CN102435334B - 一种变压器绕组温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器绕组温度测量方法，通过对变压器绕组温升特性进行数学建模，利用软件计算的方法达到热模拟的目的。包括：利用油温传感器测量变压器顶层油温。利用测量变流器的输出电流来间接测量变压器的工作电流。根据温升与电流对应表，通过关系计算模块，确定变压器输出不同电流时的平均温升。通过数学建模，利用热模拟计算模块完成热模拟，计算得出当前的温度偏移量。通过加法运算，将变压器油层温度与温度偏移量相加，得到当前的变压器绕组温度。使变压器绕组温度测量实现可靠性高、自动化程度高、使用和维护方便、使用寿命长的效果。

Description

一种变压器绕组温度测量方法

技术领域

本发明涉及一种温度测量方法，特别涉及一种适用于变压器绕组的数字式温度测量方法。

背景技术

变压器绕组的热特性决定了电力变压器的负载能力及其绝缘可用寿命，这使得变压器绕组温度成为影响电力变压器正常工作的决定性因素。因此及时掌握变压器的绕组温度，对确保变压器的安全、经济运行具有重要意义。目前测量变压器绕组温度的方法主要是采用机械式的变压器绕组温度测量方法，通过热模拟原理近似地测量出变压器绕组温度，但是受到传统机械的结构限制，该机械式温度测量方法不仅测量精度低，需要经常校准，无法精确反映绕组温度；而且自动化程度低，不便于操作，使用寿命短，影响工作效率。

发明内容

本发明主要解决现有变压器绕组温度测量方法受机械结构限制无法精确测量绕组温度，自动化程度低，不便于操作等技术问题，提供一种具有调校方便、测量精度高、重复性好、不需要经常校准、自动化程度高、使用寿命长的变压器绕组温度测量方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种变压器绕组温度测量方法，其特征在于是通过微处理器进行热模拟以完成变压器绕组温度的测量，所述方法包括以下步骤：

(一)利用油温传感器测量变压器顶层油温T₀；

(二)利用测量变流器的输出电流I_t间接得到变压器的输出电流；

(三)根据温升与电流对应表，利用电流I_t，通过关系计算模块，确定变压器输出不同电流时的平均温升ΔT；

(四)利用用户设定的响应时间常数τ和采样周期Ts，得到与热模拟响应时间有关的影响附加温升特性的参数a；

(五)通过数学建模，利用热模拟计算模块完成热模拟，计算得出当前的温度偏移量Y(n)；

(六)通过加法运算，将变压器油层温度T0与温度偏移量Y(n)相加，得到当前的变压器绕组温度。

所述的关系计算模块，进一步包括以下方法：根据温升与电流对应表，通过最小二乘法，拟合出附加温升ΔT和变流器输出电流I_t的计算公式：ΔT＝a₀+a₁×I_t+a₂×I_t ²，

其中：a₀＝-0.592166414611468，a₁＝1.92532306426727E-03，a₂＝1.72397453373464E-05，根据该公式计算得到平均温升ΔT。

所述对影响附加温升的参数a的计算，进一步包括以下方法：应用一阶系统函数计算参数a，其计算公式为：

$a=\frac{\mathrm{Ts}}{\mathrm{Ts}+\mathrm{\τ}}$

其中，τ为设定的响应时间常数，Ts为采样周期。

所述的热模拟计算模块，进一步包括以下方法：将变流器的输出电流I_t、平均温升ΔT等参数与时间的关系进行数学建模，利用一阶滞后响应系统作为变压器的温升模型，则一阶滞后响应系统热模拟计算模块的差分方程为：

Y(n)＝aΔT(n)+(1-a)Y(n-1)

其中，ΔT(n)为当前的变压器输出电流所对应的稳态平均温升，Y(n)为当前的温度偏移量；Y(n-1)为上一次采样时的温度偏移量；a是与响应时间相关的参数。

所述的加法运算模块，进一步包括以下步骤：变压器绕组平均温度值计算公式为：T_r＝T₀+Y(n)，计算得到变压器绕组温度。

本发明的有益效果是：通过对变压器绕组温升特性进行数学建模，利用软件计算的方法达到热模拟的目的，充分利用微处理器技术，改善原有变压器绕组温度测量方法误差大、难操作等问题，达到精度和可靠性高，自动化程度高，使用、调节和维护方便，不需要经常校准，使用寿命长的效果。

附图说明

附图1工作原理框图；

附图2加热器典型温升曲线；

附图3热模拟特性-温升与电流对应表；

附图4一阶系统的阶跃响应曲线；

附图5变压器绕组温度测量、计算的软件流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的技术方案和工作原理做进一步具体的说明。

参见附图1，本发明一种变压器绕组温度测量方法是利用数学建模来实现热模拟效果。变流器1与变压器相连，用于间接地测量变压器的输出电流。对变流器1输出的电流进行测量，得到一个与变压器负荷成正比的有效电流值，并提供给关系计算模块2。关系计算模块2由微处理器软件计算实现，根据变流器1输出的电流与温升的对应关系，计算变压器输出某个电流值时，绕组达到热平衡后的平均温升。热模拟计算模块3同样由微处理器软件计算完成，依据变压器的温升特性，根据关系计算模块2所得到的当前变压器平均温升和用户设定的热响应时间常数，计算出当前的温度偏移量。油温传感器4采用热敏电阻，如铠装的热电阻PT100，用于测量变压器的顶层油温。加法计算模块5对上述所得数据进行整合处理，计算得出绕组温度。响应时间设定模块6用于设定热响应时间。温度显示与控制模块7用于输出计算结果并实现相关的控制，如冷却、跳闸控制等。

本发明一种变压器绕组温度测量方法的工作原理是：

通过测量变压器油层温度，叠加一个和变压器输出电流有关的温度偏移量，作为变压器绕组的平均温度值。运用热模拟原理，即根据IEC354《变压器负载导则》的规定，油浸式电力变压器绕组温度T_r可等效为：

T_r＝T₀+K_i ΔT

即绕组热点温度是附加温升_ΔT与顶层油温T₀的函数。式中_ΔT是热模拟装置提供的附加温升，K_i为与变压器结构有关的热点系数。式中T₀可以使用油温传感器4获得，其原理是利用热敏电阻感应顶层油温的变化，该技术已经非常成熟，可以用铠装的热电阻PT100来实现。换言之，如能测得热模拟装置提供的附加温升_ΔT，也就能得出绕组热点温度T_r。

本发明的具体方法是通过数学建模，利用一阶滞后响应系统来模拟变压器绕组的温升特性。将变压器的电流I_h、平均温升ΔT等参数与时间的关系进行数学建模，通过微处理器计算出当前的绕组附加温度偏移量。参见附图2是一个典型的加热器加入固定大小的电流时的温升曲线。分析该曲线，可以发现其与一阶系统具有近似的特性。本发明中即采用一阶滞后响应系统来描述模拟变压器绕组发热的加热器模型。一阶系统S域的传递函数为：

$H\left(S\right)=\frac{1}{\mathrm{TS}+1}$

计算当前绕组附加温度偏移量的具体实现步骤如下：

步骤1：由于变压器的输出电流过大，在实际应用中，一般通过变流器来间接测量变压器的输出电流。当变压器带上负荷后，与其负荷成正比的电流经变流器1变换，向关系计算模块2提供一个电流信号I_t。

步骤2：参见附图3，为国家行业标准JB/T 8450-2005中规定变流器输出0.5A～5A的附加电流时，热模拟装置所产生的附加温升对应表格。根据该温升与电流对应表，可以确定热模拟装置所产生的平均温升ΔT。通过最小二乘法，可以拟合出附加温升ΔT和变流器输出电流I_t的数学表达式，即为关系计算模块2的运算公式：

ΔT＝a₀+a₁×I_t+a₂×I_t ²

其中：a0＝-0.592166414611468，a1＝1.92532306426727E-03，a2＝1.72397453373464E-05.

步骤3：由于附加温升与热模拟响应时间有关，设与响应时间相关的参数为a，一阶系统的时间常数为τ，采样周期为Ts，根据一阶系统函数，则有：

$a=\frac{\mathrm{Ts}}{\mathrm{Ts}+\mathrm{\τ}}$

参见附图4一阶系统的阶跃响应曲线可知，当时间t为4τ时，输出值为稳态值的98.2％，可近似作为稳态响应值；设一阶系统的温升响应时间为

，则有；由于国家行业标准JB/T 8450-2005中要求热模拟时间常数不大于9min，即540s，故有

，τ≤135s。

进一步的，设采样速率为Fs，一阶响应系统的闭环带宽为F_BW，则根据技术和成本的实践经验，在实际应用中，选择采样速率大于20倍的闭环带宽F_BW较为合理，即Fs＞20F_BW；因为Ts＝1/Fs，所以有：

$\mathrm{Ts}<\frac{1}{20F_{\mathrm{BW}}}$

对于一个上升时间为

的系统，可得闭环带宽F_BW为

即

因此可得采样周期Ts的合理取值范围为Ts＜0.4τ，即Ts＜54s；综合考虑测量结果的显示刷新率和控制输出的反应速度等因素，一般将Ts定为1s。

通过响应时间控制模块6确定响应时间τ和采样周期Ts后，即可计算得出参数a的具体数值。

步骤4：设n为系统采样次数变量，则热模拟计算模块3的差分方程为：

Y(n)＝a X(n)+(1-a)Y(n-1)

其中，X(n)为当前的变压器输出电流所对应的稳态平均温升，即第n次采样时的ΔT值，Y(n)为当前的温度偏移量；Y(n-1)为上一次采样时的温度偏移量；a是与响应时间相关的参数。根据上述一阶方程得到当前的温度偏移量Y(n)。

由于油浸式电力变压器绕组平均温度值为：变压器油层温度，叠加一个和变压器输出电流有关的温度偏移量。即完成热模拟后，变压器绕组平均温度值计算公式为：T_r＝T₀+Y(n)。计算所得的数值由温度显示与控制模块7输出，并加以调控。

本发明中的热模拟系统采用微处理器来实现。如附图1中所示的关系计算模块2和热模拟计算模块3采用微处理器技术，对相关数据进行分析处理。绕组温度测量、计算部分的软件流程如图5所示。利用本发明可以达到调节、使用方便，精度高，不需要经常校准，自动化程度高，响应时间可调，漂移小的效果。

Claims (2)

1.一种变压器绕组温度测量方法，其特征在于是通过微处理器进行热模拟以完成变压器绕组温度的测量，所述方法包括以下步骤：

(一)利用油温传感器测量变压器顶层油温T0；

(二)利用测量变流器输出的电流It间接得到变压器的输出电流；

(三)根据温升与电流对应表，利用电流It，通过关系计算模块，确定变压器输出不同电流时的附加温升ΔT；

(四)利用用户设定的响应时间常数τ和采样周期Ts，得到与热模拟响应时间有关的影响附加温升特性的参数a；所述参数a的计算方式为应用一阶系统函数计算参数a，其计算公式为：

$a=\frac{\mathrm{Ts}}{\mathrm{Ts}+\mathrm{\&tau;}}$

其中，τ为设定的响应时间常数，Ts为采样周期。

(五)通过数学建模，利用热模拟计算模块完成热模拟，计算得出当前的温度偏移量Y(n)；所述温度偏移量Y(n)的计算方式为：将变流器输出的电流It、附加温升ΔT与时间的关系进行数学建模，利用一阶滞后响应系统作为变压器的温升模型，则一阶滞后响应系统热模拟计算模块的差分方程为：

Y(n)＝aΔT(n)+(1-a)Y(n-1)

其中，ΔT(n)为当前的变压器输出电流所对应的稳态附加平均温升，Y(n)为当前的温度偏移量；Y(n-1)为上一次采样时的温度偏移量；a是与响应时间相关的参数。

(六)通过加法运算，将变压器顶层油温T0与温度偏移量Y(n)相加，得到当前的变压器绕组温度。

2.如权利要求1所述的一种变压器绕组温度测量方法，其特征在于：所述步骤(三)的附加温升ΔT的计算，进一步包括以下步骤：根据温升与电流对应表，通过最小二乘计算法，拟合出附加温升ΔT和变流器输出的电流It的计算公式：ΔT＝a₀+a₁×I_t+a₂×I_t ²，

其中：a₀＝-0.592166414611468，a₁＝1.92532306426727E-03，a₂＝1.72397453373464E-05，根据该公式计算得到附加温升ΔT。

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