變壓器漏磁熱損的光纖Bragg光柵檢測與溫升特性分析*

彭慶軍，粱仕斌，陳興畢，陳曉云，田慶生，李　川（.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明6507；.云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，云南昆明65005；.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南昆明650500）

變壓器漏磁熱損的光纖Bragg光柵檢測與溫升特性分析*

彭慶軍1，粱仕斌2，陳興畢3，陳曉云1，田慶生2，李川3
（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明650217；2.云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，云南昆明650051；3.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南昆明650500）

變壓器的漏磁場強(qiáng)度隨著變壓器容量的增大而增大，漏磁場強(qiáng)度越大在變壓器各結(jié)構(gòu)中引起的漏磁損耗越大，導(dǎo)致變壓器運(yùn)行效率低下，進(jìn)而影響變壓器的正常運(yùn)行。對(duì)35 kV變壓器進(jìn)行試驗(yàn)，將漏磁產(chǎn)生最大處的溫度與油箱產(chǎn)生頂端處的溫度進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)得出當(dāng)開風(fēng)機(jī)時(shí)該處與油箱頂端處的最高溫度差為8.7℃、當(dāng)負(fù)荷降至1倍功率時(shí)溫差為2.9℃，它們的實(shí)時(shí)溫度曲線圖與變壓器的運(yùn)行一致，產(chǎn)生了局部溫升的現(xiàn)象。通過光纖Bragg光柵（FBG）檢測溫度的變化反映變壓器漏磁的情況，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器漏磁的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

變壓器；漏磁熱損；光纖Bragg光柵（FBG）；溫升特性

0　引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)形勢的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的電壓越來越高，變壓器單臺(tái)容量也越來越大，統(tǒng)計(jì)表明，漏磁場強(qiáng)度每增加20%，由漏磁場引起的散損耗就會(huì)增加40%，大容量變壓器中漏磁損耗占到負(fù)載損耗的30% ～40%［1～2］。由此引起漏磁損耗急劇上升，造成某些構(gòu)件局部過熱，嚴(yán)重影響變壓器的使用壽命和正常運(yùn)行［3］。漏磁通會(huì)在夾件中產(chǎn)生損耗，這些損耗將轉(zhuǎn)換成為熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中去，從而引起變壓器發(fā)熱導(dǎo)致溫度升高［4］。劉重軒等人對(duì)處于線圈軸向漏磁場和上部閥側(cè)引線橫聯(lián)銅排漏磁場最強(qiáng)處的半口字形槽口夾件進(jìn)行試驗(yàn)，并得到了該處最高溫升為6.5℃，是由漏磁產(chǎn)生的附加損耗轉(zhuǎn)換為熱能，使上述部件發(fā)熱，產(chǎn)生了局部過熱的現(xiàn)象［5］；為研究變壓器漏磁對(duì)結(jié)構(gòu)件的影響，劉春融等人在A相、C相端用了兩種不同的夾件進(jìn)行了試驗(yàn)，其中，A相端為半開口型的夾件對(duì)變壓器油溫的溫升為6.6℃［6］；鄭萬長等人在研究變壓器漏磁引起的附加損耗和金屬構(gòu)件中的溫升問題時(shí)，對(duì)鐵芯A相、B相頂端對(duì)稱處進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出該處產(chǎn)生的溫升分別為6.4，3.8℃［7］。

本文針對(duì)變壓器漏磁引起的發(fā)熱問題對(duì) SFZ11—10000/35型35 kV變壓器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)得出變壓器的溫度隨著對(duì)變壓器通、斷電變化明顯，說明在該處由于變壓器漏磁所致，產(chǎn)生了局部溫升的現(xiàn)象，并根據(jù)監(jiān)測溫度的變化來實(shí)時(shí)監(jiān)測分析變壓器的漏磁情況。

1　變壓器漏磁產(chǎn)生的機(jī)理

在許多大型的電力變壓器中，由于容量大，線圈中的大電流將引起非常強(qiáng)的漏磁場，將在變壓器內(nèi)部的各個(gè)結(jié)構(gòu)件（如夾件）中出現(xiàn)一系列附加損耗。這些損耗不僅在變壓器負(fù)載損耗中占據(jù)相當(dāng)大的比例，而且它的分布情況極不均勻，在小面積上所集中的損耗很可能會(huì)帶來比較大的局部過熱現(xiàn)象［8～12］。

由于變壓器夾件形狀不規(guī)則且距離繞組又比較近，極易產(chǎn)生渦流損耗，而損耗又是產(chǎn)生熱量的主要來源，極易產(chǎn)生局部過熱進(jìn)而影響變壓器的正常運(yùn)行。文中運(yùn)用ANSYS有限元軟件計(jì)算了變壓器運(yùn)行時(shí)的漏磁場，對(duì)三相繞組加載三相正弦交流電，并對(duì)模型施加磁力線垂直和平行邊界條件。當(dāng)變壓器位于ωt=270°時(shí)，磁感應(yīng)矢量分布同磁力線行進(jìn)方向一致，磁力線越密，磁感應(yīng)矢量值越大。磁密最大位置在鐵芯A相與B相間的夾件處、鐵芯A相左側(cè)夾件處；鐵芯A相與B相間的心柱磁感應(yīng)矢量方向沿著心柱向下行進(jìn)，鐵芯C相磁感應(yīng)矢量方向沿著心柱向上行進(jìn)，在鐵芯C相右側(cè)鐵軛轉(zhuǎn)角處匯聚；磁密在鐵芯內(nèi)，鐵芯外沒有，磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量Bm最大值約為5.48 T。

圖1　磁感應(yīng)矢量圖Fig 1　Magnetic induction vector diagram

從圖1中A相繞組夾件的漏磁場比較大，這是由于通過夾件閉合的磁力線比較多。靠近鐵軛區(qū)域夾件漏磁比較大，這是因?yàn)槭荑F芯、夾件等導(dǎo)磁材料影響，繞組磁力線在該區(qū)域發(fā)生彎曲，通過夾件閉合的磁力線比較多，漏磁比較大，所以，選擇A相繞組頂部夾件處測量。

2　變壓器夾件溫度測量原理與試驗(yàn)安裝布置

光纖Bragg光柵（FBG）溫度傳感器的測量原理是：將組裝好的光纖Bragg光柵溫度傳感器貼到變壓器上部夾件上進(jìn)行溫度的測量，當(dāng)夾件的溫度發(fā)生變化時(shí)，與其接觸的光纖Bragg光柵的有效折射率和有效柵距也會(huì)隨之改變，最終導(dǎo)致光纖Bragg光柵中心波長移位，其中，波長變化信號(hào)由光纖傳出，然后傳輸至信號(hào)處理器進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器夾件溫度的測量。當(dāng)變壓器夾件溫度變化時(shí)，將引起光纖Bragg光柵的中心波長發(fā)生移位，通過測量光柵中心波長的移位量，便可得到變壓器夾件的溫升情況。

圖2　傳感器結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖Fig 2　Structure of sensor and physical map

變壓器結(jié)構(gòu)件中，由于夾件正處在線圈軸向漏磁場和上部閥側(cè)引線橫聯(lián)銅排漏磁場最強(qiáng)處，它產(chǎn)生的磁場復(fù)雜和不規(guī)則性導(dǎo)致附加損耗在夾件中分布不均勻，這些集中在小面積上的損耗往往會(huì)引起結(jié)構(gòu)件中出現(xiàn)局部過熱，從而影響變壓器的安全運(yùn)行和使用壽命。對(duì)SFZ11—10000/ 35型35 kV變壓器進(jìn)行試驗(yàn)，變壓器的夾件件位于箱殼內(nèi)A相端部，用光纖Bragg光柵溫度傳感器來對(duì)變壓器夾件處的溫度測量。其現(xiàn)場安裝圖、安裝部位如圖3所示。

圖3　現(xiàn)場安裝照片F(xiàn)ig 3　Site installation pictures

在試驗(yàn)過程中，光纖探頭尺寸為長15mm、寬10mm、厚2 mm，總長約3 m，光纖傳輸線由內(nèi)部的光纖和外部的聚四氟乙烯材料制成的保護(hù)層，可方便放置于所需測量的位置。將傳感器安裝于低壓側(cè)變壓器漏磁最大處A—B相間頂部夾件處來測量，安裝時(shí)將探頭緊貼低壓出線頭，用膠帶粘牢。測量油箱頂部油溫時(shí)，把傳感器放置A—B相間立木上，在立木上頂端處，安裝時(shí)探頭根部用綁扎帶固定，探頭懸浮。當(dāng)該處的溫度發(fā)生改變時(shí)，與其接觸的光纖Bragg光柵的溫度隨著改變，導(dǎo)致光纖Bragg光柵中心波長變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)該處的溫度測量。

3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

試驗(yàn)主要分為幾種情況：在16：00時(shí)對(duì)變壓器升溫；18：36時(shí)開啟風(fēng)機(jī)對(duì)變壓器降溫；次日1：30降負(fù)荷至1倍功率；2：30測高壓側(cè)直流電阻；2：45斷電后再一次通電；3：45測低壓側(cè)直流電阻。

變壓器的最高溫度出現(xiàn)在變壓器油箱的上頂端處，而本次試驗(yàn)的變壓器漏磁產(chǎn)生最強(qiáng)處的位置處于變壓器油箱的上部與中部。圖4為油箱上頂端處的溫度與變壓器A—B相間頂部夾件的表面的溫度實(shí)時(shí)曲線圖。

圖4　油箱上頂端處及A—B相間頂部夾件的溫度實(shí)時(shí)曲線圖Fig 4　Real-time curve of temperature on top of oil tank and top of A—B

在16：00帶1.3倍額定功率開始升溫之前就已經(jīng)通電1 h，所以，A—B相間頂部夾件處溫度高于油溫高度2.7℃，開始升溫，該處的溫度立刻升高。由于變壓器帶1.3倍額定功率運(yùn)行變壓器內(nèi)部的油溫也隨之升高，A—B相間頂部夾件處的溫度遠(yuǎn)高于油箱上部的溫度且變化快。

在18：36時(shí)開風(fēng)機(jī)對(duì)變壓器油箱進(jìn)行冷卻，各點(diǎn)降溫都存在不同延時(shí)是因?yàn)殚_風(fēng)扇后，油在變壓器內(nèi)流動(dòng)相對(duì)緩慢，因此，開風(fēng)機(jī)后變壓器內(nèi)部油溫依舊上升，而散熱器中的油開始降溫，直到散熱器中低溫油流到變壓器底部，底層油溫才開始下降，中層和頂層則隨后依次開始下降。所以，有A—B相間頂部夾件處的溫度一會(huì)就下降，頂端油溫則經(jīng)過較長時(shí)間后才下降。

2：30測高壓側(cè)直流電阻即對(duì)變壓器進(jìn)行斷電操作，變壓器一斷電A—B相間頂部夾件處溫度立刻下降是因?yàn)樽儔浩鲾嚯姶丝趟⒉划a(chǎn)生漏磁，沒有漏磁就有沒有漏磁損耗，所以夾件處的溫度就會(huì)下降，變壓器頂層油溫緩慢的下降；2：45對(duì)變壓器恢復(fù)通電，變壓器一通電A—B相間頂部夾件處溫度立即上升而油箱頂端溫度先下降后才上升，說明變壓器通電產(chǎn)生漏磁，漏磁在該處產(chǎn)生了漏磁損耗，致使溫度立即上升，而油箱頂端溫度則是由于上次斷電后溫度低的油需要通過底部流向頂部再流向頂部的循環(huán)，所以頂部的油溫要先降低后在升高。這就說明A—B相間頂部夾件處發(fā)生了漏磁損耗在該處產(chǎn)生了溫度，導(dǎo)致了局部溫升現(xiàn)象。

從圖中可以看出變壓器通、斷電對(duì)A—B相間頂部夾件處的溫度影響很大，說明在變壓器A—B相間頂部夾件處產(chǎn)生漏磁并產(chǎn)生漏磁損耗，導(dǎo)致在該處產(chǎn)生了局部溫升的現(xiàn)象。所以，分析變壓器溫度的變化可以用來實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器漏磁的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

4　結(jié)論

本文通過對(duì)SFZ11—10000/35型35kV變壓器進(jìn)行溫度檢測試驗(yàn)，對(duì)變壓器升溫、開啟風(fēng)機(jī)對(duì)變壓器降溫、降負(fù)荷至1倍功率、測高壓側(cè)直流電阻、斷電后再一次通電、測低壓側(cè)直流電阻。根據(jù)變壓器在各個(gè)狀態(tài)下的溫度差，對(duì)變壓器上端部的油溫與A—B相間頂端部夾件處溫度進(jìn)行比較，分析得出高出的溫度部分是變壓器在A—B相間頂部夾件處產(chǎn)生的漏磁所致。可以通過對(duì)溫度的觀測來實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器漏磁的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

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FBG magnetic leakage thermal loss detection and temperature rising characteristics analysis of transformer*

PENG Qing-jun1，LIANG Shi-bin2，CHEN Xing-bi3，CHEN Xiao-yun1，TIAN Qing-sheng2，LI Chuan3
（1.Yunnan Power Grid Limited Liability Company Corporation EPRI，Kunming 650217，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute（Group）Co Ltd，Kunming 650051，China；3.Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）

Strength of magnetic leakage field of transformer increases with increasing of capacity transformer，greater the leakage magnetic field strength increases，the leakage loss caused by the transformer in the structure，resulting in low operating efficiency of the transformer，there by affecting the normal operation of 35kV transformer are tested，magnetic flux leakage generating produced at the top end of the temperatures are compared with the maximum temperature and the fuel tank.The results show that when the fan on the premises and the fuel tank at the top of the highest temperature difference is 8.7℃；when the load is reduced to 1 times the power，temperature difference is 2.9℃，their real-time temperature curve is coincidence with operation of transformer，results in phenomenon of local temperature rise.Situation of magnetic leakage reflected by temperature changes detected by fiber Bragg grating（FBG），real time on-line monitoring on magnetic leakage of transformer is realized.

transformer；magnetic leakage thermal loss；fiber Bragg grating（FBG）；temperature rise property

TP212

A

1000—9787（2016）06—0042—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0042—03

2015—10—14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51567013）

彭慶軍（1981-），男，山東臨沂人，博士后，高級(jí)工程師，主要從事電氣設(shè)備外絕緣的研究。