CN108920774A - 一种油浸式变压器内部温度监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油浸式变压器内部温度监测方法，包括确定修正后的油指数和修正后的绕组指数、实时监测环境温度和绕组实际负载电流、实时监测油浸式变压器修正绕组指数和修正油指数后的顶层油温和热点温度等步骤。本发明的有益效果在于，借助基于动量守恒及能量守恒的全局油路、绕组区域热模型、双对数线性回归模型对反映负载率与内部温升关系的热特性参数——油指数和绕组指数进行解析计算，得到多倍负荷下的热特性参数修正值，并将其引入“两段式”导则模型进行油浸式变压器内部温度的计算。相比于标准所推荐的参考值，该方法提升了多倍负荷下变压器内部温度的计算精度。

Description

一种油浸式变压器内部温度监测方法

技术领域

本发明涉及电气绝缘在线检测与故障诊断领域，特别是一种油浸式变压器内部温度监测方法。

背景技术

油浸式变压器作为电力系统的核心设备，其高效安全运行对电力行业的运营发展起着至关重要的作用。变压器的工作寿命取决于内部绝缘性能，而热老化是其绝缘性能劣化的主要影响因素，故变压器的工作寿命与其内部温升息息相关。目前对变压器内部温升包括顶层油温升及热点温升的确定的一般手段是根据IEEE及IEC标准中“两段式”负载导则模型进行的，但随着电力负荷的增长，变压器时常面临着过载运行的情况，这将导致标准所推荐的热特性参数值用于内部温度计算时具有一定偏差。

发明内容

本发明的目的是提出一种油浸式变压器内部温度监测方法，该方法考虑了变压器热特性参数在多倍过负载下的计算修正值，使得其更适用于具有宽泛负载区间的油浸式变压器内部温度的计算。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种油浸式变压器内部温度监测方法，包括

步骤1：确定修正后的油指数和修正后的绕组指数；

所述确定修正后的油指数的方法为：

(1)令所述油浸式变压器顶层油温升ΔT_top计算模型为：

式中，ΔT_top,R为额定负载下顶层油温升；R为额定负载下负载损耗与空载损耗之比；n为油指数，用来描述顶层油温升随负载的变化趋势；I_pu为负载系数，T_top为顶层油温，T_amb为环境温度；

(2)利用双对数线性回归模型对油指数n进行回归估计，如下：

式中，令

利用最小二乘法辨识参数n，即：

式中，j为样本个数，i为标号；

所述确定修正后的绕组指数的方法为：

(1)令所述油浸式变压器绕组的平均温度梯度g计算模型为：

式中，g_r为额定负载下绕组平均温度梯度；m为绕组指数，用来描述绕组平均温度梯度随负载的变化趋势；I_pu为负载系数，T_w为绕组平均温度，T_top为顶层油温，T_bom为底层油温；

(2)利用双对数线性回归模型对绕组指数m进行回归估计，方法与确定修正后的油指数的方法中第(2)步相同；

上述方法中，所述顶层油温T_top，绕组平均温度T_w和底层油温T_bom的求取方法，包括

(1)获取所述油浸式变压器结构及物性参数，包括冷热芯高位差Δh、绕组高度h_w、散热器高度h_r、绕组竖直油道热工水力直径D_w、散热器油道热工水力直径D_r、油比热容c_oil、空气比热容c_air，油密度ρ_oil、空气密度ρ_air、油热膨胀系数β_oil、绕组沿程阻力系数f_w、散热器沿程阻力系数f_r、散热器总传热系数U、绕组表面传热系数u_w、绕组区域流通面积A_w、散热器流通面积A_r、散热器有效散热面积A_R，绕组与油流圆周方向接触表面积A_s、温差指数λ、环境温度T_amb；

(2)联立以下公式及条件，利用Newton-Raphson法迭代求解绕组区域油流体积流量G_w、散热器油流体积流量G_r、顶层油温T_top、底层油温T_bom和绕组平均温度T_w；所述油浸式压器内部为单循环，G_w＝G_r；

1)稳态条件下绕组竖直油道内的热浮升力与流体阻力达到平衡，如下：

式中，g_a为重力加速度，S为冷却循环面积，

S＝Δh(T_top-T_bom)+h_r[T_top-T_bom-ΔT_lm-0.5(T_top-T_amb)]，

其中，ΔT_lm为散热器中油流与外界空气的对数平均温差，

2)稳态时绕组产生负载损耗Q_w等于其周围油流吸收的热量，即

Q_w＝ρ_oilc_oilG_w(T_top-T_bom)；

3)绕组周围油流吸收的热量等于线圈沿其表面向外对流扩散的热量，即

4)油循环达到最终稳态，散热器中油相对空气温升为

T_oil-T_air＝Ce^-λh，

式中，T_oil、T_air分别为沿散热器高度方向h的油流温度及空气温度；C为底部油温和环境温度的差值；

绕组负载损耗Q_w产生的热量将通过油流全部传输至外界空气，即

Q_w＝UA_R(T_oil-T_air)＝UA_RCe^-λh；

其中，Q_w,R为所述油浸式变压器的额定负载损耗；

5)选定标准大气压下油浸式变压器运行时的环境温度作为参考温度；

步骤2：监测实时环境温度θ_amb和绕组实际负载电流I；

步骤3：实时监测修正油指数和绕组指数后的顶层油温θ_oil和热点温度θ_hs，如下：

式中，n为步骤1确定的修正后的油指数；R为额定负载损耗与空载损耗之比；I_pu为负载系数，为实际负载电流I与额定电流I_R的比值；Δθ_oil,R为额定负载下的顶层油温升，由所述油浸式变压器出厂时确定；τ_oil,R为油时间常数；m为步骤1确定的修正后的绕组指数；Δθ_hs,R额定负载下的热点温升，由所述油浸式变压器出厂时确定；τ_w,R为绕组时间常数。

进一步地，

所述油时间常数τ_oil,R根据所述油浸式变压器的类型取值：配电变压器，油时间常数τ_oil,R取值为210；中型和大型电力变压器，还根据其散热类型为ONAN、ONAF或OF，油时间常数τ_oil,R分别取值为210、150或90；

所述绕组时间常数τ_w,R根据所述油浸式变压器的类型取值：配电变压器，绕组时间常数τ_w,R取值为4；中型和大型电力变压器，还根据其散热类型为ONAN、ONAF或OF，绕组时间常数τ_w,R分别取值为10、10或7。

本发明的有益效果在于，借助基于动量守恒及能量守恒的全局油路、绕组区域热模型、双对数线性回归模型对反映负载率与内部温升关系的热特性参数——油指数和绕组指数进行解析计算，得到多倍负荷下的热特性参数修正值，并将其引入“两段式”导则模型进行油浸式变压器内部温度的计算。相比于标准所推荐的参考值，该方法提升了多倍负荷下变压器内部温度的计算精度。具有以下优点：

1)获取油浸式变压器顶层油温升、绕组平均温升数据时，主要基于传热学及动量守恒下的全局油路及绕组区域热模型进行计算，无负载系数的限制，适用于时常面临过载运行的油浸式变压器内部温度监测时热特性参数的修正计算；

2)该方法中热特性参数的计算可以选择多倍负载区间，考虑了时常发生过载运行的油浸式变压器的特殊工况，对内部温度的监测计算更准确且全面；

3)该方法可以用于不同结构的油浸式变压器的内部温度监测计算，具有普适性。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

第一步、获取已知的油浸式变压器相关结构及物性参数：

冷热芯高位差Δh、绕组高度h_w、散热器高度h_r、绕组竖直油道热工水力直径D_w、散热器油道热工水力直径D_r、油比热容c_oil、空气比热容c_air，油密度ρ_oil、空气密度ρ_air、油热膨胀系数β_oil、绕组沿程阻力系数f_w、散热器沿程阻力系数f_r、散热器总传热系数U、绕组表面传热系数u_w、绕组区域流通面积A_w、散热器流通面积A_r、散热器有效散热面积A_R，绕组与油流圆周方向接触表面积A_s、温差指数λ、环境温度T_amb。

第二步、求解待定未知量，包括：绕组区域油流体积流量G_w、散热器油流体积流量G_r、顶层油温T_top、底层油温T_bom、绕组平均温度T_w，如下：

1)稳态条件下绕组竖直油道内的热浮升力与流体阻力达到平衡，如式所示：

式中，g_a为重力加速度，S为冷却循环面积，定义如下：

S＝Δh(T_top-T_bom)+h_r[T_top-T_bom-ΔT_lm-0.5(T_top-T_amb)] (2)

式中，ΔT_lm为散热器中油流与外界空气的对数平均温差，定义为：

当变压器内部为单循环时，关系式G_w＝G_r成立；

2)稳态时绕组产生负载损耗Q_w等于其周围油流油流吸收的热量，即：

Q_w＝ρ_oilc_oilG_w(T_top-T_bom) (4)

3)绕组周围油流吸收的热量等于线圈沿其表面向外对流扩散的热量：

4)油循环达到最终稳态，散热器中油相对空气温升：

T_oil-T_air＝Ce^-λh (6)

式中，T_oil、T_air分别为沿散热器高度方向h的油流温度及空气温度；C为底部油温和环境温度差值；

绕组损耗产生的热量将通过油流全部传输至外界空气：

Q_w＝UA_R(T_oil-T_air)＝UA_RCe^-λh (7)

5)选定标准大气压下油浸式变压器运行时的环境温度作为参考温度；

综上，结合第一步已知参数，联立第1)至第5)中的公式及条件，利用Newton-Raphson法(牛顿-拉夫逊方法)迭代求解未知量：G_w、G_r、T_top、T_bom、T_w；同时，由于绕组损耗与额定负载损耗Q_w,R及负载系数I_pu存在以下关系：

因此，可根据负载系数I_pu计算出对应的负载损耗，进而求解出该负载下的上述待求解参量。

第三步、基于双对数线性回归模型的变压器热特性参数解析计算

(1)油指数：

1)列出顶层油温升ΔT_top计算模型：

式中，ΔT_top,R为额定负载下顶层油温升；R为额定负载下负载损耗与空载损耗之比；n为油指数，用来描述顶层油温升随负载的变化趋势；

2)利用双对数线性回归模型对油指数n进行回归估计，如下式所示：

式中，令利用最小二乘法辨识参数n，即：

式中，j为样本个数，i为标号。

(2)绕组指数：

1)列出绕组平均温度梯度g计算模型：

式中，g_r为额定负载下绕组平均温度梯度；m为绕组指数，用来描述绕组平均温度梯度随负载的变化趋势；

2)利用双对数线性回归模型对绕组指数m进行回归估计的步骤同(1)中的第2)步；

第四步、将第二步计算得出的顶层油温、绕组平均温度数据及其对应的负载系数代入第三步中的回归模型，求出油指数n和绕组指数m。

第五步、计算油浸式变压器内部温度：

(1)、由安装在油浸式变压器外部的温度传感器(距离变压器5m及以上)将环境温度θ_amb及由电流传感器测得的绕组负载电流I上传至上位机；

(2)、将第二步中修正的油指数n、绕组指数m代入“两段式”负载导则计算模型，如下式：

式中，θ_oil、θ_hs分别为经修正热特性参数后的顶层油温、热点温度；θ_amb是环境温度；其中I_pu为上位机中实际负载电流I与额定电流I_R的比值；τ_oil,R及τ_w,R分别为油时间常数和绕组时间常数；

(3)将步骤(1)中监测所得的随时间变化的环境温度θ_amb、负载系数I_pu带入步骤(2)中的计算模型，即可求得油浸式变压器内部温度θ_oil、θ_hs。

上述方法中，油浸式变压器油时间常数τ_oil,R及油指数n应根据不同的散热类型选取不同值，配电变压器τ_oil,R取210，中型和大型电力变压器ONAN/ONAF/OF的τ_oil,R分别取210、150和90；

上述方法中，油浸式变压器绕组时间常数τ_w,R应根据不同的散热类型选取不同值，配电变压器τ_w,R取4，中型和大型电力变压器ONAN/ONAF及OF的τ_w,R分别取10和7。

Claims (2)

1.一种油浸式变压器内部温度监测方法，其特征在于，包括

步骤1：确定修正后的油指数和修正后的绕组指数；

所述确定修正后的油指数的方法为：

(1)令所述油浸式变压器顶层油温升ΔT_top计算模型为：

式中，ΔT_top,R为额定负载下顶层油温升；R为额定负载下负载损耗与空载损耗之比；n为油指数，用来描述顶层油温升随负载的变化趋势；I_pu为负载系数，T_top为顶层油温，T_amb为环境温度；

(2)利用双对数线性回归模型对油指数n进行回归估计，如下：

式中，令

利用最小二乘法辨识参数n，即：

式中，j为样本个数，i为标号；

所述确定修正后的绕组指数的方法为：

(1)令所述油浸式变压器绕组的平均温度梯度g计算模型为：

式中，g_r为额定负载下绕组平均温度梯度；m为绕组指数，用来描述绕组平均温度梯度随负载的变化趋势；I_pu为负载系数，T_w为绕组平均温度，T_top为顶层油温，T_bom为底层油温；

(2)利用双对数线性回归模型对绕组指数m进行回归估计，方法与确定修正后的油指数的方法中第(2)步相同；

上述方法中，所述顶层油温T_top，绕组平均温度T_w和底层油温T_bom的求取方法，包括

(1)获取所述油浸式变压器结构及物性参数，包括冷热芯高位差Δh、绕组高度h_w、散热器高度h_r、绕组竖直油道热工水力直径D_w、散热器油道热工水力直径D_r、油比热容c_oil、空气比热容c_air，油密度ρ_oil、空气密度ρ_air、油热膨胀系数β_oil、绕组沿程阻力系数f_w、散热器沿程阻力系数f_r、散热器总传热系数U、绕组表面传热系数u_w、绕组区域流通面积A_w、散热器流通面积A_r、散热器有效散热面积A_R，绕组与油流圆周方向接触表面积A_s、温差指数λ、环境温度T_amb；

(2)联立以下公式及条件，利用Newton-Raphson法迭代求解绕组区域油流体积流量G_w、散热器油流体积流量G_r、顶层油温T_top、底层油温T_bom和绕组平均温度T_w；所述油浸式压器内部为单循环，G_w＝G_r；

1)稳态条件下绕组竖直油道内的热浮升力与流体阻力达到平衡，如下：

式中，g_a为重力加速度，S为冷却循环面积，

S＝Δh(T_top-T_bom)+h_r[T_top-T_bom-ΔT_lm-0.5(T_top-T_amb)]，

其中，ΔT_lm为散热器中油流与外界空气的对数平均温差，

2)稳态时绕组产生负载损耗Q_w等于其周围油流吸收的热量，即

Q_w＝ρ_oilc_oilG_w(T_top-T_bom)；

3)绕组周围油流吸收的热量等于线圈沿其表面向外对流扩散的热量，即

4)油循环达到最终稳态，散热器中油相对空气温升为

T_oil-T_air＝Ce^-λh，

式中，T_oil、T_air分别为沿散热器高度方向h的油流温度及空气温度；C为底部油温和环境温度的差值；

绕组负载损耗Q_w产生的热量将通过油流全部传输至外界空气，即

Q_w＝UA_R(T_oil-T_air)＝UA_RCe^-λh；

其中，Q_w,R为所述油浸式变压器的额定负载损耗；

5)选定标准大气压下油浸式变压器运行时的环境温度作为参考温度；

步骤2：监测实时环境温度θ_amb和绕组实际负载电流I；

步骤3：实时监测修正油指数和绕组指数后的顶层油温θ_oil和热点温度θ_hs，如下：

式中，n为步骤1确定的修正后的油指数；R为额定负载损耗与空载损耗之比；I_pu为负载系数，为实际负载电流I与额定电流I_R的比值；Δθ_oil,R为额定负载下的顶层油温升，由所述油浸式变压器出厂时确定；τ_oil,R为油时间常数；m为步骤1确定的修正后的绕组指数；Δθ_hs,R额定负载下的热点温升，由所述油浸式变压器出厂时确定；τ_w,R为绕组时间常数。

2.如权利要求1所述的一种油浸式变压器内部温度监测方法，其特征在于，

所述油时间常数τ_oil,R根据所述油浸式变压器的类型取值：配电变压器，油时间常数τ_oil,R取值为210；中型和大型电力变压器，还根据其散热类型为ONAN、ONAF或OF，油时间常数τ_oil,R分别取值为210、150或90；

所述绕组时间常数τ_w,R根据所述油浸式变压器的类型取值：配电变压器，绕组时间常数τ_w,R取值为4；中型和大型电力变压器，还根据其散热类型为ONAN、ONAF或OF，绕组时间常数τ_w,R分别取值为10、10或7。