油浸式變壓器繞組溫度的測量方法研究

楊文琛 畢露月

（廣東電網公司佛山供電局，廣東 佛山528000）

0 引言

電力變壓器是電力系統中重要的一次設備，其安全運行直接影響到供電可靠性和系統穩定性。大部分變壓器經過長時間運行，極可能因運行溫度過高導致絕緣能力下降，使變壓器使用壽命大為縮短。為了保證變壓器安全可靠運行，延長其使用壽命，對變壓器繞組溫度進行監測就十分必要。目前，測量變壓器繞組溫度的方式有如下幾種：直接測量法、間接計算測量法、光纖光柵測量法、熱模擬測量法。本文主要介紹了各種不同測量方法的原理，并對各種測量方法進行了比較，為以后繞組溫度的測量提供部分參考。

1 直接測量法

直接測量法是在變壓器繞組中直接埋入傳感器，通過傳感器反映至溫度測量儀直接顯示繞組溫度，埋入點越多測量結果越精確。但該方法維護技術復雜，成本昂貴，主要用于在變壓器實驗過程中與熱模擬測量法進行比較，校對熱模擬測量的誤差。

目前較為成熟的方法是使用光纖技術，在變壓器繞組制造過程中埋入熒光式光纖傳感器探頭，利用光信號為載體，通過接收設備測溫儀把溫度信息轉換成電信號，接著經過放大、整形、解調等一系列過程，得到探頭所在位置的實際溫度。

直接測量法的結果是否準確，關鍵在于埋入的傳感器。但傳感器埋入繞組的工藝十分復雜，絕緣結構設計要求高，造價較高，且容易影響變壓器正常運行，同時傳感器埋設處不一定是最熱點，因此測量結果可能并非繞組的最高溫度，需要埋入多個傳感器才能精確地測出繞組實際溫度，成本比較昂貴，維護技術復雜。

2 間接計算測量法

間接計算測量法是通過運用幾種變壓器繞組熱點溫度計算公式來間接監測繞組熱點溫度。間接測量計算模型大致有基于技術標準、基于熱阻和基于熱路等幾類。

基于技術標準的模型［1］：重點圍繞能直接引起變壓器繞組熱點溫度升高的導線電阻損耗和渦流損耗對變壓器熱點溫度的影響，貼近實際運行的變壓器情況，計算結果更接近實際值。

基于熱阻的模型［2］：由于變壓器內部包含多種材料，因此運行過程中實際散熱和熱分布情況是十分復雜的。研究人員根據熱傳導理論和不同情況下非線性熱阻和集總電容的定義，提供了一種可用于估算各種類型變壓器繞組熱點溫度的計算模型。

基于熱路的模型［3］：主要是將變壓器內部的熱傳遞過程模擬為電氣過程，將變壓器的熱流量、溫度、熱阻及熱容分別與電路中電流、電壓、電阻及電容類比，并用相應的熱點參數代替，得到的變壓器熱點溫度模型等效熱路。

間接計算測量法以熱點溫度值穩態及暫態變化的經驗公式為依據，實現對變壓器繞組溫度的測量，其關鍵環節是建立變壓器熱模型，然后結合運行數據及油浸式變壓器負載導則中規定的標準，將發熱部位的溫升以公式推導出來，實現對變壓器繞組溫度的計算。這種方法可以保證計算的精度，所以是一種實用性很強的測量方法。

3 光纖光柵測量法

光纖光柵是近年來受到廣泛關注的光無源器件，主要是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光直接射入光纖纖芯形成反射或透射濾波器。目前廣泛采用的是布拉格光柵［4］。光纖光柵變壓器繞組溫度監測系統的結構如圖1所示。

圖1 光纖光柵變壓器繞組溫度監測系統結構圖

該系統由寬帶光源、耦合器、VPG模塊（體積相位光柵）、陣列探測器、驅動電路、微控制器模塊、數據傳輸模塊、上位機以及液晶顯示電路組成。寬帶光源發出光經過耦合器，到達光柵溫度傳感器，經傳感器反射后的光中心波長與被測部位溫度有關。反射光經過耦合器后，進入體積相位光柵模塊，將含有不同溫度數據的光波長區分開，再進入陣列探測器將光信號轉換成電壓信號。再由STM32微控制器處理當前各溫度傳感器的溫度，將其顯示到液晶顯示屏上，并上傳數據到上位機。

光纖光柵測量法具有抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、絕緣性和安全性好等優點。但該測量方法造價較高，對變壓器制造工藝要求復雜，現場運行維護缺乏經驗，因此在實際生產運行中尚未得到廣泛應用。

4 熱模擬測量法

熱模擬測量法主要是用一個流經電熱元件并與負載電流成正比的加熱電流產生附加溫升，通過電流匹配器的調節，使得附加溫升剛好等于繞組和油之間的溫差。它不是實際測量值，只是一個模擬量，僅僅反映了變壓器繞組的平均溫升，并不能反映最熱點溫度。熱模擬測量法的原理如圖2所示。

圖2 熱模擬測量法原理圖

從原理圖中可以看出，通過套管CT取得與負載成正比的電流，經電流匹配器調整后，流進嵌裝在波紋管內的電熱元件，電熱元件通過電流發熱，令波紋管內氣體發生膨脹，導致感溫包內液體跟隨膨脹，并將壓力傳送到彈性元件，彈性元件連接到溫度表指針，通過傳動機構使溫度表指針轉動，從而將當前溫度值指示到刻度盤上。

熱模擬法雖然廣泛地運用在生產現場，但由于其原理，在實際運行中存在很多問題：（1）雖然采用了負荷電流來模擬繞組溫升，但僅僅是近似地模擬了繞組的平均溫升，卻無法真實地反映繞組最熱點溫度。（2）電流回路的存在增大了設備維護的難度。如果電流回路開路，會造成設備損壞。溫度計需要更換時，需要在電流回路做復雜的安全措施。（3）熱模擬方法受環境因素影響較大，溫度、風速等天氣原因都可以影響熱模擬的效果。

5 結論

影響變壓器絕緣能力的最主要因素是變壓器運行時的繞組溫度，文中分別介紹了幾種測量變壓器繞組溫度的方法及其原理和各自的優缺點，得出以下結論：（1）直接測量法原理簡單，缺點是傳感器的埋設位置難以精確，埋設點過多又增加了變壓器的成本，增大了維護的難度。（2）間接計算測量法精度比較高，應用條件也比較簡單，但是在建立模型的過程中，忽略了部分因素，假設繞組和油溫的溫升特性是線性的，并且部分計算參數是由經驗所得，與實際溫升有一定的區別，還需要進一步改進，從而擴大運用范圍。（3）光纖光柵測量法可以得到準確穩定的測量結果，從而對變壓器內部溫度進行精確的測量，對溫升變化反應靈敏。但是當光路發生改變或受到變壓器電磁環境的影響時，可能會影響溫度測量的準確性，并且該測量方法能得到繞組的熱點溫度，但是不能準確反映熱點的位置。（4）熱模擬測量法目前在工程實踐中得到了廣泛的運用，但這種測量方法只能反映平均溫升，不能反映繞組最熱點溫度，并且增加了電流回路，需要檢修或更換時，需要做好防止電流回路開路的措施，另外，受環境因素的影響也比較大，穩定性有待改善。

通過對幾種繞組溫度測量方法的比較分析，給油浸式變壓器繞組溫度測量的進一步研究提供了部分理論依據。嚴密監測運行中變壓器的繞組溫度，對于保證變壓器的安全穩定運行以及整個電力系統的穩定具有重要意義。

［1］陳偉根，趙濤，江淘莎，等.改進的變壓器繞組熱點溫度估算方法［J］.高壓電器，2009，45（1）

［2］海瑛，錢蘇翔，嚴拱標.油浸式大型變壓器熱點溫度的動態模型［J］.機電工程，2007，24（1）

［3］江淘莎，李劍，陳偉根，等.油浸式變壓器繞組熱點溫度計算的熱路模型［J］.高電壓技術，2009，35（7）

［4］廖延彪，黎敏，張敏.光纖傳感技術與應用［M］.北京：清華大學出版社，2009