǎn)誤動(dòng)的現(xiàn)象。

3)繞組溫度計(jì)減少了溫度補(bǔ)償回路，因此不會(huì)發(fā)生因溫度補(bǔ)償回路故障引起遠(yuǎn)傳與本體數(shù)據(jù)不一致，溫度高報(bào)警、溫度高跳閘誤動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致跳變壓器開關(guān)等嚴(yán)重后果。

4)DSP繞組溫度計(jì)安裝于變壓器場(chǎng)地端子箱內(nèi)，起到了有效的防震作用，現(xiàn)場(chǎng)配線簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。

5)DSP繞組溫度計(jì)采用Pt100作為感溫元件，避免因環(huán)境溫度的影響而發(fā)生測(cè)量誤差。

6) 可以避免出現(xiàn)繞組溫度計(jì)匹配電阻長(zhǎng)期發(fā)熱造成調(diào)節(jié)觸點(diǎn)氧化導(dǎo)致電阻值升高、分流作用減小、加熱電流進(jìn)一步偏離正常值的問(wèn)題。

7)DSP繞組溫度計(jì)采用EEPROM存儲(chǔ)銅油溫差曲線值，取代了傳統(tǒng)的加熱元件，能更加準(zhǔn)確地反映變壓器內(nèi)部工作情況。

[1] JJG 310-2002，壓力式溫度計(jì)[S].

[2] JJG 874-2007,溫度指示控制儀[S].

[3] JB/T 8450-2005，變壓器用繞組溫控器[S].

[4] Q/GDW 440-2010，油浸式變壓器測(cè)溫裝置現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)規(guī)范[S].

[5] 徐科軍，馬修水，李曉林.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.