配电变压器中热模型的油温估计改进

潘振 朱孟兆 王善龙 乔福泉

摘 要：本文提出了一种针对油浸自冷式配电变压器油温估计的方法。同时提出了一种提高标准IEC 60076-7热模型可靠性的列文伯格-马夸尔特算法。并将基于标准参数的油温模型与所提出的模型进行了比较。对从160kVA到800kVA的三个配电变压器进行了温度估计的改进。

关键词：油温传感器；热模型；配电变压器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.149

1 简介

在电网服务连续性的控制中，配电变压器起着重要的作用，为了减少配电变压器替换零件的损耗，很有必要研究一种配电变压器油温的检测方法。在大多数检测方法中，热检测是最有效的检测方法之一，这种方法可以提供有关老化和过载能力的有效的信息。其中，在检测方面，热点温度是一个非常重要的参数[1]。许多研究人员认为热点温度是燃料箱顶部油温升高的总和，以及额定电流对油顶层的梯度。在这项研究中，微分方程的参数均取自IEC 60076-7标准，这是一种基于列文伯格-马夸尔特算法的识别程序，该方法早就用于400kVA油浸自冷式配电变压器的热模型参数估计。研究发现，估计得到的参数与标准的参数不同，从而提高了最高的油温估计。本文中另外一个重要的问题得到了解决，在标准中，提出的一系列宽功率范围的单一参数，从而导致了温度估计的显著误差。在本文中，热模型的参数估计了三个容量分别为160kVA，400kVA和800kVA的油浸自冷式配电变压器。本文着重介绍了三种变压器油温估计的改进。

2 变压器热模型

这里描述了利用热传递微分方程来估计分布式变压器的油温随着时变的负载电流和时变的环境温度的变化而变化。其方法是以软件处理数据为基础，以便把油温定义成时间的函数。这种方法特别适用于在线监测，特别是对于负载简档没有任何限制。当传热原理应用于变压器的情况时，微分方程只对直流部分的冷却是线性的，对于其他形式的冷却，冷却介质的循环率取决于冷却剂温度本身。换句话说，如果没有风扇，散热器的气流速度取决于它的温度，而如果有风扇，则不会如此。总而言之，在冷却过程中，微分方程是非线性的，这意味着顶部油温的响应在负载电流变化时，不是一个线性函数。

3 使用使用标准IEC 60076-7参数进行油温估计

采用以下容量为160 kVA、400kVA和800kVA的3个配电变压器来验证所提出的方法。在每个油箱顶部10cm处安装了一个传感器，以便测量油温。为了调整负载系数，在变压器的前部，连接一个自耦变压器，可用的测量值是三个二次侧电流，距离变压器两米处的环境温度和变压器内部的油温由传感器提供。安装Matlab/Simulink的计算机连接到数据采集DSpace卡[2]。为了得到二次电流，变压器应该提供15760V的电压侧电压，这是很难达到的，较低的一次侧电压可以使用，这样会可能会造成暂时的一次侧电流和二次侧电流超过其额定值，由于一次侧侧电压值比较低，铁损非常低，热模型中的参数会受到影响。

在采集输入的负载因素和环境温度，输出的测量油温之后，Matlab程序将使用标准IEC给出的参数对三个变压器的估计油温进行参数计算[3]。在这个方法中，对于容量为50kVA到1000kVA的油浸自冷式变压器，有4个参数被认为是恒定的，它们分别是油的指数（x），额定电流负荷损失与无负载损耗之比（R），平均油冷却时间（t0），在额定损耗下油箱顶部油温的温升（Δθ）。

实验结果发现明显的误差，这个误差的产生是由于采取的IEC标准的参数是根据大量的电力变压器给出的，为了减少这个误差，必须使用识别算法对每个变压器进行参数估计。

4 参数识别

列文伯格-马儿夸克 （LM）算法是一种迭代技术，它定位一个多变量函数的最小值，该函数表示为非线性实值函数的平方和。它已成为非线性最小二乘问题的一种标准技术，广泛应用于广泛的学科领域。在本研究中，使用LM算法对参数进行调整，以尽量减小真实值和估计温度之间的误差。热模型有两个相同的传递函数输入，且依赖于模型的输入，系统的四个参数的识别是非线性的[4]。

LM算法可以看作是最速下降和高斯-牛顿法的结合。当当前的解决方案与正确的方法相差甚远时，该算法的表现就像一个最速下降法：它不是快速的，而是保证收敛的。当电流解接近正確的解时，它就变成了高斯-牛顿法。试验中进行了大约40种不同的加热测试，最终验证了该算法具有参数识别的算法速度快，且参数估计准确的特点。

5 结论

本文提出了一种对电力变压器油温进行精确估计的模型。利用列文伯格-马夸尔特算法确定热模型参数。与标准IEC 60076-7参数的比较中表明，这些参数必须根据变压器功率进行调整。在将来这种温度检测方法可能集成在工业能量计中，或者包括电力变压器的跟踪损耗在内的更大的系统之中。

参考文献：

[1]郭伟.浅谈电力计量装置的故障与检测技术[J].科技创新与应用，2014（35）：156.

[2]GB/T15164-1994，油浸式电力变压器负载导则[S].

[3]K.Levenberg，A method for the solution of certain non-linear problems in least squares，Quart.Appl.Math.2（02） （1944）：164-168.

[4]骆光.电力计量装置异常原因及监测方法研究[J].中国新技术新产品，2015（08）：59.