電力變壓器的溫度和過載監測

本文描述了該系統的硬件設置和監測原理，同時為了提高繞組中溫度分布的精確度而設計了一個熱力學模型。根據繞組的熱力學模型和在線監測的結果即可決定變壓器在何時可以過載且安全運行。

　　主題詞：電力變壓器，過熱點，工況監測，過載容量

　　I. 介紹

　　電網中變壓器的實際運行工況是影響供電穩定性的一個重要因素。如果我們給變壓器裝上一套在線監測系統，對變壓器的工況進行長期監測，既能保證變壓器的“健康”工作（即使過載期間也如此），同時也能指出變壓器運行的老化趨勢并提供早期的預警信息，從而及時對一些緩慢發展的事故進行修復以免導致變壓器的損壞。

　　變壓器是電力系統中單臺價值最高的設備。一些附屬設備的小故障都可能導致整臺變壓器的損壞。例如若冷卻器的控制單元中的參數選配不當，就有可能導致變壓器的效率降低，或加快油紙絕緣的老化。我們提供的與熱力學模型及冷卻單元相連的熱分布監測系統可指導變壓器在適當的時候過載運行，并計算出最大允許過載容量，從而明顯地降低實際運行中變壓器過載運行的風險。

　　一臺變壓器通常由下列幾個獨立部件組成，他們是作變壓的繞組、作導磁用的鐵芯。還有一些設備如套管、調壓開關、冷卻器等。

　　統計得出每一個部件引起變壓器故障的可能性是個變量。因此監測有價值和容易出故障的部件是非常有效的。而繞組在變壓器中是最有價值的部件，因此該系統應能測量出變壓器繞組內部的數據，以便我們分析和了解繞組內部的狀態，從而延長變壓器的運行壽命，并增加運行的可靠性。

　　II. 變壓器監測系統

　　1997年，我們首先在兩臺變壓器上安裝了監測系統。該系統充分考慮了1997年之前的監測經驗[1]，并在隨后三年多的運行中，對監測系統不斷地加以改造和完善，使之成為今天的一種全新概念上的監測系統。

　　該系統的數據采集單元是以由西門子開發的可編程控制器（SIMATIC）為基礎的。

　　對冷卻系統的監測通常是通過測量其冷卻器在出入口處油和空氣等介質的溫度而完成。通過對這些測量值進行估算，就能發現冷卻器表面或空氣入口處的濾網上是否有污物。同樣的原理也能發現油泵的風扇故障。另外我們還測量高壓套管上電流、電壓值和調壓開關分接點的實際位置。通過這些參數我們很容易確定變壓器的實際負荷。通過計算氣體傳感器的輸出信號就能確定絕緣材料的工況，同時所有油泵和風扇的工作狀態也能通過開關量形成的數字信號得到。

　　為了避免計算機過分接近電力變壓器而受到電磁干擾，通常我們把數據采集裝置安裝在變壓器的控制箱中，而將計算機放入主控室內對所有采集的數據進行存儲和分析，兩者之間用光纖連接。光纖的長度可達幾百米，從而實現數據采集裝置與計算機之間電的隔離。用此方式即使變壓器移走也無需拆卸數據采集單元，而計算機硬件更換也更加容易，因為計算機內沒有任何附加設備。

　　圖1 變壓器監測系統圖

　　用廣泛用于工業自動化系統的器件來組裝該系統比用特殊的變壓器監測用的硬件有幾個優點：

　　1.這些元件按工業化標準生產，在世界各地隨處可見，因此很長時間內備件很容易獲得。

　　2.自動化系統本身在不斷地發展，隨著元器件功能的改善，將來可制造更好的監測系統。例如只要增加一個模塊，原監測系統的功能就能得到擴展，而且一套監測系統可同時監測多臺變壓器（像變壓器組）。

　　該系統的數值計算分為兩步。若數據采集系統的中心單元從所采集的數據中裝置鑒別出極限值，即一個采集的數據超出定義極限值，數據采集系統的中心單元將發出報警信號，同時將報警信號傳給計算機，該計算機則通過設定的數據通道向更高一級的計算機發出信號。所有實測數據都不斷傳輸給變電站計算中心作進一步計算，并構成一個時間與實測值的平面坐標系統。而坐標系統的時間則以實測數據進入設定的數據庫的時間為準。因此對程序而言，最重要的一點是能夠長時間穩定運行。

　　另一個監測功能則由繞組熱力學模型構成。根據IEC354標準，該模型決定了繞組中導體溫度的分布。該溫度分布取決于環境溫度、負荷情況及進入繞組的油溫等。假如我們作一次過載仿真，對上述參數的數值可以取實測值，也可以取虛擬值。將取值輸入熱力學模型中進行計算，我們就得到象過熱點溫度和中間導體的溫度等參數。在存儲如此大量的數據時，有必要不時對這些數據做一備份，該備份可通過一個與維護系統相連的調制解調器來實現。若不用調制解調器，將數據線直接與變電站控制系統相連也很方便。變電站控制系統得到變壓器實際工況的信息對整個電網的安全運行是大有卑益的。

　　III. 新型熱力學模型的發展

　　在估算油紙絕緣材料的老化程度時，一個非常重要的基本要求是對線圈內部導體溫度的準確把握。我們為一強油導向的變壓器繞組設計的熱力學模型在一臺 110kV300MVA的變壓器上得到驗證。為了得到最高的精確度，還要考慮很多的入口參數。

　　在監測系統中直接測量導體溫度是很困難、也是很昂貴的。因此有必要用簡單易行的方法來確定導體溫度值。即通過測量油和空氣溫度，變壓器負荷和每一個冷卻器的狀態等的測量值來確定導體溫度。

　　標準的算法（如IEC354[2]）是針對大范圍內不同幾何形狀和不同技術的變壓器都有效的算法。達此目的的唯一途徑是將算法最簡化。而簡化的算法就不可避免地忽略掉許多重要的因素。例如，沿線繞組軸向導體電阻的增加對溫度的影響，用一個系數來考慮導體內渦流產生的附加損耗，從繞組底部到頂部的線圈溫升與油溫的升高方式一樣，導體和油之間的溫差保持不變等。

　　不同的熱力學模型指出要想使模型的精確度有所提高，則決定該算法所需的參數的數量和計算所需時間會急劇增加。一個精確的模型通常只對特定的幾何形狀的繞組和冷卻方式有效，因此首先要定義你想達到的精度和所能利用的資源。

　　A.固體絕緣系統的熱力線網絡

　　繞組內部的固體絕緣系統可用一個熱力線網絡來描述。其分析方法與電網的分析方法類似。熱源表示導體內產生的損耗，與電網中的電流源類似。熱阻與電阻類似，在計算熱阻時不僅要考慮相鄰導體間熱阻，也要考慮導體對周圍油流的阻力，同時還要考慮不同材料對熱阻的影響。通常情況下這些材料為：