帶光纖溫控器的變壓器溫升試驗(yàn)及分析

　　1 引言

　　溫升試驗(yàn)是保證變壓器使用壽命和安全運(yùn)行的重要試驗(yàn)。溫升試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證變壓器在額定工作條件下， 主體總損耗所產(chǎn)生的熱量與散熱裝置達(dá)到熱平衡的溫度是否符合有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議的要求，并驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性，發(fā)現(xiàn)油箱（或外殼）和結(jié)構(gòu)件上的局部過熱的程度。

　　變壓器繞組最熱點(diǎn)溫度是變壓器的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和使用壽命的決定因素, 因?yàn)槔@組最熱點(diǎn)絕緣因過熱而導(dǎo)致的老化可能發(fā)展成為整個(gè)變壓器的損壞。因此GB1094.2-1996《電力變壓器第2 部分溫升》和IEC354《油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》在以往相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加了繞組熱點(diǎn)溫升的計(jì)算。但是任何的理論計(jì)算都需要試驗(yàn)的檢驗(yàn)， 可靠的檢驗(yàn)是在試驗(yàn)中實(shí)際測量熱點(diǎn)的溫升。

　　浙江電力變壓器有限公司在變壓器溫升試驗(yàn)中采用光纖溫控器實(shí)測熱點(diǎn)溫升。該試驗(yàn)在國家變壓器質(zhì)量監(jiān)督監(jiān)測中心的指導(dǎo)下進(jìn)行， 試驗(yàn)流程和結(jié)果完全符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

　　2 光纖測溫原理

　　確定繞組熱點(diǎn)溫度的方法可分為直接測量法、熱模擬測量法和間接計(jì)算法三種。直接測量法是在繞組中埋設(shè)傳感器，由光纖傳播信號在高電壓、高磁場條件下實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確測量繞組的熱點(diǎn)溫度，是未來變壓器溫升試驗(yàn)熱點(diǎn)測量的首選方法。

　　以美國Lumasense 公司的ThermAsset2 為例，該變壓器繞組熱點(diǎn)光纖溫控器是通過測量磷光體單獨(dú)的固有參數(shù)（衰減時(shí)間）而確定的，不會(huì)因?yàn)楣饫w的物理變化而改變， 所以該系統(tǒng)是一個(gè)無需校驗(yàn)的系統(tǒng)。磷光物質(zhì)傳感器直接附于光纖探頭末端。該探頭采用經(jīng)過驗(yàn)證與油浸高壓電力變壓器長期兼容，且具有優(yōu)良電氣性能的材料制成。20 世紀(jì)80 年代起，該技術(shù)就已經(jīng)運(yùn)用于電力變壓器（多年來，廣泛被世界各地大變壓器廠商作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所接受）。在溫升試驗(yàn)期間僅需安裝光纖探頭（使用工廠現(xiàn)有的工具），由光纖探頭測量的數(shù)據(jù)即可知道繞組最熱點(diǎn)的實(shí)際溫度而且操作簡單。該系統(tǒng)具有4～8 個(gè)有獨(dú)立輸出和顯示的測量通道， 采用的溫度傳感器由一種穩(wěn)定的耐高溫的熒光材料制成, 直接置于光導(dǎo)纖維一端。其原理是當(dāng)LED 光源發(fā)出的光脈沖通過光纖送到與繞組接觸的溫度傳感器時(shí), 該脈沖激勵(lì)傳感器的熒光材料,使其產(chǎn)生波長較長的熒光,根據(jù)返回?zé)晒獾乃p時(shí)間測出該傳感器的溫度, 然后通過處理,顯示出溫度值和有關(guān)系統(tǒng)參數(shù),并同時(shí)將溫度信息傳輸?shù)娇刂剖摇Ｔ撓到y(tǒng)可在變壓器處于峰值負(fù)載和緊急超銘牌容量運(yùn)行時(shí)提供精確的繞組溫度, 并可使變壓器根據(jù)測出的繞組實(shí)際溫度及時(shí)調(diào)整負(fù)載。

　　3 試驗(yàn)方法與過程

　　GB1094.2-1996 規(guī)定， 短路法為油浸式電力變壓器溫升試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。

　　3.1 繞組熱點(diǎn)溫度和位置的預(yù)報(bào)

　　試驗(yàn)前根據(jù)繞組的相關(guān)參數(shù)，包括繞制方法、導(dǎo)線類別及參數(shù)、繞組尺寸及油道尺寸等，運(yùn)用專門的計(jì)算軟件確定熱點(diǎn)的位置和溫度值。本文中采用變壓器溫度場計(jì)算軟件， 該軟件能對餅式繞組和筒式繞組的溫度場進(jìn)行計(jì)算分析。軟件的計(jì)算結(jié)果已在各種型號的變壓器上得到實(shí)際的檢驗(yàn)， 具有較高的精度。

　　3.2 光纖溫控器的安裝

　　3.2.1 傳感器的安裝

　　（1）在餅式繞組中的安裝。把光纖測溫探頭插入相鄰線餅間的墊塊中， 探頭在墊塊中的安裝以及絕緣處理如圖1 和圖2 所示。墊塊處理好后把墊塊放入探頭部位即可，如圖3 所示。

　　（2）在筒式繞組中的安裝。在筒式繞組中由于沒有水平撐條，因此，為了不破壞繞組絕緣結(jié)構(gòu)，將探頭安裝在垂直撐條上。安裝時(shí)在垂直撐條上開槽，開槽高度為事先計(jì)算好的熱點(diǎn)高度。在撐條對應(yīng)的位置開槽，探頭應(yīng)能與繞組接觸，如圖4 所示。

　　3.2.2 引線探頭的安裝（選擇）

　　根據(jù)GB1094.3-2003 套管溫升測量屬監(jiān)測性測量，只需防止過熱即可，試驗(yàn)中可采用紅外測溫。但為了實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)報(bào)警以及得到套管連續(xù)的溫度數(shù)據(jù)，本次試驗(yàn)采用光纖測溫。在引線上的光纖探頭安裝如圖5 所示。

　　3.2.3 安裝油箱壁結(jié)合板

　　油箱壁有四個(gè)錐螺紋用于安裝貫通器。在油箱上開孔后， 可將結(jié)合板焊接在油箱壁或用螺絲安裝在油箱壁上。

　　3.2.4 裝貫通器和內(nèi)外光纖

　　貫通器用于內(nèi)外光纖的光學(xué)連接， 內(nèi)外光纖采用ST 連接器進(jìn)行插拔式連接。將帶有鎖緊螺帽的內(nèi)部光纖的SMA 型接頭與貫通器連接好，如圖6 所示。外部光纖一端接到貫通器，另一端接到光纖測溫系統(tǒng)本體，如圖7 所示。

　　3.3 試驗(yàn)過程

　　短路法溫升試驗(yàn)按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的兩個(gè)階段進(jìn)行。

　　3.3.1 施加總損耗階段

　　溫升穩(wěn)定條件按GB1094. 2-1996 規(guī)定。此處應(yīng)該注意的是不能以熱點(diǎn)的溫升作為穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)轫攲佑蜏厣姆€(wěn)定滯后于熱點(diǎn)一段時(shí)間。當(dāng)熱點(diǎn)溫升穩(wěn)定時(shí)頂層油溫升可能還沒有達(dá)到穩(wěn)定。

　　3.3.2 施加額定電流階段

　　該階段的繞組電阻的測量按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求的方法測出熱電阻即可得出繞組的平均溫度， 加入光纖溫控器以后，該儀器能自動(dòng)記錄熱點(diǎn)的溫度（間隔時(shí)間用戶自定），根據(jù)該數(shù)據(jù)就可以找到斷電時(shí)刻的熱點(diǎn)溫度。

　　3.4 溫度的測量

　?。?）環(huán)境溫度的測量。環(huán)境溫度的測量參照國家標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)規(guī)范測量。

　?。?）散熱器進(jìn)出口溫度的測量。分別在散熱器的進(jìn)出口設(shè)置2～3 個(gè)溫度傳感器，記錄其讀數(shù)的平均值。每隔一段時(shí)間，記錄一次散熱器油進(jìn)出口溫度。

　?。?）頂層油溫升的測量。油頂層溫度是用多個(gè)插入油箱頂部和插入散熱器的連管內(nèi)的溫度計(jì)進(jìn)行測量。

　?。?）繞組熱點(diǎn)溫升的測量。用光纖溫控裝置實(shí)時(shí)自動(dòng)測量熱點(diǎn)的溫升， 通過電腦終端保存大量的溫度數(shù)據(jù)。

　　（5）油箱外部的局部溫度測量。在變壓器溫升試驗(yàn)中需要注意測量油箱壁和套管連接處有無局部過熱，通常采用紅外測溫儀檢測。

　　4 工程實(shí)例

　　4.1 試驗(yàn)結(jié)果

　　帶光纖溫控器的溫升試驗(yàn)結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)，得到的數(shù)據(jù)， 特別是熱點(diǎn)溫度值和位置對于變壓器的安全可靠運(yùn)行具有指導(dǎo)價(jià)值。表1 為某臺(tái)主變的試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的比較。

　　4.2 結(jié)果分析

　　由光纖探頭的安裝方法可知， 探頭的位置都在繞組絕緣的外部， 探頭所測的溫度均為貼近導(dǎo)線的絕緣層的溫度。根據(jù)傳熱學(xué)的導(dǎo)熱機(jī)理，銅線表面和絕緣紙外表面之間有一個(gè)溫度梯度。因而測量溫度與熱點(diǎn)的真實(shí)有一個(gè)差值，測量值需要修正。根據(jù)導(dǎo)熱傅立葉定律：

　　根據(jù)式（3）經(jīng)過修正，光纖所測熱點(diǎn)溫度值也示于表1 中。

　　相對誤差：

　　將數(shù)據(jù)代入式（4），試驗(yàn)結(jié)果用修正后的值，相對誤差的計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

　　從表2 可以看出， 高壓繞組的相對誤差很小，這是由于探頭和銅導(dǎo)線之間只隔著導(dǎo)線絕緣層和絕緣墊片。而低壓繞組的相對誤差偏大，這是由于低壓繞組的探頭安裝在撐條中，與熱點(diǎn)不僅隔著絕緣層而且離熱點(diǎn)有一定距離，所以相對誤差偏大。

　　5 結(jié)束