干式变压器温度场可视化分析中平行坐标技术的应用

2024-06-09海南金盘智能科技股份有限公司孟春雅

电力设备管理 2024年6期

海南金盘智能科技股份有限公司孟春雅

保证变压器运行安全性与可靠性的措施之一，是对干式变压器在运行过程中的真实温度值进行可视化分析，在掌握变压器温度变化的内在规律后，采用更加精准的温度监测技术为干式变压器的快速散热提供支持。而平行坐标可视化技术，能够实现多维数据的可视化处理，精准排查出干式变压器现场运行的薄弱点，避免因散热过慢导致绝缘损坏等异常问题。

1 干式变压器温度场存在的散热问题分析

1.1 干式变压器热源

首先，干式变压器由多种电力装置组建而成，其中包括紧固装置以及高压、低压绕组等，这些设备在运行过程离不开电磁载体的支持，如绕组、引线以及铁心，但电磁载体会随着干式变压器的运行产生一定的损耗，这些损耗就是热源。以铁心和绕组为例，这两大热源拥有较强的传导性能，会通过对流或者辐射的形式将热量传导给周围的绝缘介质。在变压器实际运行期间，若各个设备以及介质之间的热源保持平衡稳定的状态，变压器的各个温度点也会保持稳定。但由于变压器内的各点温度受负载、点位及结构的影响可能会产生温度差异，这种差异会造成局部升温，不利于干式变压器的安全运行[1]。

其次，受铁心磁通的影响，变压器会产生空载损耗：Pc=Ph+Pe，式中：Pc为空载损耗（W），Ph为磁滞损耗（W），Pe为涡流损耗（W）。根据公式可知，变压器电磁载体会出现两种损耗分别是涡流损耗与磁滞损耗，在这两种损耗的共同作用下会产生空载损耗。在计算涡流损耗的过程中可利用公式：式中：k1为铁心材料的涡流损耗系数，f为频率（Hz），Bmax为磁通最大密度（Wb/m2），V为铁芯体积（m3），d为硅钢片厚度（mm）。在计算磁滞损耗的过程中可利用公式：式中：k2为铁心材料的磁滞系数，n为叠片（热轧取值1.6～2.1，冷轧取值＞2.0）。

最后，干式变压器在热源传导作用的影响下还会产生负载损耗，这种损耗主要是由引线以及低压绕组的直流电阻损耗引起。具体而言，干式变压器的漏电磁通以及热源传导均会造成损耗，这种损耗是导致变压器局部温度异常升高的主要原因，需通过科学的温度监测和分析技术及时发现异常并解决问题。

1.2 干式变压器传热原理

在变压器传导热源的过程中，热量会直接作用于电磁载体的外表面，而电磁载体周围的空气会通过对流或者辐射的形式对表面的热量进行发散：ρCP▽T+▽（-k▽T）=Q，式中：ρ代表的是铁心以及绕组等材料的密度（kg/m3）；k 代表的是热源传递系数(W/m)；CP与Q分别代表的是比热容（J/kg·K）以及体积热流密度（W/m3）。

1.3 干式变压器温度场存在的散热问题

在干式变压器负载运行的过程中，电磁载体会产生损耗并形成热量，这种热量会以两种形式作用到变压器中，一种是存在于电磁载体的表面促使电磁载体本身的温度升高，另一种会以对流以及辐射的形式传递给周围的绝缘介质、造成局部升温，一旦绝缘材料的温度过高就会加快老化速度，导致变压器的运行年限缩短，因此找到各种干式变压器的薄弱点，开发有利于热量快速散出的技术，是干式变压器亟需解决的问题，也是低压配电网未来研究发展的主要方向和内容。

2 干式变压器温度场可视化分析中平行坐标技术的应用要点

2.1 平行坐标可视化技术的原理

平行坐标可视化技术指的是以多维数据为基础，通过平行轴相交的折线对样本数据进行可视化，以便于技术人员掌握各个样本数据之间的内在联系。在平行坐标的二维空间中，多维数据n与多条相互平行且等距离的垂直坐标轴实现了对数据的可视化，其中代表样本数据的折线可利用公式表示：

（x1-a1）/u1=（x2-a2）/u2=...=（xn-an）/un

以上公式的含义为：在二维空间中，多维数据即xn与an，以互相平行且等距离垂直的方式即un，存在于二维空间中，其中每1个轴线对应1个多维数据，通过折线的形式，将不同维度的数据全部连接到一起后，整体结构的表示方法就是该公式。

通过对平行坐标可视化技术工作原理的分析可知，这种技术的数学思维较强，能够将数据之间的关系清晰明确的表达出来，实现利用二维空间表达高维数据的效果，有利于提高研究成果的可视化与直观性。因此在干式变压器温度场的可视化分析中，科学应用该技术，有利于提高研究质量和效率。

2.2 变压器温升测试

2.2.1 变压器基本信息在本次温升试验中，主要对象为本厂的矿用采煤机专用牵引变压器，这种设备具有较强的隔爆性能，具体技术参数如下：联结组别Yd11、额定频率50Hz、额定容量65kVA、高压侧额定电压1.14kV、低压侧额定电压380V、电磁载体30Q120硅钢片铁心与无纺布包铜线绕组、层间厚度0.26mm、绝缘形式DMD 纸。

2.2.2 温升测试过程

将干式变压器调压装置的一次侧与外接断路器连接到一起，对变压器的额定流量进行调整后，将调压装置的二次侧与干式变压器的高压侧连接到一起；对变压器的低压侧展开绝缘处理，同时设置三相短路连接[2]；在调压装置的作用下对干式变压器的高压侧电流进行有效调整和控制，主要的操作方法为：调节控压器的二次电压，当调压装置能够控制变压器高压电流后展开模拟测试，即检测在不同的负荷下干式变压器的工况。

在负荷测试的过程中，主要是对变压器满载状态下内部各组件的运行数据进行详细的记录，如高压绕组电流33A、低压绕组电流99A、记录时间10～12h、记录频率每0.5h1次。为进一步提高试验结果的准确性、确保温度测试值具有参考价值，要将温度传感装置设置在低压绕组的上部以及高压绕组的外部，同时在绕组的A-B-C 相间均要设有相应的温度传感器；在满负荷测试中，干式变压器需要保持12h 以上的满负荷状态，并在温度检测仪的支撑下，对变压器压外表皮、侧面温度以及铁心的顶端温度进行每0.5h 一次的温度记录，每次记录的时间要＞5min。

2.3 干式变压器温度场平行坐标多维可视化分析

为分析出不同干式变压器普遍存在的温度变化规律，在温度场平行坐标可视化分析中决定采用对比分析的工作方法，即以本厂的矿用采煤机专用牵引变压器为主要研究对象，在测试本厂变压器温度规律的过程中，同时对其他型号变压器的温度规律进行测试，并对最终的测试结果进行综合对比分析后找到各种变压器的共性问题，在此基础上制定温度场的散热方案，提高干式变压器的运行能力。

在本次测试中，本厂干式变压器型号为KBSG-65/1.14，简称A，其他测试对象的型号分别为：SCB10-1250/10(三相干式变压器)、PSCD/500(海用变压器)以及矿用变压器，简称B、C、D。利用平行坐标多维可视化分析技术，对A、B、C、D 四台干式变压器的温度变化情况进行检测后，各个温度大数据点会以平行线的形式呈现出来，各个平行线之间的折线代表着两种含义，一种是四台变压器的温度变化特点，另一个是多维温度相关数据点之间的关系。通过对变化特点以及变量关系的深层次分析和研究，能够掌握四台变压器之间的共性问题。

2.3.1 时间特征

在开展变压器A 的温升测试时，详细记录检测到温度的数据后，根据变压器B 的温升测试结果，对A 与B 展开可视化分析，随着时间的推移，能够掌握变压器内部各个电磁载体的温度变化情况[3]。为更加全面直观的掌握A 与B 升温的过程，可借助平行坐标可视化技术，对变压器的温度数据进行有针对性的选择。通过对数据的二维可视化处理后，能够明确变压器的运行时长与绕组以及铁心的温度呈正相关，即随着运行时间的不断推移变压器电磁载体的温度也会随之升高，各个电磁载体的温度从低到高分别是：铁心—高压绕组—低压绕组，低压绕组温度最高的原因在于其位置较为特殊，在高压绕组与铁心的中间，因此缺乏良好的散热条件，导致散热的速度较慢。

B 铁心的温度要明显高于A，原因在于空载试验结束后铁心一直保持高温的状态，在这种情况下展开负载温升测试，在一定程度上会影响到铁心的温度。在不同的变压器中，低压绕组的温度存在较大的差异性，这是因为A 与B 的结构有所不同，因此在温升测试中A 的最大温差值＞22℃，而B 的温差值已经超过32℃。因此，变压器热源的横向分布受结构影响较大，想要掌握电磁载体最高升温点，需对热量的纵向传递情况进行深入探讨[4]。

2.3.2 温度特征

在变压器纵向温度分布特征的分析中，主要是利用平行坐标技术对A、B、C、D 四个设备的温测数据进行可视化分析。主要的操作方法为对变压器纵向测量点展开标量化，取值范围控制在(0,1)。当干式变压器A～D 位置变化后，对电磁载体的纵向温度变化情况进行监测和记录。在这一过程中，要借助平行坐标技术对各个温度数据进行可视化处理后形成二维平面图，通过对二维平面图的分析和研究，掌握位置变化与变压器温度变化之间的关系。

最终的结论为：A～D 四台低压变压器的高压绕组温度要明显低于低压绕组温度，并且温度最高点在0.8，在0.6～0.9各个变压器之间的温差最小。因此电厂在设置温度监测装置的过程中，要将测温装置安装到变压器纵向高度的0.75，能够将温度监测误差控制在最小范围内[5]。

2.3.3 谐波特征

在低压配电网运行的过程中会产生谐波，这是导致变压器各种损耗加大的关键原因。低压绕组的损耗有所升高后，就会产生热源并传导给周围的绝缘材料、致使局部温度升高，绝缘老化速度会随着温度的升高而加快，进而给变压器的稳定运行造成不良影响。在平行坐标技术的支持下，测试干式变压器受谐波影响的温度参数后，能够明确当配电网中谐波的含量增多后电磁载体的损耗也会增加，导致低压绕组的温度升高，因此为保证变压器的运行年限、提高运行的可靠性与稳定性，可以将滤波装置安装到干式变压器中，控制电磁载体的损耗，避免出现低压绕组温度过高的情况。

2.4 测试结果综合分析

利用平行坐标技术对干式变压器温升过程进行可视化分析可知，低压绕组处于高压绕组与铁心的中间，因此散热条件不佳。在这种情况下，一旦低压配电网的谐波过多加大损耗就会造成局部高速升温，导致绝缘材料快速老化。对此要从两方面入手控制低压绕组的温度，一方面是将温度传感器的埋设高度控制在0.7～0.8以内，实现对变压器温度的有效监测；另一方面是增设滤波装置控制谐波量，以延长变压器的使用年限[6]。