变压器压差式油温测量方法

陈树海+张孝云+王进

摘 要：作为电网重要设备之一的电力变压器，其运行状况对电网的安全有十分重要的影响。据有关资料统计，在变压器运行事故中有相当一部分是因超负荷运行引起的。变压器超负荷运行使绕组发热量增大，继而引起变压器油和其他绝缘材料温度升高，长期如此造成绝缘材料老化，最终发生绕组绝缘击穿，烧坏变压器。因此，变压器运行时油温升的监控对预防此类事故的发生有重要的预警作用。本文在分析现有变压器油温测量方法的基础上，提出了一种利用两点间油压强差来间接测量油温的方法，该方法对丰富变压器油温升测量手段有一定借鉴意义。

关键词： 油温测量；压强差；变压器保护

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.019

0 引言

电力变压器在挂网运行过程中，由于空载损耗和负载损耗的存在，变压器不可避免地消耗电网的电功量，转化成热量后通过散热和冷却系统散发到外界环境中去。变压器的使用寿命主要是由其内部的绝缘材料的寿命决定，温度每升高6℃，绝缘材料的寿命就要降低一半，变压器的使用寿命随之降低一半。油浸式电力变压器内部充有起冷却和绝缘作用的变压器油，变压器产生的热量，通过变压器油散发到外界环境中，因此油温的测量和控制是维护变压器安全运行的基础和关键[1-3]。

1 压力膨胀式油温测量方法

变压器的散热是通过冷却系统实现的，而温度控制指示器（简称温控器）是控制冷却系统投退和超温报警的核心装置。变压器上用的温控器主要有油温温控器和绕组温控器，绕组温控器是在油面温控器的基础上增加了加热元件，通过热模拟方法实现对绕组温度的测量。当前主流的温控器，如德国MESSKO公司的MT-ST型油面温控器和MT-STW型绕组温控器，瑞典AKM公司34系列油面温控器和35系列绕组温控器，均属于压力式膨胀测温仪器（内含波登管），由弹性波纹管、毛细管和温包组成一个全密封系统，利用这密闭系统内部所充的感温介质受温度变化而产生的压力变化，使弹性波纹管端部产生位移变化，使弹性波纹管端部产生角位移来带动指针指示被测温度值。温控器一般会带有电气接点和远传信号装置，用来输出温度开关控制信号和温度变送信号[4-5]。

该种测量方法能反映变压器某一局部空间内的油温变化，但由于变压器油箱内油温分布的不均衡性，该种测量方法对反映油温的整体分布情况并不适用。

2 压差式油温测量方法

考虑到变压器油的密度是随着温度的变化而变化的，同时密度也是影响变压器油压强大小的一个关键因素，因此压强的变化能间接反映油温的变化。基于这一原理，通过测量两个有一定高度差的测量点的油压强差，就可间接将两测点之间的平均油温测量出来。

如图1所示，在变压器油箱壁的不同高度处开设1#和2#两个测量点。在作压强差与油温的数学函数关系推导前，对有关符号所代表的意义作如下说明：

T：变压器油t℃时的油温；

T0：变压器油t0℃时的油温；

ρ：变压器油t℃时的密度；

V：变压器油t℃时的体积；

ρ0：变压器油t0℃时的密度；

V0：变压器油t0℃时的体积；

ΔT：变压器油温升；

ΔV：变压器油体积变化量；

h： t℃时变压器油总深度；

h1：1#测点距油箱底深度；

h2：2#测点距油箱底深度；

Δh：2#测点与1#测点的高度差；

p1：1#测点油压强；p2：2#测点油压强；

g：重力加速度（9.8m/s2）。

以下公式的推导是以温度变化前后，变压器油的总质量不变为前提。

由于ρ0、g、Δh、T0均为已知量，因此，T就是Δp这唯一变量的函数，通过测量1#测点与2#测点的压强差Δp，便可测出变压器油温。

3 计算公式简化处理

为方便记忆和后续在计算机中的数据处理，假定以20℃时的变压器油密度为计算参考点（20℃时变压器油计算密度为871Kg/m3），并假设1#和2#测点的相隔垂直间距为1m，于是（10）式可写成：

T=1428.6（（8535.8/Δp）-1）+ 20 （11）

根据变压器运行环境温度和变压器油最高允许温度的实际情况，T一般处在（-30，95）这个温度区间内，在该区间内T与Δp的散点分布如图2所示。

从图2中可以看出，在（-30，95）温度范围内，T与Δp的散点分布几乎按线性规律分布，经拟合计算，得到的近似线性计算式为：

T=-0.17Δp+ 1474 （12）

（12）式便是两点之间平均变压器油温的近似简化计算式。

4 油温测量系统的构建

图3为油温测量系统组成框图。1#与2#压力变送器分布在不同位点高度的变压器油箱壁上。压力变送器产生两路4～20mA电流信号，经250Ω精密电阻后，转换成两路1～5V电压信号，A/D转换器对这两路电压信号进行采样，将模拟量电压信号转换成数字量电压信号后送到MCU处理单元。MCU处理单元按照预先编译好的处理程序，按照公式（12）基本数学关系式对两路数字量电压信号进行处理、解算，解算结果经RS485传输电路送后台上位机监控程序进行实时显示。

变压器油箱内的油温分布并不是均匀的，总的来说，越靠近绕组油温越高。因此，为了得到变压器油温的总体分布情况，需要在油箱壁上，在不干涉其他装置或组件的前提下，尽可能多开设测点，测出相邻两点的压力差，并通过简化计算公式得出若干个温度数据，据此估计出变压器油温的总体分布情况。

5 总结

针对现有压力膨胀式油温测量方法不能全面反映变压器油温的总体分布情况的弱点，本文基于变压器油密度受温度影响这一基本关系，提出了利用两点油压强差来间接测油温的方法，并给出了通过加设测点数量以进一步提高估算变压器油温总体分布情况的建议。该方法对丰富变压器油温升测量手段有一定借鉴意义。

参考文献：

[1]袁兴起，杨双艳.变压器油温监控系统研究与实现[J].河南理工大学学报（自然科学版），2014（10）：626-629.

[2]张斌，卢萍等.变压器智能组件设计方案[J].电力系统自动化，2012（10）：85-88.

[3]李璞，向学军等.基于CC1010的变压器油温无线测量设计[J]. 三峡大学学报（自然科学版），2006（08）：331-333.

[4]郑殿春，王新月等.基于DSP的干式变压器温度控制器的设计[J].变压器，2010（11）：53-57.

[5]牟龙华，石林等.智能换流变压器在线监测系统的设计与建模[J].电力系统及其自动化学报，2013（02）：23-28.

作者简介：陈树海（1969-），男，山东沂南人，技师，主要从事变压器绝缘材料及绝缘件加工生产调度管理工作。

*为通讯作者