CN104316207A - 一种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置及方法，其以变压器绕组温度直接关联的绕组电阻为参量，建立变压器温升试验时的等效电路方程，在很短时间内改变外施的短路电压U₁，监测两个绕组中的电流I₁和I₂的变化，并将检测到的U₁、I₁、I₂值代入等效电路方程模型中，近似求解计算得到各个绕组的实时温度。相比现有技术本发明在变压器温升试验时监测变压器绕组温度更为便捷，而且不需要再增加额外的测量工作，实现起来简单、快速、方便。

Description

一种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置及方法。

背景技术

变压器温升直接关系到变压器的使用寿命和运行可靠性，是变压器型式试验项目之一。对于大型电力变压器进行温升试验，可验证变压器在额定工作条件下，主体总损耗产生的热量与散热装置达到热平衡的温度是否符合标准及技术协议的要求，并验证变压器产品结构的合理性，发现油箱和结构件上的可能存在的局部过热情况。进行温升试验一般采用短路法，即一侧绕组短路，另一侧绕组施加电压，利用变压器短路产生的损耗进行加热。在温升试验时，需测量和监控绕组的实时温度。目前，并没有简便的方法实现绕组温度的实时监控。常用的方法是在温升试验结束后测量绕组的热态电阻，折算出绕组的温度,但是这种方法不具备实时性。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提出一种简易且具备实时性的变压器温升试验时绕组温度实时监测装置及方法。

本发明采取的技术方案是：

一种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置，包括电源、变压器、电压互感器、第一电流互感器、第二电流互感器以及绕组温度实时监测装置，变压器的一侧绕组施加电压作为加压侧绕组，另一侧绕组短接作为短路侧绕组，所述电源的输出端与变压器加压侧绕组连接，电压互感器用于监测变压器加压侧绕组的两端电压U₁，第一电流互感器、第二电流互感器分别用于测量变压器加压侧、短路侧绕组中流过的电流I₁、I₂；所述电压互感器、第一电流互感器、第二电流互感器的信号输出端与绕组温度实时监测装置连接，所述绕组温度实时监测装置用于根据变压器各个绕组在80℃时的电阻值R、各绕组额定电压U_N、短路电压百分比u_k，按照公式计算各个绕组的漏电感L₁、L₂，其中f＝50Hz，并求得I₁、I₂对时间的导数和还用于在1min内改变外施电压U₁后，将两次获得的电压U₁、电流I₁、I₂以及和分别代入公式

$U_1=0.0032I_1{R}_{10}{T}_1+0.0032k{I}_2{R}_{20}{T}_2+0.752(I_1{R}_{10}+k{I}_2{R}_{20})+{\stackrel{.}{I}}_1{L}_1+k{\stackrel{.}{I}}_2{L}_2$

得到当前状态下变压器各绕组的实时温度T₁和T₂，其中R₁₀和R₂₀分别为变压器两个绕组80℃时的电阻值，T₁为加压侧绕组的温度，T₂为短路侧绕组的温度。

进一步的，所述绕组温度实时监测装置包括采样滤波单元、微分运算单元和处理分析单元，所述电压互感器、第一电流互感器、第二电流互感器的信号输出端与采样滤波单元的输入端连接，采样滤波单元的第一输出端与处理分析单元连接，采样滤波单元的第二输出端与微分运算单元的输入端连接，微分运算单元的输出端与处理分析单元连接。

进一步的，加压侧绕组的两端电压U₁以及加压侧、短路侧绕组中流过的电流I₁、I₂经过采样滤波单元采样滤波后输出给处理分析单元，微分运算单元用于将加压侧、短路侧绕组中流过的电流I₁、I₂经过采样滤波单元采样滤波后进行求导得到然后输送至处理分析单元，所述处理分析单元用于接收外部输入的各个绕组在80℃时的电阻值R、各绕组额定电压U_N、短路电压百分比u_k，按照公式计算各个绕组的漏电感L₁、L₂，其中f＝50Hz，还用于在1min内改变外施电压U₁后，将两次获得的电压U₁、电流I₁、I₂以及和分别代入公式

$U_1=0.0032I_1{R}_{10}{T}_1+0.0032k{I}_2{R}_{20}{T}_2+0.752(I_1{R}_{10}+k{I}_2{R}_{20})+{\stackrel{.}{I}}_1{L}_1+k{\stackrel{.}{I}}_2{L}_2$

得到当前状态下变压器各绕组的实时温度T₁和T₂。

一种变压器温升试验时绕组温度实时监测方法，包括如下步骤：

步骤一、根据变压器出厂铭牌参数，得到变压器各个绕组在80℃时的电阻值R、各绕组额定电压U_N、短路电压百分比u_k；

步骤二、根据公式计算各个绕组的漏电感L₁、L₂；

步骤三、进行变压器短路试验，在初始时刻测量并记录下外施短路电压U₁，两个绕组流过的电流I₁、I₂，同时求得I₁、I₂对时间的导数和

步骤四、在1min内，改变外施短路电压U₁，重复步骤三，得到此时的I₁、I₂、

步骤五、将两次测量得到的I₁、I₂、分别代入公式

$U_1=0.0032I_1{R}_{10}{T}_1+0.0032k{I}_2{R}_{20}{T}_2+0.752(I_1{R}_{10}+k{I}_2{R}_{20})+{\stackrel{.}{I}}_1{L}_1+k{\stackrel{.}{I}}_2{L}_2,$

即可分别求得当前状态下两个绕组的温度T₁和T₂，其中R₁₀和R₂₀分别为变压器两个绕组80℃时的电阻值，T₁为加压侧绕组的温度，T₂为短路侧绕组的温度。

本发明以变压器绕组温度直接关联的绕组电阻为参量，建立变压器温升试验时的等效电路方程，在很短时间内改变外施的短路电压U₁，监测两个绕组中的电流I₁和I₂的变化，并将检测到的U₁、I₁、I₂值代入等效电路方程模型中，近似求解计算得到各个绕组的实时温度，相比现有技术具有如下有益效果：

(1)提供了一种便捷的变压器绕组温度实时监测装置及方法；

(2)有利于在变压器进行温升试验时快速测量并分析计算出绕组温度，对控制温升试验过程大有裨益。

(3)只需根据短路试验过程中的电压、电流固有参量，即可计算；不需要再增加额外的测量工作，实现起来简单、快速、方便。

附图说明

图1是本发明变压器温升试验时绕组温度实时监测装置的结构示意图。

图中：1—电源，2—变压器，3—电压互感器，4—电流互感器，5—第二电流互感器，6—绕组温度实时监测装置，61—采样滤波单元，62—微分运算单元，63—处理分析单元。

具体实施方式

以下以双绕组变压器为例，对技术方案做进一步说明：

变压器温升试验时，一侧绕组加压，另一侧绕组短路，此时回路可由下述两式描述为：

$U_1=I_1{R}_1\left(T_1\right)+{\stackrel{.}{I}}_1{L}_1+N_1{\mathrm{\Φ}}_1$   式(1)

$N_2{\mathrm{\Φ}}_2=I_2{R}_2\left(T_2\right)+{\stackrel{.}{I}}_2{L}_2$   式(2)

式(1)中，U₁为加压侧绕组上的外施电压，I₁、R₁(T₁)、L₁、N₁、Φ₁分别为加压侧绕组的电流、电阻、电感、线圈匝数、磁通；为电流I₁对时间的导数；电阻R₁(T₁)与绕组温度T₁有关，为温度T₁的函数，T1为加压侧绕组的温度，I₂、R₂(T₂)、L₂、N₂、Φ₂为短路侧绕组的电流、电阻、电感、线圈匝数、磁通；为电流I₂对时间的导数；阻R₂(T₂)与绕组温度T₂关，为温度T₂函数，T₂为短路侧绕组的温度，

由于大型电力变压器均为强耦合，磁通耦合系数应为1，故有Φ₁＝Φ₂。同时，变压器的变比k＝N₁/N₂，则式(1)和式(2)可合并简化为：

$U_1=I_1{R}_1\left(T\right)+{\stackrel{.}{I}}_1{L}_1+k{I}_2{R}_2\left(T\right)+k{\stackrel{.}{I}}_2{L}_2$   式(3)

变压器的绕组电阻是温度T₁的函数，其表达式可写为：

R₁(T₁)＝R₁(80℃)·(235+T₁)/(235+80)＝3.2E-03·R₁(80℃)·(235+T₁)  式(4)

同理，有：

R₂(T₂)＝＝3.2E-03·R₂(80℃)·(235+T₂)  式(5)

其中，R₁(80℃)、R₂(80℃)为绕组80℃时的电阻值，可在变压器铭牌参数中获得。

电感L实质上为变压器漏电感，与电压、电流、温度无关，是固定量，可根据变压器铭牌参数，通过下式计算：

$L=\sqrt{{(U_N\·u_k\%)}^2-R^2}/2\mathrm{\πf}$   式(6)

其中，U_N为变压器额定电压，u_k为短路电压百分比，f为频率(50Hz)，R为该侧绕组的电阻，一般为20℃时的值，可在变压器出厂铭牌参数中获得。电感L₁和L₂均可利用式(6)计算出来。

结合式(4)～式(6)，式(3)可写成：

$U_1=0.0032I_1{R}_{10}{T}_1+0.0032k{I}_2{R}_{20}{T}_2+0.752(I_1{R}_{10}+k{I}_2{R}_{20})+{\stackrel{.}{I}}_1{L}_1+k{\stackrel{.}{I}}_2{L}_2$   式(7)

式(7)中，R₁₀和R₂₀分别为变压器两个绕组80℃时的电阻值。L₁和L₂根据式(6)计算可得。U₁、I₁、I₂可利用电压互感器、电流互感器配合功率分析仪或示波器测量得到，I₁和I₂可通过对电流的连续监测实时求导得到。故式(7)中只剩下T₁和T₂两个未知量。为求解T₁和T₂，可在很短时间(1分钟)内改变外施电压U₁，由于时间很短，绕组来不及散热，可认为绕组温度变换很缓慢，由此可得到第二组U₁、I₁、I₂，可计算得到当前两个绕组的实时温度。

如图1所示，本发明提供一种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置，包括电源1、变压器2、电压互感器3、第一电流互感器4、第二电流互感器5以及绕组温度实时监测装置6，变压器2的一侧绕组施加电压作为加压侧绕组，另一侧绕组短接作为短路侧绕组。

所述电源1的输出端与变压器2加压侧绕组连接，所述电源1用于施加电压至变压器2加压侧绕组两端；所述变压器2短路侧绕组短接。电压互感器3与变压器2的加压侧绕组并联连接，用于监测变压器2加压侧绕组的两端电压U₁；第一电流互感器4、第二电流互感器5分别与所述变压器2的加压侧绕组和短路侧绕组串联连接，分别用于测量变压器2加压侧、短路侧绕组中流过的电流I₁、I₂。所述电压互感器3、第一电流互感器4、第二电流互感器5的信号输出端与绕组温度实时监测装置6连接，所述绕组温度实时监测装置6用于根据电压互感器3和第一电流互感器4、第二电流互感器5获得的电压电流，经过运算分析，得到变压器3各绕组的实时温度。

所述绕组温度实时监测装置6包括采样滤波单元61、微分运算单元62和处理分析单元63，所述电压互感器3、第一电流互感器4、第二电流互感器5的信号输出端与采样滤波单元61的输入端连接，采样滤波单元61的第一输出端与处理分析单元63连接，采样滤波单元61的第二输出端与微分运算单元62的输入端连接，微分运算单元62的输出端与处理分析单元63连接。

所述采样滤波单元61用于对电压互感器3和第一电流互感器4、第二电流互感器5传送过来的电压信号U₁和电流信号I₁、I₂进行滤波和采样。滤波是为了消除电压和电流信号中的噪声及干扰，采样是为了实现电压电流的连续监测，并将模拟信号转换为数字信号。

转换为数字信号后的电流I₁和I₂，所述采样滤波单元61将其通过第二输出端分别输入微分运算单元62进行求导，得到

所述采样滤波单元6的输出信号U₁、I₁、I₂通过第一输出端输出给处理分析单元63，微分运算单元62的输出信号分别进入处理分析单元63，同时，变压器的铭牌信息中的各个绕组在80℃时的电阻值R(80℃)、各绕组额定电压U_N、短路电压百分比u_k也通过手动录入的方式进入处理分析单63。处理分析单元63根据公式计算出各个绕组的漏电感L，同时实时存储U₁、I₁、I₂、信号。

在进行温升试验时，先记录初始时刻t0下的U₁、I₁、I₂、信号；然后立刻改变加在变压器2两端的电压U₁，通过绕组温度实时监测装置5获得此刻t1下的U₁、I₁、I₂、信号，然后将两组数据联立起来，解方程式 $U_1=0.0032I_1{R}_{10}{T}_1+0.0032k{I}_2{R}_{20}{T}_2+0.752(I_1{R}_{10}+k{I}_2{R}_{20})+{\stackrel{.}{I}}_1{L}_1+k{\stackrel{.}{I}}_2{L}_2,$ 即可得到t1时刻的各个绕组的温度值。

由于绕组温度实时监测装置5利用电压互感器3和电流互感器(4、5)可实时获得温升试验任何时刻的电压和电流信号，因此，在温升试验时，利用本发明提供的技术方案即可实现对各绕组温度的实时监测与估算。

本发明还提供一种变压器温升试验时绕组温度实时监测方法，包括如下步骤：

步骤一、根据变压器出厂铭牌参数，得到变压器各个绕组在80℃时的电阻值R(80℃)、各绕组额定电压U_N、短路电压百分比u_k；

步骤二、根据公式计算各个绕组的漏电感L；

步骤三、进行变压器短路试验，在初始时刻测量并记录下外施短路电压U₁，两个绕组流过的电流I₁、I₂，同时利用测量系统的微分运算功能，求得I₁、I₂对时间的导数和

步骤四、在1min内，改变外施电压U₁，重复步骤三，得到此时的I₁、I₂、

步骤五、将两次测量得到的I₁、I₂、分别代入公式 $U_1=0.0032I_1{R}_{10}{T}_1+0.0032k{I}_2{R}_{20}{T}_2+0.752(I_1{R}_{10}+k{I}_2{R}_{20})+{\stackrel{.}{I}}_1{L}_1+k{\stackrel{.}{I}}_2{L}_2,$ 即可分别求得当前状态下两个绕组的温度T₁和T₂。

本发明相比现有技术的有益效果是：

(1)提供了一种便捷的变压器绕组温度实时监测装置及方法；

(2)有利于在变压器进行温升试验时快速测量并分析计算出绕组温度，对控制温升试验过程大有裨益。

(3)只需根据短路试验过程中的电压、电流固有参量，即可计算；不需要再增加额外的测量工作，实现起来简单、快速、方便。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置，其特征在于：包括电源(1)、变压器(2)、电压互感器(3)、第一电流互感器(4)、第二电流互感器(5)以及绕组温度实时监测装置(6)，变压器(2)的一侧绕组施加电压作为加压侧绕组，另一侧绕组短接作为短路侧绕组，所述电源(1)的输出端与变压器(2)加压侧绕组连接，电压互感器(3)用于监测变压器(2)加压侧绕组的两端电压U₁，第一电流互感器(4)、第二电流互感器(5)分别用于测量变压器(2)加压侧、短路侧绕组中流过的电流I₁、I₂；所述电压互感器(3)、第一电流互感器(4)、第二电流互感器(5)的信号输出端与绕组温度实时监测装置(6)连接，所述绕组温度实时监测装置(6)用于根据变压器各个绕组在80℃时的电阻值R、各绕组额定电压U_N、短路电压百分比u_k，按照公式计算各个绕组的漏电感L₁、L₂，其中f＝50Hz，并求得I₁、I₂对时间的导数和还用于在1min内改变外施电压U₁后，将两次获得的电压U₁、电流I₁、I₂以及和分别代入公式

$U_1=0.0032I_1{R}_{10}{T}_1+0.0032k{I}_2{R}_{20}{T}_2+0.752(I_1{R}_{10}+{\mathrm{kI}}_2{R}_{20})+{\stackrel{\·}{I}}_1{L}_1+k{\stackrel{\·}{I}}_2{L}_2$

得到当前状态下变压器(3)各绕组的实时温度T₁和T₂，其中R₁₀和R₂₀分别为变压器两个绕组80℃时的电阻值，T₁为加压侧绕组的温度，T₂为短路侧绕组的温度。

2.如权利要求1所述的变压器温升试验时绕组温度实时监测装置，其特征在于：所述绕组温度实时监测装置(6)包括采样滤波单元(61)、微分运算单元(62)和处理分析单元(63)，所述电压互感器(3)、第一电流互感器(4)、第二电流互感器(5)的信号输出端与采样滤波单元(61)的输入端连接，采样滤波单元(61)的第一输出端与处理分析单元(63)连接，采样滤波单元(61)的第二输出端与微分运算单元(62)的输入端连接，微分运算单元(62)的输出端与处理分析单元(63)连接。

3.如权利要求2所述的变压器温升试验时绕组温度实时监测装置，其特征在于：加压侧绕组的两端电压U₁以及加压侧、短路侧绕组中流过的电流I₁、I₂经过采样滤波单元(61)采样滤波后输出给处理分析单元(63)，微分运算单元(62)用于将加压侧、短路侧绕组中流过的电流I₁、I₂经过采样滤波单元(61)采样滤波后进行求导得到然后输送至处理分析单元(63)，所述处理分析单元(63)用于接收外部输入的各个绕组在80℃时的电阻值R、各绕组额定电压U_N、短路电压百分比u_k，按照公式计算各个绕组的漏电感L₁、L₂，其中f＝50Hz，还用于在1min内改变外施电压U₁后，将两次获得的电压U₁、电流I₁、I₂以及和分别代入公式

$U_1=0.0032I_1{R}_{10}{T}_1+0.0032k{I}_2{R}_{20}{T}_2+0.752(I_1{R}_{10}+{\mathrm{kI}}_2{R}_{20})+{\stackrel{\·}{I}}_1{L}_1+k{\stackrel{\·}{I}}_2{L}_2$

得到当前状态下变压器(3)各绕组的实时温度T₁和T₂。

4.一种变压器温升试验时绕组温度实时监测方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、根据变压器出厂铭牌参数，得到变压器各个绕组在80℃时的电阻值R、各绕组额定电压U_N、短路电压百分比u_k；

步骤二、根据公式计算各个绕组的漏电感L₁、L₂；

步骤三、进行变压器短路试验，在初始时刻测量并记录下外施短路电压U₁，两个绕组流过的电流I₁、I₂，同时求得I₁、I₂对时间的导数和

步骤四、在1min内，改变外施短路电压U₁，重复步骤三，得到此时的I₁、I₂、

步骤五、将两次测量得到的I₁、I₂、分别代入公式

$U_1=0.0032I_1{R}_{10}{T}_1+0.0032k{I}_2{R}_{20}{T}_2+0.752(I_1{R}_{10}+{\mathrm{kI}}_2{R}_{20})+{\stackrel{\·}{I}}_1{L}_1+k{\stackrel{\·}{I}}_2{L}_2,$

即可分别求得当前状态下两个绕组的温度T₁和T₂，其中R₁₀和R₂₀分别为变压器两个绕组80℃时的电阻值，T1为加压侧绕组的温度，T₂为短路侧绕组的温度。