CN112986866B - 一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试系统以及测试方法 - Google Patents

一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试系统以及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试系统以及测试方法，包括绕组模型、供油系统和观测系统；每组绕组饼设有用于测试温度的热电偶、端子处出线并与直流电源连接；观测系统中的同步机分别与相机和双头激光源连接，用于发射控制脉冲控制双头激光源和相机的动作；本方法通过对绝缘油流量监控、出口温度测量以及加热功率的控制，有效模拟油浸式变压器绕组在不同负载下的运行情况，通过启动粒子组件和观测系统，从而观测模拟油浸式变压器在不同负载下的内部油流形态分布，本发明能有效模拟油浸式变压器绕组在不同负载下的运行情况，测试绕组温度分布和内部油流形态分布，降低变压器运行时的热点温度，有利于预测其使用寿命。

Description

一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试系统以及 测试方法
技术领域
本发明涉及变压器系统智能控制技术领域，具体涉及一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试系统以及测试方法。
背景技术
变压器是电网输送电能的核心设备，随着智能电网的发展和国民对电力需求的不断增大，变压器的更新随之加快，其工业制造难度也随之增大。
变压器在运行过程中随着电力负荷的波动，其负载损耗也处于不断的变化之中，极易出现负载突增情况。由于变压器油温的变化具有滞后性，当变压器负载增大时，由此带来变压器的油温过高将影响变压器绕组内部绝缘，加剧变压器热老化，降低变压器的使用寿命，严重时还会损坏电力设备甚至发生爆炸等危险。
现有油浸式变压器的油温升取决于其内部负载损耗，而反映绕组内部温度变化的参数主要是顶层油温和热点温度，热点温度是指变压器各绕组最高温度，由于热点温度难以直接测量，目前大多数采用顶层油温或出口油温间接反映变压器的油温升来判断变压器的温度分布情况，但实际中热点温度平均要比顶层油温高出10℃左右，采用这样方式判断变压器的温度产生的误差较大，对于变压器绕组内部绝缘和热老化的影响不可忽视；并且由于热点温度的分布与变压器绕组内部的油流分布密切关联，在变压器过负载的情况下，极易超出变压器温升限值，在变压器绕组结构中，横向油道的流速缓慢且当变压器负载较大时容易出现回流现象，绕组产生的热量不易扩散，从而影响变压器绝缘性能和使用寿命。
因此监测变压器绕组内部的油流形态分布有利于改进变压器绕组结构，对降低变压器运行时的热点温度进行参考，在提高绕组绝缘性能的同时合理预测变压器使用寿命，减少电力系统不必要的资源浪费，对于提高电网能源配置率和利用率起着关键性的作用。
发明内容
本发明提供一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试系统以及测试方法，结构简单，有效模拟油浸式变压器绕组在不同负载下的运行情况，测试绕组温度分布和内部油流形态分布，反映变压器的热老化情况和负载承受能力，对热点温度的降低进行参考，有利于预测其使用寿命。
为实现上述目的，本一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试系统，包括绕组模型、供油系统，还包括观测系统；
所述绕组模型包括绕组壳体和多组放置在绕组壳体内的绕组饼，多组绕组饼上下叠放，上下相邻的绕组饼形成水平的油道；
每组绕组饼由同圆心角、不同半径的镍铬合金条按照弧长由小到大依次从内而外紧密排列成扇形结构，镍铬合金条间用导线首尾串联；
每组绕组饼位于油道处设有用于测试温度的热电偶、扇形端子处出线并与直流电源连接；
所述观测系统包括同步机、计算机、双头激光源和相机，所述双头激光源的发射激光的路径上安装激光片并朝向油道，相机拍摄方向与双头激光源的发射光源方向相互垂直，并且其之间处于同一水平面；
所述同步机分别与相机和双头激光源连接，用于发射控制脉冲控制双头激光源和相机的动作；计算机与同步机连接，用于接收、处理来自相机拍摄的粒子运动图像；
供油系统包括油箱和油泵，所述油箱一端通过第一油管与绕组模型下端连接，绕组模型的上端通过第二油管与散热组件、油箱连接形成循环回路；
绕组模型上端出口处设有温度传感器；
所述第一油管上设有油泵、流量计和粒子组件，所述粒子组件包括粒子发射器和与粒子发射器连接的定目筛网，粒子发射器向第一油管中发射粒子，定目筛网控制发射粒子均匀分布。
进一步的，所述绕组壳体采用透明有机玻璃材质，其内部设有多个垂直叠放的卡槽，多组绕组饼对应设置在多个卡槽内。
进一步的，所述第一油管上设有圆形手孔，粒子发射器安装在圆形手孔处，并用法兰结构进行密封。
一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试方法，具体包括以下步骤：
a.确定变压器额定信息参数、额定顶层油温ΔT0以及环境温度Tamb；
b.启动供油系统中的油泵，并打开阀门，将油箱内的绝缘油通过第一管路缓慢从绕组模型下端注入，绝缘油没过n组上下叠放的扇形结构的绕组饼和相邻绕组饼之间的油道后，再从绕组模型上端通过第二油管与散热组件连接，然后返回至油箱内；第一油管上的流量计对绝缘油流量进行监测；
c.确定负载系数K，当流量计监测流量数值处于稳定时，打开第一油管上的粒子发射器对绝缘油发射示踪粒子，定目筛网控制发射的示踪粒子均匀分布，n个直流电源启动输出功率，对对应连接的n组绕组饼加热，且时长相同，使得油流保持流动；
d.在绕组饼加热的同时，流量计测量油泵控制的变压器在不同负载下的平均油流量，并观察每组绕组饼上的相应的热电偶温度分布；
e.绕组模型上端的温度传感器实时感应出口油温Tn，当Tn满足
Figure BDA0002935952860000031
R＝PK/P0
其中：P0为变压器额定空载损耗，PK为变压器额定负载损耗；
打开观测系统，同步机向双头激光源、相机发送同步控制脉冲，双头激光源发射第一束激光脉冲，通过激光片照亮绝缘油中的示踪粒子，并且控制脉冲触发相机捕捉示踪粒子反射的激光，拍摄第一帧图像，特定延迟Δt后双头激光源发射第二束控制脉冲，相机拍摄第二帧图像，计算机处理由相机获取的图像并绘制相应的微粒运动图像；
f.模拟变压器不同负载下的运行情况，更改负载系数K，返回步骤c；
计算机处理分析观测的绕组温度分布和内部油流形态分布，测试出变压器在不同工况下的油流形态特征。
进一步的，步骤c中，每个直流电源的输出功率为
Figure BDA0002935952860000032
Figure BDA0002935952860000041
i为与直流电源对应的绕组饼编号，由绕组饼自下而上依次为i＝1，2，…，n-1，n。
进一步的，步骤d中的油泵控制变压器在不同负载下的平均油流量，其控制方程为
Figure BDA0002935952860000042
其中，Q0为额定功率下的平均油流量。
进一步的，步骤b中油道上下高度为Hduct，其计算公式为
Figure BDA0002935952860000043
所述绕组饼内外径关系式为
Figure BDA0002935952860000044
其中，Wdisc为绕组饼的径向宽度，Hdisc为单个绕组饼的上下高度，rout为绕组饼的外径，rin为绕组饼的内径。
进一步的，步骤b中绕组饼的扇形部分圆心角为
Figure BDA0002935952860000045
的计算公式为
Figure BDA0002935952860000046
其中，rout为绕组饼的外径，rin为绕组饼的内径；
Figure BDA0002935952860000047
为比例系数，取1.6。
与现有技术相比，本一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试系统由于设置绕组模型和观测系统，通过绕组模型中的绕组饼与直流电源连接进行加热、流量计监测油道的平均油流量，来模拟油浸式变压器绕组在不同负载下的运行情况，简化系统的同时，使其更加接近实际工况，保障测试的准确性，通过热电偶对每组绕组饼温度分布测试，利用双头激光源和相机对油道内发射的示踪粒子进行追踪并形成微粒运动图像，对油流形态分布进行测试，因此本装置通过不同负载下的外部输入，得出其与变压器内部油流形态关联性，反映变压器的热老化情况和负载承受能力，为变压器运行降低热点温度做参考，有利于预测其使用寿命；
一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试方法，通过流量计对绝缘油流量进行监测、温度传感器对出口温度测量以及直流电源输出功率控制其加热温度，有效模拟油浸式变压器绕组在不同负载下的运行情况，并通过相应的公式，得出不同负载精准的绕组输出功率、平均流油量等数值；通过启动粒子组件和观测系统，粒子发射器向油道内发射示踪粒子、定目筛网精准控制，双头激光源与相机相结合用于识别示踪粒子，从而模拟油浸式变压器在不同负载下的内部油流形态分布，此方法操作简单，能够实现变压器外部输入与内部油流形态的关联性分析，通过模拟方便人员对降低变压器运行时的热点温度的掌控，有利于预测其使用寿命。
附图说明
图1是本发明整体分布图；
图2是本发明的绕组模型主视图；
图3是观测系统与绕组饼的俯视图。
图中：1、绕组模型，2、观测系统，3、第一油管，4、阀门，5、油箱，6、散热组件，7、流量计，8、油泵，9、粒子发射器，10、定目筛网，11、直流电源，12、温度传感器，101、绕组饼，102、热电偶，103、油道，104、绕组壳体，201、同步机，202、计算机，203、双头激光源，204、激光片，205、相机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3所示，本一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试系统，包括绕组模型1、供油系统，还包括观测系统2；
所述绕组模型1包括绕组壳体104和多组放置在绕组壳体104内的绕组饼101，多组绕组饼101上下叠放，上下相邻的绕组饼101形成水平的油道103；
每组绕组饼101由同圆心角、不同半径的镍铬合金条按照弧长由小到大依次从内而外紧密排列成扇形结构，镍铬合金条间用导线首尾串联；
每组绕组饼101位于油道103处设有用于测试温度的热电偶102、扇形端子处出线并与直流电源11连接；
所述观测系统2包括同步机201、计算机202、双头激光源203和相机205，所述双头激光源203的发射激光的路径上安装激光片204并朝向油道103，相机205拍摄方向与双头激光源203的发射光源方向相互垂直，并且其之间处于同一水平面；
所述同步机201分别与相机205和双头激光源203连接，用于发射控制脉冲控制双头激光源203和相机205的动作；计算机202与同步机201连接，用于接收、处理来自相机205拍摄的粒子运动图像；相机205可选用CCD相机；
供油系统包括油箱5、油泵8和散热组件6，所述油箱5一端通过第一油管3与绕组模型1下端连接，绕组模型1的上端通过第二油管与散热组件6、油箱5连接形成循环回路；相应的每个部件之间设有阀门4，比如油箱5与散热组件6之间、散热组件6与绕组模型1之间；
绕组模型1上端出口处设有温度传感器12；
所述第一油管3上设有油泵8、流量计7和粒子组件，所述粒子组件包括粒子发射器9和与粒子发射器9连接的定目筛网10，粒子发射器9向第一油管3中发射粒子，定目筛网10控制发射粒子均匀分布；
进一步的，所述绕组壳体104采用透明有机玻璃材质，其内部设有多个垂直叠放的卡槽，多组绕组饼101对应设置在多个卡槽内；
进一步的，所述第一油管3上设有圆形手孔，粒子发射器9安装在圆形手孔处，并用法兰结构进行密封；
本一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试方法，具体包括以下步骤：
a.确定变压器额定信息参数、额定顶层油温ΔT0以及环境温度Tamb；
b.启动供油系统，即打开各个部件之间的阀门4，启动油泵8，将油箱5内的绝缘油通过第一管路缓慢从绕组模型1下端注入，绝缘油没过n组上下叠放的扇形结构的绕组饼101和相邻绕组饼101之间的油道103后，再从绕组模型1上端通过第二油管与散热组件6连接，然后返回至油箱5内；第一油管3上的流量计7对绝缘油流量进行监测；
c.确定负载系数K，当流量计7监测流量数值处于稳定时，打开第一油管3上的粒子发射器9对绝缘油发射示踪粒子，定目筛网10控制发射的示踪粒子均匀分布，n个直流电源11启动输出功率，对对应连接的n组绕组饼101加热，且时长相同，使得油流保持流动；
d.在绕组饼101加热的同时，流量计7测量油泵8控制的变压器在不同负载下的平均油流量，并观察每组绕组饼101上的相应的热电偶102温度分布；
e.绕组模型1上端的温度传感器12实时感应出口油温Tn，当Tn满足
Figure BDA0002935952860000071
打开观测系统2，同步机201通过计算机202向双头激光源203、相机205发送同步控制脉冲，双头激光源203发射第一束激光脉冲，通过激光片204照亮绝缘油中的示踪粒子，并且控制脉冲触发相机205捕捉示踪粒子反射的激光，拍摄第一帧图像，特定延迟Δt后双头激光源203发射第二束控制脉冲，相机205拍摄第二帧图像，计算机202处理由相机205获取的图像并绘制相应的微粒运动图像；
f.模拟变压器不同负载下的运行情况，更改负载系数K，返回步骤c。
因此在不同负载下的运行情况，观测绕组温度分布和内部油流形态分布，因此测试变压器在不同工况下的油流形态特征。
进一步的，步骤c中，每个直流电源11的输出功率为
Figure BDA0002935952860000072
Figure BDA0002935952860000073
i为与直流电源11对应的绕组饼101编号，由绕组饼101自下而上依次为i＝1，2，…，n-1，n，P0为变压器额定空载损耗，PK为变压器额定负载损耗，K为负载系数；
进一步的，步骤d中的油泵8控制变压器在不同负载下的平均油流量，R＝PK/P0，Q0为额定功率下的平均油流量，其控制方程为
Figure BDA0002935952860000074
进一步的，步骤b中油道103上下高度为Hduct，其计算公式为
Figure BDA0002935952860000081
其中，Wdisc为绕组饼101的径向宽度，Hdisc为单个绕组饼101的上下高度，rout为绕组饼101的外径，rin为绕组饼101的内径；
所述绕组饼101内外径关系式
Figure BDA0002935952860000082
进一步的，步骤b中绕组饼101的扇形部分圆心角为
Figure BDA0002935952860000083
的计算公式
Figure BDA0002935952860000084
其中，rout为绕组饼101的外径，rin为绕组饼101的内径；
Figure BDA0002935952860000085
为比例系数，取1.6；
以上系统可通过一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试方法来实现，以一台额定容量为630KVA，额定电压为10kV的油浸式变压器为例，其额定状态下一相负载损耗为3150W，其中额定空载损耗为P0＝630W，额定负载损耗PK＝2520W，测量其额定状态下的平均油流量Q0＝33.53(L/min)，额定出口油温升ΔT0＝34.5℃，测量环境温度Tamb＝19.1℃，模拟变压器绕组模型1的绕组饼101数n＝10，绕组饼101内径rin＝690mm，外径rout＝790mm，圆心角为20°，绕组饼101的径向宽度Wdisc＝90mm，单个绕组饼101的高度Hdisc＝12mm，实验操作方法包括以下步骤：
1)将10组绕组饼101按照图1所示用卡槽固定于绕组外壳内，绕组饼101之间设有电气连接，每组绕组饼101对应与直流电源11连接，如图2所示，自下而上依次编号为1-10；
2)将系统中的其他元件按照图1所示进行连接，相机205垂直于激光片204和激光源所在平面放置，其相对位置如图3所示；
3)打开油箱5和油流管道各处阀门4，缓慢低速向装置内注入绝缘油，观察流量计7示数，待流量计7示数稳定，调整油泵8使得油道103中的绝缘油保持一定的流速；
4)按照公式
Figure BDA0002935952860000086
设置K＝1.2时各直流电源11的输出功率分别为P1＝2.5W、P2＝159W、P3＝317W、P4＝397W、P5＝476W、P6＝556W、P7＝635W、P8＝635W、P9＝556W、P10＝524W，接通各直流电源11对绕组饼101同时加热相同时间，并在开始加热时调整油泵8使得油流量保持在Qoil＝39.7(L/min)附近，观察绕组热电偶102温度分布；
5)当出口油温升接近43.9℃时，打开粒子动力学观测系统2，双头激光源203和相机205收到同步器发来的第一个控制脉冲，双头激光源203发出第一束激光脉冲，相机205捕捉第一幅图像，时间延迟Δt＝10μs后发射第二束激光脉冲，相机205捕捉第二幅图像。
由以上技术方案可知，本发明提供了一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试系统以及测试方法，通过控制对绕组饼101的加热功率和油道103平均油流量模拟油浸式变压器绕组在不同负载下的运行情况，观测绕组温度分布和内部油流形态分布，因此该系统和测试方法能够测试变压器在不同工况下的油流形态特征，进一步反映变压器的热老化情况和负载承受能力，为变压器运行时热点温度的降低提供参考，有利于预测其使用寿命。

Claims (8)

1.一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
a. 确定变压器额定信息参数、额定顶层油温ΔT 0 以及环境温度T amb ；
b. 启动供油系统中的油泵（8），并打开阀门（4），将油箱（5）内的绝缘油通过第一管路缓慢从绕组模型（1）下端注入，绝缘油没过n组上下叠放的扇形结构的绕组饼（101）和相邻绕组饼（101）之间的油道（103）后，再从绕组模型（1）上端通过第二油管与散热组件（6）连接，然后返回至油箱（5）内；第一油管（3）上的流量计（7）对绝缘油流量进行监测；
c. 确定负载系数K，当流量计（7）监测流量数值处于稳定时，打开第一油管（3）上的粒子发射器（9）对绝缘油发射示踪粒子，定目筛网（10）控制发射的示踪粒子均匀分布，n个直流电源（11）启动输出功率，对对应连接的n组绕组饼（101）加热，且时长相同，使得油流保持流动；
d. 在绕组饼（101）加热的同时，流量计（7）测量油泵（8）控制的变压器在不同负载下的平均油流量，并观察每组绕组饼（101）上的相应的热电偶（102）温度分布；
e. 绕组模型（1）上端的温度传感器（12）实时感应出口油温T n ，当T n 满足
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中：
R=P K / P 0
P 0 为变压器额定空载损耗，P K 为变压器额定负载损耗；
打开观测系统（2），同步机（201）向双头激光源（203）、相机（205）发送同步控制脉冲，双头激光源（203）发射第一束激光脉冲，通过激光片（204）照亮绝缘油中的示踪粒子，并且控制脉冲触发相机（205）捕捉示踪粒子反射的激光，拍摄第一帧图像，特定延迟Δt后双头激光源（203）发射第二束控制脉冲，相机（205）拍摄第二帧图像，计算机（202）处理由相机（205）获取的图像并绘制相应的微粒运动图像；
f. 模拟变压器不同负载下的运行情况，更改负载系数K，返回步骤c；
计算机（202）处理分析观测的绕组温度分布和内部油流形态分布，测试出变压器在不同工况下的油流形态特征。
2.根据权利要求1所述的一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试方法，其特征在于，步骤c中，每个直流电源（11）的输出功率为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE006
i为与直流电源（11）对应的绕组饼（101）编号，由绕组饼（101）自下而上依次为i=1，2，…，n-1，n。
3.根据权利要求2所述的一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试方法，其特征在于，步骤d中的油泵（8）控制变压器在不同负载下的平均油流量，其控制方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中，Q 0 为额定功率下的平均油流量。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试方法，其特征在于，步骤b中油道（103）上下高度为H duct ，其计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
所述绕组饼（101）内外径关系式为
Figure DEST_PATH_IMAGE012
其中，W disc 为绕组饼（101）的径向宽度，H disc 为单个绕组饼（101）的上下高度，r out 为绕组饼（101）的外径，r in 为绕组饼（101）的内径。
5.根据权利要求4所述的一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试方法，其特征在于，步骤b中绕组饼（101）的扇形部分圆心角为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 664150DEST_PATH_IMAGE014
的计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
其中，r out 为绕组饼（101）的外径，r in 为绕组饼（101）的内径；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为比例系数，取1.6。
6.根据权利要求1所述的一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试方法，其特征在于，该方法所采用的系统包括绕组模型（1）、供油系统，还包括观测系统（2）；
所述绕组模型（1）包括绕组壳体（104）和多组放置在绕组壳体（104）内的绕组饼（101），多组绕组饼（101）上下叠放，上下相邻的绕组饼（101）形成水平的油道（103）；
每组绕组饼（101）由同圆心角、不同半径的镍铬合金条按照弧长由小到大依次从内而外紧密排列成扇形结构，镍铬合金条间用导线首尾串联；
每组绕组饼（101）位于油道（103）处设有用于测试温度的热电偶（102）、扇形端子处出线并与直流电源（11）连接；
所述观测系统（2）包括同步机（201）、计算机（202）、双头激光源（203）和相机（205），所述双头激光源（203）的发射激光的路径上安装激光片（204）并朝向油道（103），相机（205）拍摄方向与双头激光源（203）的发射光源方向相互垂直，并且其之间处于同一水平面；
所述同步机（201）分别与相机（205）和双头激光源（203）连接，用于发射控制脉冲控制双头激光源（203）和相机（205）的动作；计算机（202）与同步机（201）连接，用于接收、处理来自相机（205）拍摄的粒子运动图像；
供油系统包括油箱（5）和油泵（8），所述油箱（5）一端通过第一油管（3）与绕组模型（1）下端连接，绕组模型（1）的上端通过第二油管与散热组件（6）、油箱（5）连接形成循环回路；
绕组模型（1）上端出口处设有温度传感器（12）；
所述第一油管（3）上设有油泵（8）、流量计（7）和粒子组件，所述粒子组件包括粒子发射器（9）和与粒子发射器（9）连接的定目筛网（10），粒子发射器（9）向第一油管（3）中发射粒子，定目筛网（10）控制发射粒子均匀分布。
7.根据权利要求6所述的一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试方法，其特征在于，所述绕组壳体（104）采用透明有机玻璃材质，其内部设有多个垂直叠放的卡槽，多组绕组饼（101）对应设置在多个卡槽内。
8.根据权利要求6或7所述的一种变压器外部输入与内部油流形态关联性的测试方法，其特征在于，所述第一油管（3）上设有圆形手孔，粒子发射器（9）安装在圆形手孔处，并用法兰结构进行密封。
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