（电力系统及其自动化专业论文）牵引变压器电寿命在线监测及其在psmis中的实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t t r a c t i o nt r a n s f o r n 2 e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te l e c t r i c a l e q u i p m e n t si n t r a c t i o ns u b s t a t i o n t h es t a t u so ft r a c t i o nt r a n s f o r m e r sd i r e c t l yi n f l u e n c e st r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m ss t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y s o t h eo n - l i n em o n i t o r i n go f t r a n s f o f n l e r se l e c t r i c a ll i f ei sg r e a ts i g n i f i c a n tf o ri t sc o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e n l et r a n s f o r m e r ss t l a l c t u r e 1 0 s s e sa n dt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ee l e c t r i c a l l i r eo ft r a n s f o r r n e ra _ r ed i s c u s s c d n l et h i n em e t h o d s ，d i r e c t l ym e a s u r i n gm e t h o d ， t h e r m a lm o d e lm e t h o da n di n d i r e c t l yc a l c u l a t i n gm e t h o d ，t oa c q u i r et r a n s f o r m e r s w i n d i n gh o t - s p o tt e m p e r a t u r ea l ec o m p a r e d ，a n d t h ei n d i r e c t l yc a l c u l a t i n gm e t h o d i ss e e m e dt ob em o r ef i t t e r 1 1 1 ep a p e rd e m o n s t r a t e st w o c a l c u l a t i n gm e t l l o d o n ej s t h em e t l l o dr e c o m m e n d e db yi e c 3 5 4 。a n dt h eo t h e ri st h em e t h o dr e c o m m e n d e d b yi e e es t d c 5 7 9 1 t h e r ea r et w os h o r t a g e si ni e c 3 5 4a n di e e es t d c 5 7 9 1 f i r s t t h e yd on o tc o n s i d e rt h ea f f e c t i o no ft r a n s f o r m e r so i la n dw i n d i n gl o s s c s c h a n g ec a u s e db yt e m p e r a t u r e s e c o n d ，t h e yd on o tc o n s i d e rt e m p e r a t u r ed e l a y c a u s e db yt h et r a n s f o r m e r si n t e r n a ls t r u c t l l r e ，w h i c h a d p e a r sw h e nt h e i o a d c h a n g e d n 圮m e t h o dp r o p o s e db y l i n d e nwp i e r c ei sa d o p t e di nt h es i m u l a t i o n b e c a u s ei tc o n q u e r st h ef o r w a r dt w o s h o r t a g c s n l em e t h o dg i v e nb yl i n d e nw ：p i e r c ei su s e da st h es i r e u l a t i o nm o d e l i nt h e p a p e r 办ea f f e c t i o no ft r a n s f o r m e r so i la n dw i n d i n gl o s s e sc h a n g ec a u s e db y t e m p e r a t u r ei sa n a l y z e d n l ep a p e rc o m p a r e st h el i n d e nw p i e r c e sm e t h o da n d i e c 3 5 4 sm e t h o di nt w oc o n d i t i o n s l o a di n c r e a s ea n dd e c r e a s e t h ed i f f e f e n c eo f t h ev a l u e so fs t e a d ya n dt r a n s i e n th o t - s p o tt e m p e r a t u r e sc a l c u l a t e db yt h et w o m e t h o d sa n di t sr e a s o ni sa n a l y z e dt 0 0 t h ei m p l e m e n to fm o n i t o r i n go ft r a n s f o r m e r s , e l e c t r i c a l i f ei np s m i si s d e s c r i b e di nd e t a i l n 托i m p l e m e n ti sc o m p l e m e n t e du s i n gt h r e e t i e df r a m e w o r ko f d e l p h im i d a s 3 0 k e yw o r d s t r a c t i o nt r a n s f o r m e r , e l e c t r i c a l l i f e , h o t - s p o tt e m p e r a t u r e o i l v i s c o s i t y , w i n d i n gl o s s e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1 电力设备检修模式的回顾 电力设备检修的方法，从2 0 世纪初开始经历了一个不科学到较科学的发 展阶段。从开始的事故检修到预防检修，再到预知检修和状态检修，逐步科 学规范。 2 0 世纪初，电力设各总是在出现故障了以后才停机修理，这是一种坏了 才修，不坏不修的检修方式，后来人们称之为“事故检修”( b r e a k d o w n m a i n t e n a n c e ) 。逐渐发展到了“预防检修”( p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ) ，也称为 定期检修，就是为了减少设备损坏，预防设备故障，事先拟定出定期检修的 计划，到了计划规定的检修周期，必须对设备进行检修。1 9 5 4 年，美国g e 公司提出了所谓的“预知检修”( p r e d i c t i v em a i n t e n a n c e ) 的思想，它强调以设 备状态为基准进行检修，后来这种思想被称为“状态检修”( c o n d i t i o n b a s e d m a i n t e n a n c e ) ，这种方式是通过各种手段对正在运行中的设备的参数进行检测 和诊断，根据诊断的结果有针对性地进行检修”l 。 1 1 2 我国电力设备检修现状 通过对牵引变电所的实地考察，可知目前在铁路上大部分设备检修方法 采用的是事故检修和定期检修，现在正在向状态检修方向发展。 就全国范围来看，对变压器的检修，主要都是以预防为主，计划检修和 诊断检修相结合，并辅以针对性地临修的检修模式。 检修周期是根据大量的运行检修经验总结出来的，运行检修人员只能凭 借统一的运行检修经验安排检修计划，并未按每台设备的具体工作状态来科 学地确定检修周期。 就变压器而言，检修的方法分为大修、小修和临时检修口l 。一般在投入 运行5 年内和以后每间隔l o 年对变压器大修一次，大修要对变压器进行解体： 小修一般每年一次，处理缺陷，检修冷却装置、测温装置和调压装置等变压 器的附属设备；临时检修参照运行中发现的缺陷和异常事故，出口短路的次 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 数和情况，还要考虑负载、温度和附属装置的运行情况，来确定是否需要临 时检修。 1 2 本课题的研究意义 众所周知，变电所的维护费用大部分花在设备的检修上。对变压器的检 修一般采取小修、大修和临时性检修。小修是属于正常的维护：而大修则需 要对设备完全解体；临时性检修没有固定的时间周期。 大修解体既费时，费用也很高，而且解体和重装会引起很多缺陷，可能 还会由此产生事故。在计划检修中，经常会发生许多部件在运行很多年后更 新时仍然性能照好，如此就很浪费人力和财力：而由于没有发现某部件的缺 陷而导致电力运行事故的情况也时有发生，造成不必要的经济损失。另外由 于停电解体检修也使电力系统被迫改变运行方式，可能导致系统稳定性下降 等诸多问题。由此，迫切需要对设备运行状态进行在线监测，根据这些数据 对电力设备的运行情况做出诊断。 通过在线监测得到变压器的运行数据，实时计算和判断变压器的寿命。 为变压器的检修、维护和更换提供依据，从而减少过早或不必要的停电试验 和检修，做到该修就修，不该修则不修，这对提高铁路供电系统的可靠性、 稳定性和经济性有积极的意义。 1 3 国内外研究现状 寿命监测是在线监测的一个重要部分，它表征了电力设备的绝缘损伤程 度，同时也是设备维修和判断设备更换期限的一个重要依据。 大量的研究表明设备的寿命监测是一个复杂的问题，寿命监测是根据某 些表明寿命损失的变量的值，利用寿命判断理论计算寿命的损失。过去的理 论计算值与实际测量数据差异明显，造成这种情况的原因主要是计算模型不 够精确或者计算理论不够完善，从而导致了寿命计算与实测值相差甚远。 就变压器的寿命计算而言，变压器绝缘寿命与变压器绕组最热点的温度 相关，过去的研究结论是在假定变压器油箱中油的粘度和外部环境温度为常 数的情况下得到的，然而实际的问题是，变压器油的粘度随温度的变化而变 化对变压器绕组散热有影响，外部环境温度的变化对绕组最热点温度也产生 影响。以往的这些寿命计算方法是不太精确的。因此有必要采用精确的方法 来确定变压器的绕组最热点温度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 4 本课题的研究内容 本文主要针对牵引变电所中的变压器和断路器的寿命进行研究。只讨论 油浸式变压器的寿命，对其他类型的变压器和如干式变压器等不予讨论。本 文主要内容是：总结了过去的寿命计算方法，并在此基础上综合过去未曾涉 及的影响寿命的因素，指出已有计算方法的不足之处，提出采用新的计算方 法，使得计算的结果更加准确；同时考虑到牵引负荷和牵引变电所接线的特 殊性，对牵引变电所使用的变压器的寿命计算方法进行了一些修正。最后用 可视化编程语言实现变压器的在线寿命计算。 本文的工作重点是： 1 。对传统的变压器绕组最热点温度的计算方法进行评价； 2 讨论1 e c 3 5 4 t m 和i e e e ns t d c 5 7 9 1 这两个标准的不足之处，建议采 用l i n d e nwp i e r c e 提出的温度计算方法f 5 】： 3 对采用的计算方法进行了数字仿真。对负载变化情况下的暂态温度和 各种负载情况下的稳态温度，比较计算值与传统的i e c 3 5 4 标准的计算值 的差异，分析产生这些差异的原因。 4 根据变压器冷却方式的不同，分别对变压器油粘度和绕组损耗随温度 变化对绕组最热点温度产生的影响进行了分析； 5 在牵引供电运营管理信息系统提供的平台下，实现变压器寿命的实时 计算。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章变压器寿命理论 2 1 变压器的结构和发热 2 1 1 变压器结构 变压器主要由铁心、绕组、油箱和绝缘套管等部件组成。铁心和绕组是 变压器进行电磁感应的基本部分，铁心和绕组合称为器身。油箱起机械支撑、 冷却散热和保护的作用。变压器油起冷却和绝缘的作用。套管主要起绝缘的 作用f 卅。 变压器的结构设计综合各种影响热量散发的因素。热量可以直接从铁心 传递到变压器油中，而绕组中的热量必须经过绕组外层的绝缘物质才能传递 到交压器油中。变压器散热的效率与变压器油的导热性能和外表面积的大小 成正比，与绕组表面绝缘层的厚度成反比。油箱的结构影响变压器向外部散 热的能力。铁心和绕组的垂直位置也会影响热量散发到变压器油中的效率。 高温时，变压器油会发生氧化，在绕组绝缘物质的表面产生油渣( 氧化物) ， 油渣的出现会降低绕组散热的速度，并使绕组的温度升高。用过滤器可以减 少油渣的数量，降低油的高温氧化对热量散发的影响。 2 1 1 1 铁心 铁心是变压器的磁路部分。为了提高磁路的磁导率和降低铁心内的涡流 损耗，铁心通常是用厚度为o ，3 5 m m 、表面涂有绝缘漆的含硅量较高的硅钢片 制成。铁心分为铁轭和铁心柱两部分，铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接 起来，使之成为闭合回路。 为了使绕组便于卷q 造、在电磁力的作用下受力均匀，同时保证其机械性 能良好一般将绕组做成圆形。为了充分利用绕组内的圆形空间，铁心柱一 般做成阶梯形的多边形。在大容量的变压器中，为了改善铁心的冷却条件， 通常在铁心柱中开设油道，以利于散热。 2 1 1 2 绕组 绕组是变压器的电路部分，一般用绝缘纸包的铜线或铝线绕成。变压器 的低压绕组和高压绕组是分别由一个和多个线圈组成的。线圈是构成绕组的 零部件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 1 1 3 冷却装置 过去般采用增加油箱表面的面积，不增加油箱容积的方法来提高变压 器的散热能力。现在一般采用安装散热管的方法提高散热能力。由于空气流 动的原因，散热管之间的距离越大散热能力越强。散热管的外表面积越大散 热能力也就越强。当变压器的容量很大时，用油泵强行将变压器中的油抽到 变压器外的冷却器中冷却后再送入变压器。 2 1 1 4 储油装置 由于变压器油是从石油中提炼出来的矿物油。它即起到冷却的作用，又 加强了绝缘，因此要求介电强度高、粘度低、发火点高、酸碱度低、灰尘等 杂物及水分少。即使含有少量的水分，变压器油的绝缘强度也大为降低。所 以要求变压器油不与外界接触要密封。但是，当变压器油受热膨胀时，油箱 压力大，因此有必要在变压器上安装储油柜。储油柜与油管是相通的。 2 1 1 5 附加装置 变压器的附加装置一般有：有载分接头、空载分接头、套管、顶层油温 度计、油层显示器、气体继电器等。视现场的需要而定。 2 1 2 热损耗分析 2 1 2 1 发热和散热过程 变压器运行时，会产生铁耗、铜耗和杂散损耗等。这些损耗产生热量， 使变压器的有关部件发热，温度升高。由于各部件和周围介质之间存在温差， 热量就搜散发到周围介质中去。当发热量与散热量相等时，温度就达到稳定 值。这时变压器某部件与周围介质的温度差就称为该部件的温升。 变压器的油箱和油管表面主要靠辐射和对流两种方法散热，但热量从绕 组或铁心内部传到表面是依靠传导的方式传热。通常油浸式变压器的散热过 ，程如下：首先热量从绕组和铁心内部通过热传导作用传递到表面，然后通过 变压器油的对流将热量带到油箱和油管的内壁，热量从内部通过热传导作用 传递到外壁，最后通过辐射和对流作用把热量散发到周围空气中去。 2 1 2 2 变压器的损耗 变压器的损耗主要分为两部分：铁耗和铜耗。铁耗又称为空载损耗，铜 耗又称为负载损耗。 1 铁耗 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗。 口磁游掘蒜磁滞损耗的形成是由于铁心的电磁材料( 硅钢片) 存在磁滞现 象。变压器绕组产生的磁通量会使电磁材料随时间变化产生磁滞环。电磁材 料每承受一次磁滞循环，就有纯能量输入到电磁材料中，这些能量在材料的 磁偶极子上转动并转换成热能散发出去。 口旖挠菊晕乐建立在变压器上的磁场( 主磁通) 不仅在线圈中感应了电压和 电流同时也在铁心中感应了电压和电流。这些在铁心中感应的电流成漩涡状， 因此称为“涡流”。铁心中的涡流也会产生损耗。铁心的层叠结构可以降低铁 心的涡流损耗。另外还有一些附加损耗，如：主磁通在结构部件( 夹板、螺 丝钉等处) 引起的涡流损耗，铁心叠片间由于绝缘损伤引起的局部涡流损耗。 附加损耗很难计算。 铁心中的磁滞损耗和涡流损耗均与铁心的磁通密度成正比。实际上铁心 损耗是一个很复杂的问题，它与很多变量相关。在本文中，视铁心损耗为常 量。 2 铜耗 变压器的铜耗包括两个部分：绕组损耗和杂散负载损耗。 口绕缳掘不绕组损耗分为两个部分：，2 r 损耗和绕组涡流损耗。，2 r 损耗 是由于绕组的电阻引起的，2 r 损耗与绕组的温度变化成正比，因为当温度 升高时，绕组的电阻升高。绕组涡流损耗是由漏磁通在变压器绕组上感应的 涡流引起的，与，2 r 损耗不同，绕组涡流损耗与绕组的温度变化成反比，这 是由于当温度升高时，涡流流过路径的电阻增加，而涡流的幅度将会减小。 口条威掼窄丕杂散损耗是漏磁通在变压器其他部分( 除了绕组) 如油箱壁、 央板等感应的涡流引起的。与绕组涡流损耗相同，杂散损耗与绕组的温度变 化成反比。 绕组损耗和杂散损耗都与负载电流的平方成正比。当温度升高时由于绕 组电阻增大，绕组涡流损耗和杂散损耗都会降低。 2 1 3 冷却方式介绍 变压器油流的简化图如图2 - - 1 所示m 。绝缘的变压器油被安装在变压器 外部的散热器冷却后，以油箱内底层油的温度从绕组冷却管底部流进。油流 从绕组冷却管垂直上升，带走绕组散发出的热量，油的温度升高，并以绕组 冷却管顶层油的温度从绕组冷却管顶部流出。然后再流进散热器内冷却。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 1 变压器油流的简化图 变压器的冷却系统是变压器的重要组成部分。随变压器的容量的增大， 变压器的正常运行对冷却系统的要求更高。对油浸式变压器而言，常见的几 种冷却方式如下： 1 油自然循环空气自然冷却( o a ) o a 冷却方式的变压器通常被用在电力配电系统中作为配电变压器，一 般设计其三相最大容量为2 5 m v a 。 在这种冷却方式下，油在变压器内自然循环，并以对流的方式将热量传 递给箱壁，油箱外面安装散热器以增大油箱的冷却表面。 2 油自然循环风冷( f a ) f a 冷却方式的变压器视为中型变压器，具有独立绕组，三相额定容量不 超过1 0 0m v a ，即在2 5 m v a 1 0 0m v r a 范围内。对2 5 m v a 1 0m v a 的变 压器使用o a f a 冷却方式，而在1 0 m v a 1 0 0m v a 范围内的变压器使用 o a f a ，f a 的冷却方式( 两层风扇) 。 对2 5 m 、，a 的变压器，采用o a 方式冷却不能满足散热的要求，因为在 绝缘容许的尽可能小的油箱尺寸下，不能获得必需的散热表面。于是采用f a 冷却方式，在散热器中加装一至两台风扇，用空气强迫吹散热器的表面。这 种冷却系统的散热器。接强迫空气冷却和自然空气冷却运行时都具有较高的 散热系数，因此允许在风扇停运时工作，不过对油温和负荷均有限制。 3 强迫非导向油循环风冷( n d f o a ) 强追油循环是指用油泵将变压器油从油箱抽到外部热交换器中冷却，这 种方式加速了油的流速，也就提高了散热效率。非导向强迫油循环是指从外 部热交换器流回来的变压器油在油箱中自由流动，没有被强迫流过绕组。外 部热交换器上装有风扇散热。_ n d f o a 一般用在三相额定容量大于1 0 0m v a 的变压器上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 4 强迫导向油循环风冷( d f o a ) 强迫导向油循环方式下，强迫变压器油流过绕组内部，使绕组的冷却大 为改善。外部热交换器上装有风扇散热。d f o a 一般用在特大容量的变压器 上。 2 2 变压器寿命理论 2 2 1 影响变压器寿命的因素嘲 变压器的实际寿命与各种意外事故( 如过电压，系统中短路和急救负载 等) 有很大的关系。这些意外事故可能单独出现，也可能同时出现，以下各 因素对变压器的寿命起决定性作用： 事故的严重性( 幅值大小及持续时间) ； 变压器设计及质量； 变压器各部分的温度； 固体绝缘介质和油中的含水量： 固体绝缘介质和油中氧气及其他气体的含量； 杂质的数量、大小和类型。 正常预期寿命值是以正常的环境温度和额定条件下的连续运行为基础 的。当负载超过铭牌额定值和( 或) 环境温度高于正常温度时，变压器将承 受一定程度的危险，并且加速老化。 2 2 1 2 变压器绝缘的热老化和寿命损失 2 2 2 1 热老化定律。 变压器的绝缘老化是指绝缘受到热或其他物理化学作用逐渐失去其机械 强度和电气强度。变压器的绝缘老化主要是由于温度、湿度、油的氧化所致。 老化的速度由温度所决定，温度越高，氧化速度越快，绝缘的机械强度和电 气强度损失得越快，从而绝缘老化速度越快。 1 9 3 0 年，蒙辛格由实验得出在1 0 0 1 1 0 温度范基内，温度每增加6 ， 绝缘物质的老化率增加一倍；温度大于1 2 0 时，每增加8 。c ，老化率增加一 倍。i e c 标准采用6 。 1 9 4 8 年，达金根据阿仑尼斯化学反应理论的修正提出了一种新的绝缘老 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 化率的定义。阿仑尼斯化学反应理论中反应率常数r 表示如下： r = a e 一8 7 7 ( 2 1 ) 式中：a 、b 经验值： 丁绝对湿度。 达金指出所有的老化率包括蒙辛格提出的老化率都可以用阿仑尼斯化学 反应理论表示。根据这个反应率理论，绝缘寿命可以表示为： ：a 8 一日7 r( 2 - - 2 ) 式中：绝缘寿命， 个经过修正的常数， 口与上一个公式中的口相同。 然而，没有简单且唯一的寿命终止准则用来定量地描述变压器绝缘的剩 余寿命。上式中，常数a 与很多因素有关，如纤维素的内在质量( 材料的组 成和化学添加剂) 以及环境参数( 绝缘系统中的水分和游离氧) 等因素。但 是b 与这些因素无关，在实际温度为8 0 t 4 0 c 范围内可以取常数。所以提 出用相对寿命老化率来表示变压器的寿命损失。温度每增加6 ，老化率增 加l 倍。 2 2 2 2 相对热老化率 老化率与绕组最热点温度相关，对于按照g b l 0 9 4 设计的变压器，在额 定负载和正常环境温度下，绕组最热点温度的基准值是9 8 。c 。 e c 3 5 4 规定在 此温度下的相对热老化率为l 。目前我国的变压器设计均遵循g b l 0 9 4 标准， 在热点温度9 8 下，相对老化率为l 。此热点温度与“在环境温度为2 0 。c 和 热点温升为7 8 k 下运行”相对应。 相对热老化率定义如下： 矿：垄& 三箜垫耋华耋：2 ( k 一) 6 ( 2 3 ) 9 8o c 下的热老化率 一 2 2 2 3 变压器寿命损失计算 变压器的绝缘寿命损失为 = v h 。 ( 2 4 ) 式中，矿相对热老化率； n 时间段的总数； i 为每个时间段的序数； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 h 。菜一负载k 。作用的持续时间。 由上式可知： 在热点温度为9 84 c 下运行几个月，几天或几个小时所引起的寿命损失分 别用正常的月数，正常天数或正常小时数来表示。 如果在运行期间内的负载和环境温度不变，寿命损失等于比( 表示运行 的时间总数) 。 当运行条件或环境温度变化时，相对老化率v 是随时间变化的。在一定 的负载期间内的寿命损失就不能像前两种情况那样计算。 实际上对于牵引变压器而言，由于牵引负荷的特殊性，它的运行条件和 环境温度是随时间而变化的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 第3 章变压器绕组的最热点温度 由第二章论述可知，要确定变压器的寿命，就必须获得变压器绕组的最 热点温度，因为变压器寿命与绕组的最热点温度直接相关。一般认为变压器 绝缘运行寿命应遵循六度法则：年平均温度为9 8 时具有正常寿命，当超过 或达不到9 8 时，每上升或降低6 c ，则变压器寿命降低一半或延长一倍。 变压器绕组最热点温度允许限值为1 1 8 。当绕组最热点温度超过1 4 0 c 时， 绕组周围的油会分解产生气体，造成油中c o 、c 0 2 等气体含量增高，同时绝 缘纸也会出现劣化产生糠醛( c 4 h 3 0 c h o ) 。这时，可以通过变压器油的气 相色谱分析和高性能的液相色谱分析发现可燃气体和糠醛含量的变化 1 3 1 。 但是当发生低于1 4 0 的低温过热时，色谱分析就无法发现其变化了。此 时热点温度如超过允许限值，这不仅会影响变压器使用寿命，还将对变压 器安全运行造成威胁。因此，准确测量油温和在线监测绕组的热点温度就显 得十分重要了。 如果能够获得绕组最热点温度的准确值对确定变压器的绝缘老化、额定 容量和负荷能力，优化变压器结构等方面有很大的帮助。变压器绕组最热点 温度可以通过测量和间接计算两种方法获得。下面对这两种方法分别介绍。 3 1 绕组最热点温度的测量方法 绕组最热点温度的测量方法可归纳成两大类：热模拟测量法和直接测量 ，法。 3 1 1 热模拟测量法f 1 热模拟测量法是将一种测温模型安装在变压器上层油中，它具有两个绕 组：发热绕组和测量绕组。发热绕组经中间变流器接到变压器电流回路上， 绕组中通过的电流与变压器的负荷电流成正比，中间变流器具有调整抽头， 可以选择模型的工作方式。测量绕组接在测量桥的一臂上，测量绕组的电阻 随温度的变化而变化，测量仪表上则用表示这种变化。 为了使模型正确工作，它要满足下列基本条件： ( 1 ) 模型的负荷变化与变压器的负荷变化相对应。额定负荷时，模型应产 生与绕组额定温升相等的温升。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 2 ) 模型对油的发热时间常数应与变压器绕组相同。 ( 3 ) 负荷变化时，模型绕组对油温升的变化特性应与变压器绕组相同。 模型的测量绕组是根据下列条件来设计的，这些条件对测量准确度有很 大影响。 ( i ) 测量绕组的温升及冷却特性应与变压器绕组的一致。 ( 2 ) 绕组的发热时间常数不随变压器负荷的变化而变化。 ( 3 ) 绕组温升随变压器负荷而变化的特性应保持不变。 此外，发热时间常数的准确与否，变压器绕组最热点温度与上层油温度 间的差值的准确与否，也对模型的测量准确度有很大的影响。 但是上面的条件仍然不完全符合变压器的真实条件，这是因为： ( 1 ) 模型的冷却特性曲线并不完全与反向的发热特性曲线吻合，所以模型 法不宜用在负荷经常变化的场合。 ( 2 ) 由于油粘度随油温而变化，因此油中绕组的发热和冷却的时例常数不 是不变化的。它是油温的函数。 ( 3 ) 由于油粘度的存在，以及绕组电阻随负荷而变化，所以负荷变化时变 压器绕组温度的变化特性也不同于理想情况下的特性， 从世界范围来看，除了日本、德国产变压器产品附有热模拟式测温仪表 之外，近年来我国大型变压器产品也附有此类测温装置。经理论分析和应用 情况调查，这种测量方法误差较大，有的热点温度测量值低干油箱底部油温 测量值，甚至不指示。由于往往不能提供准确数据，法国己在电网中停止使 用这种测温装置。 3 1 2 直接测量法【1 3 1 直接测量法是在绕组靠近导线部分埋设传感器，由温度测量仪测温。常 用热电偶或无感的热敏电阻作为温度传感器的敏感元件。传感器有多种结构 形式，目前常用各种类型的光纤传感器【4 】，已商品化的可供电力变压器应用 的萤光光纤温度计，有美国l u x t r o n 公司生产的“、轿s i i 型变压器绕组温度 光纤监测系统”等。一般传感器直接安装在电压相对不高或接地处的绕组上。 热敏电阻接在直接测量电路或待补偿的桥式电路中，可以用一只热敏电阻测 量，也可用多个热敏电阻测量绕组几个地方的温度。 这种方法一般在制造或绕组改造过程中埋设测点才可能实施，如能多埋 设几点可能碰上真正的绕组最热点。 直接测量的优点是测量结果准确。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l3 页 直接测量的缺点是：第一，绝缘处理比较困难，由于存在高压，金属引 线的安装和引出去接仪表都很困难：第二，难以消除变压器漏磁场对导体的 电磁感应：第三，安装传感器会对变压器的绕组的结构和变压器油流造成影 响，影响变压器的安全运行；第四，维护技术复杂，价格昂贵。 实际上到目前为止，绕组最热点温度的直接测量仍未得到满意的解决。 3 2 绕组最热点温度的计算方法 计算法是根据假设的变压器热模型，结合各国实践经验，来估算变压器 绕组的热点温度。绕组最热点温度的计算方法有很多种，目前最常见的是 i e c 3 5 4 1 3 1 和i e e es t dc 5 7 9 1 1 4 1 两个标准提供的计算方法。 国际电工委员会i e c 3 5 4 标准和国标油浸式电力变压器负载导则中， 给出了热点温升计算公式，这是我国目前变压器绕组热点温度估算的传统的 经典方法。有些文献对直接测量法的测量结果与计算法的计算结果进行了比 较，如芬兰h n o r d m a n 等人比较后认为：“采用间接方法可以在保证一定精 度情况下确定热点的温升”。比利时e c o s a e r t 等人比较后说：“基于i e c 负载导则的方法给出的值有最好的近似”。他们站在直接测量法绝对准确的立 场上，审视不同的计算方法的计算结果，来评价哪种方法更准确些。上述说 法也说明基于负载导则的计算法得出的热点温度值具有相当的准确性。特别 是对于己经投入电网运行的变压器来说，用这种间接计算法获得绕组最热点 的温度是非常方便的。 这一节的主要内容时重点讨论i e c 3 5 4 和m e es t dc 5 7 9 1 这两个标准提 出的变压器的热模型和由此确定的温升计算方法，然后对这两种方法进行评 价。 3 2 1 哐c 3 5 4 导则 3 2 1 1 变压器热模型 图3 - 1 为油浸式变压器内部温度沿高度方向的典型分布。 通常，绕组和铁芯两个发热体的温度最高，油温要比绕组和铁心的温 度低一些。它们自身各处的温度分布一般是下部低，上部高。 曲线1 并未表示出绕组最热点温度的所在位置。此热点的位置大概在 靠近绕组顶部处。但确切的位置既不容易计算，也难以测出。此热点的温度 堕童交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 比图3 一l 中磊蕴葡磊瓦匠泵函磊董妻i f j 至= _ 一 将图3 一l 简化，如图3 - 2 所示。图3 - 2 为油浸式变压器热分布简化图。 该简化的参考因素是： 各绕组内的油温，从底部到顶部，不论其冷却方式如何，均是按线性 增加。 绕组任意位置的温升，由下到上呈线性增加。此直线与油的温升直线 平行。两平行线之间的差值为常数g ( g 为用电阻法测出的绕组平均温升和油 平均温升的差) 。 热点温升比绕组顶部的平均温升高( 如图3 - 2 ) ，是因为必须给杂散 损耗的增加留有裕度。由于这些因素是非线性的，便用热点温度与绕组顶部 的油温之差值王留表示。热点系数h 的值与变压器的容量大小、短路阻抗和 绕组结构有关，大约在1 1 1 5 之间，一般配电变压器取1 1 ，中型和大型变 压器取1 3 。 图3 一l 油浸式变压器内部温度沿高度方向的典型分布图 1 一绕组：2 一铁芯：3 一变压器油；4 一箱体表面 则由图3 - 2 可得出公式： 绕组额定最热点稳态温升 = 额定顶层油温升+ 热点系数绕组高于油的平均温差 = 额定顶层油温升+ 日g 。 ( 3 一1 ) 1 e c 3 5 4 标准规定绕组最热点温升与绕组的平均温升的差值在1 0 1 5 。c 内，一般取1 3 。绕组平均温升的限值为6 5 c ，相应的绕组最热点温升的限 值为7 8 c ( 6 5 + 1 3 = 7 8 ) ，顶层油温升的限值为5 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 喷部 一项屡油温升l 一二7 一 l 一删耕上。上一潮 蔑部 一臁槲一 涅舟 7 图3 - - 2i e c 3 5 4 油浸式变压器热模型 对于三种变压器，其热特性数据如下表( 表3 - 1 ) ： 表3 1 供计算用的变压器热特性数据的取值 配电变压器中型、大型变压器 变压器热特性数据 o af ad f o an d f o a 油的指数 no 80 91 ol0 绕组指数m0 80 80 81 o 损耗比 尺5666 热点系数 日1 11 31 31 3 油时间常数 7 d ( h ) 3 o2 52 51 5 环境温度霸( ) 2 02 02 02 0 热点温升d 耳栅( ) 7 87 87 87 8 绕组平均温升 d n 丽) 6 56 36 36 8 执占对绕组内部弼都油的温尊p d r 、2 32 62 22 9 绕组内部油的平均温升4 d “) “4 34 64 6 绕组内部项部油温升 a 7 幻“) 5 55 25 64 9 底部油温升 a 7 钿“) 3 33 43 64 3 注：在表3 1 中对于o a 冷却方式。认为a 等于油箱内顶层油的温升d t t o r 此处要注意的是：绕组顶部油的温度与油箱内顶层油的温度是不同的。 油箱内顶层油温是由沿着各个绕组内、外循环的油流汇合而成的。对不同的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 冷却方式分析如下： 对自然油循环冷却的变压器而言，各绕组之间的差异不明显；故绕组内 部顶部油温等于油箱内的顶层油温。 对强迫油循环冷却的变压器( 包括导向和非导向) ，绕组内部顶部的油温 等于底部油温加上该绕组内部的平均油温与底部油温之间的差值的两倍。 由于油流的不同，对于不同的冷却方式要分别处理。对于自然油循环和 强迫非导向油循环冷却的变压器，其绕组内的油循环是由温差驱动的。对于 强迫导向油循环冷却的变压器，油循环的速度与油泵有关，而与温差无关。 3 2 1 2 变压器各部分温度计算方法 变压器的寿命主要取决于绕组最热点温度。下面给出了变压器各部分的 稳态温度和暂态温度的计算公式。 1 稳态温度的计算 ( 1 ) 自然油循环冷却方式( o a 和f a ) 的变压器顶层油稳定温升 在任意负荷k ，下变压器顶层油的稳定温升砀为 腊丁 睁z ， 式中，油箱内顶层油的额定温升，单位： 负荷k 。下的油箱内顶层油稳定温升，单位： r 额定负荷下的负载损耗与空载损耗之比，取4 6 ： 月油温升指数，对不同冷却方式的变压器n 有不同的取值( 如表 3 一l 所示) ： k 负荷系数，它等于实际负荷电流与额定负荷电流之比。 ( 2 ) 强迫油循环冷却方式( d f o a 和n d f o a ) 的变压器底层油稳定温升 在任意负荷k 下，变压器底层油的稳定温升z 矗是： 西南交通大学硕士研究生学位论文第l7 页 降丁 式中，额定底层油温升，单位 瓦。负荷t ，下的底层油稳定温升，单位 r ，月，t 与式3 2 中相同。 ( 3 3 ) ( 3 ) 强迫油循环冷却方式的变压器绕组顶部油温升与底层油温升之差 对d f o a 或n d f o a 方式的变压器，绕组内部油温升与底层油温升之差 一k = 2 【。一k ，“ ( 3 4 ) 式中，m 绕组温升指数，对不同冷却方式的变压器历有不同的取值( 如 表3 一l 所示) 。 ( 4 ) 变压器绕组热点稳定温度 自然油循环冷却方式 在任意负荷下。绕组最热点的稳定温升7 k 为顶层油温升和热点与顶 层油之间的温度差之和。 t h s = a 。降卜舻 仔s ， 式中，7 k 任意负荷k 。下，绕组最热点的稳定温升，单位： 绕组最热点稳定温度丁k 等于绕组最热点的稳定温升与外部环境温度之和。 甜一 等卜嵫属” + 洚e ， 式中，死环境温度。 强迫非导向油循环冷却的变压器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 对于n d f o a 冷却方式，计算方法是以底层油温和油平均温度作为基础 ( 见上一节的论述) 。在任一负载下的最终热点温度等于环境稳定、底层油温 升、绕组的顶部油温升与底层油温升之差、以及绕组热点温度与顶部油温之 差四者之和。 t h s = t 。+ a 筹 + 2 匦o , , - t , o r k i 2 m + 科c 。一r ， 强迫导向油循环冷却的变压器 对于0 d 冷却方式。基本上与o f 冷却方式相同，但是考虑到导线电阻随 温度的变化，还要加上校正系数： = + o 1 5 ( 一) ( 当k ， 1 时) ( 3 8 ) 2 暂态温度的计算 ( 1 ) 变压器顶层油暂态温升( o a 和f a ) 在任意负荷k ，下，经过时间t 后的顶层油温升丁南。( r ) 为 了k ( ，) ( ，) = 7 k ( 1 + ( 马矶。) 一正口( _ 1 ) ) ( 1 一e 一7 ) ( 3 93 式中，。负荷七，下顶层油稳定湿升； 乃。，、负荷_ ，。结束时的顶层油温升，即负荷女。作用时的起始温 升： r 0 油时间常数。 ( 2 ) 变压器底层油暂态温升( d f o a 和n d f o a ) 在任意负荷t 下，经过时间t 后的底层油温升z 岛m ( f ) 为 ) = ( ) + ( 【，) 一( ) ) ( 1 一b 叫7 ) ( 3 1 0 ) 式中，。负荷k ，下底层油稳定温升； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 z k ( - 。) 负荷t 一，结束时的底层油温升。 ( 3 ) 热点与顶层油的温差 ( ，) ( r ) 一( ，) ( ，) = ( ( 。) 一( ，) ) + ( 一f 吼，) ) 一( 。) 一) k l _ e - t * ) 3 1 1 式中，r ，绕组的时间常数，一般取5 m i n 。 ( 4 ) 变压器最热点暂态温度 在任意负荷k ，下，经过时f a qt 后的绕组最热点温升丁k 。( f ) 为 自然油循环冷却的变压器 ( ，) ( f ) = l + ( 。) ( f ) + ( ( 。) 一( h ) ) ( 1 一e “) ( 3 1 2 ) 由于绕组的时间常数很小。即使在短时过负载下，它对热点温度的影响 很小，所以在计算过程中可以将此时间常数近似看成等于零。 则上式3 1 2 写成： 7 k 。( r ) = 巧+ 7 ( ，) + 磁，砖“ ( 3 1 3 ) 强迫油循环冷却的变压器 同( 1 ) 中原因强迫油非导向循环的变压器，其绕组的暂态热点温度是： k ( ，) = 乃+ ( f ) + 2 【毛皴一k “+ 姆，k 。2 ” ( 3 1 4 ) 强迫导向油循环冷却的变压器 z k ( ，) ( f ) 。= z k ( ) ( f ) + o 1 5 ( 2 k 【。) ( f ) 一i m ) ( 3 一1 5 ) 3 2 2i e e es t dc 5 7 9 1 标准 i e e es t dc 5 7 9 1 认为，变压器的热点温度等于环境温度、顶层油温升和 绕组最热点温度与顶层油温度之差三者之和。 l ，s = r + 正d + 死 ， ( 3 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 式中，z 南顶层油温度与环境温度之差，也称顶层油温升 g 热点温度与顶层油温度之差。 i e e e 的变压器热模型如图3 3 所示，它与i e c 3 5 4 规定的变压器热模型 很相似。 图3 3i e e es t dc 5 7 9 1 变压器热模型 在稳态下顶层油的温升与变压器的总损耗成正比： 确= c b ，”= ( 等) ”= ( 等竿) “ ， ，实际负载( m v a ) 一，。额定负载( m v a ) 式中，丁顶层油的额定温升； 只变压器的单位损耗： 于k 变压器的总损耗： b 变压器的额定损耗； k 负载系数，又称为单位负载； ( 3 一1 7 ) ( 3 1 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 r 损耗比，等于额定负载损耗与空载损耗之比； ”一油的温升指数。 在稳态下，绕组热点相对于顶层油的温升等于： 瓦= 咒r ( k2 ) 4 ( 3 1 9 ) 式中，瓦。额定负载下，绕组热点相对于顶层油的温升： 足2 单位绕组损耗： 肟一绕组的温升指数。 i e e e 标准建议使用嵌入式探测器测量死。，但是如果没有这种条件， 可以用下式替代计算。 6 r = ( ? 谝一五u r ) + 1 5 ( 3