CN102087321B - 一种v/x接线牵引变压器内部温升在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种V/X接线牵引变压器内部温升在线监测方法。该方法包括：第一步，获取变压器基本参数；第二步，在线监测变压器牵引绕组电流、正馈绕组电流和顶层油温度，并上传至上位机；第三步，利用基于V/X接线牵引变压器内部温升热路模型建立的内部温升计算公式，对在线监测的数据进行计算处理，得出V/X接线牵引变压器运行中内部温升情况。本发明特别针对目前运用广泛于我国重载铁路和高速铁路的V/X接线牵引变压器，系统结构简单，需要监测的数据量少并易于监测，数据处理过程简单，对计算机性能要求较低，普通工控机就能满足运算要求，计算精确度较高。

Description

一种V/X接线牵引变压器内部温升在线监测方法

所属技术领域

本发明涉及一种V/X接线牵引变压器内部温升在线监测方法，属于电气绝缘在线检测与故障诊断领域。

背景技术

牵引变压器是铁路供电系统中最重要和最关键电气设备之一，其运行的安全可靠性直接关系到铁路运输系统运行的稳定性和高效性，一旦发生故障，将有可能造成运行事故，给国民经济造成不可估量的损失。变压器的运行可靠性很大程度上取决于其绝缘状态，而变压器内部温度是影响绝缘状态最为关键的因素。目前测量变压器内部温度主要分为直接测量法和间接测量法。直接测量法是在绕组中靠近导线部分埋设传感器，由温度测量仪直接测温，测量结果精确，但需要在变压器设计制造时预埋传感器，维护技术复杂，价格昂贵。因此，工程中常采用间接测量法，主要包括数值计算法，该方法基于建立变压器内部热传递模型，根据传热学理论和边界条件求解变压器内部温度场，计算精度较高，可以获取求解区域内任一位置的温度，但计算过程复杂，对计算机性能要求较高；另有热模拟法，它是将从电流互感器取得的附加电流在电热元件上所产生的附加温升，叠加到变压器顶层油温度上，从而获得变压器的绕组热点温度，但目前使用的技术仍存在一定的误差；再有是IEEE Std C57.91-1995中Annex G推荐的计算方法，该方法采用叠加计算法和经验公式，主要适用于电力变压器的温升计算，对于冲击负荷大的牵引变压器具有一定的局限性，计算误差较大。对于目前在重载和高速铁路中广泛应用的V/X接线牵引变压器，还未见关于温升在线监测方法的报道。

发明内容

本专利的目的是提供一种V/X接线牵引变压器内部温升在线监测方法，该方法能在线监测V/X接线牵引变压器内部温升，为V/X接线牵引变压器的运行管理提供良好的技术支持。

本发明实现上述目的的技术原理是在线监测V/X接线牵引变压器牵引绕组电流、正馈绕组电流和顶层油温度，利用基于V/X接线牵引变压器内部温升热路模型所建立的温升计算公式，得到变压器内部温升结果的。

本发明依据上述技术原理而采用的技术方案包括以下步骤：

第一步：获取变压器相关参数，包括变压器额定电压、额定电流、绕组热时间常数、额定情况下顶层油温升(是指顶层油温度与环境温度的差值，下同)和绕组热点温升(是指绕组热点温度与顶层油温度的差值，下同)；

第二步，在线监测V/X接线牵引变压器牵引绕组电流、正馈绕组电流和顶层油温度；

第三步：利用基于V/X接线牵引变压器内部温升热路模型所建立的下列温升计算公式，对监测数据进行计算处理，得出变压器内部温升结果：

$\frac{(1+K)I_{\mathrm{T\α}}^2+(1+K)I_{\mathrm{F\α}}^2+{2I}_{\mathrm{T\α}}{I}_{\mathrm{F\α}}}{K^2(1+2K)I_{A.R}^2}\·{\mathrm{\Δ\θ}}_{H.R}^{\frac{1}{n}}={({\mathrm{\θ}}_{A.H}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TO}})}^{\frac{1}{n}}+{\mathrm{\τ}}_W\frac{{\mathrm{d\θ}}_{A.H}}{\mathrm{dt}}$

$\frac{(1+K)I_{\mathrm{T\β}}^2+(1+K)I_{\mathrm{F\β}}^2+{2I}_{\mathrm{T\β}}{I}_{\mathrm{F\β}}}{K^2(1+2K)I_{A.R}^2}\·{\mathrm{\Δ\θ}}_{H.R}^{\frac{1}{n}}={({\mathrm{\θ}}_{B.H}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TO}})}^{\frac{1}{n}}+{\mathrm{\τ}}_W\frac{{\mathrm{d\θ}}_{B.H}}{\mathrm{dt}}$

式中，I_A.R表示高压侧A相额定电流，I_Tα表示A绕组侧牵引绕组电流，I_Fα表示A绕组侧正馈绕组电流，I_Tβ表示B绕组侧牵引绕组电流，I_Fβ表示B绕组侧正馈绕组电流，θ_A.H表示A绕组热点温度，θ_B.H表示B绕组热点温度，θ_TO表示顶层油温度，Δθ_H.R表示额定情况下绕组热点温升，τ_W表示绕组热时间常数，K表示变压器变比，n表示温升修正系数。

在上述第二步在线监测变压器运行参数中，包括利用上位机(4)发去数据监测指令，由安装在变压器顶部的顶层油温度监测模块(1)在线监测变压器顶层油温度，并由安装在馈线保护测控盘内的负荷电流监测模块(2)在线监测变压器牵引绕组电流、正馈绕组电流，其监测数据再通过前置通信模块(3)上传至上位机(4)

本发明针对所述第三步的计算结果设有预警值，若计算所得的温度值超过其预警值时，系统报警信号。由此可以警报告知变电所值班人员等。

上述V/X接线牵引变压器内部温升计算公式的推导原理或推导过程大致如下：

根据V/X接线牵引变压器绕组接线方式，如图1所示，高压侧三相电流

与馈线电流的关系为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_A\\ {\stackrel{\·}{I}}_B\\ {\stackrel{\·}{I}}_C\end{array}\right]=\frac{1}{K}\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 0& 0\\ -1& -1& -1& -1\\ 0& 0& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{T\α}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{F\α}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{T\β}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{F\β}}\end{array}\right]$

根据热电类比原理，通过建立V/X接线牵引变压器内部温升热路模型，如图2所示，建立热路计算方程：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_A=\frac{{({\mathrm{\θ}}_{A.H}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TO}})}^{\frac{1}{n}}}{R_{A.H}}+C_{A.H}\frac{{\mathrm{d\θ}}_{A.H}}{\mathrm{dt}}\\ P_B=\frac{{({\mathrm{\θ}}_{B.H}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TO}})}^{\frac{1}{n}}}{R_{B.H}}+C_{B.H}\frac{{\mathrm{d\θ}}_{B.H}}{\mathrm{dt}}\\ P_{\mathrm{fe}}=\frac{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TO}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}})}^{\frac{1}{n}}}{R_{\mathrm{oil}.H}}+C_{\mathrm{oil}}\frac{{\mathrm{d\θ}}_{\mathrm{TO}}}{\mathrm{dt}}[\frac{{({\mathrm{\θ}}_{A.H}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TO}})}^{\frac{1}{n}}}{R_{A.H}}-\frac{{({\mathrm{\θ}}_{B.H}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TO}})}^{\frac{1}{n}}}{R_{B.H}}]\end{array}\right.$

其中P_A表示A绕组铜耗，P_B表示B绕组铜耗，P_fe表示变压器铁耗，θ_A.H表示A绕组热点温度，θ_B.H表示B绕组热点温度，θ_TO表示顶层油温度，θ_amb表示环境温度，R_A.H表示A绕组热点区域对顶层油的热阻，R_B.H表示B绕组热点区域对顶层油的热阻，R_th.oil表示顶层油对空气的热阻，C_A.H表示A绕组的热容，C_B.H表示B绕组的热容，C_oil表示油的热容。

在非额定情况下，A绕组高压侧绕组、牵引绕组、正馈绕组的铜耗分别为P_Ahv、P_AT、P_AF：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{Ahv}}=\frac{I_A^2}{I_{A.R}^2}{P}_{\mathrm{Ahv}.R}=\frac{I_{\mathrm{T\α}}^2+I_{\mathrm{F\α}}^2+2I_{\mathrm{T\α}}{I}_{\mathrm{F\α}}}{K^2{I}_{A.R}^2}\·\frac{1}{2(1+2K)}{P}_{\mathrm{Cu}.R}\\ P_{\mathrm{AT}}=\frac{I_{\mathrm{T\α}}^2}{I_{\mathrm{T\α}.R}^2}{P}_{\mathrm{AT}.R}=\frac{I_{\mathrm{T\α}}^2}{K^2{I}_{A.R}^2}\·\frac{K}{2(1+2K)}{P}_{\mathrm{Cu}.R}\\ P_{\mathrm{AF}}=\frac{I_{\mathrm{F\α}}^2}{I_{\mathrm{F\α}.R}^2}{P}_{\mathrm{AF}.R}=\frac{I_{\mathrm{F\α}}^2}{K^2{I}_{A.R}^2}\·\frac{K}{2(1+2K)}{P}_{\mathrm{Cu}.R}\end{array}\right.$

A绕组的总铜耗为：

$P_A=P_{\mathrm{Ahv}}+P_{\mathrm{AV}}+P_{\mathrm{AF}}=\frac{(1+K){\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{T\α}}^2+(1+K){\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{F\α}}^2+2I_{\mathrm{T\α}}{I}_{\mathrm{F\α}}}{{2K}^2(1+2K)I_{A.R}^2}{P}_{\mathrm{Cu}.R}$

同理可得，B绕组的总铜耗为：

$P_B=P_{\mathrm{Bhv}}+P_{\mathrm{BT}}+P_{\mathrm{BF}}=\frac{(1+K){\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{T\β}}^2(1+K){\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{F\β}}^2+2I_{\mathrm{T\β}}{I}_{\mathrm{F\β}}}{{2K}^2(1+2K)I_{B.R}^2}{P}_{\mathrm{Cu}.R}$

绕组热时间常数τ_W＝R_A.H.RC_A.H＝R_B.H.RC_B.H，连续额定负荷下绕组热点温升

可得V/X接线牵引变压器内部温升计算公式：

$\frac{(1+K)I_{\mathrm{T\α}}^2+(1+K)I_{\mathrm{F\α}}^2+{2I}_{\mathrm{T\α}}{I}_{\mathrm{F\α}}}{K^2(1+2K)I_{A.R}^2}\·{\mathrm{\Δ\θ}}_{H.R}^{\frac{1}{n}}={({\mathrm{\θ}}_{A.H}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TO}})}^{\frac{1}{n}}+{\mathrm{\τ}}_W\frac{{\mathrm{d\θ}}_{A.H}}{\mathrm{dt}}$

$\frac{(1+K)I_{\mathrm{T\β}}^2+(1+K)I_{\mathrm{F\β}}^2+{2I}_{\mathrm{T\β}}{I}_{\mathrm{F\β}}}{K^2(1+2K)I_{A.R}^2}\·{\mathrm{\Δ\θ}}_{H.R}^{\frac{1}{n}}={({\mathrm{\θ}}_{B.H}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TO}})}^{\frac{1}{n}}+{\mathrm{\τ}}_W\frac{{\mathrm{d\θ}}_{B.H}}{\mathrm{dt}}$

本发明的技术效果是，通过在线监测V/X接线牵引变压器牵引绕组电流、正馈绕组电流和顶层油温度，利用基于V/X接线牵引变压器内部温升热路模型建立的温升计算公式进行数据处理，在线监测变压器内部温升；与以往的温升监测方法相比，本发明特别针对运用广泛于我国重载和高速铁路的V/X接线牵引变压器，系统结构简单，需要监测的数据量少并易于监测，数据处理过程简单，对计算机性能要求较低，普通工控机就能满足运算要求，计算精确度较高。

附图说明

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

图1是V/X接线牵引变压器绕组接线图

图2是V/X接线牵引变压器内部温升热路模型图

图3是V/X接线牵引变压器内部温升在线监测系统工作流程图

图4是V/X接线牵引变压器内部温升在线监测系统结构图

具体实施方式

本发明包括以下三步骤，见图3：

第一步，获取变压器相关参数，包括从变压器铭牌读取变压器额定电压、额定电流和额定情况下顶层油温升；从变压器温升试验报告或出厂试验报告或经验公式获取绕组热时间常数、额定情况下绕组热点温升，并将这些参数输入上位机软件。

第二步，系统完成初始化和自检后，上位机4根据设置的监测时间间隔下发通信命令，利用安装在变压器顶部温度计座处的顶层油温度监测模块1在线监测V/X接线牵引变压器顶层油温度，和利用安装在馈线保护测控盘内的负荷电流监测模块2在线监测V/X接线牵引变压器牵引绕组电流、正馈绕组电流，并将监测数据通过前置通信模块3上传至位于变电所主控室的上位机4，见图4。

第三步，上位机利用下列算式对监测数据进行计算处理，得出变压器内部温升：

$\frac{(1+K)I_{\mathrm{T\α}}^2+(1+K)I_{\mathrm{F\α}}^2+{2I}_{\mathrm{T\α}}{I}_{\mathrm{F\α}}}{K^2(1+2K)I_{A.R}^2}\·{\mathrm{\Δ\θ}}_{H.R}^{\frac{1}{n}}={({\mathrm{\θ}}_{A.H}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TO}})}^{\frac{1}{n}}+{\mathrm{\τ}}_W\frac{{\mathrm{d\θ}}_{A.H}}{\mathrm{dt}}$

$\frac{(1+K)I_{\mathrm{T\β}}^2+(1+K)I_{\mathrm{F\β}}^2+{2I}_{\mathrm{T\β}}{I}_{\mathrm{F\β}}}{K^2(1+2K)I_{A.R}^2}\·{\mathrm{\Δ\θ}}_{H.R}^{\frac{1}{n}}={({\mathrm{\θ}}_{B.H}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TO}})}^{\frac{1}{n}}+{\mathrm{\τ}}_W\frac{{\mathrm{d\θ}}_{B.H}}{\mathrm{dt}}$

式中，I_A.R表示高压侧A相额定电流，I_Tα表示A绕组侧牵引绕组电流，I_Fα表示A绕组侧正馈绕组电流，I_Tβ表示B绕组侧牵引绕组电流，I_Fβ表示B绕组侧正馈绕组电流，θ_A.H表示A绕组热点温度，θ_B.H表示B绕组热点温度，θ_TO表示顶层油温度，Δθ_H.R表示额定情况下绕组热点温升，τ_W表示绕组热时间常数，K表示变压器变比，n表示温升修正系数。

本发明在上位机软件中设有变压器热点温度预警值，根据第三步的分析计算结果，若温升超过所设置的预警值时，系统报警信号，由此可告知变电所人员。

举例说明：

某V/X接线牵引变压器，额定电压为110/2×27.5kV，高压额定电流为90.9/157.45/90.9A，空载损耗为22.04kW，负载损耗为85.50kW，连续额定负荷下顶层油温升为55K，绕组热点温升为80K，油时间常数为5min。监测时间间隔设置为1min，变压器热点温度预警值设定为110℃，温升修正系数为0.8。

系统完成初始化和自检后，上位机根据设置的监测时间间隔下发通信命令，利用安装在变压器顶部的顶层油温度监测模块1在线监测V/X接线变压器顶层油温度，和利用安装在馈线保护测控盘内的负荷电流监测模块2在线监测V/X接线变压器负荷电流，如表1所示。

表1在线监测的V/X接线牵引变压器负荷电流、顶层油温度

根据本发明中的公式，可实时得到V/X接线牵引变压器A绕组和B绕组的热点温度，如表2所示。

表2V/X接线牵引变压器A绕组和B绕组的热点温度

表2中的数据反映了V/X变压器内部温度，由于计算后得到的实时热点温度没有超过预警值，系统不会报警。

Claims (3)

1.一种V/X接线牵引变压器内部温升在线监测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步，获取变压器相关参数，包括变压器额定电压、额定电流、绕组热时间常数、额定情况下顶层油温升和绕组热点温升，顶层油温升为顶层油温度与环境温度的差值，绕组热点温升为绕组热点温度与顶层油温度的差值；

第二步，在线监测V/X接线牵引变压器牵引绕组电流、正馈绕组电流和顶层油温度；

第三步，利用下列算式，对监测数据进行计算处理，得出V/X接线牵引变压器运行中内部温升；

$\frac{(1+K)I_{\mathrm{T\α}}^2+(1+K)I_{\mathrm{F\α}}^2+2I_{\mathrm{T\α}}{I}_{\mathrm{F\α}}}{K^2(1+2K)I_{A.R}^2}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{H.R}^{\frac{1}{n}}={({\mathrm{\θ}}_{A.H}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TO}})}^{\frac{1}{n}}+{\mathrm{\τ}}_W\frac{d{\mathrm{\θ}}_{A.H}}{\mathrm{dt}}$

$\frac{(1+K)I_{\mathrm{T\β}}^2+(1+K)I_{\mathrm{F\β}}^2+2I_{\mathrm{T\β}}{I}_{\mathrm{F\β}}}{K^2(1+2K)I_{A.R}^2}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{H.R}^{\frac{1}{n}}={({\mathrm{\θ}}_{B.H}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TO}})}^{\frac{1}{n}}+{\mathrm{\τ}}_W\frac{d{\mathrm{\θ}}_{B.H}}{\mathrm{dt}}$

式中，I_A.R表示高压侧A相额定电流，I_Tα表示A绕组侧牵引绕组电流，I_Fα表示A绕组侧正馈绕组电流，I_Tβ表示B绕组侧牵引绕组电流，I_Fβ表示B绕组侧正馈绕组电流，θ_A.H表示A绕组热点温度，θ_B.H表示B绕组热点温度，θ_TO表示顶层油温度，Δθ_H.R表示额定情况下绕组热点温升，τ_W表示绕组热时间常数，K表示变压器变比，n表示温升修正系数。

2.根据权利要求1所述的V/X接线牵引变压器内部温升在线监测方法，其特征在于在所述第二步是利用上位机(4)发去数据监测指令，由安装在变压器顶部的顶层油温度监测模块(1)在线监测变压器顶层油温度，并由安装在馈线保护测控盘内的负荷电流监测模块(2)在线监测变压器牵引绕组电流、正馈绕组电流，其监测数据再通过前置通信模块(3)上传至上位机(4)。

3.根据权利要求1或2所述的V/X接线牵引变压器内部温升在线监测方法，其特征在于针对所述第三步的计算结果设有预警值，计算所得的温度值超过其预警值时即发出报警信号。

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