油浸式变压器绕组温度的测量方法研究

杨文琛 毕露月

（广东电网公司佛山供电局，广东 佛山528000）

0 引言

电力变压器是电力系统中重要的一次设备，其安全运行直接影响到供电可靠性和系统稳定性。大部分变压器经过长时间运行，极可能因运行温度过高导致绝缘能力下降，使变压器使用寿命大为缩短。为了保证变压器安全可靠运行，延长其使用寿命，对变压器绕组温度进行监测就十分必要。目前，测量变压器绕组温度的方式有如下几种：直接测量法、间接计算测量法、光纤光栅测量法、热模拟测量法。本文主要介绍了各种不同测量方法的原理，并对各种测量方法进行了比较，为以后绕组温度的测量提供部分参考。

1 直接测量法

直接测量法是在变压器绕组中直接埋入传感器，通过传感器反映至温度测量仪直接显示绕组温度，埋入点越多测量结果越精确。但该方法维护技术复杂，成本昂贵，主要用于在变压器实验过程中与热模拟测量法进行比较，校对热模拟测量的误差。

目前较为成熟的方法是使用光纤技术，在变压器绕组制造过程中埋入荧光式光纤传感器探头，利用光信号为载体，通过接收设备测温仪把温度信息转换成电信号，接着经过放大、整形、解调等一系列过程，得到探头所在位置的实际温度。

直接测量法的结果是否准确，关键在于埋入的传感器。但传感器埋入绕组的工艺十分复杂，绝缘结构设计要求高，造价较高，且容易影响变压器正常运行，同时传感器埋设处不一定是最热点，因此测量结果可能并非绕组的最高温度，需要埋入多个传感器才能精确地测出绕组实际温度，成本比较昂贵，维护技术复杂。

2 间接计算测量法

间接计算测量法是通过运用几种变压器绕组热点温度计算公式来间接监测绕组热点温度。间接测量计算模型大致有基于技术标准、基于热阻和基于热路等几类。

基于技术标准的模型［1］：重点围绕能直接引起变压器绕组热点温度升高的导线电阻损耗和涡流损耗对变压器热点温度的影响，贴近实际运行的变压器情况，计算结果更接近实际值。

基于热阻的模型［2］：由于变压器内部包含多种材料，因此运行过程中实际散热和热分布情况是十分复杂的。研究人员根据热传导理论和不同情况下非线性热阻和集总电容的定义，提供了一种可用于估算各种类型变压器绕组热点温度的计算模型。

基于热路的模型［3］：主要是将变压器内部的热传递过程模拟为电气过程，将变压器的热流量、温度、热阻及热容分别与电路中电流、电压、电阻及电容类比，并用相应的热点参数代替，得到的变压器热点温度模型等效热路。

间接计算测量法以热点温度值稳态及暂态变化的经验公式为依据，实现对变压器绕组温度的测量，其关键环节是建立变压器热模型，然后结合运行数据及油浸式变压器负载导则中规定的标准，将发热部位的温升以公式推导出来，实现对变压器绕组温度的计算。这种方法可以保证计算的精度，所以是一种实用性很强的测量方法。

3 光纤光栅测量法

光纤光栅是近年来受到广泛关注的光无源器件，主要是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光直接射入光纤纤芯形成反射或透射滤波器。目前广泛采用的是布拉格光栅［4］。光纤光栅变压器绕组温度监测系统的结构如图1所示。

图1 光纤光栅变压器绕组温度监测系统结构图

该系统由宽带光源、耦合器、VPG模块（体积相位光栅）、阵列探测器、驱动电路、微控制器模块、数据传输模块、上位机以及液晶显示电路组成。宽带光源发出光经过耦合器，到达光栅温度传感器，经传感器反射后的光中心波长与被测部位温度有关。反射光经过耦合器后，进入体积相位光栅模块，将含有不同温度数据的光波长区分开，再进入阵列探测器将光信号转换成电压信号。再由STM32微控制器处理当前各温度传感器的温度，将其显示到液晶显示屏上，并上传数据到上位机。

光纤光栅测量法具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、绝缘性和安全性好等优点。但该测量方法造价较高，对变压器制造工艺要求复杂，现场运行维护缺乏经验，因此在实际生产运行中尚未得到广泛应用。

4 热模拟测量法

热模拟测量法主要是用一个流经电热元件并与负载电流成正比的加热电流产生附加温升，通过电流匹配器的调节，使得附加温升刚好等于绕组和油之间的温差。它不是实际测量值，只是一个模拟量，仅仅反映了变压器绕组的平均温升，并不能反映最热点温度。热模拟测量法的原理如图2所示。

图2 热模拟测量法原理图

从原理图中可以看出，通过套管CT取得与负载成正比的电流，经电流匹配器调整后，流进嵌装在波纹管内的电热元件，电热元件通过电流发热，令波纹管内气体发生膨胀，导致感温包内液体跟随膨胀，并将压力传送到弹性元件，弹性元件连接到温度表指针，通过传动机构使温度表指针转动，从而将当前温度值指示到刻度盘上。

热模拟法虽然广泛地运用在生产现场，但由于其原理，在实际运行中存在很多问题：（1）虽然采用了负荷电流来模拟绕组温升，但仅仅是近似地模拟了绕组的平均温升，却无法真实地反映绕组最热点温度。（2）电流回路的存在增大了设备维护的难度。如果电流回路开路，会造成设备损坏。温度计需要更换时，需要在电流回路做复杂的安全措施。（3）热模拟方法受环境因素影响较大，温度、风速等天气原因都可以影响热模拟的效果。

5 结论

影响变压器绝缘能力的最主要因素是变压器运行时的绕组温度，文中分别介绍了几种测量变压器绕组温度的方法及其原理和各自的优缺点，得出以下结论：（1）直接测量法原理简单，缺点是传感器的埋设位置难以精确，埋设点过多又增加了变压器的成本，增大了维护的难度。（2）间接计算测量法精度比较高，应用条件也比较简单，但是在建立模型的过程中，忽略了部分因素，假设绕组和油温的温升特性是线性的，并且部分计算参数是由经验所得，与实际温升有一定的区别，还需要进一步改进，从而扩大运用范围。（3）光纤光栅测量法可以得到准确稳定的测量结果，从而对变压器内部温度进行精确的测量，对温升变化反应灵敏。但是当光路发生改变或受到变压器电磁环境的影响时，可能会影响温度测量的准确性，并且该测量方法能得到绕组的热点温度，但是不能准确反映热点的位置。（4）热模拟测量法目前在工程实践中得到了广泛的运用，但这种测量方法只能反映平均温升，不能反映绕组最热点温度，并且增加了电流回路，需要检修或更换时，需要做好防止电流回路开路的措施，另外，受环境因素的影响也比较大，稳定性有待改善。

通过对几种绕组温度测量方法的比较分析，给油浸式变压器绕组温度测量的进一步研究提供了部分理论依据。严密监测运行中变压器的绕组温度，对于保证变压器的安全稳定运行以及整个电力系统的稳定具有重要意义。

［1］陈伟根，赵涛，江淘莎，等.改进的变压器绕组热点温度估算方法［J］.高压电器，2009，45（1）

［2］海瑛，钱苏翔，严拱标.油浸式大型变压器热点温度的动态模型［J］.机电工程，2007，24（1）

［3］江淘莎，李剑，陈伟根，等.油浸式变压器绕组热点温度计算的热路模型［J］.高电压技术，2009，35（7）

［4］廖延彪，黎敏，张敏.光纤传感技术与应用［M］.北京：清华大学出版社，2009