TWI544226B

TWI544226B - 變壓器殘餘生命裝置

Info

Publication number: TWI544226B
Application number: TW103122804A
Authority: TW
Inventors: 李俊耀
Original assignee: 中原大學
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2016-08-01
Also published as: US20160003884A1; TW201602605A

Description

變壓器殘餘生命裝置

本發明係關於估測變壓器裝置的使用壽命之技術領域，尤指一種變壓器殘餘生命裝置。

隨著工業與現在化生活之高度發展，電力成為目前所不可或缺的重要能源，其對於科技業尤其重要，一旦電力供給系統發生異常，科技業勢必遭受重大損失。

變壓器為電力供給系統的心臟，主要作用在於將電力系統所產出的電力進行電壓轉換，並輸出一特定電壓供特定用戶使用(如工廠、辦公大樓、一般住家)。而一般變壓器之內通常設有如絕緣紙、絕緣油等絕緣材料，然而，當變壓器的電力特性發生異常時，其所產生的高熱或電弧會將該些絕緣材料分解成小分子氣體，其中，該些小分子氣體會溶入絕緣油之中，並造成絕緣油中的氣體濃度增加。

如此，經由上述吾人可以得知，只要透過偵測與分析變壓器內部之絕緣油中的氣體濃度，即可推算出該變壓器是否已經過於老化而需要進行元件更換或處理；是以，一種油中氣體分析偵測器被廣泛地用來監控變壓器內部之絕緣油中的氣體濃度，藉此方式監控、預防變壓器之異常狀況之發生。傳統的油中氣體分析偵測器係主要包括有二種應用方式：第一種應用方式係將變壓器之絕緣油抽出後，再經由油中氣體分析偵測器進行油中氣體之分析。不同於第一種應用方式，第二種應用方式係直接將油中氣體分析偵測器整合至變壓器內部，而這類型的油中氣體分析偵測器亦稱為線上型油中氣體分析器。

就上述第一種的油中氣體分析裝置而言，其應用上必須先停止變壓器之運作才能夠確保絕緣油之抽取作業的安全；有想而知，變壓器停止運作勢必造成電力供應之中斷，因此並非理想的油中氣體分析方式。雖然線上型油中氣體分析器，可以在變壓器的運作過程中同步進行油中氣體之分析作業，但由於其購置成本過於昂貴而無法普遍地應用於各種變壓器裝置之中。

經由上述，可以得知習用的油中氣體分析偵測器仍具有缺點與不足；有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，終於研發完成本發明之一種變壓器殘餘生命裝置。

本發明之目的，在於提供一種變壓器殘餘生命裝置，其主要由一處理模組與一霍爾模組所構成，具有結構簡單、體積小、低製造成本、高應用性、與價格低廉等優點。此外，本發明所提供的變壓器殘餘生命裝置之使用方式非常簡單，使用者僅需將變壓器之任一相纜線穿過該霍爾模組之一感測通道，便能夠立即測得該相纜線所傳輸之相電流的值；同時，該處理模組可進一步根據該相電流的值計算出變壓器的殘餘壽命值；如此，對於非工程背景之使用者而言，其只需根據所顯示的殘餘壽命值判斷需不需要更換變壓器，而不需要研究複雜的油中氣體資料圖表。

因此，為了達成本發明上述之目的，本案之發明人提出一種變壓器殘餘生命裝置，係包括：一處理模組，係具有一顯示單元與一處理單元；一霍爾模組，係電性連接於該處理單元，並具有一感測通道；以及一電源供應模組，係電性連接於該處理模組與該霍爾模組；其中，當一外部變壓器之任一相纜線穿過該感測通道可使該霍爾模組產生一霍爾電壓，且該處理單元會根據該霍爾模組之一靈敏度參數與該霍爾電壓而計算並預測出該相纜線所傳輸的一相電流；進一步地，該處理模組透過該相電流而計算出該變壓器之一殘餘壽命數值，並由該顯示單元顯示該殘餘壽命數值。

<本發明>

1‧‧‧變壓器殘餘生命裝置

2‧‧‧變壓器

3‧‧‧外部電子裝置

11‧‧‧處理模組

12‧‧‧霍爾模組

13‧‧‧電源供應模組

14‧‧‧記憶模組

15‧‧‧連接模組

16‧‧‧使用者操作介面

17‧‧‧無線傳輸模組

21‧‧‧相纜線

111‧‧‧顯示單元

112‧‧‧處理單元

113‧‧‧熱點溫度轉換函式庫

114‧‧‧等效老化因子轉換函式庫

115‧‧‧逝去生命計算函式庫

121‧‧‧感測通道

S01~S06‧‧‧方法步驟

第一圖係本發明之一種變壓器殘餘生命裝置的方塊圖；第二圖係一種變壓器殘餘生命裝置之使用示意圖；第三A圖與第三B圖係變壓器殘餘生命裝置之應用示意圖；以及第四圖係變壓器殘餘生命的估算方法流程圖。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種變壓器殘餘生命裝置，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。

請參閱第一圖，係本發明之一種變壓器殘餘生命裝置的方塊圖；如第一圖所示，本發明之變壓器殘餘生命裝置1係包括：一處理模組11、一霍爾模組12以及一電源供應模組13，其中，該處理模組11係具有一顯示單元111與一處理單元112。並且，該霍爾模組12係電性連接於該處理模組11並具有一感測通道121。該電源供應模組13，例如電池或電源供應器，係電性連接於該殘餘生命處理模組11與該霍爾模組12以供應所需電力。

請繼續參閱第一圖，並請同時參閱第二圖，係一種變壓器殘餘生命裝置之使用示意圖。如第一圖與第二圖所示，本發明之技術特徵在於利用霍爾模組12量測一變壓器2之一相電流，接著在藉由該相電流進一步地透過數學運算得到該變壓器2之一殘餘壽命值。當一變壓器2之任一相纜線21穿過該霍爾模組12之感測通道121時，該霍爾模組12係能夠感應生成對應的霍爾電壓；並且，與該霍爾模組12相互電性連接之該處理單元112會接收該霍爾電壓，並接著根據該霍爾模組12之靈敏度參數與該霍爾電壓而計算並預測出變壓器2之相纜線21所傳輸的相電流之值；進一步地，該處理模組11透過所預測的該相電流而計算出該變壓器2之一殘餘壽命數值，並由該顯示單元111顯示該殘餘壽命數值。

為了令該處理模組11能夠立即運算出相電流、殘餘壽命等數值，本發明係特別地於該處理單元112之中燒錄有一熱點溫度轉換函式庫113、一等效老化因子轉換函式庫114以及一逝去生命計算函式庫115。其中，處理模組11之處理單元112可運用該熱點溫度轉換函式庫113以根據所預測之該相電流而計算出該變壓器2之一熱點溫度。進一步地，處理單元112可接著運用該等效老化因子轉換函式庫114以根據所計算出的該熱點溫度而計算出一等效老化因子。最後，處理單元112可再進一步運用該逝去生命計算函式庫115以藉由所計算出的該等效老化因子而計算出該變壓器2之一逝去生命百分比，使得該處理單元112可根據該逝去生命百分比而計算出變壓器2的殘餘壽命。

為了增加該變壓器殘餘生命裝置1之應用性與便利性，本發明更於變壓器殘餘生命裝置1之中增設一記憶模組14、一連接模組15、一使用者操作介面16、以及一無線傳輸模組17。其中，該記憶模組14係耦接於該處理單元112，如此，處理單元112所計算出的相電流、殘餘壽命等資料便能夠儲存於記憶模組14。並且，如第三A圖所示之變壓器殘餘生命裝置的應用示意圖，連接模組15係耦接於該處理單元112，使得處理單元112可透過該連接模組15而電性連接至一外部電子裝置3，以將儲存於該記憶模組14內的該相電流與該殘餘壽命數值傳送至該外部電子裝置3。本發明所使用之記憶模組14可以是記憶卡或者硬碟，且該連接模組15可以是USB連接器、MiniUSB連接器或者MicroUSB連接器。

此外，使用者操作介面16係耦接於該處理單元112；透過操作該使用者操作介面16，使用者可於量測變壓器2之相電流與殘餘壽命之前進行相關參數設定，例如：霍爾模組12之靈敏度參數與一計算用之參考相電流。完成靈敏度參數與參考相電流之事先設定之後，使用者便能夠使用此變壓器殘餘生命裝置1進行變壓器2之相電流與殘餘壽命之量測。

再者，基於無線傳輸技術之廣泛應用，本發明又於變壓器殘餘生命裝置1之中增設耦接於該處理單元112之一無線傳輸模組17。如第三B圖所示之變壓器殘餘生命裝置的應用示意圖，處理單元112可選擇性地透過該無線傳輸模組17而將計算所得之相電流與殘餘壽命等資料傳送至外部電子裝置3，例如筆記型電腦、平板電腦、智慧型手機等，如此，使用者便可透過外部電子裝置3定期地紀錄與監控相電流與殘餘壽命之資料。或者，處理單元112亦可透過該無線傳輸模組17將資料傳送一遠端監控系統，並由該遠端監控系統協助進行相電流與殘餘壽命之資料紀錄與監控。本發明所使用的無線傳輸模組17可為下列任一種：Wi-Fi無線傳輸模組、RFID無線傳輸模組、藍芽無線傳輸模組、紅外線無線傳輸模組、與Zigbce無線傳輸模組、3G通訊模組、或者4G通訊模組。

上述係已完整說明本發明之一種變壓器殘餘生命裝置的技術架構，接著，將繼續說明變壓器殘餘生命的估算方法。如第四圖所示的變壓器殘餘生命的估算方法流程圖，該方法包括以下步驟：首先，執行步驟(S01)，令變壓器2之任一相纜線21通過霍爾模組12之感測通道121，使得該霍爾模組12感應生成一霍爾電壓。繼續地，於步驟(S02)中，處理模組11係接收該霍爾電壓，並根據該霍爾電壓與預先測得之一參考相電流與該霍爾模組12之靈敏度參數而計算出一預測相電流。完成步驟(S02)之後，該方法係接著執行步驟(S03)，處理模組11運用熱點溫度轉換函式庫113以根據所預測之該相電流而計算出該變壓器2之一熱點溫度。

其中，該熱點溫度轉換函式庫113係具有如下表示之一熱點溫度轉換方程式：θ_H=θ_A+△θ_TO+△θ_H；於上式中，θ_H為該熱點溫度，△θ_H為該變壓器2之線圈熱點上升溫度，且θ_A為該變壓器2之環境溫度。△θ_TO為該變壓器2之頂油上升溫度，其可由以下公式(1)計算而得：

於上式中，△Θ_TO,U與△Θ_TO,i分別為終值頂油上升溫度與初值頂油上升溫度，τ_TO為變壓器油時間常數，且t為電壓器的負載時間。又，△Θ_TO,U與△Θ_TO,i可由以公式(2)、公式(3)計算而得：

上兩式中，k_i為初始負載，k_U為終值負載，R為額定負載與無載時之損失比，△θ_TO,R為額定負載時之頂油上升溫度，而△θ_H,R則為額定負載時之線圈熱點上升溫度。如此，將公式(2)與公式(3)帶入公式(1)之中，可發現該變壓器2之頂油上升溫度△θ_TO為初始負載k_i與終值負載k_U的函數。

此外，該變壓器2之線圈熱點上升溫度△θ_H係可藉由以下公式(4)計算而得：

於上式中，△θ_H,U與△θ_H,i分別為終值線圈熱點上升溫度與初值線圈熱點上升溫度，τ_W為線圈時間常數。又，△θ_H,U與△θ_H,i可由以公式(5)、公式(6)計算而得：

上兩式中，△θ_H,R為額定負載時之線圈熱點上升溫度，且m為△θ_H所屬之經驗常數值。如此，將公式(5)與公式(6)帶入公式(4)之中，可發現該變壓器2之線圈熱點上升溫度△θ_H亦為初始負載k_i與終值負載k_U的函數。

進一步地，當設定該初始負載k_i與終值負載k_U同為額定負載k時，係可將該熱點溫度轉換方程式：θ_H=θ_A+△θ_TO+△θ_H，藉由公式(1)、公式(4)以及額定負載k轉換為以下之公式(7)：

於上述之公式(7)之中，由於變壓器2之功率輸出不變，因此，測得該變壓器2之相電流之後，便可推測出對應的額定負載k值，進而求得變壓器2之熱點溫度θ_H。

求得熱點溫度θ_H之後，該方法係接著執行步驟 (S04)，處理模組11運用等效老化因子轉換函式庫114以根據步驟(S03)所計算出之熱點溫度θ_H而進一步計算出該變壓器2之一等效老化因子。

其中，該熱點溫度轉換函式庫113係具有如下表示之一等效老化因子轉換方程式：

於該等效老化因子轉換方程式中，F_EQA為等效老化因子，且n為時間間格指標，N為時間間格總數，△t_n為間格時間。此外，F_AA為加速老化因子，其可由以下公式(8)計算而得：

因此，只要將公式(7)帶入公式(8)之後，再將公式(8)帶入該等效老化因子轉換方程式即可藉由測得之該變壓器2的相電流而計算出該變壓器2的等效老化因子F_EQA。

進一步地，求得等效老化因子F_EQA之後，該方法係接著執行步驟(S05)，處理模組11運用逝去生命計算函式庫115以根據步驟(S04)所計算之等效老化因子F_EQA而計算出該變壓器2之一逝去生命百分比。其中，只要將該等效老化因子F_EQA乘上電壓器的負載時間t並與該變壓器2之一額定使用年限(normal insulation life)進行百分比之比較，即可得出該逝去生命百分比(elapsed life)，即如下所示之公式：

最後，求得該逝去生命百分比之後，該方法係執行步驟(S06)，處理模組11跟據所計算出之逝去生命百分比進而計算出該變壓器2的殘餘壽命數值，並藉由該顯示單元111顯示該殘餘壽命數值。

如此，上述係已清楚且完整得說明本發明之一種變壓器殘餘生命裝置的估算原理與技術特徵；並且，經由上述，吾人可以得知本發明係具有下列優點：

1.不同於傳統之油中氣體分析偵測器。本發明之變壓器殘餘生命裝置僅由一處理模組與一霍爾模組所構成，具有結構簡單、體積小、低製造成本、高應用性、與價格低廉等優點。

2.此外，本發明之變壓器殘餘生命裝置的使用方式非常簡單，使用者僅需將變壓器之任一相纜線穿過該霍爾模組之一感測通道，便能夠立即測得該相纜線所傳輸之相電流的值；同時，該處理模組可進一步根據該相電流的值計算出變壓器的殘餘壽命值；如此，對於非工程背景之使用者而言，其只需根據所顯示的殘餘壽命值判斷需不需要更換變壓器，而不需要研究複雜的油中氣體資料圖表。

必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。