电力变压器的温度和过载监测

本文描述了该系统的硬件设置和监测原理，同时为了提高绕组中温度分布的精确度而设计了一个热力学模型。根据绕组的热力学模型和在线监测的结果即可决定变压器在何时可以过载且安全运行。

　　主题词：电力变压器，过热点，工况监测，过载容量

　　I. 介绍

　　电网中变压器的实际运行工况是影响供电稳定性的一个重要因素。如果我们给变压器装上一套在线监测系统，对变压器的工况进行长期监测，既能保证变压器的“健康”工作（即使过载期间也如此），同时也能指出变压器运行的老化趋势并提供早期的预警信息，从而及时对一些缓慢发展的事故进行修复以免导致变压器的损坏。

　　变压器是电力系统中单台价值最高的设备。一些附属设备的小故障都可能导致整台变压器的损坏。例如若冷却器的控制单元中的参数选配不当，就有可能导致变压器的效率降低，或加快油纸绝缘的老化。我们提供的与热力学模型及冷却单元相连的热分布监测系统可指导变压器在适当的时候过载运行，并计算出最大允许过载容量，从而明显地降低实际运行中变压器过载运行的风险。

　　一台变压器通常由下列几个独立部件组成，他们是作变压的绕组、作导磁用的铁芯。还有一些设备如套管、调压开关、冷却器等。

　　统计得出每一个部件引起变压器故障的可能性是个变量。因此监测有价值和容易出故障的部件是非常有效的。而绕组在变压器中是最有价值的部件，因此该系统应能测量出变压器绕组内部的数据，以便我们分析和了解绕组内部的状态，从而延长变压器的运行寿命，并增加运行的可靠性。

　　II. 变压器监测系统

　　1997年，我们首先在两台变压器上安装了监测系统。该系统充分考虑了1997年之前的监测经验[1]，并在随后三年多的运行中，对监测系统不断地加以改造和完善，使之成为今天的一种全新概念上的监测系统。

　　该系统的数据采集单元是以由西门子开发的可编程控制器（SIMATIC）为基础的。

　　对冷却系统的监测通常是通过测量其冷却器在出入口处油和空气等介质的温度而完成。通过对这些测量值进行估算，就能发现冷却器表面或空气入口处的滤网上是否有污物。同样的原理也能发现油泵的风扇故障。另外我们还测量高压套管上电流、电压值和调压开关分接点的实际位置。通过这些参数我们很容易确定变压器的实际负荷。通过计算气体传感器的输出信号就能确定绝缘材料的工况，同时所有油泵和风扇的工作状态也能通过开关量形成的数字信号得到。

　　为了避免计算机过分接近电力变压器而受到电磁干扰，通常我们把数据采集装置安装在变压器的控制箱中，而将计算机放入主控室内对所有采集的数据进行存储和分析，两者之间用光纤连接。光纤的长度可达几百米，从而实现数据采集装置与计算机之间电的隔离。用此方式即使变压器移走也无需拆卸数据采集单元，而计算机硬件更换也更加容易，因为计算机内没有任何附加设备。

　　图1 变压器监测系统图

　　用广泛用于工业自动化系统的器件来组装该系统比用特殊的变压器监测用的硬件有几个优点：

　　1.这些元件按工业化标准生产，在世界各地随处可见，因此很长时间内备件很容易获得。

　　2.自动化系统本身在不断地发展，随着元器件功能的改善，将来可制造更好的监测系统。例如只要增加一个模块，原监测系统的功能就能得到扩展，而且一套监测系统可同时监测多台变压器（像变压器组）。

　　该系统的数值计算分为两步。若数据采集系统的中心单元从所采集的数据中装置鉴别出极限值，即一个采集的数据超出定义极限值，数据采集系统的中心单元将发出报警信号，同时将报警信号传给计算机，该计算机则通过设定的数据通道向更高一级的计算机发出信号。所有实测数据都不断传输给变电站计算中心作进一步计算，并构成一个时间与实测值的平面坐标系统。而坐标系统的时间则以实测数据进入设定的数据库的时间为准。因此对程序而言，最重要的一点是能够长时间稳定运行。

　　另一个监测功能则由绕组热力学模型构成。根据IEC354标准，该模型决定了绕组中导体温度的分布。该温度分布取决于环境温度、负荷情况及进入绕组的油温等。假如我们作一次过载仿真，对上述参数的数值可以取实测值，也可以取虚拟值。将取值输入热力学模型中进行计算，我们就得到象过热点温度和中间导体的温度等参数。在存储如此大量的数据时，有必要不时对这些数据做一备份，该备份可通过一个与维护系统相连的调制解调器来实现。若不用调制解调器，将数据线直接与变电站控制系统相连也很方便。变电站控制系统得到变压器实际工况的信息对整个电网的安全运行是大有卑益的。

　　III. 新型热力学模型的发展

　　在估算油纸绝缘材料的老化程度时，一个非常重要的基本要求是对线圈内部导体温度的准确把握。我们为一强油导向的变压器绕组设计的热力学模型在一台 110kV300MVA的变压器上得到验证。为了得到最高的精确度，还要考虑很多的入口参数。

　　在监测系统中直接测量导体温度是很困难、也是很昂贵的。因此有必要用简单易行的方法来确定导体温度值。即通过测量油和空气温度，变压器负荷和每一个冷却器的状态等的测量值来确定导体温度。

　　标准的算法（如IEC354[2]）是针对大范围内不同几何形状和不同技术的变压器都有效的算法。达此目的的唯一途径是将算法最简化。而简化的算法就不可避免地忽略掉许多重要的因素。例如，沿线绕组轴向导体电阻的增加对温度的影响，用一个系数来考虑导体内涡流产生的附加损耗，从绕组底部到顶部的线圈温升与油温的升高方式一样，导体和油之间的温差保持不变等。

　　不同的热力学模型指出要想使模型的精确度有所提高，则决定该算法所需的参数的数量和计算所需时间会急剧增加。一个精确的模型通常只对特定的几何形状的绕组和冷却方式有效，因此首先要定义你想达到的精度和所能利用的资源。

　　A.固体绝缘系统的热力线网络

　　绕组内部的固体绝缘系统可用一个热力线网络来描述。其分析方法与电网的分析方法类似。热源表示导体内产生的损耗，与电网中的电流源类似。热阻与电阻类似，在计算热阻时不仅要考虑相邻导体间热阻，也要考虑导体对周围油流的阻力，同时还要考虑不同材料对热阻的影响。通常情况下这些材料为：