帶光纖溫控器的變壓器溫升試驗及分析

　　1 引言

　　溫升試驗是保證變壓器使用壽命和安全運行的重要試驗。溫升試驗的目的是驗證變壓器在額定工作條件下， 主體總損耗所產(chǎn)生的熱量與散熱裝置達到熱平衡的溫度是否符合有關(guān)的標準及技術(shù)協(xié)議的要求，并驗證產(chǎn)品結構的合理性，發(fā)現油箱（或外殼）和結構件上的局部過(guò)熱的程度。

　　變壓器繞組最熱點(diǎn)溫度是變壓器的安全、經(jīng)濟運行和使用壽命的決定因素, 因為繞組最熱點(diǎn)絕緣因過(guò)熱而導致的老化可能發(fā)展成為整個(gè)變壓器的損壞。因此GB1094.2-1996《電力變壓器第2 部分溫升》和IEC354《油浸式電力變壓器負載導則》在以往相關(guān)標準的基礎上增加了繞組熱點(diǎn)溫升的計算。但是任何的理論計算都需要試驗的檢驗， 可靠的檢驗是在試驗中實(shí)際測量熱點(diǎn)的溫升。

　　浙江電力變壓器有限公司在變壓器溫升試驗中采用光纖溫控器實(shí)測熱點(diǎn)溫升。該試驗在國家變壓器質(zhì)量監督監測中心的指導下進(jìn)行， 試驗流程和結果完全符合國家相關(guān)標準。

　　2 光纖測溫原理

　　確定繞組熱點(diǎn)溫度的方法可分為直接測量法、熱模擬測量法和間接計算法三種。直接測量法是在繞組中埋設傳感器，由光纖傳播信號在高電壓、高磁場(chǎng)條件下實(shí)現在線(xiàn)、實(shí)時(shí)地準確測量繞組的熱點(diǎn)溫度，是未來(lái)變壓器溫升試驗熱點(diǎn)測量的首選方法。

　　以美國Lumasense 公司的ThermAsset2 為例，該變壓器繞組熱點(diǎn)光纖溫控器是通過(guò)測量磷光體單獨的固有參數（衰減時(shí)間）而確定的，不會(huì )因為光纖的物理變化而改變， 所以該系統是一個(gè)無(wú)需校驗的系統。磷光物質(zhì)傳感器直接附于光纖探頭末端。該探頭采用經(jīng)過(guò)驗證與油浸高壓電力變壓器長(cháng)期兼容，且具有優(yōu)良電氣性能的材料制成。20 世紀80 年代起，該技術(shù)就已經(jīng)運用于電力變壓器（多年來(lái)，廣泛被世界各地大變壓器廠(chǎng)商作為工業(yè)標準所接受）。在溫升試驗期間僅需安裝光纖探頭（使用工廠(chǎng)現有的工具），由光纖探頭測量的數據即可知道繞組最熱點(diǎn)的實(shí)際溫度而且操作簡(jiǎn)單。該系統具有4～8 個(gè)有獨立輸出和顯示的測量通道， 采用的溫度傳感器由一種穩定的耐高溫的熒光材料制成, 直接置于光導纖維一端。其原理是當LED 光源發(fā)出的光脈沖通過(guò)光纖送到與繞組接觸的溫度傳感器時(shí), 該脈沖激勵傳感器的熒光材料,使其產(chǎn)生波長(cháng)較長(cháng)的熒光,根據返回熒光的衰減時(shí)間測出該傳感器的溫度, 然后通過(guò)處理,顯示出溫度值和有關(guān)系統參數,并同時(shí)將溫度信息傳輸到控制室。該系統可在變壓器處于峰值負載和緊急超銘牌容量運行時(shí)提供精確的繞組溫度, 并可使變壓器根據測出的繞組實(shí)際溫度及時(shí)調整負載。

　　3 試驗方法與過(guò)程

　　GB1094.2-1996 規定， 短路法為油浸式電力變壓器溫升試驗的標準方法。

　　3.1 繞組熱點(diǎn)溫度和位置的預報

　　試驗前根據繞組的相關(guān)參數，包括繞制方法、導線(xiàn)類(lèi)別及參數、繞組尺寸及油道尺寸等，運用專(zhuān)門(mén)的計算軟件確定熱點(diǎn)的位置和溫度值。本文中采用變壓器溫度場(chǎng)計算軟件， 該軟件能對餅式繞組和筒式繞組的溫度場(chǎng)進(jìn)行計算分析。軟件的計算結果已在各種型號的變壓器上得到實(shí)際的檢驗， 具有較高的精度。

　　3.2 光纖溫控器的安裝

　　3.2.1 傳感器的安裝

　?。?）在餅式繞組中的安裝。把光纖測溫探頭插入相鄰線(xiàn)餅間的墊塊中， 探頭在墊塊中的安裝以及絕緣處理如圖1 和圖2 所示。墊塊處理好后把墊塊放入探頭部位即可，如圖3 所示。

　?。?）在筒式繞組中的安裝。在筒式繞組中由于沒(méi)有水平撐條，因此，為了不破壞繞組絕緣結構，將探頭安裝在垂直撐條上。安裝時(shí)在垂直撐條上開(kāi)槽，開(kāi)槽高度為事先計算好的熱點(diǎn)高度。在撐條對應的位置開(kāi)槽，探頭應能與繞組接觸，如圖4 所示。

　　3.2.2 引線(xiàn)探頭的安裝（選擇）

　　根據GB1094.3-2003 套管溫升測量屬監測性測量，只需防止過(guò)熱即可，試驗中可采用紅外測溫。但為了實(shí)現溫度自動(dòng)報警以及得到套管連續的溫度數據，本次試驗采用光纖測溫。在引線(xiàn)上的光纖探頭安裝如圖5 所示。

　　3.2.3 安裝油箱壁結合板

　　油箱壁有四個(gè)錐螺紋用于安裝貫通器。在油箱上開(kāi)孔后， 可將結合板焊接在油箱壁或用螺絲安裝在油箱壁上。

　　3.2.4 裝貫通器和內外光纖

　　貫通器用于內外光纖的光學(xué)連接， 內外光纖采用ST 連接器進(jìn)行插拔式連接。將帶有鎖緊螺帽的內部光纖的SMA 型接頭與貫通器連接好，如圖6 所示。外部光纖一端接到貫通器，另一端接到光纖測溫系統本體，如圖7 所示。

　　3.3 試驗過(guò)程

　　短路法溫升試驗按國家標準規定的兩個(gè)階段進(jìn)行。

　　3.3.1 施加總損耗階段

　　溫升穩定條件按GB1094. 2-1996 規定。此處應該注意的是不能以熱點(diǎn)的溫升作為穩定的標準，因為頂層油溫升的穩定滯后于熱點(diǎn)一段時(shí)間。當熱點(diǎn)溫升穩定時(shí)頂層油溫升可能還沒(méi)有達到穩定。

　　3.3.2 施加額定電流階段

　　該階段的繞組電阻的測量按照國家標準要求的方法測出熱電阻即可得出繞組的平均溫度， 加入光纖溫控器以后，該儀器能自動(dòng)記錄熱點(diǎn)的溫度（間隔時(shí)間用戶(hù)自定），根據該數據就可以找到斷電時(shí)刻的熱點(diǎn)溫度。

　　3.4 溫度的測量

　?。?）環(huán)境溫度的測量。環(huán)境溫度的測量參照國家標準的試驗規范測量。

　?。?）散熱器進(jìn)出口溫度的測量。分別在散熱器的進(jìn)出口設置2～3 個(gè)溫度傳感器，記錄其讀數的平均值。每隔一段時(shí)間，記錄一次散熱器油進(jìn)出口溫度。

　?。?）頂層油溫升的測量。油頂層溫度是用多個(gè)插入油箱頂部和插入散熱器的連管內的溫度計進(jìn)行測量。

　?。?）繞組熱點(diǎn)溫升的測量。用光纖溫控裝置實(shí)時(shí)自動(dòng)測量熱點(diǎn)的溫升， 通過(guò)電腦終端保存大量的溫度數據。

　?。?）油箱外部的局部溫度測量。在變壓器溫升試驗中需要注意測量油箱壁和套管連接處有無(wú)局部過(guò)熱，通常采用紅外測溫儀檢測。

　　4 工程實(shí)例

　　4.1 試驗結果

　　帶光纖溫控器的溫升試驗結果符合國家標準，得到的數據， 特別是熱點(diǎn)溫度值和位置對于變壓器的安全可靠運行具有指導價(jià)值。表1 為某臺主變的試驗結果和計算結果的比較。

　　4.2 結果分析

　　由光纖探頭的安裝方法可知， 探頭的位置都在繞組絕緣的外部， 探頭所測的溫度均為貼近導線(xiàn)的絕緣層的溫度。根據傳熱學(xué)的導熱機理，銅線(xiàn)表面和絕緣紙外表面之間有一個(gè)溫度梯度。因而測量溫度與熱點(diǎn)的真實(shí)有一個(gè)差值，測量值需要修正。根據導熱傅立葉定律：

　　根據式（3）經(jīng)過(guò)修正，光纖所測熱點(diǎn)溫度值也示于表1 中。

　　相對誤差：

　　將數據代入式（4），試驗結果用修正后的值，相對誤差的計算結果如表2 所示。

　　從表2 可以看出， 高壓繞組的相對誤差很小，這是由于探頭和銅導線(xiàn)之間只隔著(zhù)導線(xiàn)絕緣層和絕緣墊片。而低壓繞組的相對誤差偏大，這是由于低壓繞組的探頭安裝在撐條中，與熱點(diǎn)不僅隔著(zhù)絕緣層而且離熱點(diǎn)有一定距離，所以相對誤差偏大。

　　5 結束