一种基于DSP的变压器绕组温度测量

2014-03-20，

四川电力技术 2014年5期

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(国网成都供电公司变电检修工区，四川成都 610041)

0 引言

变压器运行中，如果遇到短路、过载、环境温度过高或冷却通风不够等情况时，会造成变压器过热。当绕组温度超过绝缘耐受温度时会使绝缘破坏，是导致变压器寿命缩短的主要原因之一。作为变压器运行工况监测的重要参数，油温及绕组温度的测量关系到运行中的变压器风冷投入，温高报警，温度过高跳闸等保护的正常动作。

由于目前变压器测温系统均采用压力式温度计。绕组温度的直接测量需要解决高电压隔离的问题，是一项世界级难题，国内外绝大部分变电站均采用热模拟方法间接测量变压器绕组温度。绕组温度由变压器顶层油温使仪表内弹性波纹管产生对应的角位移量，叠加仪表内发热元件产生的角位移量，从而指示变压器绕组温度，发热元件通过匹配器及变压器TA二次侧负载情况变化而补偿不同的铜油温差。

基于热模拟方式的绕组温度测量方式，由于通过TA二次侧电流对加热元件进行加热，根据铜油温差曲线产生模拟温升，这种方式受环境温度影响很大，特别是变压器轻载、重载不同的工况下，变压器周围的空气温度会有30～40 ℃的差异，导致加热温包在不同环境温度下产生的加热温升差异很大，绕组温度测量误差很大，在成都电网某220 kV变电站重载运行工况下绕组温度误差达15 ℃，同时，由于温度计安装于变压器本体，震动较大，传统的微动开关受震动影响大，误动及损坏概率很大，特别是目前大多数220 kV强油循环变压器，温度投入跳闸接点后这个问题日趋显著。

1 压力式温度计测量原理

1.1 压力式温度计测量原理

压力式温度计，主要由弹性元件、毛细管、温包和微动开关组成。当温包受热时，温包内感温介质受热膨胀所产生的体积增量，通过毛细管传递到弹性元件上，使弹性元件产生一个位移，这个位移经机构放大后指示出被测温度并带动微动开关，从而控制冷却系统、温度高报警、温度高跳闸的投入或退出。压力式温度计内部结构如图1所示。

图1 压力式温度计内部结构

1.2 变压器用绕组温度计测量原理

绕组温度的监测，当前国内外绝大部分变电站均采用热模拟的方法间接测量。所谓热模拟是用一个流经电热元件的加热电流所产生的附加温升，当这个附加温升调整到等同于铜油温差时就可以间接获得变压器绕组温度，也就是变压器绕组温度T1等于变压器上层油温T2以及绕组对油的温升ΔT之和，即T1=T2+ΔT。目前，获取绕组温度的方式是校验前计算并调整好加热电流，即利用在变压器容量、额定电压、额定负荷电流和铜油温差手动计算出加热电流，利用标准源通过匹配器输出加热电流对绕组温度计进行校验。当变压器带上负荷后，通过变压器的电流互感器(一般有专用绕组)二次绕组电流，经匹配器调整后，形成与负荷成正比的加热电流，流经嵌装的电热原件，电热原件产生的热量使感温介质产生附加膨胀，从而使弹性元件产生附加位移，这个位移量就反映变压器负荷电流对绕组的温升ΔT。因此，在变压器加载后，测量元件的位移是由变压器上层油温和变压器加载的电流所决定的，这样就反映了变压器上层油温和绕组对油的温升之和，即变压器的绕组温度。全部通过人工进行计算、调整、校验。绕组温度计测温原理如图2所示。

图2 绕组温度计测温原理

2 变压器用绕组温度计应用现状

在实际使用中发现，基于热模拟实验间接测温的绕组温度计存在因环境温度变化以及匹配电阻长期工作发热变质而导致的测量不正确的问题。原因在于元件的加热过程是在温度计内部直接进行，存在与外部热交换的过程，当环境温度较低时加热效果达不到整定值，环境温度较高时加热效果又远远超出整定值。更重要的是匹配电阻长期发热造成调节触点氧化导致电阻值升高，分流作用减小，加热电流进一步偏离正常值。因此绕组温度计的指示值无法正确反应绕组的运行温度，同时由于温度指示的影响会使得风冷启动、温高报警、温高跳闸等节点不能正确动作。由于绕组温度是实时进入SCADA系统的，而调度人员和运行人员都通过综合数据网来监视绕组温度的，因此如果绕组温度指示不正确，可能使调度人员做出错误判断，影响电网的安全稳定运行。

3 基于DSP技术的绕组温度监测

采用以数字信号处理器(digital signal processing，DSP)为核心控制芯片，专用的数字信号处理芯片Freescale公司的16位DSP，在时钟频率80 MHz下，有着40 MIPS的指令执行进度，能够满足温度实时监测及通讯的目的。通过热电阻作为传感器，进行基本油温温度测量。热电阻的工作原理是基于热电效应。如铂电阻，其特点是精度高、稳定性好、性能可靠，尤其是耐氧化性能很强。铂在很宽的温度范围内约1 200 ℃以下都能保证上述特性。中国已采用IEC标准制作工业铂电阻。按IEC标淮，使用温度已扩大到-200～850 ℃，初始电阻有100 Ω和50 Ω两种，以常用的Pt100为例作为感温元件。利用护套将Pt100从传感器到温度计这部分保护，从而不容易遭到外界的破坏。

3.1 系统硬件设计

图3是系统的硬件框图，其中A/D用于采集Pt100的电阻信号，经DSP转换为电流值，TA二次电流经隔离后同样经A/D转换为电流值送给DSP，EEPROM存储铜油温差曲线值供绕组温度计计算使用，RAM用于历史温度值记录，RS232、RS485及mA输出。

图3 油温温度计工作原理

3.2 绕组温度计的工作原理

图4是绕组温度计工作原理流程图，其中变压器的油温温度通过感温元件Pt100，经隔离后到A/D转换将Pt100的电阻信号转换为电流值，然后送到DSP；绕组平均温升则是，首先变压器TA二次电流通过隔离，然后到A/D转换将大电流转换为小电流值后送到DSP，与EEPROM存储的铜油温差曲线值进行比较计算，在DSP中绕组平均温升与油温温度进行叠加，叠加后的电流值mA输出供测控装置使用和液晶显示。当温度到达接点预定设定值，则接点闭合输出。同时RAM对变压器的温度进行统计、累加，反映变压器在温度过高区间运行的时间，对变压器运行温度区间进行有效统计。并且可以通过RS232、RS485串口直接读取温度实时数值和历史数值。

图4 绕组温度计工作原理流程

4 绕组温度计检定

温度计检定项目包括外观检查、示值误差、设定点误差、切换差、稳定度、绝缘电阻、绝缘强度等项目。绕组温度计检定在一般温度计的检定项目基础上，需增加绕组平均温升试验。根据以上检定项目，基于DSP技术的绕组温度在检定前需收集相关数据并进行计算整定，具体检定接线如图5所示。

图5 绕组温度计检定接线

为了保证在整定过程中对接点整定的可靠性及准确性，温度计在整个试验过程中表头应垂直安装，温包必须全部浸没，引长管浸没不得小于管长的1/3～2/3，温度计均要求表头和温包之间的高度差不得大于1 m，由于现场应用的接点会使用在风冷全停延时跳闸回路及温高跳闸回路，因此要求接点的动作值能真实反映变压器的温度，在读取接点动作值的时候应读取和被试表温包位于同一恒温油槽内的标准水银温度计或Pt100标准铂电阻。

绕组温度计接点可根据现场启动风冷、温高报警、温高跳闸的要求进行整定，当温度指示达到整定值时接点闭合动作。

接点动作值设定完毕后，测试接点动作误差时，除信号电路和试验点外，采用与示值基本误差试验相同的试验条件、试验设备和标准仪表，测试点按照标准设定点进行,具体方法是将被测试温度计和标准二等水银温度计或标准Pt100铂电阻插在恒温槽中，并将被试温度计的端子接到信号电路中，然后均匀改变恒温槽温度(温度变化率应不大于1 ℃/min)，使接点产生闭合或断开的切换动作(信号电路接通或断开)，在动作的瞬间记录标准水银温度计或标准Pt100铂电阻的示值，即为接点正行程或反行程的上切换值或下切换值。在同一测试点上，上切换值设定点的差值即为接点动作误差；上切换值与下切换值的差值即为接点切换差。接点动作误差和切换差在各试验点上就接点闭合和断开各试验一次。

绕组温度计热模拟试验如下。

例：某220 kV变电站，变压器的额定容量为180 000 kVA，额定电压为220 kV，TA变比为600/5，绕组温度计接于220 kV侧B相TA，绕组平均温升ΔT=20 ℃，则计算如下。

P=UI

I=P/U=180 000/(1.732×220)=472.391(A)

二次额定电流Ip=472.391/120=3.937(A)

根据公式：Y=X2A

式中，Y为温升ΔT；X为TA二次额定电流。

则：20=3.9372A

A=1.29

先将温包浸没入恒定在80 ℃的恒温油槽中，待绕组温度计稳定后读取温度计示值T1，然后将Ip、温升ΔT和A的数值分别置入温度计内EEPROM中，待温度计示值稳定45 min后读取T2，T2与T1的差值即为热模拟装置的附加温升。

稳定性试验(此项目为型式试验)：首先温度计在承受24 h、150 ℃的试验，然后在温饱处于交变温度差大于100 ℃且出现频率不小于50%(每一个变化周期不得超过24 h)的情况下连续工作1 000 h，试验后温度计示值基本误差、示值回差、环境温度影响、接点动作误差及切换差应合格。

绝缘电阻试验: 用额定直流电压为500 V的绝缘电阻表分别测量温度计电接点端子之间、电接点端子与接地端子之间的绝缘电阻应不小于20 MΩ。