油浸式电力变压器热点温度在线监测方法的研究

油浸式电力变压器热点温度在线监测方法的研究

作者：邓双渊

来源：《科技创新导报》2011年第20期

摘要:变压器热点温度是影响绕组绝缘状态最重要的原因,热点位置也是变压器油纸绝缘老化最严重的区域之一,监测热点温度具有重要意义。由热电类比理论,建立了顶层油温油浸式电力变压器内部温升热路模型,推导出变压器热点温度计算公式,并提出了一种油浸式电力变压器热点温度在线监测方法。这种在线监测方法需要采集的信息量少且易于获取,计算过程简单,计算精度较高,能为变压器的运行管理提供有效的技术支持。

关键词:变压器热路模型热点温度在线监测

中图分类号:TM4 文献标识码:A 文章编号:1672-3791 (2010)7(b)-0090-02

1 引言

电力变压器是电力系统最重要和最昂贵的电气设备之一,其运行的稳定性和安全性直接关

系着供电质量和电网稳定性。油浸式电力变压器绝缘采用油纸绝缘结构型式,温度是促使绝缘

老化的主要因素[1]。热点区域是温度对绝缘状态影响最严重的区域,也是油纸绝缘老化最快的区域之一,因此监测变压器热点温度能为变压器运行管理提供有效的技术支持。

目前测量热点温度主要分为直接测量法和间接测量法。直接测量法指在绕组中靠近导线部分埋设传感器,由温度测量仪直接测温,测量结果精确并能确定热点位置,但需要在变压器设计制造时预埋传感器,维护技术复杂,价格昂贵。因此,工程中常采用间接测量法,主要包括数值计算法[2-4],该方法基于建立变压器内部热传递模型,根据传热学理论和边界条件求解变压器内部温度场,计算精度较高,可以获取求解区域内任一位置的温度,但计算过程复杂,对计算机性能要求较高;热模拟法[5]是将从电流互感器取得的附加电流在电热元件上所产生的附加温升,叠加到变压器顶层油温上,从而获得变压器的绕组热点温度,但目前使用的技术仍存在一定的误差。国家标准推荐法[6]计算过程简单,但负荷变化时计算精确度需待提高;热路模型法[7-12]是基于热电类比法,把变压器内部热传递过程转化为热路模型,可以直观的反应出变压器热传递过程,并可根据热电类比原理推导出各种特征温度的计算公式,是目前研究变压器内部温升比较常用的一种方

法。

本文根据热路模型法,提出了一种基于顶层油温的油浸式电力变压器热点温度在线监测方法,利用实时采集的变压器顶层油温度和负荷电流数据计算变压器热点温度,实现变压器热点温度在线监测的目的。该方法需要采集的数据量少其易于采集,计算过程简单,计算精确度较高,能满足变压器运行管理的需要。

2 变压器内部温升热路模型

2.1 变压器内部热传递过程

在变压器运行时,铁心、绕组和金属结构件产生的损耗转化为热量发散到周围介质中去,引起变压器温度升高。随着绕组及铁心温度的升高,与周围的变压器油产生一定的温度差,将一部分热量传给变压器油,使油的温度升高。变压器油通过散热器将热量传递给外部冷却介质(空气),如图1所示。如果负荷和环境温度保持不变,经过一段时间后,绕组、铁心和油的温度上升达到平衡状态,各部位温度达到稳定,即热平衡状态。但实际上,负荷和环境温度处于长期变化的过程中,必将引起变压器内部温度的变化。

2.2 热电类比法原理

热路和电路具有相同的微分方程形式以及相似的几何形状和边界条件,因此可以根据电路的物理量形式来描述热路,其对照关系如表1所示。

根据U=IR可得θ=qRth,根据I=CdU/dt可得q=Cthdθ/dt。

基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律同样类比适用于热路。

在任何时刻,对任一闭合回路

(1)

在任何时刻,对任一结点

(2)

2.3 油浸式电力变压器热路模型

根据热电类比原理,变压器内部热传递过程可以用热路模型表示,如图2所示。考虑到因铁耗产生的热量相对较小且变化不大,为了简化模型,省去了铁心的热阻和对油的热容。

图2中,qcu表示变压器铜耗,qfe表示变压器铁耗,Rth.H表示绕组热点区域对顶层油的热阻,Rth.oil表示顶层油对空气的热阻,Cth.H表示绕组的热容,Cth.oil表示油的热容,θH表示热点温度,θTO表示顶层油温度,θamb表示环境温度。

根据热路的计算规则,由图2可得变压器内部温升计算公式,如式和式所示。

(3)

(4)

式中,下角标R表示额定情况下,n表示温升修正系数,由变压器的冷却方式决定,如表2所示。

在非额定情况下,

(5)

式中,I表示实际负荷电流,IR表示额定电流。

式可以表示为:

(6)

额定情况下,绕组热点温度和顶层油温的差值△θH.R为:

(7)

绕组热时间常数τW为:

(8)

△θH.R、τW可以通过变压器铭牌参数和出厂温升实验直接或间接获得。通常τW取值为5min。

因此,式可表示为:

(9)

这样,只需要实时采集负荷电流I和顶层油温度θTO,通过求解式即可得到变压器绕组热点温度,而I、θTO都比较易于采集。

3 在线监测系统的设计

油浸式电力变压器热点温度在线监测系统分为3层,第一层为数据采集层,第二层为数据处理层,第三层为IE用户层。

3.1 数据采集层

数据采集层包括变压器顶层油温度采集模块、负荷电流采集模块,进行顶层油温度、负荷电流的传感、采集、预处理(转化为数字信号)和对上层通信的任务。

顶层油温度θTO通过多个Pt100铂电阻传感器进行采集。Pt100铂电阻传感器安装在变压器顶部温度计座处,为了消除引线电阻,提高采集的精确度,接线方式采用三线制接线法。

负荷电流采集模块安装在变电站控制室监控屏内,作用是采集变压器低压侧A、B、C三相电流信号。考虑到电力系统三相不平衡度较小,A、B、C三相电流有效值的平均值即为式中的I。

3.2 数据处理层

数据处理层包括前置通信单元和数据服务器两个部分。前置通信单元用于接收并处理来自数据采集层上传的数据,并将信息上传到数据服务器;数据服务器由数据处理单元与通信接口两部分组成。数据处理单元将原始数据进行储存,并且对数据进行在线分析计算,供WEB服务器查询;通信接口负责数据服务器与WEB服务器、数据服务器与前置通信单元间的通信任务,确保每个交互命令能够正确完成。

3.3 IE用户层

IE用户层由WEB服务器和IE用户客户端组成。WEB服务器将IE客户端程序的请求进行解释后转发给数据服务器,并将结果返回给IE客户端程序,显示给终端用户,达到远程监控的目的。

所有用户功能皆可通过IE客户端程序实现,实现的功能包括:

(1)数据管理功能。系统数据库采用微软公司MSDE数据库,存储数据服务器上传的监测时间、设备信息、监测结果等信息,并可根据用户需求进行各个监测数据量的查询。

(2)报警设置功能。用户可以根据设备管理和运行的需要设置多级越限报警。

(3)报表输出功能。系统配置打印机,支持实时数据打印和报表打印,可以根据用户设置,对监测数据进行不同类型的输出,如Excel表格、图片等,便于对监测数据进行直观分析。

4 实例计算

某110kV/38.5kV、50MVA油浸自冷式式电力变压器,低压侧额定电流IR=750A,额定情况下绕组热点温度和顶层油温度的差值△θH.R=25℃、绕组热时间常数τW=5min。

5 结束语

通过分析变压器内部热传递过程和热电类比法原理,建立油浸式电力变压器内部温升模型,推导了基于顶层油温度的热点温度计算模型。根据所建立的热点温度计算模型,提出了一种基