变压器测温装置的故障分析及可靠性研究

胡光伟 李东南

（国网遂宁供电公司，四川遂宁629000）

0 引言

变压器的使用寿命和运行时的温度有极大的关系。为了监视变压器的温度，并保证变压器运行时的温度处于安全区域内，就需要使用各类测温装置来监视变压器的运行温度，控制变压器冷却系统，并发出报警、跳闸信号，以及远传信号到监控后台。

由此我们可以看出，变压器测温系统的可靠性对电力变压器的安全运行、使用寿命有着重要的影响。同时，变压器测温装置损坏后，往往需要等待变压器停电后才能更换或维修，在实际工作中非常不方便。因此如果能将变压器测温系统的故障降低到最少、将故障范围控制到最小、尽量使故障可以带电处理，必然可对变压器的安全运行产生有利影响。

本文对不同类型的变压器测温系统进行了故障统计，对其可靠性进行了分析，并提出了合理的变压器测温系统配置方式。

1 变压器测温系统的常见构成

根据测温系统的构成区别，可以将其分为两种类型。

1.1 集中式测温系统

集中式测温系统，以机电一体化温控器为核心。该温控器内部集成了温度显示、微动开关、远传信号、绕组温升回路甚至多抽头电流互感器、直流电源模块等。利用一台温控器即可完成测温功能。市场上常见的美国AKM、德国Betech、国产BWY（BWR）系列温控器以及Messko公司生产的Compact系列温控器，均为机电一体化温控器。集中式测温系统安装、接线较为简单，结构如图1所示。

图1 集中式测温系统结构示意图

1.2 模块式测温系统

模块式测温系统，是指整个测温系统由表头、传感器、信号转换器、直流电源等多个部分构成。温度表表头的功能包括就地显示、冷却器控制、告警跳闸信号；远传信号、绕组温升回路等由安装在变压器顶部的传感器实现。

主流的模块化温控器包括Messko生产的Trsay2系列、国产BWY2（BWR2）系列。

模块化温控器安装、接线、调试相对较复杂，但它的优点在于其中一个元件损坏，不会影响另一个元件的使用，整套设备的维护成本较低。其结构如图2所示。

图2 模块式测温系统结构示意图

此外，这两类测温系统中还包括有直流电源模块、数显表等各类辅助装置，此处就不一一赘述了。

2 常见变压器测温系统故障类型

变压器温控器长期工作在高低温、潮湿、雨雪、腐蚀性气候等恶劣环境下，在使用过程中难免因年久失修而发生损坏。其主要故障包括如下类型：

（1）机械故障。变压器温控器的温度计机械回路故障，会造成就地指示不准确。一般来说，如果温度计发生机械故障（如测温元件损坏、毛细管破裂等），会造成温度计不可修复性的损坏。从实际运行中的经验看，无论是国产温度计还是进口温度计，即使在恶劣环境中运行了5～10年时间，都基本能够保证就地指示的准确性。这种故障一般发生在拆装过程中，实际运行中发生这种故障的概率是比较小的（统计数据请参考表1）。

（2）远方模块/装置故障。测温系统中的远传模块/装置（比如机电一体化温度计内置的模拟量输出模块、信号传感器、温度信号变送器等）基本上都是由电子元件构成的，因此故障的概率较大。主要故障包括以下类型：

1）远传模块/装置准确度下降。由于电子元件的老化、输入电压波动、温度变化等原因，远传模块/装置会产生温漂和时漂。其故障现象就是输出信号偏差大，造成远方、就地信号不一致的现象。

2）远传模块/装置损坏。由于过压、雷击、进水、外力破坏或寿命原因，远传模块/装置会发生损坏。其故障现象就是输出值严重偏离正常值（比如输出为0或巨大的数值）。

以上两种故障类型属于温控器的故障，此外还有下面三种类型的其他故障：

（3）辅助装置故障。测温系统中常用到的24 V直流电源模块、数显表等辅助装置，也有较高的故障概率（统计数据请参考表1），这些辅助装置出现问题，也会造成远传信号不准、远传信号消失等故障。

（4）远传回路接线问题。远传回路接线错误（比如4～20 mA信号回路错误、PT100信号接线错误），也会造成测温系统无法正常工作。当然，新投运的系统的二次回路在投运前是经过多次核实的，一般来说不存在此类问题，此类问题多出现在后期维护更换设备时。

（5）监控后台配置问题。监控后台的采集单元故障或者后台中的参数设定（如量程设置）错误，也会造成测温系统的数据出现错误。这类问题也多出现在后期更换设备时，为未能慎重核实新旧仪器的量程是否一致所导致。

3 各类故障的统计与分析

3.1 测温系统各类故障统计

笔者统计了300余台变压器温控器的运行情况，有记录的关于变压器温控器的缺陷共计51次，其分布如表1、表2所示。

表1 变压器测温系统各类故障统计

表2 各类故障的比例

3.2 故障类型及原因分析

由表1可以看出，集中式测温系统和模块式测温系统的故障率比较接近，均为15%左右。集中式测温系统中温控器的故障率较高。温度计机械系统故障概率很低，为2%左右。温度计的远传模块故障概率较高，尤其是集中式系统中的温度信号变送器模块。我们进一步研究发现，发生故障的几乎都是4～20 mA输出的远传模块。采用PT100输出的远传模块故障概率很低。电源模块、信号转换器等辅助设备的故障率较高。二次回路问题、监控系统设置错误引起的测温系统故障概率很低。

由表2可以进一步看出，测温系统远传部分（一体化温度计中的4～20 mA远传模块和模块化测温系统中的信号传感器）的故障和辅助设备（电源模块，信号转换器等）的故障，占到了所有故障的80%左右。

究其原因，是因为系统中的远传模块和辅助设备均为电子设备，高温、低温、潮湿、雷击、过压等恶劣的运行环境会严重影响到这类设备的可靠性，同时电子元件自身的寿命因素也造成这类设备无法像机械元件一样长期稳定可靠地运行。

根据以上分析，我们可以得出如下结论：

（1）温度计机械部分的可靠性和寿命都很高；

（2）PT100远传模块可靠性和寿命都很高；

（3）测温系统的故障大部分发生在远传模块或者和远传模块相关的外部回路及其配件上；

（4）模块化测温系统的故障，大多数可以在变压器带电的情况下得到处理，且可只更换损坏部分，可维护性高，维护成本较低；

（5）集中式测温系统中的温度计发生故障时，大多数情况需要停电维修，且需要整体更换，可维护性低，维护成本高。

4 建议的变压器测温系统配置方式

4.1 建议的测温配置方案

经以上分析，我们提出了下面的测温系统配置方案，以增加变压器测温系统的可用率、可维护性，并有利于降低维护成本。方案如图3所示。

图3 建议的变压器测温系统方案

（1）采用模块化测温系统作为变压器测温方案，系统分为温度计、复合温度传感器、信号转换器三部分；

（2）采用高品质温度计，用于就地显示变压器温度以及控制冷却器、提供告警/跳闸信号等；

（3）复合温度传感器为一个内有盲孔的温度传感器，安装在变压器顶部，可以作为温度计座插入温度计探头，同时也可以输出PT100信号；

（4）信号转换器安装在主变本体端子箱内，用于将PT100信号转换为4～20 mA信号，供监控后台使用。

4.2 本方案的优点

这种模块化的测温系统中温度计和PT100传感器可靠性很高，远传二次回路一旦整改完成，故障概率也很低。系统中较脆弱的部分在于PT100/4～20 mA信号转换器，这个元件安装在本体端子箱中，价格便宜且无需停电更换。

通过这个改造，我们在保证了信号传输准确性的同时，还将系统的风险降到了最低，能够实现带电维修，并且减少了维修的工作量和成本。

总的来说，这个方案具有以下优点：（1）可靠性高；

（2）大多数情况下可实现带电维修；（3）维修工作量小；（4）维修成本低；

（5）备件易于采购，且节省备品备件的采购成本（多准备一些信号转换器就可以，温度计、温度传感器可适量采购）。

4.3 其他建议

（1）为保证系统的可靠性，降低日后的维护成本，建议均采用进口设备进行此改造工作。

（2）建议更换运行10年以上的一体化温度计，避免由于远传模块的故障造成整个测温系统故障。

（3）具体的实施过程，可根据现场的实际情况灵活采用不同的方案，以实现系统功能和施工难度、施工质量的平衡。

5 结语

变压器测温设备是变压器的重要监控附件，对保障变压器的可靠运行有着重要的意义。本文提出的配置方案，可提高变压器测温系统的可靠性和可维护性，同时有效降低变压器测温系统的维护成本，为变电站的运维人员对于此类设备的维护、改造提供了一种参考方案。