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M. Schaefer 西門子輸配電集團 |
K. Eckholz 西門子輸配電集團 |
摘要－迄今為止，用于變壓器中的絕緣材料仍以油紙絕緣材料為主，而其絕緣材料的使用壽命取決于其承受的熱負
荷。我們對絕緣材料的使用情況進行監測而開發了一套完善的監測系統。該系統能測量變壓器的電流、電壓、重點區域的
溫度、有載調壓開關的位置、所有冷卻器的風扇和油泵的工況。氣體探頭和微水探頭的信號輸出并據此信號估算油中氣體
和微水的含量。
本文描述了該系統的硬件設置和監測原理，同時為了提高繞組中溫度分布的精確度而設計了一個熱力學模型。根據繞組的熱力學模型和在線監測的結果即可決定變壓器在何時可以過載且安全運行。
主題詞：電力變壓器，過熱點，工況監測，過載容量
I. 介紹
電網中變壓器的實際運行工況是影響供電穩定性的一個重要因素。如果我們給變壓器裝上一套在線監測系統，對變壓器的工況進行長期監測，既能保證變壓器的“健康”工作（即使過載期間也如此），同時也能指出變壓器運行的老化趨勢并提供早期的預警信息，從而及時對一些緩慢發展的事故進行修復以免導致變壓器的損壞。
變壓器是電力系統中單臺價值最高的設備。一些附屬設備的小故障都可能導致整臺變壓器的損壞。例如若冷卻器的控制單元中的參數選配不當，就有可能導致變壓器的效率降低，或加快油紙絕緣的老化。我們提供的與熱力學模型及冷卻單元相連的熱分布監測系統可指導變壓器在適當的時候過載運行，并計算出最大允許過載容量，從而明顯地降低實際運行中變壓器過載運行的風險。
一臺變壓器通常由下列幾個獨立部件組成，他們是作變壓的繞組、作導磁用的鐵芯。還有一些設備如套管、調壓開關、冷卻器等。
統計得出每一個部件引起變壓器故障的可能性是個變量。因此監測有價值和容易出故障的部件是非常有效的。而繞組在變壓器中是最有價值的部件，因此該系統應能測量出變壓器繞組內部的數據，以便我們分析和了解繞組內部的狀態，從而延長變壓器的運行壽命，并增加運行的可靠性。
II. 變壓器監測系統
1997年，我們首先在兩臺變壓器上安裝了監測系統。該系統充分考慮了1997年之前的監測經驗[1]，并在隨后三年多的運行中，對監測系統不斷地加以改造和完善，使之成為今天的一種全新概念上的監測系統。
該系統的數據采集單元是以由西門子開發的可編程控制器（SIMATIC）為基礎的。
對冷卻系統的監測通常是通過測量其冷卻器在出入口處油和空氣等介質的溫度而完成。通過對這些測量值進行估算，就能發現冷卻器表面或空氣入口處的濾網上是否有污物。同樣的原理也能發現油泵的風扇故障。另外我們還測量高壓套管上電流、電壓值和調壓開關分接點的實際位置。通過這些參數我們很容易確定變壓器的實際負荷。通過計算氣體傳感器的輸出信號就能確定絕緣材料的工況，同時所有油泵和風扇的工作狀態也能通過開關量形成的數字信號得到。
為了避免計算機過分接近電力變壓器而受到電磁干擾，通常我們把數據采集裝置安裝在變壓器的控制箱中，而將計算機放入主控室內對所有采集的數據進行存儲和分析，兩者之間用光纖連接。光纖的長度可達幾百米，從而實現數據采集裝置與計算機之間電的隔離。用此方式即使變壓器移走也無需拆卸數據采集單元，而計算機硬件更換也更加容易，因為計算機內沒有任何附加設備。
圖1 變壓器監測系統圖
用廣泛用于工業自動化系統的器件來組裝該系統比用特殊的變壓器監測用的硬件有幾個優點：
1.這些元件按工業化標準生產，在世界各地隨處可見，因此很長時間內備件很容易獲得。
2.自動化系統本身在不斷地發展，隨著元器件功能的改善，將來可制造更好的監測系統。例如只要增加一個模塊，原監測系統的功能就能得到擴展，而且一套監測系統可同時監測多臺變壓器（像變壓器組）。
該系統的數值計算分為兩步。若數據采集系統的中心單元從所采集的數據中裝置鑒別出極限值，即一個采集的數據超出定義極限值，數據采集系統的中心單元將發出報警信號，同時將報警信號傳給計算機，該計算機則通過設定的數據通道向更高一級的計算機發出信號。所有實測數據都不斷傳輸給變電站計算中心作進一步計算，并構成一個時間與實測值的平面坐標系統。而坐標系統的時間則以實測數據進入設定的數據庫的時間為準。因此對程序而言，最重要的一點是能夠長時間穩定運行。
另一個監測功能則由繞組熱力學模型構成。根據IEC354標準，該模型決定了繞組中導體溫度的分布。該溫度分布取決于環境溫度、負荷情況及進入繞組的油溫等。假如我們作一次過載仿真，對上述參數的數值可以取實測值，也可以取虛擬值。將取值輸入熱力學模型中進行計算，我們就得到象過熱點溫度和中間導體的溫度等參數。在存儲如此大量的數據時，有必要不時對這些數據做一備份，該備份可通過一個與維護系統相連的調制解調器來實現。若不用調制解調器，將數據線直接與變電站控制系統相連也很方便。變電站控制系統得到變壓器實際工況的信息對整個電網的安全運行是大有卑益的。
III. 新型熱力學模型的發展
在估算油紙絕緣材料的老化程度時，一個非常重要的基本要求是對線圈內部導體溫度的準確把握。我們為一強油導向的變壓器繞組設計的熱力學模型在一臺 110kV300MVA的變壓器上得到驗證。為了得到最高的精確度，還要考慮很多的入口參數。
在監測系統中直接測量導體溫度是很困難、也是很昂貴的。因此有必要用簡單易行的方法來確定導體溫度值。即通過測量油和空氣溫度，變壓器負荷和每一個冷卻器的狀態等的測量值來確定導體溫度。
標準的算法（如IEC354[2]）是針對大范圍內不同幾何形狀和不同技術的變壓器都有效的算法。達此目的的唯一途徑是將算法最簡化。而簡化的算法就不可避免地忽略掉許多重要的因素。例如，沿線繞組軸向導體電阻的增加對溫度的影響，用一個系數來考慮導體內渦流產生的附加損耗，從繞組底部到頂部的線圈溫升與油溫的升高方式一樣，導體和油之間的溫差保持不變等。
不同的熱力學模型指出要想使模型的精確度有所提高，則決定該算法所需的參數的數量和計算所需時間會急劇增加。一個精確的模型通常只對特定的幾何形狀的繞組和冷卻方式有效，因此首先要定義你想達到的精度和所能利用的資源。
A. 固體絕緣系統的熱力線網絡
繞組內部的固體絕緣系統可用一個熱力線網絡來描述。其分析方法與電網的分析方法類似。熱源表示導體內產生的損耗，與電網中的電流源類似。熱阻與電阻類似，在計算熱阻時不僅要考慮相鄰導體間熱阻，也要考慮導體對周圍油流的阻力，同時還要考慮不同材料對熱阻的影響。通常情況下這些材料為：
· 油浸紙
· 漆包線涂層
· 油浸壓板
· 盤式線圈表面的熱交換系數(取決于特定的油)
固體材料的熱阻是眾所周知的。而困難的是決定盤式線圈表面的熱交換系數。這一基本參數取決于難以琢磨的因素的影響：
冷卻導管油的流速和油溫
通過盤式線圈表面邊界層的熱流密度
圖2示出一個由21股導線構成的導體的熱力線圖，圖中象電極一樣伸出的熱阻表示油流周圍的溫度。為了圖片整潔起見，圖中未畫出導體的熱源。一盤線圈由這樣的導體繞制多層而成。因此，整盤線圈的熱力線網由多個這樣的熱力線圈交聯構成。
圖 2. 具有21個支路的一個熱力線網絡通道
求解該熱力學網絡的矩陣由模型自動生成，但要輸入導線的股數和絕緣層的厚度。為了計算絕對導體溫度，要考慮到油溫，因為熱力線網絡只提供導體周圍介質之間溫差，而忽略了所有材料自身的熱容量?；谏鲜鲈?，該熱力線網絡不適合暫態過程分析（例如短路過程分析就不適用）。由于變壓器正常運行時的發熱過程通常比線圈的時間常數要慢很多。對于監測系統的應用，這樣簡化并不會導致明顯的不精確。
B. 附加導體損耗
導體分布在線圈內，導體的體積只占整個線圈體積的一小部分，線圈中的大部分體積被絕緣材料和冷卻油道所占據。離散的電場穿過導體時會在繞組內部產生渦流損耗，這些附加損耗的大小取決于導體在繞組中所處的位置。通常情況下，繞組頂部和底部的附加損耗比較大，因此在計算導體溫度時要考慮附加損耗在線圈內的分布所造成的影響。在上面提到的例子中，當變壓器運行在額定負載，調壓開關處在額定分接頭位置時，線圈的渦流損耗分布由基于有限元分析的電場仿真來確定。
在線圈的中部，附加損耗會隨著導體之間的距離和初、次級線圈之間的距離減小而增加?？拷€圈頂部和底部約10圈的繞組的附加損耗也會增加。最大的附加損耗發生在線圈的頂部，因為線圈頂部繞組與鐵芯之間的距離大于線圈底部繞組與鐵芯之間的距離，從而導致頂部徑向漏磁大于底部徑向漏磁，而漏磁是產生渦流損耗的主要原因。
C. 完整的熱力學模型
前面所提到的算法是針對一盤繞組內部的溫度分布計算的模型，將此計算結果用到線圈的其它繞組上進一步計算就能得到整個線圈的溫度分布的完整模型。含有圖表的用戶界面的主程序控制單項計算功能和輸入輸出途徑管理之間的數據流。
圖 3. 熱力學模型
該模型的輸入值是：線圈的幾何結構和電氣參數，象冷卻油道和導線的幾何尺寸，導體絕緣層的厚度和額定電流密度等。這些數據在每個線圈中是固定的，在運行過程中不會變化。因此可以把它們存儲到一個文件中，對一個模型只需要輸入一次即可。另一些線圈的運行工況有關的基本參數象負載電流，輸送到線圈底部的油溫等在運行過程中會隨時變化。
輸入所有這些參數后，該模型就能計算出線圈內部沿軸向和徑向的溫度分布。該模型通過一圖表化的用戶界面定義線圈，并設置線圈的工作條件。對進一步的計算還有幾種不同的算法供選擇。變壓器負載和線圈底部油溫可用監測系統測得的實際測量值為輸入值，同時也能自由選擇變壓器的運行工況參數作為輸入值。
D. 結果
我們用此熱力學模型分析了一臺300MVA三相變壓器中的高壓線圈，該線圈由126圈繞組構成，每圈繞組的徑向高度是4層導體，每層導體由21根導體組合而成，通過比較IEC354的算法和該熱力學模型的計算結果可以得出：兩種算法得出的繞組沿軸向的溫度分布斜率是一致的。由IEC標準計算出的繞組的絕對溫度比熱力學模型的計算結果高5K，線圈的過熱點溫度高大約4K。
另一個明顯的差異是線圈端部的溫升。由于緊鄰端部的幾匝繞組的附加損耗比其他部位繞組的附加損耗高很多，從而導致端部油和導體間的溫差增大，沿軸向的溫升是階梯式的，每一階梯表示兩圈線圈之間一段冷卻油道，而每一段油道內不允許有油溫差。將所有的分段油道串聯起來計算的結果，我們可以得到一個完整的溫度分布圖。每一段油道內的油溫由前一段油道入口出油量和溫升來確定，而一個油道內的溫升可以用總損耗和油道內的油流速度來確定。繞組盤間溫度的其他差異由徑向油道的不同軸向高度引起。一些徑向油道的尺寸被用于補償制造誤差，從而導致并聯冷卻油道間不同尺寸。通過一個油道的不同油流速度會引起線圈邊界層上的熱傳導效率的不一致。通常我們會給出用作補償制造誤差的油道的最小尺寸。
圖 4. 軸向溫度
當我們注意到總的計算的有效性時，IEC標準的算法和熱力學模型和之間算法的差異很小，但是一旦變壓器負載明顯低于額定負載時，這兩種算法之間差異就大多了。其IEC標準算法得出的溫度高于模型算法得出溫度。當變壓器過載10％以上時，IEC標準算法得出的溫度低于模型算法得出的溫度。
IV 熱過載容量模型
在一個開放的電力市場，由于經濟的原因或為避免網絡崩潰時，變壓器的過載運行是必要的。變壓器過載運行時的事故風險要比額定運行時風險大得多。監測系統連續不斷地測量環境情況和過載工況能給我們提供變壓器實際熱過載容量的信息。過載期間最危險的溫度是線圈的過熱點溫度。該溫度決定了油紙絕緣材料的使用壽命。線圈過熱點的溫度可用下式表示：
線圈的過熱點溫度可以由環境溫度JAir,、頂部油溫升和過熱點對線圈的油溫升來決定。頂層油溫和過熱點處的油溫升都是變壓器負載的函數。
A. 有功損耗
變壓器頂層油溫升是整個變壓器有功損耗的函數。而有功損耗可分為銅損和鐵損。銅損即負載損耗，取決于負載電流的大小和調壓開關觸頭所處的位置。鐵損即空載損耗。在穩定狀態下，冷卻功率等于總的有功損耗。
B. 冷卻設備
所有從熱媒到冷媒的熱傳遞都需要溫差驅動，發生在兩種不同介質上的溫差的比率和熱流是一個熱交換器的特性參數。該比率可以用一熱阻來表示。
圖 5. 熱力學等效電路
等效圖中的熱容量表示變壓器的整個熱容量。變壓器主要用三種不同熱容量的材料構成，即油、銅、鐵，這些材料具有不同的熱容率，決定了包括冷卻器在內的整個變壓器的熱容量。在完全對應電路的模擬中，熱時間常數可用變壓器的熱容和和冷卻器的熱阻來表示。
圖 6. 過載時的過熱點溫度
為了避免油紙絕緣的快速老化和氣泡，必須限定過熱點溫度。當過熱點溫度達到限定值時，必須降低變壓器負載。t1表示負載系數為k1時最大過載時間。
C. 其他過載限定
還有一些附件限制了變壓器的過載運行，在檢查這些附件的過載能力時，它們中間過載能力最低的附件限制了整個變壓器的過載能力。它們是：
· 套筒允許流過的最大電流
· 有載調壓開關的最大允許電流
· 磁屏蔽允許的最大感應電壓
· 結構部件中的渦輪損耗
· 在線圈內部連接處的應力和張力
V. 結論
在以前監測項目所取得的經驗基礎上，我們開發了這種全新概念上的電力變壓器監測系統。安裝在變壓器上的傳感器由自動化系統中的模數轉換來驅動。數據采集的中央單元與站用計算機之間的連接通過光纖連接，并將數據存儲在站用計算機的數據庫中。對測量數據的監控既可在數據采集單元，也可在站用計算機上進行。若數據采集單元監測到所測數據中的極限值（一個數據超出極限值），數據采集單元則發出報警信號。在站用計算機上可對這些測量到的數據進行計算和演示，像比較冷卻器油溫的計算值和測量值等。通過觀察油泵和風扇的工作周期來確定何時對其維護。冷卻器上的污染也能及時發現，還能避免變壓器油及油紙絕緣材料的老化產生的事故。以這些采集到的數據為基礎，供電單位可以估算出變壓器的利用率，并找出隱藏的輸電能力。一個連接了熱力學模型的監測系統能對變壓器過載周期內的表現作出預測。在考慮環境條件的情況下，監測電網有很高的輸電需求時，被監測的變壓器可以在沒有事故危險或狀態惡化的情況下過載運行。使用智能化的監測系統，對變電站實行經濟、有效的管理很快就會到來。
VI. 參考文獻
[1] T. Leibfried T, “Online Monitors Keep Transformers in Service ”, IEEE Computer Applications in Power, July 1998, P. 36-42
[2] IEC 354, “Loading guide for oil immersed power transformers,” IEC, 1991
[3] F. P. Incropera, P. D. DeWitt, Fundamentals of heat and mass transfer, John Wiley& Sons, 1996
VII. 簡歷
Michael Schäfer于1965年8月2日出生在德國。在信息電子專業實習之后到斯圖加特大學學習電氣工程。1995年進入斯圖加特大學的電力傳輸和高壓技術學院。2000年獲得斯圖加特大學的碩士學位，并在紐倫堡進入西門子公司成為開發工程師。主要領域是油浸式電力變壓器的監測和熱力學模型。
Klaus Eckholz1945年5月1日出生于德國。在德累斯登大學學習電氣工程。1969年進入德累斯登大學的高壓研究院，并于1972年獲碩士學位。隨后在幾個電力變壓器制造廠工作。1998年在紐倫堡進入西門子公司做工程總監。
