变压器绕组热点温度检测研究现状综述

张卫庆 王成亮 徐 洪 高爱民 于国强 殳建军 李 燕

（1.江苏方天电力技术有限公司，江苏南京211102；2.南京理工大学化工学院，江苏南京210094）

0 引言

近年来，我国电力工业迅速发展，作为电能输送的重要设备之一，变压器的安全性已经成为一个重要课题。由于大容量高电压变压器供电范围大，其运行状况对电网供电的稳定性至关重要。变压器故障对输变电系统造成的影响极大[1-3]，其中，绕组温度异常引起的变压器故障非常普遍，直接影响到工农业生产和人民生活用电的正常供应，很大程度上制约了国民经济的发展[4-5]。

大部分变压器寿命的终结是因为其丧失了应有的绝缘能力，而影响绝缘能力的最主要因素是变压器运行时的绕组温度，如果变压器运行时的绕组最热点温度过低，变压器的能力就得不到充分利用，经济效益降低；而热点温度过高，不仅会影响变压器的使用寿命，还将对变压器的安全运行造成极大的威胁。

因此，监测变压器绕组及其温升对保障变压器正常工作和使用寿命至关重要[6-7]。

1 变压器温升试验研究

为了改善变压器运行时存在的各种问题，针对变压器绕组温升会对变压器产生的影响，国内外的许多专家和工程研究者们利用变压器温度热点的获取及测量方法，设计了研究变压器温度场的实验装置，并进行了大量的实验探索与研究，形成了以热电偶法、绕组法、电阻法和光纤测温法等为主的变压器温升测量方法[8-10]。

王恩龙[11-12]搭建了分布式光纤光栅温度传感系统，通过采集变压器不同部位的温升数据并进行比较与分析，采用外推法计算得出变压器绕组的平均温升与热点温升之间的关系。为了解决接触式测温时会出现的低安全性、低准确性、低效率、灵活性不足和功耗过高等问题，尚志军等[13]提出了一种变压器温升试验的无线测温系统。朱瑞华等[14]从发热和散热这两大因素出发，针对近年温升试验不合格的原因，提出了能使变压器温升控制在标准范围内的应对措施和建议。

通过对温升试验数据的分析、处理和曲线拟合，张乐等[15]实现了对变压器绕组温升的不确定度分析。徐莲环[16]针对双百万特高压电力变压器，首先基于TranCalc集成计算软件对变压器绕组温升及热点温升进行了计算，再通过建立三维流动模型和二维绕组模型，完成了不同软件下计算的绕组温度梯度的对比与研究。李晶晶等[17]详述了采用电阻法测量变压器绕组温升的方法及过程，并运用曲线拟合计算方法和MATLAB编程方法对实验数据进行了拟合分析。

众多学者还从影响温升试验的因素出发，研究了不同影响因素下变压器温升的规律。于清明[18]根据电磁场基本理论，以油浸式电力变压器为例，建立三维有限元模型，采用CFD方法解得全域温度分布，并得到了在直流偏磁现象下变压器高压绕组温升的分布规律。翟丽珍等[19]选取三台参数相同的样机，利用模拟负载法完成其在不同低压绕组风道大小、风道数量和风道位置下的温升试验，比较得出了不同绕组风道对温升将产生不同影响的结论。

2 变压器绕组热点温度理论研究

2.1 变压器绕组热点温度仿真计算

李春华等[20]利用传热理论和流体动力学理论对干式变压器的绕组热点温度分布情况展开了一系列的仿真试验与计算研究，并准确地计算出绕组温度及其分布位置。侯丹等[21]为了能够实时测量绕组温度的变化，提出了一种基于FBG的绕组热点测温方法。王永强等[22]提出了一种计算干式变压器绕组热点温度的三维反传热模型，利用共轭梯度法综合分析出绕组的温度分布从而获得其最热点温度。

此外，工程师们还探索出了其他测量热点温度的新方法，如：（1）在变压器的绕组上预埋光纤测温装置[23-24]；（2）利用数学模型进行准确计算[25-28]。

李树卿等[29]通过构建变压器绕组热点温度的灰色神经网络模型，并结合实验室的温度数据，验证了该方法的可行性；刘兴谋等[30]设计了电磁热耦合变压器的三维模型，计算出节点的热源和温度分布，结合红外测温仪的测试结果，比较了理论值与实际值的误差程度。李静等[31]将微分方程解法应用到热点温度的在线监测上；高鹏等[32]和翟云飞等[33]也采用适用于任意时变负载系数和时变环境温度的差分方程解法，完成了对绕组热点温度的在线测量。黄超等[34]在热电类比模型和IEEE导则推荐的热点温升模型的基础之上，充分考虑辅助变量的选择，改善了传统的热电类比模型，建模并验证了该模型较高的预测准确性。

2.2 变压器温度场的研究

温度场的建立更有利于全面分析变压器绕组的温度分布特性[35-36]。黄娇[37]根据变压器现场实际运行情况，利用FLUENT软件对自然换热条件下的变压器温度场进行分析，得出变压器在纵向和横向的温度变化趋势及内部最热点的位置。杨硕[38]采用Comsol对S11-2000/10/0.4型油浸式变压器内自然和强迫油循环下的瞬态温度场进行了数值模拟与分析比较。薛飞等[39]应用传热学和流体力学原理建立了流固耦合的变压器温度场有限元分析模型，并采用ANSYS软件计算了变压器内部的温度场分布，确定了热点的温度及位置。

2.3 变压器冷却方式对温升的影响

变压器的冷却方式对绕组的温升影响很大[40-41]。吴楠楠等[42]对10 kV配电变压器进行了改造，研制了一套可灵活调节油流量、改变冷却器垂直布置位置及水平布置位置的模拟试验装置，通过Comsol软件搭建相应的仿真模型并进行热学仿真分析，研究了散热器中心高度对变压器温度场分布的影响。王珊珊等[43]用有限元热—流耦合仿真的方法计算了不同冷却条件下的变压器温升，研究了自然冷却和强迫风冷两种冷却条件下变压器绕组热点的温度和位置，总结了冷却条件对变压器温升的影响情况。

3 结语

变压器绕组温度尤其是绕组热点温度已经成为影响变压器绝缘寿命的决定性因素，其异常变化是变压器安全运行隐患的重要表现形式。目前，国内研究热点集中在变压器绕组的温度在线动态测量装置及数学模型方面，能够实时提供变压器绕组的热点及位置信息，从而为变压器绕组温度的在线故障报警以及指导变电站运行、维护与检修工作提供必要的理论与实践保障，这将产生重要的经济和社会效益。