變壓器繞組測溫解決方案

變壓器繞組測溫解決方案

一、 大型變壓器測溫必要性

電力變壓器是電力系統中重要的電氣設備之一,其運行狀況對電力系統安全可靠運行關系極大。據相關資料統計,1990-1999年間110kV及以上變壓器的平均事故率約為0.69%。其中因繞組超溫運行,導致絕緣老化,變壓器繞組擊穿、燒毀事故占有相當大比例。對于油浸式變壓器,其壽命實際主要是固體絕緣(纖維紙)的壽命。促使絕緣老化的主要因素是溫度、水分和氧氣,其中在變壓器帶負載時,熱效應的作用最為突出。可以說熱效應是變壓器老化的決定性因素。也就是說變壓器繞組絕緣的熱老化速度與繞組的熱點溫度有關。如圖1所示,變壓器的絕緣老化壽命隨變壓器繞組熱點溫度升高呈指數關系衰減。

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按GB1094電力變壓器標準設計的油浸式電力變壓器,GB/T15164―94《油浸式電力變壓器負載導則》規定其熱點溫度基準值是98℃,即在此溫度下絕緣的相對老化率為1。在80~140℃范圍內,溫度每增加6K,老化率就增加一倍(所謂的6K法則)。油浸式變壓器的相對熱老化率和溫度的關系列于表一中,由表一可以清楚看出,變壓器在140℃下運行1h,其老化量相當于在98℃下運行128h,可見適當降低繞組的運行溫度和控制繞組最熱點溫度不超過允許溫度,對延長繞組絕緣物的使用壽命極為重要。

                                             表1  油浸式變壓器相對老化率和熱點溫度的關系
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對于大型的、冷卻系統采用強油循環的油浸電力變壓器,油的時間常數約為1~2h,而繞組的時間常數很小,只有約5~10min,兩者差別較大。所以由于熱傳導過程影響,目前所采用檢測油頂層溫度來推斷繞組溫度以作為變壓器運行工況的判據的方法,存在不準確、不及時、不直觀的弱點。因此,有必要采用新的辦法來對運行中電力變壓器繞組溫度進行監測,及時反映出繞組的工作溫度。

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二、 常規繞組溫度測量工作原理

變壓器繞組本身是一個帶電體,直接測量繞組溫度在絕緣處理上具有較大難度,特別是電壓等級較高的繞組,雖可以采用光纖技術也能實現,但成本較高。所以我們常見到的繞組溫度計實際上是一個通過將變壓器頂部油溫和工作電流綜合后,得到可以反應繞組溫度的一個模擬值,而并非是繞組實際溫度的測量值。其工作原理為:

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見圖1,它主要是在一個油溫表的基礎上,配備一臺電流匹配器和一個電熱元件。 溫度表的傳感器――溫包插在變壓器油箱頂部的油孔內,當變壓器負荷為零時,繞組溫度計的讀數為變壓器油箱頂層油面的溫度。當變壓器帶上負荷后,通過變壓器電流互感器取出的與負荷成正比的電流,經電流匹配器調整后流經嵌裝在波紋管內的電熱元件,電熱元件產生熱量,使波紋管內的氣體進一步膨脹,表計彈性元件的位移量增大。因此,在變壓器帶上負荷后,彈性元件的位移量是由變壓器頂層油溫和變壓器的負荷電流兩者所決定。變壓器繞組溫度計指示的溫度是變壓器頂層油溫與線圈對油的溫升之和。

在整套測量裝置中,電熱元件是核心部件,因為它的發熱特性能否 “真實地”反映變壓器繞組的發熱特性,將直接影響到測量結果。為此,需在變壓器做溫升試驗時,測量變壓器繞組的溫升,從而對流經發熱元件的電流通過電流匹配器進行調節,使得電熱元件的發熱特性與變壓器繞組對油的溫升特性更為接近。使得溫度計的值更能準確地反映變壓器繞組的溫度。

三、 光纖繞組測溫原理

確定繞組熱點溫度的方法可分為直接測量法、熱模擬測量法和間接計算法三種。直接測量法是在繞組中埋設傳感器,由光纖傳播信號在高電壓、高磁場條件下實現在線、實時地準確測量繞組的熱點溫度,是未來變壓器溫升試驗熱點測量的首選方法。

以我公司熒光光纖溫度傳感器為例,該變壓器繞組熱點光纖溫控器是通過測量熒光體單獨的固有參數(衰減時間)而確定的,不會因為光纖的物理變化而改變, 所以該系統是一個無需校驗的系統。熒光物質傳感器直接附于光纖探頭末端。該探頭采用經過驗證與油浸高壓電力變壓器長期兼容,且具有優良電氣性能的材料制成。20 世紀80 年代起,該技術就已經運用于電力變壓器(多年來,廣泛被世界各地大變壓器廠商作為工業標準所接受)。在溫升試驗期間僅需安裝光纖探頭(使用工廠現有的工具),由光纖探頭測量的數據即可知道繞組最熱點的實際溫度而且操作簡單。該系統具有4~8 個有獨立輸出和顯示的測量通道, 采用的溫度傳感器由一種穩定的耐高溫的熒光材料制成, 直接置于光導纖維一端。其原理是當LED 光源發出的光脈沖通過光纖送到與繞組接觸的溫度傳感器時, 該脈沖激勵傳感器的熒光材料,使其產生波長較長的熒光,根據返回熒光的衰減時間測出該傳感器的溫度, 然后通過處理,顯示出溫度值和有關系統參數,并同時將溫度信息傳輸到控制室。該系統可在變壓器處于峰值負載和緊急超銘牌容量運行時提供精確的繞組溫度, 并可使變壓器根據測出的繞組實際溫度及時調整負載。

電力變壓器溫度監測:

 繞組溫度

 鐵芯溫度

 油面溫度

四、 我公司變壓器熒光光纖溫控技術產品優點

我公司變壓器熒光光纖溫控技術產品特點和應用

 可以在線直接、準確的監測變壓器繞組、鐵芯和油面溫度

 實時反映被監測對象的溫度變化,及時有效調控負載

 長期記錄被監測對象的溫度變化,建立溫度檔案,實現事前管理

 安裝方便,不受電磁干擾影響

(一) 通過實時冷卻控制保護變壓器并延長使用壽命

當變壓器負載超過銘牌的額定值時,無論是持續還是短時運行,線圈溫度的升高會使絕緣老化,從而降低變壓器使用壽命。和其光電熒光光纖測溫產品可以實時地測量線圈溫度。通過連接溫控儀模擬或RS-232輸出到變壓器冷卻設備,變壓器線圈溫度就可以保持在安全值以下。

很多變壓器都經過短時負載,僅持續幾個小時。即使時間很短,也會發生絕緣老化和降低變壓器壽命,并積累每次的損失。傳統的線圈溫度指示計最大的弱點,除了它的低準確度以外,是它的數個小時的滯后。這是由于讀數必須基于頂油溫度的測量。因而,可能發生暫態的過載而線圈溫度指示計卻從未感覺到。當同冷卻設備相連時,溫控器迅速的反應時間可以立刻啟動冷卻系統。

如果負載很大,變壓器冷卻系統沒有能力使線圈溫度保持安全值以下,溫控器的其他繼電器可以探測出高的溫度,使得控制系統發出警報,甚至使變壓器跳閘。

(二) 增加變壓器負載,達到最大安全限度

由于線圈溫度測量基于頂層油溫測量相對不準確,變壓器負載必須保守,以確保線圈溫度低于安全值。一些電力公司,使用了和其光電的熒光光纖測溫系統后,可以通過知道準確地線圈溫度而提高大約10%的負載。和其光電熒光光纖測溫產品溫控器提供了模擬輸出和一系列數字接口(RS-232),用以連接SCADA系統或其他數據系統。

五、 變壓器光纖繞組測溫國內使用情況

     在國外,變壓器繞組測溫已經有30多年的運行歷史。早在20世紀80年代起,熒光光纖溫度傳感探頭與油浸高壓電力變壓器長兼容,改技術就已經運用于電力變壓器。2011年的IEC標準要求220kV以上變壓器強制要求安裝光纖測溫,并規定了測溫點數量。  

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國內,出口國外的大型變壓器要求繞組光纖測溫,國內部分智能變電站建設變壓器繞組用光纖測溫,GB/T 1094.7-2008《電力變壓器 第7部分: 油浸式電力變壓器負載導則》,8.1.3明確規定:采用光纖傳感器直接測量熱點溫升,從更本上增大了獲取電力變壓器正確熱模型的可能。

六、 和其光電產品典型案例

(1)沈陽到丹東高鐵牽引變電220kV所牽引變壓器中應用

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2)西變500kV 油浸式變壓器中應用
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3)三變科技110KV油浸式變壓器應用

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其他合作單位:云南變壓器廠、中鐵工業、ABB、天威保變、新疆特變、吳江變壓器、正泰變壓器、常州西電、常州東芝、江蘇華鵬、衡變、銀川臥龍等。

七、 產品系統組成

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一套完整的用于油浸變壓器的ThermAgile設備應包括:

1. ThermAgile溫控器儀器(6-16通道)

2. 熒光光纖探頭

3. 油箱壁貫通器

4. 油箱壁結合板

5. 多合一外部延伸光纖

6.可選擇的油箱壁防護罩

八、 ThermAgile系統特征

(一) 可靠性

 通道數:6-16

 壽命等于變壓器使用壽命

 固態液晶顯示光源壽命等于變壓器壽命

 無需校正

(二) 電源

 通用的直流或交流電源:

 輸入電源:24 VDC或220 VAC

 瓦特數:108W(最大)

(三) 溫度

 運行環境溫度 -30至+70℃

 儲存溫度:-30至+75℃

 80%相對濕度,不凝固

(四) 性能

 測量范圍 :-30至250℃

 精度: ±1℃

(五) 通信

 模擬輸出:4-20mA

(六) 數字通訊

 Modbus,IEC61850

 RS232、RS485、USB

(七) 光纖長度

 1-20m

(八) 探頭直徑

 Φ2.3mm

(九) 使用壽命

和其光電的熒光光纖探頭在熱變壓器油內變壓器壽命期間常年使用。ThermAgile電子元件可以耐受此環境下的溫度、濕度、電磁感應沖擊和噪音沖擊。LED測量光源的使用壽命可以達到ThermAgile溫控器的使用壽命。

(十) 探針設計

和其光電開發了自有知識產權的使用簡單的溫度傳感器、油箱壁貫通器、油箱壁結合板、外部延伸光纖和防護罩。加強型光纖探頭和延伸光纖避免了光纖折斷,因此降低了安裝成本。

ThermAgile探頭長度由幾個不同標準長度,也可以特殊預定以適合于不同的變壓器設計和尺寸。光纖探頭可以直接綁到導線上或放置在兩個導線之間的墊塊內。

探針從傳感器的那點引出到油箱壁貫通器的一側。油密封的貫通器設計可根據客戶具體需求定制。配有國際標準的管螺紋器,可以通過一個合適的螺紋孔從油箱外部安裝。一個碳鋼安裝板,上面帶有4或8個預先鉆好的螺紋孔可以接受4或8個油箱貫通器,可以焊到或用螺桿固定到箱壁上。外部延伸光纖連到箱壁貫通器的另一側并接到ThermAgile溫控器上。可以根據需要提供特殊長度的光纖。

硬件的設計同樣適用于簡單的和價格經濟的傳感器安裝。ThermAgile電子裝置的自檢功能可以在安裝過程中進行探頭和光纖的檢查。

九、 光纖溫控器的安裝

(一)光纖探頭安裝

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(二) 內部光纖走線

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(三) 轉接板及法蘭安裝

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