Abstract The accurate measurement of hot-spot tempera-ture of transformer winding can reflect the insulation sta-tus, thus it attracts the attention of researchers. The re-search situation of hot-spot monitoring technique of trans-former winding is introduced at first. And then the existingproblems of each method are discussed. The application ofnew technique is especially analyzed in this paper.
Key words hot-spot winding transformer on-linemonitoring technique
摘 要 简要介绍了电力变压器绕组热点状态在线监测技术的研究现状,探讨了目前各种方法存在的问题,重点分析了一些新技术在热点在线监测中的应用。
关键词 热点 绕组 变压器 在线监测
0 引 言
大型变压器运行时内部温度分布不均匀,如过载运行时油温虽为允许值,但变压器热点温度可能很高,导致局部绝缘老化、击穿而损坏变压器。因而,变压器热点温度监测备受重视。最热区达到温度是变压器负载的最主要限定因素,应尽力准确测出[1]。
热点产生机理的复杂性及热点位置的不确定性使其在线监测仍未最终解决。本文综述当前各种绕组热点监测方法的现状并探讨一些新技术在其中的应用,展望其前景。
1 在线监测技术的现状
目前绕组热点监测普遍采用以下3种方法:
1.1 热模拟测量法
热模拟测量法以绕组热点温度th=KΔtWO+tO[1]为基础。式中,ΔtWO为铜油温差;tO为顶层油温;K为热点系数。图1的测试系统用TA获取电流Iw(正比于负荷),流经温包内特别设计的加热元件以获取ΔtWO,加上tO即为绕组热点温度[2]。
热模拟法测量的前提是变压器油箱顶层、绕组内顶层油温和变压器油温近似,这不适合多路系统变压器;且模拟产生的附加温升ΔtWO虽已校准,但运行绕组的温升过程与模拟不尽相同,误差较大,法国电网已停用该测温装置[3]。分析“热模拟法”测量误差后认为[2]严格设计与选型“热模拟”绕组温度计与温度计座可提高“热模拟法”的测温性能。
1.2 直接测量法
直接测量法在变压器靠近导线部位或导线线饼中预埋测温传感器,直接测量绕组的热点温度。传感器有声频、结晶石英、莹光、红外辐射激发式、镓砷化合物晶粒光致发光传感器等多种形式[4]。埋入方法有多点埋入及穿越流道间隙及只埋在线饼间隙流道出口处等多种。美国Luxtron公司的WTS - 11型莹光式光纤监测系统,测温范围0 ~ 200℃,分辨率0.5℃,准确度±2℃,广泛用于ABB、GE等公司的变压器中。沈阳变压器厂1984年开始研究光纤测温仪,以半导体砷化镓为敏感元件,实测多台变压器热点温度,取得了一定的成果[5]。
直接测量结果真实,但绕组内埋设传感器对绝缘结构设计要求更高,容易影响变压器正常运行;且由于绕组热点位置不确定,传感器埋设处不一定是最热点,测量结果可能并非绕组的热点温度。
1.3 间接计算法
间接计算法指国际电工技术委员会根据变压器简化热特性分布模型,结合各国运行经验制定的IEC—354负载导则中给出的热点温升计算公式来确定变压器热点温度。不同冷却方式计算公式为:自然冷却:
式中:θh、θa分别为热点、环境温度;Δθ0r、Δθbr分别为额定负荷下顶、底部温升;Δθimr为额定负荷下油平均温升;Hgr为热点对绕组顶部的温升;K为负载系数;x为油温指数;y为绕组温度指数;R为额定负载下负载损耗与空载损耗之比。可见实时监测负荷电流及顶或底部油温变化,就能在线监测热点温度。
比较直接测量和间接计算法的结果显示间接计算法可在一定准确度下确定绕组热点的温度,但该法的理论基础建立在简化模型上,而变压器的实际运行和简化模型必定不同,因此测量结果只能在一定程度上反映出变压器绕组的热点状态。
2 新技术的应用
2.1 新型测温传感器的研究
与传统的机电类传感器相比,光纤传感器抗电磁干扰、耐高温、体积小,绝缘性能良好,用来在线监测绕组热点是直接测量法中的发展方向。
针对传感器埋点不一定是绕组最热点的问题,提出了一种分布式光纤测温传感器以实时测量温度场分布[6],解决了热点位置不确定性对测量的影响。传感器在2 km长的光纤上可采集1 000个点的温度信息,测温范围-50~150℃,测温准确度±2℃,光纤覆以特殊金属涂复层还可扩展测温范围到600℃。但费用昂贵且安装复杂,光纤的机械特性无足够的可靠性。利用光纤光栅传感器长期监测绕组热点温度的准确度达±3℃[7],利用波分复用技术在一根光纤中串接多个Bragg光栅即可实现温度的分布式测量,但价格昂贵、安装不便限制其应用。文[8]提出了一种新颖的光纤温度传感器设计方案,以筛选过的参考液体替代一部分光纤覆层。由于参考液体的折射率和光纤覆层的不同,且折射率随温度变化,从而导致通过光纤的光功率变化,测量光功率的变化得到温度的变化规律。实验结果表明:在0~130℃范围内,准确度0.5℃,分辨率0.2℃。该传感器结构简单、价格低廉,很适合热点温度的在线监测。但仍是点测量,不能实现分布式监测,仍存在热点位置不确定带来的测量误差。
2.2 综合判断方法的研究
绕组热点温度>140℃时,油中溶解气体及糠醛含量分析则是判断变压器低温过热的有效方法[4]。IEC三比值法或其它有效判断准则能较准确判断低温过热故障;在工厂温升实验中,利用CI-GREWG12—06的判断准则也有满意的结果;糠醛含量测量可判断绕组低温过热,但实用灵敏度尚待提高。文[9]认为间接计算法可较准确测量绕组热点温度,但绕组热点正常温度<118℃,>140℃时,油气分析对判断绕组热点状态很有价值,两方法结合可在全域内判断热点温度。利用分子筛分离油气时间短,利用神经网络技术测量实现了对混合气体中各组分的准确,在这些工作的基础上建立了热点温度状态的综合判断模型。
2.3 人工智能技术的应用
实现综合判断的最好工具是人工智能技术,图2模型[9]中I为负荷电流;T为底层油温;d1~d5分别为CO、H2、CH4、C2H4、C2H2的体积分数;μN(θ)、μM(θ)、μH(θ)为模糊集合S= {正常,N偏高,M过高,H}中各模糊子集的隶属函数。
综合判断模型先通过隶属函数神经网络计算各输入参量的模糊隶属度,然后将其送入模糊推理神经网络推理,给出各模糊子集的隶属度,最后依据最大隶属度原则给出热点状态的判断结论。实例验证的结果令人满意。
针对过载时现有模型及其修正算法不能给出准确的热点温度结果,文[10]利用径向基函数神经网络建立的过载时热点温度预测模型能根据实际情况增减网络输入信号,灵活性与可靠性有较大提高。
3 结 论
分析当前变压器绕组热点多种监测方法可知:
a.热模拟测量法由于原理上的不足,测量误差较大,将来的工作重点应放在提高间接计算法的测量精度以及改善直接测量法的方案设计上。
b.间接计算法应综合考虑多种因素的影响,结果才能更可靠。而直接测量法最有前途,分布式温度测量装置原理最先进,降低其安装的复杂性及费用,提高运行可靠性是研究重点。
参考文献
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2 陆万烈,夏业勤.变压器绕组温度测量的“热模拟”误差[J].变压器,1999,36(10):15~17
3 陈淑谨,王世阁,刘富家.变压器绕组热点在线监测装置的研制与应用[J].变压器,2000,37(8):41~44
4 朱英浩.探测绕组低温过热的方法[J].变压器,1995,32(1):2~5
5 牟长江.用光纤技术直接测量电力技术论文变压器绕组热点温度[J].变压器,1995,32(11):2~5
6 张在宣,金仁洙,郭 宁,等.新型分布式光纤拉曼光子温度传感器系统[J].物理实验,2003,23(1):3~8
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