CN112557078B - 一种干式变压器冷却系统性能评估方法 - Google Patents

一种干式变压器冷却系统性能评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明给出一种干式变压器冷却系统性能评估方法，属于电气绝缘在线监测与故障诊断领域。该方法基于所建平台对干式变压器冷却系统进行低温过载、高温过载测试，利用传感器获得恶劣条件下冷却系统的运行数据与绕组温度随时间的变化曲线，处理后得到绕组降温指数、系统冷却系数，最后评估冷却系统的冷却性能。本发明能够对干式变压器冷却系统性能进行准确评估，避免因冷却系统性能不匹配引起的变压器绝缘老化加速、使用寿命减少等情况，促进变压器安全、稳定、高效运行。

Description

一种干式变压器冷却系统性能评估方法
技术领域
本发明属于电气绝缘在线监测与故障诊断领域，更具体地，涉及一种干式变压器冷却系统性能评估方法。
背景技术
干式变压器与油浸式变压器相比，具有体积小、重量轻、防火性能好、无污染、抗短路能力强等一系列优点，广泛应用于医院、住宅、地铁、商场、电厂等重要场合。变压器运行过程中会产生空载损耗、负载损耗和附加损耗等，基于热效应这些损耗将电磁能转化为热能使其温度上升，较高负荷时干式变压器主要基于冷却系统采用强迫风冷的方式进行散热。针对干式变压器的众多研究均指出，其运行过程中绕组区域温度最高，因此干式变压器冷却系统的工作原理主要为，通过预埋在绕组内部的温度传感器测取温度信号，当绕组温度达预设值时，系统自动启动风机进行冷却。若冷却系统性能较差，干式变压器内部过热将导致绝缘材料加速老化、变压器寿命缩短甚至故障进而引发事故，由此可见，冷却系统对于干式变压器能否安全、高效运行具有重要影响。
目前干式变压器冷却系统的选取主要基于正常温度下变压器额定负荷运行数据，并未考虑其冷却性能能否应对服役场所高温、低温等恶劣天气下变压器的过载运行。因此急需一种干式变压器冷却系统性能评估方法，避免变压器因冷却系统性能不匹配引起的绝缘老化加速、使用寿命减少等情况。
发明内容
本发明提供了一种干式变压器冷却系统性能评估方法，能够对干式变压器冷却系统性能进行准确评估，避免因冷却系统性能不匹配引起的变压器绝缘老化加速、使用寿命减少等情况，促进变压器安全、稳定、高效运行。
一种干式变压器冷却系统性能评估方法，包括以下步骤：
第一步，搭建干式变压器冷却系统性能测试平台
所述干式变压器冷却系统评估测试平台，由试验箱(1)、干式变压器绕组(2)、绕组支架(3)、模拟负载电源(4)、变压器冷却系统(5)、冷却系统电源(6)、风速传感器(7)、第一温度传感器(8)、第二温度传感器(9)、第三温度传感器(10)、第四温度传感器(11)、加热装置(12)、加热装置电源(13)、冷却装置(14)、冷却装置电源(15)、温度控制系统(16)、终端主机(17)构成，其中：
模拟负载电源(4)连接干式变压器绕组(2)、冷却系统电源(6)连接变压器冷却系统(5)、加热装置电源(13)连接加热装置(12)、冷却装置电源(15)连接冷却装置(14)以满足平台供电需求；加热装置(12)和冷却装置(14)放置于试验箱(1)顶层，第一温度传感器(8)放置于试验箱(1)内部，三者均与温度控制系统(16)相连构成温度控制模块，通过终端主机(17)控制测试的初始环境温度为设定值；干式变压器绕组(2)与变压器冷却系统(5)相连，由4个绕组支架(3)支撑放于试验箱(1)内部，第二温度传感器(9)、第三温度传感器(10)和第四温度传感器(11)分别放置于干式变压器绕组(2)入风口、中心、出风口三个部位，与终端主机(17)相连，对绕组温度进行实时监测并获取绕组温度随时间的变化曲线；风速传感器(7)放置于变压器冷却系统(5)前方，与终端主机(17)相连，以获取风速随时间的变化曲线；
第二步，高温过载下干式变压器冷却系统性能测试
1)通过温度控制系统(16)使试验箱(1)内部温度稳定为待测干式变压器服役场所最高温度TH，单位为℃，打开并调整模拟负载电源(4)输出使干式变压器绕组(2)工作于负载系数为1.5的过载状态；
2)由第二温度传感器(9)、第三温度传感器(10)、第四温度传感器(11)获得干式变压器绕组(2)对应区域的温度随时间的变化曲线T1(t)、T2(t)、T3(t)，在曲线上得出温度第一次达到变压器冷却系统(5)启动温度阈值T0对应时刻t1-0、t2-0、t3-0，最高温度T1-1、T2-1、T3-1及对应时刻t1-1、t2-1、t3-1，稳定后即1小时内温度波动不超过1℃的温度T1-2、T2-2、T3-2及第一次达到该温度的时刻t1-2、t2-2、t3-2，上述所测温度单位均为℃；
3)由风速传感器(7)得到干式变压器绕组(2)风道入口风速随时间的变化曲线v(t)，在曲线上得出风速梯度首次大于1m/s2时对应的风机启动时刻t0；
4)计算干式变压器绕组(2)入风口、中心、出风口对应区域的变压器冷却系统(5)响应延迟时间Δt1、Δt2、Δt3，单位均为min：
Δti＝t0-ti-0,i＝1,2,3 (1)
5)计算干式变压器绕组(2)入风口、中心、出风口对应区域的降温指数μ1、μ2、μ3：
Figure GDA0003140616140000021
第三步，低温过载下干式变压器冷却系统性能测试
1)通过温度控制系统(16)使试验箱(1)内部温度稳定为待测干式变压器服役场所最低温度TL，单位为℃，打开并调整模拟负载电源(4)输出使干式变压器绕组(2)工作负载系数为1.5的过载状态；
2)由第二温度传感器(9)、第三温度传感器(10)、第四温度传感器(11)获得干式变压器绕组(2)对应区域的温度随时间的变化曲线T1'(t)、T2'(t)、T3'(t)，在曲线上得出温度第一次达到变压器冷却系统(5)启动温度阈值T0对应时刻t'1-0、t'2-0、t'3-0，最高温度T'1-1、T'2-1、T'3-1及对应时刻t'1-1、t'2-1、t'3-1，稳定后即1小时内温度波动不超过1℃的温度T'1-2、T'2-2、T'3-2及第一次达到该温度的时刻t'1-2、t'2-2、t'3-2，上述所测温度单位均为℃；
3)由风速传感器(7)得到干式变压器绕组(2)风道入口风速随时间的变化曲线v'(t)，在曲线上得出风速梯度首次大于1m/s2时对应的风机启动时刻t'0；
4)计算干式变压器绕组(2)入风口、中心、出风口对应区域的变压器冷却系统(5)响应延迟时间Δt'1、Δt'2、Δt'3，单位均为min：
Δt′i＝t′0-t′i-0,i＝1,2,3 (3)
5)计算干式变压器绕组(2)入风口、中心、出风口对应区域的降温指数μ'1、μ'2、μ'3：
Figure GDA0003140616140000031
第四步，计算所测干式变压器冷却系统的冷却系数L：
Figure GDA0003140616140000032
其中，TM为所测干式变压器正常工作所能承受的最高温度，单位为℃，tM为该温度下不损坏绝缘的变压器最长运行时间，单位为min；
第五步，评估所测干式变压器冷却系统的冷却性能，如冷却系数L≤1，则表示冷却系统性能与变压器服役环境匹配；如冷却系数L＞1，则表明冷却系统性能与变压器服役环境不匹配。
本发明技术方案的优点在于考虑了干式变压器实际服役中的恶劣运行情况，能够对干式变压器冷却系统性能进行准确评估，避免因冷却系统性能不匹配对变压器产生负面影响，从而促进变压器安全、稳定、高效运行，减少相关经济投入。
附图说明
图1为本发明方法使用的测试平台结构示意图；
图2为本发明方法的流程图。
具体实施方式
附图中描述的位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为方便说明，附图某些部件会有省略、尺寸大小变化，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，可以理解附图中某些公知结构及其说明的省略。
下面以一F级干式变压器为例对本发明做进一步的说明。该干式变压器温控阈值T0＝100℃，正常工作所能承受的最高温度TM＝155℃，该温度下不损坏绝缘的变压器最长运行时间tM＝10min，对其冷却系统进行性能评估过程如附图2所示，包含以下步骤：
第一步，搭建该干式变压器冷却系统性能测试平台
所述干式变压器冷却系统评估测试平台如附图1所示，由试验箱1、干式变压器绕组2、绕组支架3、模拟负载电源4、变压器冷却系统5、冷却系统电源6、风速传感器7、第一温度传感器8、第二温度传感器9、第三温度传感器10、第四温度传感器11、加热装置12、加热装置电源13、冷却装置14、冷却装置电源15、温度控制系统16、终端主机17构成，其中：
模拟负载电源4连接干式变压器绕组2、冷却系统电源6连接变压器冷却系统5、加热装置电源13连接加热装置12、冷却装置电源15连接冷却装置14以满足平台供电需求；加热装置12和冷却装置14放置于试验箱1顶层，第一温度传感器8放置于试验箱1内部，三者均与温度控制系统16相连构成温度控制模块，通过终端主机17控制测试的初始环境温度为设定值；干式变压器绕组2与变压器冷却系统5相连，由4个绕组支架3支撑放于试验箱1内部，第二温度传感器9、第三温度传感器10和第四温度传感器11分别放置于干式变压器绕组2入风口、中心、出风口三个部位，与终端主机17相连，对绕组温度进行实时监测并获取绕组温度随时间的变化曲线；风速传感器7放置于变压器冷却系统5前方，与终端主机17相连，以获取风速随时间的变化曲线；
第二步，高温过载下对该干式变压器冷却系统进行性能测试
1)通过温度控制系统16使试验箱1内部温度稳定为该干式变压器服役场所最高温度TH＝35℃，打开并调整模拟负载电源4输出使干式变压器绕组2工作于负载系数为1.5的过载状态；
2)由第二温度传感器9、第三温度传感器10、第四温度传感器11获得干式变压器绕组2对应区域温度随时间的变化曲线T1(t)、T2(t)、T3(t)，在曲线上得出温度第一次达到变压器冷却系统5启动温度阈值T0＝100℃对应时刻t1-0＝08:05:14(表示8点05分15秒，后述同理)、t2-0＝08:03:26、t3-0＝08:01:39，最高温度T1-1＝114℃、T2-1＝129℃、T3-1＝138℃及对应时刻t1-1＝08:35:46、t2-1＝08:39:31、t3-1＝08:42:50，稳定后即1小时内温度波动不超过1℃的温度T1-2＝91℃、T2-2＝98℃、T3-2＝107℃及第一次达到该温度的时刻t1-2＝09:50:52、t2-2＝10:00:40、t3-2＝10:06:53；
3)由风速传感器7得到干式变压器绕组2风道入口风速随时间的变化曲线v(t)，在曲线上得出风速梯度首次大于1m/s2时对应的风机启动时刻t0＝08:05:25；
4)计算干式变压器绕组2入风口、中心、出风口对应区域的变压器冷却系统5)响应延迟时间Δt1、Δt2、Δt3，单位均为min：
Δti＝t0-ti-0,i＝1,2,3 (6)
代入试验数据后得到Δt1＝0.18min、Δt2＝1.98min、Δt3＝3.77min；
5)计算干式变压器绕组2入风口、中心、出风口对应区域的降温指数μ1、μ2、μ3：
Figure GDA0003140616140000051
代入试验数据后得到μ1＝944.51min·℃、μ2＝1253.84min·℃、μ3＝1500.17min·℃；
第三步，低温过载下对该干式变压器冷却系统进行性能测试
1)通过温度控制系统16使试验箱1内部温度稳定为该干式变压器服役场所最低温度TL＝5℃，打开并调整模拟负载电源4输出使干式变压器绕组2工作于负载系数为1.5的过载状态；
2)由第二温度传感器9、第三温度传感器10、第四温度传感器11获得干式变压器绕组2对应区域的温度随时间的变化曲线T1'(t)、T2'(t)、T3'(t)，在曲线上得出温度第一次达到变压器冷却系统5启动温度阈值T'0＝100℃对应时刻t'1-0＝18:24:10、t'2-0＝18:21:33、t'3-0＝18:19:25，最高温度T'1-1＝104℃、T'2-1＝111℃、T'3-1＝120℃及对应时刻t'1-1＝18:46:46、t'2-1＝18:49:31、t'3-1＝18:52:53，稳定后即1小时内温度波动不超过1℃的温度T'1-2＝71℃、T'2-2＝82℃、T'3-2＝89℃及第一次达到该温度的时刻t'1-2＝19:47:36、t'2-2＝19:52:44、t'3-2＝20:01:49；
3)由风速传感器7得到干式变压器绕组2风道入口风速随时间的变化曲线v'(t)，在曲线上得出风速梯度首次大于1m/s2时对应的风机启动时刻t'0＝18:24:50；
4)计算干式变压器绕组2入风口、中心、出风口对应区域的变压器冷却系统5响应延迟时间Δt'1、Δt'2、Δt'3，单位均为min：
Δt′i＝t′0-t′i-0,i＝1,2,3 (8)
代入试验数据后得到Δt'1＝0.67min、Δt'2＝3.28min、Δt'3＝5.42min；
5)计算干式变压器绕组2入风口、中心、出风口对应区域的降温指数μ'1、μ'2、μ'3：
Figure GDA0003140616140000052
代入试验数据后得到μ'1＝805.73min·℃、μ'2＝1113.72min·℃、μ'3＝1422.49min·℃；
第四步，计算所测干式变压器冷却系统的冷却系数L：
Figure GDA0003140616140000061
其中，TM为所测干式变压器正常工作所能承受的最高温度，单位为℃，tM为该温度下不损坏绝缘的变压器最长运行时间，单位为min；
代入试验数据后得到L＝0.886；
第五步，评估所测干式变压器冷却系统的冷却性能，该F级干式变压器冷却系数L＜1，表示其冷却系统性能与变压器服役环境匹配。
上述实例仅服务于本发明的介绍说明，并非其所有保护范围，任何基于本发明的非创造性修改、改进等，均应属于其权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种干式变压器冷却系统性能评估方法，其特征在于，包括：
第一步，搭建干式变压器冷却系统性能测试平台
所述干式变压器冷却系统评估测试平台，由试验箱(1)、干式变压器绕组(2)、绕组支架(3)、模拟负载电源(4)、变压器冷却系统(5)、冷却系统电源(6)、风速传感器(7)、第一温度传感器(8)、第二温度传感器(9)、第三温度传感器(10)、第四温度传感器(11)、加热装置(12)、加热装置电源(13)、冷却装置(14)、冷却装置电源(15)、温度控制系统(16)、终端主机(17)构成，其中：
模拟负载电源(4)连接干式变压器绕组(2)、冷却系统电源(6)连接变压器冷却系统(5)、加热装置电源(13)连接加热装置(12)、冷却装置电源(15)连接冷却装置(14)以满足平台供电需求；加热装置(12)和冷却装置(14)放置于试验箱(1)顶层，第一温度传感器(8)放置于试验箱(1)内部，三者均与温度控制系统(16)相连构成温度控制模块，通过终端主机(17)控制测试的初始环境温度为设定值；干式变压器绕组(2)与变压器冷却系统(5)相连，由4个绕组支架(3)支撑放于试验箱(1)内部，第二温度传感器(9)、第三温度传感器(10)和第四温度传感器(11)分别放置于干式变压器绕组(2)入风口、中心、出风口三个部位，与终端主机(17)相连，对绕组温度进行实时监测并获取绕组温度随时间的变化曲线；风速传感器(7)放置于变压器冷却系统(5)前方，与终端主机(17)相连，以获取风速随时间的变化曲线；
第二步，高温过载下干式变压器冷却系统性能测试
1)通过温度控制系统(16)使试验箱(1)内部温度稳定为待测干式变压器服役场所最高温度TH，单位为℃，打开并调整模拟负载电源(4)输出使干式变压器绕组(2)工作于负载系数为1.5的过载状态；
2)由第二温度传感器(9)、第三温度传感器(10)、第四温度传感器(11)获得干式变压器绕组(2)对应区域的温度随时间的变化曲线T1(t)、T2(t)、T3(t)，在曲线上得出温度第一次达到变压器冷却系统(5)启动温度阈值T0对应时刻t1-0、t2-0、t3-0，最高温度T1-1、T2-1、T3-1及对应时刻t1-1、t2-1、t3-1，稳定后即1小时内温度波动不超过1℃的温度T1-2、T2-2、T3-2及第一次达到该温度的时刻t1-2、t2-2、t3-2，上述温度单位均为℃；
3)由风速传感器(7)得到干式变压器绕组(2)风道入口风速随时间的变化曲线v(t)，在曲线上得出风速梯度首次大于1m/s2时对应的风机启动时刻t0；
4)计算干式变压器绕组(2)入风口、中心、出风口对应区域的变压器冷却系统(5)响应延迟时间Δt1、Δt2、Δt3，单位为min：
Δti＝t0-ti-0,i＝1,2,3 (1)
5)计算干式变压器绕组(2)入风口、中心、出风口对应区域的降温指数μ1、μ2、μ3：
Figure FDA0003140616130000021
第三步，低温过载下干式变压器冷却系统性能测试
1)通过温度控制系统(16)使试验箱(1)内部温度稳定为待测干式变压器服役场所最低温度TL，单位为℃，打开并调整模拟负载电源(4)输出使干式变压器绕组(2)工作于负载系数为1.5的过载状态；
2)由第二温度传感器(9)、第三温度传感器(10)、第四温度传感器(11)获得干式变压器绕组(2)对应区域的温度随时间的变化曲线T1'(t)、T2'(t)、T3'(t)，在曲线上得出温度第一次达到变压器冷却系统(5)启动温度阈值T0对应时刻t'1-0、t'2-0、t'3-0，最高温度T'1-1、T'2-1、T'3-1及对应时刻t'1-1、t'2-1、t'3-1，稳定后即1小时内温度波动不超过1℃的温度T'1-2、T'2-2、T'3-2及第一次达到该温度的时刻t'1-2、t'2-2、t'3-2，上述温度单位均为℃；
3)由风速传感器(7)得到干式变压器绕组(2)风道入口风速随时间的变化曲线v'(t)，在曲线上得出风速梯度首次大于1m/s2时对应的风机启动时刻t'0；
4)计算干式变压器绕组(2)入风口、中心、出风口对应区域的变压器冷却系统(5)响应延迟时间Δt'1、Δt'2、Δt'3，单位均为min：
Δt′i＝t′0-t′i-0,i＝1,2,3 (3)
5)计算干式变压器绕组(2)入风口、中心、出风口对应区域的降温指数μ'1、μ'2、μ'3：
Figure FDA0003140616130000022
第四步，计算所测干式变压器冷却系统的冷却系数L：
Figure FDA0003140616130000023
其中，TM为所测干式变压器正常工作所能承受的最高温度，单位为℃，tM为该温度下不损坏绝缘的变压器最长运行时间，单位为min；
第五步，评估所测干式变压器冷却系统的冷却性能，如冷却系数L≤1，则表示冷却系统性能与变压器服役环境匹配；如冷却系数L＞1，则表明冷却系统性能与变压器服役环境不匹配。
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