变压器绕组测温解决方案

一、 大型变压器测温必要性

电力变压器是电力系统中重要的电气设备之一，其运行状况对电力系统安全可靠运行关系极大。据相关资料统计，1990－1999年间110kV及以上变压器的平均事故率约为0.69%。其中因绕组超温运行，导致绝缘老化，变压器绕组击穿、烧毁事故占有相当大比例。对于油浸式变压器，其寿命实际主要是固体绝缘（纤维纸）的寿命。促使绝缘老化的主要因素是温度、水分和氧气，其中在变压器带负载时，热效应的作用最为突出。可以说热效应是变压器老化的决定性因素。也就是说变压器绕组绝缘的热老化速度与绕组的热点温度有关。如图1所示，变压器的绝缘老化寿命随变压器绕组热点温度升高呈指数关系衰减。

按GB1094电力变压器标准设计的油浸式电力变压器，GB/T15164―94《油浸式电力变压器负载导则》规定其热点温度基准值是98℃，即在此温度下绝缘的相对老化率为1。在80～140℃范围内，温度每增加6K，老化率就增加一倍（所谓的6K法则）。油浸式变压器的相对热老化率和温度的关系列于表一中，由表一可以清楚看出，变压器在140℃下运行1ｈ，其老化量相当于在98℃下运行128ｈ，可见适当降低绕组的运行温度和控制绕组最热点温度不超过允许温度，对延长绕组绝缘物的使用寿命极为重要。

                                             表1  油浸式变压器相对老化率和热点温度的关系

对于大型的、冷却系统采用强油循环的油浸电力变压器，油的时间常数约为1～2h，而绕组的时间常数很小，只有约5～10min，两者差别较大。所以由于热传导过程影响，目前所采用检测油顶层温度来推断绕组温度以作为变压器运行工况的判据的方法，存在不准确、不及时、不直观的弱点。因此，有必要采用新的办法来对运行中电力变压器绕组温度进行监测，及时反映出绕组的工作温度。

二、 常规绕组温度测量工作原理

变压器绕组本身是一个带电体，直接测量绕组温度在绝缘处理上具有较大难度，特别是电压等级较高的绕组，虽可以采用光纤技术也能实现，但成本较高。所以我们常见到的绕组温度计实际上是一个通过将变压器顶部油温和工作电流综合后，得到可以反应绕组温度的一个模拟值，而并非是绕组实际温度的测量值。其工作原理为：

见图1，它主要是在一个油温表的基础上，配备一台电流匹配器和一个电热元件。 温度表的传感器――温包插在变压器油箱顶部的油孔内，当变压器负荷为零时，绕组温度计的读数为变压器油箱顶层油面的温度。当变压器带上负荷后，通过变压器电流互感器取出的与负荷成正比的电流，经电流匹配器调整后流经嵌装在波纹管内的电热元件，电热元件产生热量，使波纹管内的气体进一步膨胀，表计弹性元件的位移量增大。因此，在变压器带上负荷后，弹性元件的位移量是由变压器顶层油温和变压器的负荷电流两者所决定。变压器绕组温度计指示的温度是变压器顶层油温与线圈对油的温升之和。

在整套测量装置中，电热元件是核心部件，因为它的发热特性能否 “真实地”反映变压器绕组的发热特性，将直接影响到测量结果。为此，需在变压器做温升试验时，测量变压器绕组的温升，从而对流经发热元件的电流通过电流匹配器进行调节，使得电热元件的发热特性与变压器绕组对油的温升特性更为接近。使得温度计的值更能准确地反映变压器绕组的温度。

三、 光纤绕组测温原理

确定绕组热点温度的方法可分为直接测量法、热模拟测量法和间接计算法三种。直接测量法是在绕组中埋设传感器，由光纤传播信号在高电压、高磁场条件下实现在线、实时地准确测量绕组的热点温度，是未来变压器温升试验热点测量的首选方法。

以我公司荧光光纤温度传感器为例，该变压器绕组热点光纤温控器是通过测量荧光体单独的固有参数（衰减时间）而确定的，不会因为光纤的物理变化而改变， 所以该系统是一个无需校验的系统。荧光物质传感器直接附于光纤探头末端。该探头采用经过验证与油浸高压电力变压器长期兼容，且具有优良电气性能的材料制成。20 世纪80 年代起，该技术就已经运用于电力变压器（多年来，广泛被世界各地大变压器厂商作为工业标准所接受）。在温升试验期间仅需安装光纤探头（使用工厂现有的工具），由光纤探头测量的数据即可知道绕组最热点的实际温度而且操作简单。该系统具有4～8 个有独立输出和显示的测量通道， 采用的温度传感器由一种稳定的耐高温的荧光材料制成, 直接置于光导纤维一端。其原理是当LED 光源发出的光脉冲通过光纤送到与绕组接触的温度传感器时, 该脉冲激励传感器的荧光材料,使其产生波长较长的荧光,根据返回荧光的衰减时间测出该传感器的温度, 然后通过处理,显示出温度值和有关系统参数,并同时将温度信息传输到控制室。该系统可在变压器处于峰值负载和紧急超铭牌容量运行时提供精确的绕组温度, 并可使变压器根据测出的绕组实际温度及时调整负载。

电力变压器温度监测：

Ø  绕组温度

Ø  铁芯温度

Ø  油面温度

四、 我公司变压器荧光光纤温控技术产品优点

我公司变压器荧光光纤温控技术产品特点和应用

n  可以在线直接、准确的监测变压器绕组、铁芯和油面温度

n  实时反映被监测对象的温度变化，及时有效调控负载

n  长期记录被监测对象的温度变化，建立温度档案，实现事前管理

n  安装方便，不受电磁干扰影响

(一) 通过实时冷却控制保护变压器并延长使用寿命

当变压器负载超过铭牌的额定值时，无论是持续还是短时运行，线圈温度的升高会使绝缘老化，从而降低变压器使用寿命。和其光电荧光光纤测温产品可以实时地测量线圈温度。通过连接温控仪模拟或RS-232输出到变压器冷却设备，变压器线圈温度就可以保持在安全值以下。

很多变压器都经过短时负载，仅持续几个小时。即使时间很短，也会发生绝缘老化和降低变压器寿命，并积累每次的损失。传统的线圈温度指示计最大的弱点，除了它的低准确度以外，是它的数个小时的滞后。这是由于读数必须基于顶油温度的测量。因而，可能发生暂态的过载而线圈温度指示计却从未感觉到。当同冷却设备相连时，温控器迅速的反应时间可以立刻启动冷却系统。

如果负载很大，变压器冷却系统没有能力使线圈温度保持安全值以下，温控器的其他继电器可以探测出高的温度，使得控制系统发出警报，甚至使变压器跳闸。

(二) 增加变压器负载，达到最大安全限度

由于线圈温度测量基于顶层油温测量相对不准确，变压器负载必须保守，以确保线圈温度低于安全值。一些电力公司，使用了和其光电的荧光光纤测温系统后，可以通过知道准确地线圈温度而提高大约10%的负载。和其光电荧光光纤测温产品温控器提供了模拟输出和一系列数字接口（RS-232），用以连接SCADA系统或其他数据系统。

五、 变压器光纤绕组测温国内使用情况

     在国外，变压器绕组测温已经有30多年的运行历史。早在20世纪80年代起，荧光光纤温度传感探头与油浸高压电力变压器长兼容，该技术就已经运用于电力变压器。2011年的IEC标准要求220kV以上变压器强制要求安装光纤测温，并规定了测温点数量。  

国内，出口国外的大型变压器要求绕组光纤测温，国内部分智能变电站建设变压器绕组用光纤测温，GB/T 1094.7-2008《电力变压器 第7部分: 油浸式电力变压器负载导则》，8.1.3明确规定：采用光纤传感器直接测量热点温升，从更本上增大了获取电力变压器正确热模型的可能。

六、勤智电气产品典型案例

（1）沈阳到丹东高铁牵引变电220kV所牵引变压器中应用

2）西变500kV 油浸式变压器中应用

 

七、 产品系统组成

一套完整的用于油浸变压器的ThermAgile设备应包括：

1. ThermAgile温控器仪器（6-16通道）

2. 荧光光纤探头

3. 油箱壁贯通器

4. 油箱壁结合板

5. 多合一外部延伸光纤

6.可选择的油箱壁防护罩

八、 ThermAgile系统特征

(一) 可靠性

n  通道数：6-16

n  寿命等于变压器使用寿命

n  固态液晶显示光源寿命等于变压器寿命

n  无需校正

(二) 电源

n  通用的直流或交流电源：

n  输入电源：24 VDC或220 VAC

n  瓦特数：108Ｗ（最大）

(三) 温度

n  运行环境温度 -30至＋70℃

n  储存温度：-30至＋75℃

n  80%相对湿度，不凝固

(四) 性能

n  测量范围 ：－30至250℃

n  精度： ±1℃

(五) 通信

n  模拟输出：4-20mA

(六) 数字通讯

n  Modbus，IEC61850

n  RS232、RS485、USB

(七) 光纤长度

n  1-20m

(八) 探头直径

n  Φ2.3mm

(九) 使用寿命

勤智电气的荧光光纤探头在热变压器油内变压器寿命期间常年使用。ThermAgile电子元件可以耐受此环境下的温度、湿度、电磁感应冲击和噪音冲击。LED测量光源的使用寿命可以达到ThermAgile温控器的使用寿命。

(十) 探针设计

勤智电气开发了自有知识产权的使用简单的温度传感器、油箱壁贯通器、油箱壁结合板、外部延伸光纤和防护罩。加强型光纤探头和延伸光纤避免了光纤折断，因此降低了安装成本。

ThermAgile探头长度由几个不同标准长度，也可以特殊预定以适合于不同的变压器设计和尺寸。光纤探头可以直接绑到导线上或放置在两个导线之间的垫块内。

探针从传感器的那点引出到油箱壁贯通器的一侧。油密封的贯通器设计可根据客户具体需求定制。配有国际标准的管螺纹器，可以通过一个合适的螺纹孔从油箱外部安装。一个碳钢安装板，上面带有4或８个预先钻好的螺纹孔可以接受4或８个油箱贯通器，可以焊到或用螺杆固定到箱壁上。外部延伸光纤连到箱壁贯通器的另一侧并接到ThermAgile温控器上。可以根据需要提供特殊长度的光纤。

硬件的设计同样适用于简单的和价格经济的传感器安装。ThermAgile电子装置的自检功能可以在安装过程中进行探头和光纤的检查。

九、 光纤温控器的安装

（一）光纤探头安装

(二) 内部光纤走线

(三) 转接板及法兰安装