油浸变压器温度监测方法分析

赵文航，郭海全

(1.河北国华定洲发电有限责任公司，河北 定州 073000;2.河北省电力公司,石家庄 050021)

变压器温度监测主要目的是利用测温装置控制冷却系统，发出高温报警、高温跳闸指令和实时显示温度，以保护和保证变压器的安全运行。国产油浸变压器测温装置包括2套油面温度控制器和1套绕组温度控制器，油面温度控制器和绕组温度控制器均能分别启停冷却系统、启动保护系统，如果油面温度控制器和绕组温度控制器不带远传功能，需另外配置1套或2套铂(铜)温电阻温度计。温度监测主要是测量变压器绕组温度和顶层油面温度。

1 绕组温度监测方法

1.1 直接测量法

直接测量法是在绕组中埋设传感器，由光纤传播信号在高电压、高磁场条件下实现在线、实时地测量绕组的热点温度。光纤温控器是通过测量磷光体单独的固有参数(衰减时间)而确定的，不会因为光纤的物理变化而改变，是一个无需校验的系统。温度传感器由一种稳定的耐高温的荧光材料制成,直接附于光纤探头末端，该探头与油浸变压器长期兼容，具有优良电气性能。光纤探头测量数据通过2～16个独立输出和显示的测量通道传送到温度控制器。

直接测量的工作原理是当LED 光源发出的光脉冲通过光纤送到与绕组接触的温度传感器时，该脉冲激励传感器的荧光材料，使其产生波长较长的荧光。根据返回荧光的衰减时间测出该传感器的温度，然后通过处理，显示出温度值和有关系统参数，并同时将温度信息传输到控制室。

直接测量装置能够实时监测绕组温度，但是价格昂贵，也存在测量误差。由于探头的位置在绕组绝缘的外部，探头所测的温度均为贴近导线绝缘层的温度。根据传热学的导热机理，铜线表面和绝缘纸外表面之间有一个温度梯度，因而测量温度与热点的真实值有一个差值，测量值需要修正。

1.2 热模拟测量法

目前，国内外普遍采用一种以GB 1094.7-2008《电力变压器第7部分 油浸式电力变压器负载导则》[1]为基础的“热模拟”技术，间接测量变压器绕组温度。该标准认为变压器绕组温度(Tw)为变压器油箱顶层油温(To)和变压器铜油温差(Two)之和，即Tw=To+Two。其中油温可由压力式温度计测量获得，但铜油温差是随变压器负荷大小而变化的数据，需要通过“热模拟”获得。

“热模拟”技术的工作原理是从变压器的电流互感器取得的与负载电流成正比的附加电流Ict,经复合变送器变流成Ih(Ih是对Ict进行调整后，根据变压器铜油温差人为给出的工作电流)。Ih对温控器内一组特别设计的电热元件进行加热，该电流在电热元件上所产生的正比于负载电流的附加温升即模拟的铜油温差Two，迭加到变压器顶层油温To上，从而使得绕组温控器获得变压器的绕组温度Tw=To+Two。

热模拟测量法原理简单易懂，温控器校验时要外加模拟电流在恒温槽中进行，电流匹配器、温度变送器、温度显示仪设定工序繁琐。负荷电流的引入和加装电流匹配器使得二次回路复杂化，在运行中受外界条件影响经常发生温度跳变或扰动。绕组温控器的测温元件位于油箱顶部，虽有人为引入补偿电流，但还是存在测量误差和时滞误差，不能准确实时的显示绕组热点温度。

1.3 间接计算法

间接计算法是基于IEC 60076.7-2005《油浸变压器负载导则》[2]中热点计算公式间接计算的，是根据假设变压器热模型，结合实用经验数据进行估算的，是传统的经典估算方法。其中，稳态温度方程是假设油、绕组的温升为线性的前提下对热点温度进行计算，暂态温度方程是考虑了负载的实时变化量对温升进行计算。

1.3.1 稳态温度方程式

对于自然油循环(ON)冷却的变压器，在任何负载下的最热点温度等于环境温度、顶层油温升和热点与顶层油之间的温度差等三者总和,计算公式为

(1)

式中：θh为热点温度；θα为环境温度；Δθor为顶层油温升；R为损耗比；K为负载系数；Hgr为热点对绕组顶部油的温差；x为油的指数；y为绕组的指数。

（6）强化变电运维现场作业的检查和监督制度。变电运维安全检查和监督要包括安全重点检查、日常常规检查、以及安全综合检查等。

对于强迫油循环(OF)冷却的变压器，计算方法是以底层油温和油平均温度作为基础的。在任一负载下的最终热点温度等于环境温度、底层油温升、绕组的顶部油温升与底层油温升之差,以及绕组热点温度与顶部油温之差的总和，计算公式为

(2)

式中：Δθbr为底部油温升；Δθimr为油平均温升。

对于强迫油循环导向(OD)冷却的变压器，计算基本上与OF冷却方式一样，但是考虑到导线电阻随温度的变化，还要加上校正系数，计算公式为

(3)

使用上述公式来计算最终热点温度，要进行某些修正，例如温度变化时，应作负载损耗，绕组的纯电阻损耗和涡流损耗之间的关系，油的粘度的修正。对于采用ON和OF冷却方式的变压器，随温度变化油粘度将抵消导线电阻变化的影响。因此，在计算时不考虑导线电阻变化的影响。对于OD冷却方式，油粘度对温升的影响较小，必须考虑导线电阻变化的影响。

1.3.2 暂态温度方程

经过时间t后的油温升(例如底层油)，可用下式求出

Δθbt=Δθbi+(Δθbu-Δθbi)(1-e-t/τo)

(4)

式中：Δθbi为起始的底层油温升；Δθbu为时间t内所加负载的稳态底部油温升；τo为油时间常数。

随着负载的增加，绕组和油的温差将按绕组的时间常数上升到一个新的值。由于绕组的时间常数很小(5～10 min),既使在短时大负载下，它对热点温度的影响很小，因此在计算中将此时间常数近似地看成零，可以忽略不计。公式(1)的最后一项和公式(2)的最后二项均假定为与这新的负载系数Ky相应的数值。

间接计算法适用于各种冷却方式的变压器热点温度的计算，但是计算过程复杂、理论性强，公式中的基础数据需要借助测温装置采集，同样存在测量误差和计算误差。由于能够熟练掌握间接计算法理论的人较少，在生产现场很少使用。

2 油面温度监测方法

油面温度主要采用压力传感式温度控制器和电阻式温度计2种装置测量。压力传感式温度控制器和绕组温度控制器都是以感温介质热胀冷缩为基本原理制造的，不同的是后者加入了负荷电流的热补偿。电阻式温度计是利用金属在温度变化时，其电阻随着发生变化的特征来测量温度的。

2.1 压力传感测量法

压力传感式温度控制器主要由弹性元件、毛细管、感温包三部分组成的，并形成一个密封系统。系统内部充满感温介质，当温度变化时感温介质的体积随之变化，体积变量通过毛细管传递到仪表内的弹性元件，使之产生一个相对应的位移。位移经过机构放大后，带动指针指示温度变化，并驱动微动温度开关，控制相应的冷却系统和保护系统，达到监视温度和控制温升保护变压器目的。最新型温控器采用复合传感技术，通过装在温包内的Pt100铂电阻信号远传到控制室内的二次仪表，可以同步显示和控制变压器的顶层油温。还可以给计算机提供4～20 mA标准电流信号或0～5 V标准电压信号。

压力传感式温控器能够实现启停冷却系统、启动保护系统和实时监测变压器油面温度。压力温控器无电流匹配器，造价较低，校验时不用附加模拟电流回路，相对简单。压力式温控器的测温元件位于油箱顶部，存在测量误差和时滞误差，不能准确实时的显示绕组热点温度。

2.2 电阻式温度计测量法

电阻式温度计测量法一般采用铂电阻或铜电阻作为测温元件，测温元件安置在变压器顶部的测温座套内，当温度变化时其电阻也随着发生变化，经过温度变送器转换成可读的值。工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。

电阻式温度计测量精度高、机械强度高、回路简单、性能可靠稳定，能够显示变压器的温度。但是由于电阻式温度计没有配套开关接点，因此不能实现控制冷却系统和发出高温报警、跳闸指令，不能保护变压器安全稳定运行。

3 结论与展望

压力传感式温控器完全满足DL 572-2010《电力变压器运行规程》[3]中关于油浸式变压器的测量顶层油温、指示顶层油温最高值、信号温度远传、控制启停冷却系统、发出高温报警及高温跳闸指令等各项规定。采用2套四接点的压力传感式温控器就能够实现双重显示油面温度、启停冷却系统、发高温报警信号、高温跳闸指令等功能。压力传感式温控器兼容了绕组温控器和电阻式温度计的所有功能，可以不配置绕组温控器和电阻式温度计。

根据华北地区带正常周期性负载变压器(不包括水冷的)实际运行经验，变压器温度跟随季节的变换基本处在10～75 ℃，现有大中型变压器冷却系统电源采用能够自动切换的双套配置，大大提高了变压器安全运行的可靠性。压力传感式温控器虽然不能实时地、精确地测量变压器绕组温度，但是从功能和可靠性方面都已经满足了变压器安全稳定运行的要求。基于蒙辛格热老化规则变压器高温损失寿命可用低温补偿的原则及借鉴俄罗斯、乌克兰、法国等的成熟经验，在直接测量绕组温度技术没有普及的今天，建议带正常周期性负载变压器采用油面温度监测方法中的压力传感测量法。今后应加强以下方面的研究。

a. 红外测量法的研究，利用红外测温远离测量目标的特点，克服环境、反射率、距离系数等误差，在变压器油箱表面镶嵌红外测温装置，监测绕组、油及铁心温度。

b. 热胀冷缩变形传递测量法的研究，克服高强电场和磁场的影响，在变压器部分绕组中附加双金属片，利用双金属片膨胀变形，触动绝缘杆件传动，推动绝缘齿轮机构带动表盘指示温度。

c. 简化计算方法的研究，根据变压器发热的原理，利用负荷电流、负载损耗、空载损耗、冷却功率及其它杂散损耗的平衡关系简化计算公式。

参考文献：

[1] GB 1094.7-2008,电力变压器第7部分 油浸式电力变压器负载导则[S].

[2] IEC 60076.7-2005,油浸变压器负载导则[S].

[3] DL 572-2010,电力变压器运行规程[S].