變壓器測溫裝置的故障分析及可靠性研究

胡光偉 李東南

（國網遂寧供電公司，四川遂寧629000）

0 引言

變壓器的使用壽命和運行時的溫度有極大的關系。為了監視變壓器的溫度，并保證變壓器運行時的溫度處于安全區域內，就需要使用各類測溫裝置來監視變壓器的運行溫度，控制變壓器冷卻系統，并發出報警、跳閘信號，以及遠傳信號到監控后臺。

由此我們可以看出，變壓器測溫系統的可靠性對電力變壓器的安全運行、使用壽命有著重要的影響。同時，變壓器測溫裝置損壞后，往往需要等待變壓器停電后才能更換或維修，在實際工作中非常不方便。因此如果能將變壓器測溫系統的故障降低到最少、將故障范圍控制到最小、盡量使故障可以帶電處理，必然可對變壓器的安全運行產生有利影響。

本文對不同類型的變壓器測溫系統進行了故障統計，對其可靠性進行了分析，并提出了合理的變壓器測溫系統配置方式。

1 變壓器測溫系統的常見構成

根據測溫系統的構成區別，可以將其分為兩種類型。

1.1 集中式測溫系統

集中式測溫系統，以機電一體化溫控器為核心。該溫控器內部集成了溫度顯示、微動開關、遠傳信號、繞組溫升回路甚至多抽頭電流互感器、直流電源模塊等。利用一臺溫控器即可完成測溫功能。市場上常見的美國AKM、德國Betech、國產BWY（BWR）系列溫控器以及Messko公司生產的Compact系列溫控器，均為機電一體化溫控器。集中式測溫系統安裝、接線較為簡單，結構如圖1所示。

圖1 集中式測溫系統結構示意圖

1.2 模塊式測溫系統

模塊式測溫系統，是指整個測溫系統由表頭、傳感器、信號轉換器、直流電源等多個部分構成。溫度表表頭的功能包括就地顯示、冷卻器控制、告警跳閘信號；遠傳信號、繞組溫升回路等由安裝在變壓器頂部的傳感器實現。

主流的模塊化溫控器包括Messko生產的Trsay2系列、國產BWY2（BWR2）系列。

模塊化溫控器安裝、接線、調試相對較復雜，但它的優點在于其中一個元件損壞，不會影響另一個元件的使用，整套設備的維護成本較低。其結構如圖2所示。

圖2 模塊式測溫系統結構示意圖

此外，這兩類測溫系統中還包括有直流電源模塊、數顯表等各類輔助裝置，此處就不一一贅述了。

2 常見變壓器測溫系統故障類型

變壓器溫控器長期工作在高低溫、潮濕、雨雪、腐蝕性氣候等惡劣環境下，在使用過程中難免因年久失修而發生損壞。其主要故障包括如下類型：

（1）機械故障。變壓器溫控器的溫度計機械回路故障，會造成就地指示不準確。一般來說，如果溫度計發生機械故障（如測溫元件損壞、毛細管破裂等），會造成溫度計不可修復性的損壞。從實際運行中的經驗看，無論是國產溫度計還是進口溫度計，即使在惡劣環境中運行了5～10年時間，都基本能夠保證就地指示的準確性。這種故障一般發生在拆裝過程中，實際運行中發生這種故障的概率是比較小的（統計數據請參考表1）。

（2）遠方模塊/裝置故障。測溫系統中的遠傳模塊/裝置（比如機電一體化溫度計內置的模擬量輸出模塊、信號傳感器、溫度信號變送器等）基本上都是由電子元件構成的，因此故障的概率較大。主要故障包括以下類型：

1）遠傳模塊/裝置準確度下降。由于電子元件的老化、輸入電壓波動、溫度變化等原因，遠傳模塊/裝置會產生溫漂和時漂。其故障現象就是輸出信號偏差大，造成遠方、就地信號不一致的現象。

2）遠傳模塊/裝置損壞。由于過壓、雷擊、進水、外力破壞或壽命原因，遠傳模塊/裝置會發生損壞。其故障現象就是輸出值嚴重偏離正常值（比如輸出為0或巨大的數值）。

以上兩種故障類型屬于溫控器的故障，此外還有下面三種類型的其他故障：

（3）輔助裝置故障。測溫系統中常用到的24 V直流電源模塊、數顯表等輔助裝置，也有較高的故障概率（統計數據請參考表1），這些輔助裝置出現問題，也會造成遠傳信號不準、遠傳信號消失等故障。

（4）遠傳回路接線問題。遠傳回路接線錯誤（比如4～20 mA信號回路錯誤、PT100信號接線錯誤），也會造成測溫系統無法正常工作。當然，新投運的系統的二次回路在投運前是經過多次核實的，一般來說不存在此類問題，此類問題多出現在后期維護更換設備時。

（5）監控后臺配置問題。監控后臺的采集單元故障或者后臺中的參數設定（如量程設置）錯誤，也會造成測溫系統的數據出現錯誤。這類問題也多出現在后期更換設備時，為未能慎重核實新舊儀器的量程是否一致所導致。

3 各類故障的統計與分析

3.1 測溫系統各類故障統計

筆者統計了300余臺變壓器溫控器的運行情況，有記錄的關于變壓器溫控器的缺陷共計51次，其分布如表1、表2所示。

表1 變壓器測溫系統各類故障統計

表2 各類故障的比例

3.2 故障類型及原因分析

由表1可以看出，集中式測溫系統和模塊式測溫系統的故障率比較接近，均為15%左右。集中式測溫系統中溫控器的故障率較高。溫度計機械系統故障概率很低，為2%左右。溫度計的遠傳模塊故障概率較高，尤其是集中式系統中的溫度信號變送器模塊。我們進一步研究發現，發生故障的幾乎都是4～20 mA輸出的遠傳模塊。采用PT100輸出的遠傳模塊故障概率很低。電源模塊、信號轉換器等輔助設備的故障率較高。二次回路問題、監控系統設置錯誤引起的測溫系統故障概率很低。

由表2可以進一步看出，測溫系統遠傳部分（一體化溫度計中的4～20 mA遠傳模塊和模塊化測溫系統中的信號傳感器）的故障和輔助設備（電源模塊，信號轉換器等）的故障，占到了所有故障的80%左右。

究其原因，是因為系統中的遠傳模塊和輔助設備均為電子設備，高溫、低溫、潮濕、雷擊、過壓等惡劣的運行環境會嚴重影響到這類設備的可靠性，同時電子元件自身的壽命因素也造成這類設備無法像機械元件一樣長期穩定可靠地運行。

根據以上分析，我們可以得出如下結論：

（1）溫度計機械部分的可靠性和壽命都很高；

（2）PT100遠傳模塊可靠性和壽命都很高；

（3）測溫系統的故障大部分發生在遠傳模塊或者和遠傳模塊相關的外部回路及其配件上；

（4）模塊化測溫系統的故障，大多數可以在變壓器帶電的情況下得到處理，且可只更換損壞部分，可維護性高，維護成本較低；

（5）集中式測溫系統中的溫度計發生故障時，大多數情況需要停電維修，且需要整體更換，可維護性低，維護成本高。

4 建議的變壓器測溫系統配置方式

4.1 建議的測溫配置方案

經以上分析，我們提出了下面的測溫系統配置方案，以增加變壓器測溫系統的可用率、可維護性，并有利于降低維護成本。方案如圖3所示。

圖3 建議的變壓器測溫系統方案

（1）采用模塊化測溫系統作為變壓器測溫方案，系統分為溫度計、復合溫度傳感器、信號轉換器三部分；

（2）采用高品質溫度計，用于就地顯示變壓器溫度以及控制冷卻器、提供告警/跳閘信號等；

（3）復合溫度傳感器為一個內有盲孔的溫度傳感器，安裝在變壓器頂部，可以作為溫度計座插入溫度計探頭，同時也可以輸出PT100信號；

（4）信號轉換器安裝在主變本體端子箱內，用于將PT100信號轉換為4～20 mA信號，供監控后臺使用。

4.2 本方案的優點

這種模塊化的測溫系統中溫度計和PT100傳感器可靠性很高，遠傳二次回路一旦整改完成，故障概率也很低。系統中較脆弱的部分在于PT100/4～20 mA信號轉換器，這個元件安裝在本體端子箱中，價格便宜且無需停電更換。

通過這個改造，我們在保證了信號傳輸準確性的同時，還將系統的風險降到了最低，能夠實現帶電維修，并且減少了維修的工作量和成本。

總的來說，這個方案具有以下優點：（1）可靠性高；

（2）大多數情況下可實現帶電維修；（3）維修工作量??；（4）維修成本低；

（5）備件易于采購，且節省備品備件的采購成本（多準備一些信號轉換器就可以，溫度計、溫度傳感器可適量采購）。

4.3 其他建議

（1）為保證系統的可靠性，降低日后的維護成本，建議均采用進口設備進行此改造工作。

（2）建議更換運行10年以上的一體化溫度計，避免由于遠傳模塊的故障造成整個測溫系統故障。

（3）具體的實施過程，可根據現場的實際情況靈活采用不同的方案，以實現系統功能和施工難度、施工質量的平衡。

5 結語

變壓器測溫設備是變壓器的重要監控附件，對保障變壓器的可靠運行有著重要的意義。本文提出的配置方案，可提高變壓器測溫系統的可靠性和可維護性，同時有效降低變壓器測溫系統的維護成本，為變電站的運維人員對于此類設備的維護、改造提供了一種參考方案。