CN108917982B - 一种油浸自冷层式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油浸自冷层式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法，将油浸自冷变压器层式绕组温度测控器与安装油面温度计、电流互感器、环境温度计连接在一起并实时采集相应的数据，同时输入变压器结构参数、绕组类型、结构尺寸参数；建立油浸自冷层式绕组变压器绕组与变压器油之间的热平衡方程；计算油浸自冷层式绕组变压器的绕组温度。本发明设计合理，其针对油浸自冷层式绕组变压器的特点，在现有测量变压器表层油温、绕组电流的基础上，还考虑了变压器结构形式、层式绕组结构和尺寸、自冷散热方式及散热器运行情况，使得对变压器各类工况下绕组温度的测量更加准确，有利于变压器运维人员及时掌握变压器运行状态。

Description

一种油浸自冷层式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法

技术领域

本发明属于变压器技术领域，尤其是一种油浸自冷层式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法。

背景技术

变压器运行温度对于判断变压器运行状态和绝缘老化程度具有重要作用，是变压器运维中需要密切关注的一项指标。由于油浸自冷层式绕组变压器绕组包裹于油纸绝缘系统中，其温度难以通过普通温度计测量。目前，常用的变压器绕组测温装置有两种，一种是在变压器内置光纤光栅等测温装置，直接测量绕组部位温度，此种方式测量准确，但结构复杂，影响变压器的绝缘、密封性能；另一种是通过“热模拟”的方法间接测量绕组温度，通过测量变压器表层油温和绕组电流，计算出绕组部位温度，此种方法易于实现，但是由于仅考虑了绕组电流的影响，测量误差较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、精度高且使用方便的油浸自冷层式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种油浸自冷层式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法，包括以下步骤：

步骤1、将油浸自冷变压器层式绕组温度测控器与安装在油浸自冷层式绕组变压器上的油面温度计、电流互感器、环境温度计连接在一起并实时采集相应的数据，同时输入变压器结构参数、绕组类型、结构尺寸参数；

步骤2、建立油浸自冷层式绕组变压器绕组与变压器油之间的热平衡方程；

步骤3、采用如下公式计算油浸自冷层式绕组变压器的绕组温度：

θ_w＝θ_O+Δθ_α+Δθ_β

式中，θ_w表示绕组温度，θ_O表示表层油温，Δθ_α表示绕组对内层油的平均温升，Δθ_β表示内层油对表层油的平均温升；其中：

所述Δθ_α计算方法为：

Δθ_α＝Δθ_a+Δθ_b+Δθ_c

式中，Δθ_a表示绕组对内层油的平均温升估算值，Δθ_b表示绕组绝缘对内层油温升的校正值，Δθ_c表示层数校正值；

所述Δθ_a的计算方法为：

有层间纵向油道时，Δθ_a＝0.065q^0.8，

无层间纵向油道时，Δθ_a＝0.078q^0.8，

式中，q表示绕组单位面积热负荷；

所述Δθ_b的计算方法为：

Δθ_b＝K₁q(n₁-n₂)

式中，K₁为与绝缘厚度有关的系数；

所述Δθ_c的计算方法为：

Δθ_c＝0.002(n₁-2n₃)qδ′

式中，n₃为绕组散热面总数，

所述Δθ_β计算方法为：

Δθ_β＝0.314p^0.8+(θ_A-θ_O)^0.6

式中，p为变压器油箱有效散热面积的单位面积热负荷，θ_A为外界空气温度。

所述步骤3后还包括如下步骤：油浸自冷变压器层式绕组温度测控器根据步骤3的计算结果，将绕组温度通过表头进行本地显示，或者通过远程显示装置进行远程显示。

所述油浸自冷变压器层式绕组温度测控器包括压电信号处理器、CT二次电流变送器、绕组温度计算模块和绕组温度控制模块，该压电信号处理器的输入端与油面温度计及环境温度计相连接接收来自于变压器顶层油温和来自于端子箱内环境温度计的外界气温，所述CT二次电流变送器与电流互感器相连接并接收来自于变压器套管的绕组电流；所述压电信号处理器、CT二次电流变送器的输出端连接绕组温度计算模块，该绕组温度计算模块还接收变压器结构参数、绕组类型、结构尺寸参数进行绕组温度计算；所述绕组温度计算模块的输出端与绕组温度控制模块相连接，该绕组温度控制模块与表头、远程显示装置及变压器保护装置相连接，通过表头和远程显示装置在就地和远方显示绕组温度，同时在绕组温度达到不同级别告警值时向变压器保护装置发出不同信号。

所述步骤2建立的热平衡方程为：

m₁c₁Δθ₁+(Δθ₁-Δθ₂)A₁k₁dt＝P₁dt

m₂c₂Δθ₂+Δθ₂A₂k₂dt＝(Δθ₁-Δθ₂)A₁k₁dt

上式中，下标1和2分别表示绕组和变压器油，m表示重量，c表示比热容，k表示总传热系数，Δθ表示温升，dt表示时间的微分，A表示对流表面积，P表示损耗功率。

所述绕组单位面积热负荷q按如下公式计算：

其中，P_k为变压器负载损耗，S为绕组的有效散热面积

式中，m为绕组撑条数量，t为绕组撑条宽度，R₁、R₂、R₃、R₄和H₁为层式绕组尺寸；

K₁为与绝缘厚度有关的系数

n₁为层式绕组总层数，n₂为绕组油道数；

所述变压器油箱有效散热面积的单位面积热负荷p的计算方法为：

式中P₀和P_k分别为变压器空载损耗和负载损耗，S₁、S₂和S₃分别为油箱顶盖有效散热面积、箱壁有效散热面积和片式散热器有效散热面积。

本发明的优点和效果：

本发明针对油浸自冷层式绕组变压器的特点，在现有测量变压器表层油温、绕组电流的基础上，还考虑了变压器结构形式、层式绕组结构和尺寸、自冷散热方式及散热器运行情况，建立了新的绕组温度计算方法，使得对变压器各类工况下绕组温度的测量更加准确，基于绕组温度发出的各类超温报警和跳闸信号更加及时可靠，有利于变压器运维人员及时掌握变压器运行状态，也为变压器绝缘老化的精确评估评估建立了基础。

附图说明

图1是本发明使用的变压器绕组测温系统原理图；

图2是油浸自冷变压器层式绕组温度测控器的电控原理图；

图3是油浸式自冷层式绕组变压器的绕组示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种油浸自冷层式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法，是在如图1所示的绕组测温系统上实现的，在油浸自冷层式绕组变压器上安装有变压器升高座3、变压器套管1、端子箱7、散热片6、温度计油杯5。所述端子箱和自冷控制箱安装在变压器侧壁上，在端子箱内安装有油浸自冷变压器层式绕组温度测控器和环境温度计，在端子箱表面上安装有表头8。所述温度计油杯安装在变压器顶盖处且其内部安装有油面温度计4，在变压器套管上安装有电流互感器2。油浸自冷变压器层式绕组温度测控器是绕组测温系统的核心部分，该油浸自冷变压器层式绕组温度测控器与电流互感器、油面温度计、表头、远程显示装置9相连接，其中表头用于本地显示，远程显示装置安装于变电站主控室或集成于后台监控装置内用于远程显示。

如图2所示，油浸自冷变压器层式绕组温度测控器包括压电信号处理器、CT二次电流变送器、绕组温度计算模块、绕组温度控制模块，该压电信号处理器的输入端与油面温度计及环境温度计相连接接收来自于油面温度计的变压器顶层油温和来自于端子箱内环境温度计的外界气温，所述CT二次电流变送器与电流互感器相连接并接收来自于变压器套管的绕组电流；所述压电信号处理器、CT二次电流变送器的输出端连接绕组温度计算模块，该绕组温度计算模块还接收变压器结构参数、绕组类型、结构尺寸参数等参数进行绕组温度计算。所述绕组温度计算模块的输出端与绕组温度控制模块相连接，该绕组温度控制模块与表头、远程显示装置及变压器保护装置相连接，通过表头和远程显示装置在就地和远方显示绕组温度，同时在绕组温度达到不同级别告警值时向变压器保护装置发出不同信号。

图2给出的油面温度计信号采集和就地显示只是其中一种方式，其连接方式适用于油面温度计温包采用毛细管形式，就地显示表头采用数字显示方式。还可以采用其他方式

(1)油面温度计温包采用铂电阻形式，就地显示表头采用数字显示方式，此时油面温度计与油浸自冷变压器层式绕组温度测控器直连，无需经过压电变送器；

(2)油面温度计温包采用毛细管形式，就地显示表头采用机械指针方式，此时油面温度计分出两路信号，一路经压电变送器进入油浸自冷变压器层式绕组温度测控器，一路接表头，表头不再接收油浸自冷变压器层式绕组温度测控器输出信号。

基于上述绕组测温系统，本发明的测温方法包括以下步骤：

步骤1、将油浸自冷变压器层式绕组温度测控器与安装在油浸自冷层式绕组变压器上的油面温度计、电流互感器、环境温度计连接在一起并实时采集相应的数据，同时输入变压器结构参数、绕组类型、结构尺寸参数。

步骤2、建立油浸自冷层式绕组变压器绕组与变压器油之间的热平衡方程。

由于变压器的温升和散热是一个动态稳定系统，该系统包含绕组、铁心和变压器油三种主要物质以及纸板等其他绝缘材料、变压器外壳及外部空气。该系统中，铁心和绕组均为热源，分别由变压器空载损耗和负载损耗构成。铁心和绕组之间有绝缘，在此处忽略他们之间的热交换，仅考虑绕组-变压器油的热循环系统。在绕组最热点与绕组外部，通过热传导传热；在绕组与变压器油之间，通过对流传热；在内层油与表层油之间，通过对流传热。绕组与变压器油之间的热平衡方程为：

m₁c₁Δθ₁+(Δθ₁-Δθ₂)A₁k₁dt＝P₁dt

m₂c₂Δθ₂+Δθ₂A₂k₂dt＝(Δθ₁-Δθ₂)A₁k₁dt

上述热平衡方程中，下标1和2分别表示绕组和变压器油。m表示重量，c表示比热容，k表示总传热系数，Δθ表示温升，dt表示时间的微分，A表示对流表面积，P表示损耗功率。

在层式绕组变压器中，既有垂直油道，又有水平油道，因此传热系数k与油流的流动情况有关，即与油道高度(宽度)、绕组辐向尺寸、单位面积热负荷、散热形式和外部气温有关；损耗功率P以铜损为主，因此与绕组电流有关。

步骤3、采用如下公式计算油浸自冷层式绕组变压器的绕组温度：

θ_w＝θ_O+Δθ_α+Δθ_β

式中，θ_w表示绕组温度，θ_O表示表层油温，Δθ_α表示绕组对内层油的平均温升，Δθ_β表示内层油对表层油的平均温升。

(1)绕组对内层油的平均温升Δθ_α计算方法为：

Δθ_α＝Δθ_a+Δθ_b+Δθ_c

式中，Δθ_a表示绕组对内层油的平均温升估算值，Δθ_b表示绕组绝缘对内层油温升的校正值，Δθ_c表示层数(油道)校正值。

①Δθ_a的计算

对于油浸式层式绕组变压器，

有层间纵向油道时，Δθ_a＝0.065q^0.8，

无层间纵向油道时，Δθ_a＝0.078q^0.8

式中q表示绕组单位面积热负荷，按下式计算：

其中P_k为变压器负载损耗，S为绕组的有效散热面积

式中，m为绕组撑条数量，t为绕组撑条宽度，R₁、R₂、R₃、R₄和H₁为层式绕组尺寸，如图3所示，图中，1是变压器铁心，2是内绕组3是外绕组。

②Δθ_b的计算

Δθ_b＝K₁q(n₁-n₂)

K₁为与绝缘厚度有关的系数，

n₁为层式绕组总层数，n₂为绕组油道数

③Δθ_c的计算

Δθ_c＝0.002(n₁-2n₃)qδ′

n₃为绕组散热面总数，

(2)内层油对表层油的平均温升Δθ_β计算

对于油浸式自冷变压器

Δθ_β＝0.314p^0.8+(θ_A-θ_O)^0.6

式中，p为变压器油箱有效散热面积的单位面积热负荷，θ_A为外界空气温度

式中，P₀和P_k分别为变压器空载损耗和负载损耗，S₁、S₂和S₃分别为油箱顶盖有效散热面积、箱壁有效散热面积和片式散热器有效散热面积。

步骤4、油浸自冷变压器层式绕组温度测控器根据计算结果，将绕组温度通过表头进行本地显示，或通过远程显示装置进行远程显示。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种油浸自冷层式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、将油浸自冷变压器层式绕组温度测控器与安装在油浸自冷层式绕组变压器上的油面温度计、电流互感器、环境温度计连接在一起并实时采集相应的数据，同时输入变压器结构参数、绕组类型、结构尺寸参数；

步骤2、建立油浸自冷层式绕组变压器绕组与变压器油之间的热平衡方程；

步骤3、采用如下公式计算油浸自冷层式绕组变压器的绕组温度：

θ_w＝θ_O+Δθ_α+Δθ_β

式中，θ_w表示绕组温度，θ_O表示表层油温，Δθ_α表示绕组对内层油的平均温升，Δθ_β表示内层油对表层油的平均温升；其中：

所述Δθ_α计算方法为：

Δθ_α＝Δθ_a+Δθ_b+Δθ_c

式中，Δθ_a表示绕组对内层油的平均温升估算值，Δθ_b表示绕组绝缘对内层油温升的校正值，Δθ_c表示层数校正值；

所述Δθ_a的计算方法为：

有层间纵向油道时，Δθ_a＝0.065q^0.8，

无层间纵向油道时，Δθ_a＝0.078q^0.8，

式中，q表示绕组单位面积热负荷；

所述Δθ_b的计算方法为：

Δθ_b＝K₁q(n₁-n₂)

式中，K₁为与绝缘厚度有关的系数，n₁为层式绕组总层数，n₂为绕组油道数；

所述Δθ_c的计算方法为：

Δθ_c＝0.002(n₁-2n₃)qδ′

式中，n₃为绕组散热面总数，

所述Δθ_β计算方法为：

Δθ_β＝0.314p^0.8+(θ_A-θ_O)^0.6

式中，p为变压器油箱有效散热面积的单位面积热负荷，θ_A为外界空气温度；

式中P₀和P_k分别为变压器空载损耗和负载损耗，S₁、S₂和S₃分别为油箱顶盖有效散热面积、箱壁有效散热面积和片式散热器有效散热面积。

2.根据权利要求1所述的一种油浸自冷层式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法，其特征在于：所述步骤3后还包括如下步骤：油浸自冷变压器层式绕组温度测控器根据步骤3的计算结果，将绕组温度通过表头进行本地显示，或者通过远程显示装置进行远程显示。

3.根据权利要求1或2所述的一种油浸自冷层式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法，其特征在于：所述油浸自冷变压器层式绕组温度测控器包括压电信号处理器、CT二次电流变送器、绕组温度计算模块和绕组温度控制模块，该压电信号处理器的输入端与油面温度计及环境温度计相连接接收来自于变压器顶层油温和来自于端子箱内环境温度计的外界气温，所述CT二次电流变送器与电流互感器相连接并接收来自于变压器套管的绕组电流；所述压电信号处理器、CT二次电流变送器的输出端连接绕组温度计算模块，该绕组温度计算模块还接收变压器结构参数、绕组类型、结构尺寸参数进行绕组温度计算；所述绕组温度计算模块的输出端与绕组温度控制模块相连接，该绕组温度控制模块与表头、远程显示装置及变压器保护装置相连接，通过表头和远程显示装置在就地和远方显示绕组温度，同时在绕组温度达到不同级别告警值时向变压器保护装置发出不同信号。

4.根据权利要求1或2所述的一种油浸自冷层式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法，其特征在于：所述步骤2建立的热平衡方程为：

m₁c₁Δθ₁+(Δθ₁-Δθ₂)A₁k₁dt＝P₁dt

m₂c₂Δθ₂+Δθ₂A₂k₂dt＝(Δθ₁-Δθ₂)A₁k₁dt

上式中，下标1和2分别表示绕组和变压器油，m₁和m₂分别表示绕组和变压器油的重量，c表示比热容，k表示总传热系数，Δθ表示温升，dt表示时间的微分，A表示对流表面积，P表示损耗功率。

5.根据权利要求1或2所述的一种油浸自冷层式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法，其特征在于：所述绕组单位面积热负荷q按如下公式计算：

其中，P_k为变压器负载损耗，S为绕组的有效散热面积

式中，m为绕组撑条数量，t为绕组撑条宽度，R₁、R₂、R₃、R₄和H₁为层式绕组尺寸；K₁为与绝缘厚度有关的系数

n₁为层式绕组总层数，n₂为绕组油道数。

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