張喆

(上海交通大學(xué),上海 200030)

變壓器繞組溫度測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)字化改造的必要性分析

張喆

(上海交通大學(xué),上海 200030)

本文分析了采用間接測(cè)量方式測(cè)量繞組溫度的缺陷,隨著數(shù)字化智能化變壓器技術(shù)的發(fā)展,采用光纖在線測(cè)量系統(tǒng)以及數(shù)字化分析軟件相結(jié)合的方式,可以克服傳統(tǒng)繞組溫度模擬方式的弊端,提高變壓器熱壽命分析的水平。

智能變壓器 光纖測(cè)溫

油浸式電力變壓器如果長(zhǎng)期超溫運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部繞組的絕緣老化加速,一旦變壓器帶載運(yùn)行情況下發(fā)生繞組絕緣擊穿,匝間短路產(chǎn)生強(qiáng)電流的同時(shí)往往伴隨著繞組周圍變壓器油的裂解反應(yīng),迅速膨脹的油和氣體如果得不到及時(shí)釋放,變壓器腔體可能發(fā)生爆裂燃燒的重大事故。直接測(cè)量繞組的溫度可以更加直接有效的監(jiān)視主變的絕緣變化程度,但是存在高電壓隔離的技術(shù)困難,所以現(xiàn)階段主要采用“熱模擬”技術(shù)間接測(cè)量繞組溫度。

1 傳統(tǒng)繞組溫度測(cè)量的弊端

在實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中,間接測(cè)量的方式雖然也能反映繞組運(yùn)行的工況,但是存在的缺陷也是十分明顯的,主要有兩類問(wèn)題:

1.1 溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的故障

某變電站內(nèi)變壓器繞組溫度表指針歸零,查看站內(nèi)監(jiān)控主機(jī)上保存的該表運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),該表曾經(jīng)達(dá)到189℃的溫度記錄,并且持續(xù)數(shù)小時(shí)后表計(jì)數(shù)值歸零。工程人員到現(xiàn)場(chǎng)將該表的變流裝置(溫度補(bǔ)償系統(tǒng))拆開(kāi)后,發(fā)現(xiàn)變流線圈外絕緣護(hù)套上有燒灼變形痕跡,初步判斷變流回路中通入大電流造成損壞。該表變流回路的接線原理如圖1所示。

圖1所示的溫度補(bǔ)償回路的工作原理是從變壓器上專用溫度測(cè)量的電流互感器上取得與變壓器負(fù)載成正比變化的電流Ip,經(jīng)過(guò)復(fù)合變送器降壓分流后轉(zhuǎn)換為表計(jì)內(nèi)部電熱元件的加熱電流Is,使得電熱元件產(chǎn)生同變壓器負(fù)載電流同方向變化的附加溫升H×Two,溫度表在測(cè)得變壓器頂層油溫To的基礎(chǔ)上溫度繼續(xù)升高H×Two,最終指示的是模擬出的繞組最熱點(diǎn)溫度Tc。

圖1 溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的接線原理圖

圖2 ab斷路后的電流變化

查看變壓器的出廠溫升實(shí)驗(yàn)報(bào)告中數(shù)據(jù)得出:繞組平均溫升為47K、油平均溫升為22K,變流器初級(jí)繞組輸入電流Ip=3．5A,根據(jù)熱模擬溫度公式:

銅油溫差 △T=H×△Two=1．3×(47－22)=33K

根據(jù)附加電流與銅油溫差△T之間的關(guān)系曲線圖,查出附加電流Is =1．35A

實(shí)際檢查溫度補(bǔ)償回路的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),接線座1號(hào)接線孔內(nèi)同時(shí)接入兩根導(dǎo)線(對(duì)應(yīng)圖1中數(shù)字1所代表的并接點(diǎn)處),其中一根導(dǎo)線沒(méi)有被螺絲壓緊而松脫,造成圖1中ab之間(粗線處)開(kāi)路。溫度補(bǔ)償回路在開(kāi)路前后的等效電路如圖2所示。

圖3 油浸式變壓器熱分布圖

圖4 光纖測(cè)溫在線監(jiān)測(cè)裝置安裝示意圖

在ab段斷路之前,變流器線圈和電位器并聯(lián),輸入電流Ip經(jīng)過(guò)變流器降壓以及電位器的分流之后,減少到附加電流Is的數(shù)值后再進(jìn)入加熱元件。ab段開(kāi)路以后變流器的降壓作用消失,輸入電流Ip幾乎全部加到加熱元件。比較斷路前后的加熱功率,加熱功率在ab斷路后增加到原來(lái)的7倍。

W2/W1=Is22R/Is12R=Is22/Is12=3．52/1．352=7

隨著加熱量的增高,加熱元件外的絕緣層熔化破損,表計(jì)中的壓力檢出元件波登管因?yàn)楦邷爻^(guò)了錫焊熔點(diǎn),導(dǎo)致壓力氣體泄露,指針隨后歸零。

1.2 熱模擬溫度公式的測(cè)量誤差

溫度補(bǔ)償依據(jù)的熱模擬溫度公式為:Tc=To+H×△Two

其中Tc:繞組最熱點(diǎn)溫度(℃);To:頂層油溫(℃);

△Two:銅油溫差(K);H:熱點(diǎn)系數(shù);

熱模擬建立在對(duì)變壓器復(fù)雜熱分布特性基礎(chǔ)上做了許多簡(jiǎn)化后得到,簡(jiǎn)化后的熱分布圖如圖3所示。

圖3中兩條平行線分別代表油和繞組的溫升,兩條平行線之間的△Two表示繞組平均溫升和油平均溫升的差值,簡(jiǎn)稱銅油溫差。此外,繞組最熱點(diǎn)溫度比繞組頂部的溫升要高,所以△Two還要乘上熱點(diǎn)系數(shù)H。根據(jù)規(guī)程規(guī)定,配電變壓器H=1．1,電力變壓器H=1．3。

溫度補(bǔ)償回路中可以調(diào)節(jié)加熱電流Is的大小,用于模擬△Two限定的銅油溫差定值。需要注意的是,加熱功率同電流的大小關(guān)系表示為

W/WN=Is2R/IsN2R=[Is/IsN]2所以加熱功率同負(fù)載電流的平方成正比關(guān)系。但是實(shí)際情況是,在非額定負(fù)載的情況下銅油溫差的實(shí)際大小受到變壓器冷卻方式的影響不一定按照負(fù)載電流的平方正比例變化。非額定負(fù)載的情況下,銅油溫差實(shí)際值計(jì)算公式為△Two=△TwoN[I/IN]y

其中,△Two:任意負(fù)載下的銅油溫差;△TwoN:額定負(fù)載下的銅油溫差;y系數(shù):根據(jù)規(guī)程規(guī)定ON(油浸自冷)變壓器或者OF(油浸風(fēng)冷)變壓器y=1．6,OD(強(qiáng)迫油循環(huán))變壓器y=2．0。

根據(jù)銅油溫差計(jì)算公式,OD變壓器無(wú)論在額定負(fù)載還是非額定負(fù)載情況下,由于y系數(shù)總是2．0,表明銅油溫差同實(shí)際電流值保持二次方關(guān)系,所以電熱功率總是和銅油溫差的計(jì)算值保持一致;但對(duì)于ON或OF變壓器,由于y系數(shù)為1．6,根據(jù)加熱電流變化產(chǎn)生的電熱功率不能準(zhǔn)確的模擬出公式計(jì)算得到的銅油溫差,使得繞組溫度實(shí)際值同計(jì)算值會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。當(dāng)ON或OF變壓器的實(shí)際電流低于額定電流時(shí),溫度補(bǔ)償回路產(chǎn)生的加熱功率偏低,實(shí)際附加溫升低于銅油溫差計(jì)算公式得出的△Two值,說(shuō)明繞組的計(jì)算值溫度此時(shí)高于溫度表上顯示的溫度。只要誤差在允許的范圍里,變壓器不會(huì)因?yàn)槔@組過(guò)熱而發(fā)生事故;當(dāng)變壓器實(shí)際電流高于額定電流時(shí),實(shí)際附加溫升高于銅油溫差計(jì)算公式得出的△Two值,說(shuō)明溫度表顯示的溫度超過(guò)了繞組溫度的計(jì)算值,溫度表可能會(huì)在繞組實(shí)際溫度沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值的情況下提前發(fā)信或者保護(hù)動(dòng)作,雖然對(duì)變壓器的安全運(yùn)行有益,但也可能使溫度表過(guò)于敏感變壓器溫度的升高而誤動(dòng),對(duì)于繞組油溫表接跳閘回路的變壓器存在一定的危險(xiǎn)。

熱模擬溫度公式引起測(cè)量誤差的其他原因:在公式Tc=To+H×△Two中,嚴(yán)格的說(shuō)To不是頂層油溫而應(yīng)是繞組出口油溫。實(shí)際測(cè)量中繞組出口油溫是無(wú)法測(cè)到的,因此用頂層油溫近似代替。對(duì)于ON變壓器,變壓器油的自然浮升力使得油流循環(huán),變壓器器腔內(nèi)各處的油溫變化一致,繞組出口油溫同頂層油溫是相等的,可以同頂層油溫代替繞組出口溫度。對(duì)于OD變壓器,油流循環(huán)動(dòng)力靠油泵提供,各個(gè)繞組出口的油溫是不相等的,還有OF變壓器,經(jīng)過(guò)散熱器冷卻后的油回流到繞組頂部同繞組內(nèi)部的油混合,此時(shí)頂層油溫是各股油流混合后的溫度,不再同繞組出口油溫一致。因此對(duì)于OF或OD冷卻方式的變壓器根據(jù)熱模擬溫度公式計(jì)算出的繞組最熱點(diǎn)溫度可能不準(zhǔn)確。

2 光纖測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用

熱模擬溫度公式基于對(duì)變壓器熱分布特性簡(jiǎn)化的前提之下,它假設(shè)從變壓器底部到頂部,繞組各部位以及周圍的油溫總是自下而上線性增加的,但是實(shí)際熱分布特性因?yàn)槭艿阶儔浩鲀?nèi)部構(gòu)造以及冷卻方式的影響并不是線性增加的,通過(guò)間接測(cè)量得到的繞組溫度也不能反映繞組的真實(shí)溫度,特別是在繞組內(nèi)部溫升過(guò)快或者局部絕緣損壞后的短時(shí)過(guò)熱故障時(shí),因?yàn)橛偷臒醾鲗?dǎo)有一定的遲滯,繞組溫度表難以迅速作出反應(yīng)。相比之下,光纖測(cè)溫技術(shù)作為一種直接測(cè)量的手段,可以在變壓器繞組制造過(guò)程中預(yù)先埋入光纖,通過(guò)光纖信號(hào)傳送變壓器內(nèi)部多個(gè)關(guān)鍵部位熱點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。除此之外,傳統(tǒng)的壓力式油溫表通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)定接點(diǎn)動(dòng)作的溫度值,接點(diǎn)的閉合時(shí)機(jī)難以長(zhǎng)期保持精確性和復(fù)現(xiàn)性,而且變壓器實(shí)測(cè)溫度一到設(shè)定值接點(diǎn)立刻動(dòng)作,無(wú)法反映主變運(yùn)行期間溫度變化的總體趨勢(shì)。但是光纖測(cè)溫系統(tǒng)可以根據(jù)溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度曲線分析,設(shè)定報(bào)警閾值以及監(jiān)視繞組溫度的變化梯度,能夠在變壓器負(fù)荷變化的過(guò)程中同步反映繞組溫度的變化趨勢(shì),甚至可以進(jìn)行變壓器熱壽命損失的累積分析和運(yùn)行壽命延長(zhǎng)分析。繞組用光纖測(cè)溫在線監(jiān)測(cè)裝置如圖4所示。

光纖在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是智能化變電站中數(shù)字化統(tǒng)一應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)的重要組成部分。數(shù)字化繞組溫度測(cè)量系統(tǒng)可以分為三層,光纖測(cè)溫傳感器以及采集裝置位于過(guò)程層、繞組溫度監(jiān)控智能IED裝置位于間隔層、溫度監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件位于站控層主機(jī)中。傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)光纖局域網(wǎng)上傳到間隔層智能裝置中,智能裝置可以分析溫度數(shù)據(jù),設(shè)定報(bào)警閾值和實(shí)現(xiàn)就地操作功能,分析結(jié)果可通過(guò)MMS提供的服務(wù)上傳到站控層溫度監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件中。監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件可以提供人機(jī)交互界面,分間隔展示變壓器各相繞組中所有熱點(diǎn)測(cè)量部位的實(shí)時(shí)溫度,單個(gè)部位的溫度變化趨勢(shì)曲線,主變熱壽命比較分析等。其他系統(tǒng)配置功能包括溫度測(cè)量的工程系數(shù)修改,報(bào)警定值參數(shù)設(shè)定界面以及報(bào)表打印功能等?？苫贗EC 61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變壓器油溫測(cè)量設(shè)備進(jìn)行信息建模,將先進(jìn)的光纖測(cè)溫技術(shù)同數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)結(jié)合,通過(guò)對(duì)變壓器繞組溫度動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)分析,盡早發(fā)現(xiàn)繞組內(nèi)部局部過(guò)熱和絕緣損耗等缺陷,大大增加事故預(yù)警的時(shí)間裕度,有利于運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故先兆,延長(zhǎng)主變的運(yùn)行壽命。

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張喆(1983—),男,安徽人,現(xiàn)于上海交通大學(xué)電子與通信工程專業(yè)學(xué)習(xí),碩士研究生學(xué)歷,研究方向:電子通信。