变压器漏磁热损的光纤Bragg光栅检测与温升特性分析*

彭庆军，粱仕斌，陈兴毕，陈晓云，田庆生，李　川（.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明6507；.云南电力试验研究院（集团）有限公司，云南昆明65005；.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650500）

变压器漏磁热损的光纤Bragg光栅检测与温升特性分析*

彭庆军1，粱仕斌2，陈兴毕3，陈晓云1，田庆生2，李川3
（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明650217；2.云南电力试验研究院（集团）有限公司，云南昆明650051；3.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650500）

变压器的漏磁场强度随着变压器容量的增大而增大，漏磁场强度越大在变压器各结构中引起的漏磁损耗越大，导致变压器运行效率低下，进而影响变压器的正常运行。对35 kV变压器进行试验，将漏磁产生最大处的温度与油箱产生顶端处的温度进行了对比，试验得出当开风机时该处与油箱顶端处的最高温度差为8.7℃、当负荷降至1倍功率时温差为2.9℃，它们的实时温度曲线图与变压器的运行一致，产生了局部温升的现象。通过光纤Bragg光栅（FBG）检测温度的变化反映变压器漏磁的情况，从而实现了对变压器漏磁的实时在线监测。

变压器；漏磁热损；光纤Bragg光栅（FBG）；温升特性

0　引言

随着我国经济形势的不断发展，电力系统的电压越来越高，变压器单台容量也越来越大，统计表明，漏磁场强度每增加20%，由漏磁场引起的散损耗就会增加40%，大容量变压器中漏磁损耗占到负载损耗的30% ～40%［1～2］。由此引起漏磁损耗急剧上升，造成某些构件局部过热，严重影响变压器的使用寿命和正常运行［3］。漏磁通会在夹件中产生损耗，这些损耗将转换成为热量散发到周围介质中去，从而引起变压器发热导致温度升高［4］。刘重轩等人对处于线圈轴向漏磁场和上部阀侧引线横联铜排漏磁场最强处的半口字形槽口夹件进行试验，并得到了该处最高温升为6.5℃，是由漏磁产生的附加损耗转换为热能，使上述部件发热，产生了局部过热的现象［5］；为研究变压器漏磁对结构件的影响，刘春融等人在A相、C相端用了两种不同的夹件进行了试验，其中，A相端为半开口型的夹件对变压器油温的温升为6.6℃［6］；郑万长等人在研究变压器漏磁引起的附加损耗和金属构件中的温升问题时，对铁芯A相、B相顶端对称处进行试验分析，得出该处产生的温升分别为6.4，3.8℃［7］。

本文针对变压器漏磁引起的发热问题对 SFZ11—10000/35型35 kV变压器进行试验，试验得出变压器的温度随着对变压器通、断电变化明显，说明在该处由于变压器漏磁所致，产生了局部温升的现象，并根据监测温度的变化来实时监测分析变压器的漏磁情况。

1　变压器漏磁产生的机理

在许多大型的电力变压器中，由于容量大，线圈中的大电流将引起非常强的漏磁场，将在变压器内部的各个结构件（如夹件）中出现一系列附加损耗。这些损耗不仅在变压器负载损耗中占据相当大的比例，而且它的分布情况极不均匀，在小面积上所集中的损耗很可能会带来比较大的局部过热现象［8～12］。

由于变压器夹件形状不规则且距离绕组又比较近，极易产生涡流损耗，而损耗又是产生热量的主要来源，极易产生局部过热进而影响变压器的正常运行。文中运用ANSYS有限元软件计算了变压器运行时的漏磁场，对三相绕组加载三相正弦交流电，并对模型施加磁力线垂直和平行边界条件。当变压器位于ωt=270°时，磁感应矢量分布同磁力线行进方向一致，磁力线越密，磁感应矢量值越大。磁密最大位置在铁芯A相与B相间的夹件处、铁芯A相左侧夹件处；铁芯A相与B相间的心柱磁感应矢量方向沿着心柱向下行进，铁芯C相磁感应矢量方向沿着心柱向上行进，在铁芯C相右侧铁轭转角处汇聚；磁密在铁芯内，铁芯外没有，磁感应强度矢量Bm最大值约为5.48 T。

图1　磁感应矢量图Fig 1　Magnetic induction vector diagram

从图1中A相绕组夹件的漏磁场比较大，这是由于通过夹件闭合的磁力线比较多。靠近铁轭区域夹件漏磁比较大，这是因为受铁芯、夹件等导磁材料影响，绕组磁力线在该区域发生弯曲，通过夹件闭合的磁力线比较多，漏磁比较大，所以，选择A相绕组顶部夹件处测量。

2　变压器夹件温度测量原理与试验安装布置

光纤Bragg光栅（FBG）温度传感器的测量原理是：将组装好的光纤Bragg光栅温度传感器贴到变压器上部夹件上进行温度的测量，当夹件的温度发生变化时，与其接触的光纤Bragg光栅的有效折射率和有效栅距也会随之改变，最终导致光纤Bragg光栅中心波长移位，其中，波长变化信号由光纤传出，然后传输至信号处理器进行处理，从而实现对变压器夹件温度的测量。当变压器夹件温度变化时，将引起光纤Bragg光栅的中心波长发生移位，通过测量光栅中心波长的移位量，便可得到变压器夹件的温升情况。

图2　传感器结构与实物图Fig 2　Structure of sensor and physical map

变压器结构件中，由于夹件正处在线圈轴向漏磁场和上部阀侧引线横联铜排漏磁场最强处，它产生的磁场复杂和不规则性导致附加损耗在夹件中分布不均匀，这些集中在小面积上的损耗往往会引起结构件中出现局部过热，从而影响变压器的安全运行和使用寿命。对SFZ11—10000/ 35型35 kV变压器进行试验，变压器的夹件件位于箱壳内A相端部，用光纤Bragg光栅温度传感器来对变压器夹件处的温度测量。其现场安装图、安装部位如图3所示。

图3　现场安装照片Fig 3　Site installation pictures

在试验过程中，光纤探头尺寸为长15mm、宽10mm、厚2 mm，总长约3 m，光纤传输线由内部的光纤和外部的聚四氟乙烯材料制成的保护层，可方便放置于所需测量的位置。将传感器安装于低压侧变压器漏磁最大处A—B相间顶部夹件处来测量，安装时将探头紧贴低压出线头，用胶带粘牢。测量油箱顶部油温时，把传感器放置A—B相间立木上，在立木上顶端处，安装时探头根部用绑扎带固定，探头悬浮。当该处的温度发生改变时，与其接触的光纤Bragg光栅的温度随着改变，导致光纤Bragg光栅中心波长变化，实现对该处的温度测量。

3　试验数据与分析

试验主要分为几种情况：在16：00时对变压器升温；18：36时开启风机对变压器降温；次日1：30降负荷至1倍功率；2：30测高压侧直流电阻；2：45断电后再一次通电；3：45测低压侧直流电阻。

变压器的最高温度出现在变压器油箱的上顶端处，而本次试验的变压器漏磁产生最强处的位置处于变压器油箱的上部与中部。图4为油箱上顶端处的温度与变压器A—B相间顶部夹件的表面的温度实时曲线图。

图4　油箱上顶端处及A—B相间顶部夹件的温度实时曲线图Fig 4　Real-time curve of temperature on top of oil tank and top of A—B

在16：00带1.3倍额定功率开始升温之前就已经通电1 h，所以，A—B相间顶部夹件处温度高于油温高度2.7℃，开始升温，该处的温度立刻升高。由于变压器带1.3倍额定功率运行变压器内部的油温也随之升高，A—B相间顶部夹件处的温度远高于油箱上部的温度且变化快。

在18：36时开风机对变压器油箱进行冷却，各点降温都存在不同延时是因为开风扇后，油在变压器内流动相对缓慢，因此，开风机后变压器内部油温依旧上升，而散热器中的油开始降温，直到散热器中低温油流到变压器底部，底层油温才开始下降，中层和顶层则随后依次开始下降。所以，有A—B相间顶部夹件处的温度一会就下降，顶端油温则经过较长时间后才下降。

2：30测高压侧直流电阻即对变压器进行断电操作，变压器一断电A—B相间顶部夹件处温度立刻下降是因为变压器断电此刻它并不产生漏磁，没有漏磁就有没有漏磁损耗，所以夹件处的温度就会下降，变压器顶层油温缓慢的下降；2：45对变压器恢复通电，变压器一通电A—B相间顶部夹件处温度立即上升而油箱顶端温度先下降后才上升，说明变压器通电产生漏磁，漏磁在该处产生了漏磁损耗，致使温度立即上升，而油箱顶端温度则是由于上次断电后温度低的油需要通过底部流向顶部再流向顶部的循环，所以顶部的油温要先降低后在升高。这就说明A—B相间顶部夹件处发生了漏磁损耗在该处产生了温度，导致了局部温升现象。

从图中可以看出变压器通、断电对A—B相间顶部夹件处的温度影响很大，说明在变压器A—B相间顶部夹件处产生漏磁并产生漏磁损耗，导致在该处产生了局部温升的现象。所以，分析变压器温度的变化可以用来实现对变压器漏磁的实时在线监测。

4　结论

本文通过对SFZ11—10000/35型35kV变压器进行温度检测试验，对变压器升温、开启风机对变压器降温、降负荷至1倍功率、测高压侧直流电阻、断电后再一次通电、测低压侧直流电阻。根据变压器在各个状态下的温度差，对变压器上端部的油温与A—B相间顶端部夹件处温度进行比较，分析得出高出的温度部分是变压器在A—B相间顶部夹件处产生的漏磁所致。可以通过对温度的观测来实现对变压器漏磁的实时在线监测。

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FBG magnetic leakage thermal loss detection and temperature rising characteristics analysis of transformer*

PENG Qing-jun1，LIANG Shi-bin2，CHEN Xing-bi3，CHEN Xiao-yun1，TIAN Qing-sheng2，LI Chuan3
（1.Yunnan Power Grid Limited Liability Company Corporation EPRI，Kunming 650217，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute（Group）Co Ltd，Kunming 650051，China；3.Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）

Strength of magnetic leakage field of transformer increases with increasing of capacity transformer，greater the leakage magnetic field strength increases，the leakage loss caused by the transformer in the structure，resulting in low operating efficiency of the transformer，there by affecting the normal operation of 35kV transformer are tested，magnetic flux leakage generating produced at the top end of the temperatures are compared with the maximum temperature and the fuel tank.The results show that when the fan on the premises and the fuel tank at the top of the highest temperature difference is 8.7℃；when the load is reduced to 1 times the power，temperature difference is 2.9℃，their real-time temperature curve is coincidence with operation of transformer，results in phenomenon of local temperature rise.Situation of magnetic leakage reflected by temperature changes detected by fiber Bragg grating（FBG），real time on-line monitoring on magnetic leakage of transformer is realized.

transformer；magnetic leakage thermal loss；fiber Bragg grating（FBG）；temperature rise property

TP212

A

1000—9787（2016）06—0042—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0042—03

2015—10—14

国家自然科学基金资助项目（51567013）

彭庆军（1981-），男，山东临沂人，博士后，高级工程师，主要从事电气设备外绝缘的研究。