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M. Schaefer 西门子输配电集团 |
K. Eckholz 西门子输配电集团 |
摘要－迄今为止，用于变压器中的绝缘材料仍以油纸绝缘材料为主，而其绝缘材料的使用寿命取决于其承受的热负
荷。我们对绝缘材料的使用情况进行监测而开发了一套完善的监测系统。该系统能测量变压器的电流、电压、重点区域的
温度、有载调压开关的位置、所有冷却器的风扇和油泵的工况。气体探头和微水探头的信号输出并据此信号估算油中气体
和微水的含量。
本文描述了该系统的硬件设置和监测原理，同时为了提高绕组中温度分布的精确度而设计了一个热力学模型。根据绕组的热力学模型和在线监测的结果即可决定变压器在何时可以过载且安全运行。
主题词：电力变压器，过热点，工况监测，过载容量
I. 介绍
电网中变压器的实际运行工况是影响供电稳定性的一个重要因素。如果我们给变压器装上一套在线监测系统，对变压器的工况进行长期监测，既能保证变压器的“健康”工作（即使过载期间也如此），同时也能指出变压器运行的老化趋势并提供早期的预警信息，从而及时对一些缓慢发展的事故进行修复以免导致变压器的损坏。
变压器是电力系统中单台价值最高的设备。一些附属设备的小故障都可能导致整台变压器的损坏。例如若冷却器的控制单元中的参数选配不当，就有可能导致变压器的效率降低，或加快油纸绝缘的老化。我们提供的与热力学模型及冷却单元相连的热分布监测系统可指导变压器在适当的时候过载运行，并计算出最大允许过载容量，从而明显地降低实际运行中变压器过载运行的风险。
一台变压器通常由下列几个独立部件组成，他们是作变压的绕组、作导磁用的铁芯。还有一些设备如套管、调压开关、冷却器等。
统计得出每一个部件引起变压器故障的可能性是个变量。因此监测有价值和容易出故障的部件是非常有效的。而绕组在变压器中是最有价值的部件，因此该系统应能测量出变压器绕组内部的数据，以便我们分析和了解绕组内部的状态，从而延长变压器的运行寿命，并增加运行的可靠性。
II. 变压器监测系统
1997年，我们首先在两台变压器上安装了监测系统。该系统充分考虑了1997年之前的监测经验[1]，并在随后三年多的运行中，对监测系统不断地加以改造和完善，使之成为今天的一种全新概念上的监测系统。
该系统的数据采集单元是以由西门子开发的可编程控制器（SIMATIC）为基础的。
对冷却系统的监测通常是通过测量其冷却器在出入口处油和空气等介质的温度而完成。通过对这些测量值进行估算，就能发现冷却器表面或空气入口处的滤网上是否有污物。同样的原理也能发现油泵的风扇故障。另外我们还测量高压套管上电流、电压值和调压开关分接点的实际位置。通过这些参数我们很容易确定变压器的实际负荷。通过计算气体传感器的输出信号就能确定绝缘材料的工况，同时所有油泵和风扇的工作状态也能通过开关量形成的数字信号得到。
为了避免计算机过分接近电力变压器而受到电磁干扰，通常我们把数据采集装置安装在变压器的控制箱中，而将计算机放入主控室内对所有采集的数据进行存储和分析，两者之间用光纤连接。光纤的长度可达几百米，从而实现数据采集装置与计算机之间电的隔离。用此方式即使变压器移走也无需拆卸数据采集单元，而计算机硬件更换也更加容易，因为计算机内没有任何附加设备。
图1 变压器监测系统图
用广泛用于工业自动化系统的器件来组装该系统比用特殊的变压器监测用的硬件有几个优点：
1.这些元件按工业化标准生产，在世界各地随处可见，因此很长时间内备件很容易获得。
2.自动化系统本身在不断地发展，随着元器件功能的改善，将来可制造更好的监测系统。例如只要增加一个模块，原监测系统的功能就能得到扩展，而且一套监测系统可同时监测多台变压器（像变压器组）。
该系统的数值计算分为两步。若数据采集系统的中心单元从所采集的数据中装置鉴别出极限值，即一个采集的数据超出定义极限值，数据采集系统的中心单元将发出报警信号，同时将报警信号传给计算机，该计算机则通过设定的数据通道向更高一级的计算机发出信号。所有实测数据都不断传输给变电站计算中心作进一步计算，并构成一个时间与实测值的平面坐标系统。而坐标系统的时间则以实测数据进入设定的数据库的时间为准。因此对程序而言，最重要的一点是能够长时间稳定运行。
另一个监测功能则由绕组热力学模型构成。根据IEC354标准，该模型决定了绕组中导体温度的分布。该温度分布取决于环境温度、负荷情况及进入绕组的油温等。假如我们作一次过载仿真，对上述参数的数值可以取实测值，也可以取虚拟值。将取值输入热力学模型中进行计算，我们就得到象过热点温度和中间导体的温度等参数。在存储如此大量的数据时，有必要不时对这些数据做一备份，该备份可通过一个与维护系统相连的调制解调器来实现。若不用调制解调器，将数据线直接与变电站控制系统相连也很方便。变电站控制系统得到变压器实际工况的信息对整个电网的安全运行是大有卑益的。
III. 新型热力学模型的发展
在估算油纸绝缘材料的老化程度时，一个非常重要的基本要求是对线圈内部导体温度的准确把握。我们为一强油导向的变压器绕组设计的热力学模型在一台 110kV300MVA的变压器上得到验证。为了得到最高的精确度，还要考虑很多的入口参数。
在监测系统中直接测量导体温度是很困难、也是很昂贵的。因此有必要用简单易行的方法来确定导体温度值。即通过测量油和空气温度，变压器负荷和每一个冷却器的状态等的测量值来确定导体温度。
标准的算法（如IEC354[2]）是针对大范围内不同几何形状和不同技术的变压器都有效的算法。达此目的的唯一途径是将算法最简化。而简化的算法就不可避免地忽略掉许多重要的因素。例如，沿线绕组轴向导体电阻的增加对温度的影响，用一个系数来考虑导体内涡流产生的附加损耗，从绕组底部到顶部的线圈温升与油温的升高方式一样，导体和油之间的温差保持不变等。
不同的热力学模型指出要想使模型的精确度有所提高，则决定该算法所需的参数的数量和计算所需时间会急剧增加。一个精确的模型通常只对特定的几何形状的绕组和冷却方式有效，因此首先要定义你想达到的精度和所能利用的资源。
A. 固体绝缘系统的热力线网络
绕组内部的固体绝缘系统可用一个热力线网络来描述。其分析方法与电网的分析方法类似。热源表示导体内产生的损耗，与电网中的电流源类似。热阻与电阻类似，在计算热阻时不仅要考虑相邻导体间热阻，也要考虑导体对周围油流的阻力，同时还要考虑不同材料对热阻的影响。通常情况下这些材料为：
· 油浸纸
· 漆包线涂层
· 油浸压板
· 盘式线圈表面的热交换系数(取决于特定的油)
固体材料的热阻是众所周知的。而困难的是决定盘式线圈表面的热交换系数。这一基本参数取决于难以琢磨的因素的影响：
冷却导管油的流速和油温
通过盘式线圈表面边界层的热流密度
图2示出一个由21股导线构成的导体的热力线图，图中象电极一样伸出的热阻表示油流周围的温度。为了图片整洁起见，图中未画出导体的热源。一盘线圈由这样的导体绕制多层而成。因此，整盘线圈的热力线网由多个这样的热力线圈交联构成。
图 2. 具有21个支路的一个热力线网络通道
求解该热力学网络的矩阵由模型自动生成，但要输入导线的股数和绝缘层的厚度。为了计算绝对导体温度，要考虑到油温，因为热力线网络只提供导体周围介质之间温差，而忽略了所有材料自身的热容量。基于上述原因，该热力线网络不适合暂态过程分析（例如短路过程分析就不适用）。由于变压器正常运行时的发热过程通常比线圈的时间常数要慢很多。对于监测系统的应用，这样简化并不会导致明显的不精确。
B. 附加导体损耗
导体分布在线圈内，导体的体积只占整个线圈体积的一小部分，线圈中的大部分体积被绝缘材料和冷却油道所占据。离散的电场穿过导体时会在绕组内部产生涡流损耗，这些附加损耗的大小取决于导体在绕组中所处的位置。通常情况下，绕组顶部和底部的附加损耗比较大，因此在计算导体温度时要考虑附加损耗在线圈内的分布所造成的影响。在上面提到的例子中，当变压器运行在额定负载，调压开关处在额定分接头位置时，线圈的涡流损耗分布由基于有限元分析的电场仿真来确定。
在线圈的中部，附加损耗会随着导体之间的距离和初、次级线圈之间的距离减小而增加。靠近线圈顶部和底部约10圈的绕组的附加损耗也会增加。最大的附加损耗发生在线圈的顶部，因为线圈顶部绕组与铁芯之间的距离大于线圈底部绕组与铁芯之间的距离，从而导致顶部径向漏磁大于底部径向漏磁，而漏磁是产生涡流损耗的主要原因。
C. 完整的热力学模型
前面所提到的算法是针对一盘绕组内部的温度分布计算的模型，将此计算结果用到线圈的其它绕组上进一步计算就能得到整个线圈的温度分布的完整模型。含有图表的用户界面的主程序控制单项计算功能和输入输出途径管理之间的数据流。
图 3. 热力学模型
该模型的输入值是：线圈的几何结构和电气参数，象冷却油道和导线的几何尺寸，导体绝缘层的厚度和额定电流密度等。这些数据在每个线圈中是固定的，在运行过程中不会变化。因此可以把它们存储到一个文件中，对一个模型只需要输入一次即可。另一些线圈的运行工况有关的基本参数象负载电流，输送到线圈底部的油温等在运行过程中会随时变化。
输入所有这些参数后，该模型就能计算出线圈内部沿轴向和径向的温度分布。该模型通过一图表化的用户界面定义线圈，并设置线圈的工作条件。对进一步的计算还有几种不同的算法供选择。变压器负载和线圈底部油温可用监测系统测得的实际测量值为输入值，同时也能自由选择变压器的运行工况参数作为输入值。
D. 结果
我们用此热力学模型分析了一台300MVA三相变压器中的高压线圈，该线圈由126圈绕组构成，每圈绕组的径向高度是4层导体，每层导体由21根导体组合而成，通过比较IEC354的算法和该热力学模型的计算结果可以得出：两种算法得出的绕组沿轴向的温度分布斜率是一致的。由IEC标准计算出的绕组的绝对温度比热力学模型的计算结果高5K，线圈的过热点温度高大约4K。
另一个明显的差异是线圈端部的温升。由于紧邻端部的几匝绕组的附加损耗比其他部位绕组的附加损耗高很多，从而导致端部油和导体间的温差增大，沿轴向的温升是阶梯式的，每一阶梯表示两圈线圈之间一段冷却油道，而每一段油道内不允许有油温差。将所有的分段油道串联起来计算的结果，我们可以得到一个完整的温度分布图。每一段油道内的油温由前一段油道入口出油量和温升来确定，而一个油道内的温升可以用总损耗和油道内的油流速度来确定。绕组盘间温度的其他差异由径向油道的不同轴向高度引起。一些径向油道的尺寸被用于补偿制造误差，从而导致并联冷却油道间不同尺寸。通过一个油道的不同油流速度会引起线圈边界层上的热传导效率的不一致。通常我们会给出用作补偿制造误差的油道的最小尺寸。
图 4. 轴向温度
当我们注意到总的计算的有效性时，IEC标准的算法和热力学模型和之间算法的差异很小，但是一旦变压器负载明显低于额定负载时，这两种算法之间差异就大多了。其IEC标准算法得出的温度高于模型算法得出温度。当变压器过载10％以上时，IEC标准算法得出的温度低于模型算法得出的温度。
IV 热过载容量模型
在一个开放的电力市场，由于经济的原因或为避免网络崩溃时，变压器的过载运行是必要的。变压器过载运行时的事故风险要比额定运行时风险大得多。监测系统连续不断地测量环境情况和过载工况能给我们提供变压器实际热过载容量的信息。过载期间最危险的温度是线圈的过热点温度。该温度决定了油纸绝缘材料的使用寿命。线圈过热点的温度可用下式表示：
线圈的过热点温度可以由环境温度JAir,、顶部油温升和过热点对线圈的油温升来决定。顶层油温和过热点处的油温升都是变压器负载的函数。
A. 有功损耗
变压器顶层油温升是整个变压器有功损耗的函数。而有功损耗可分为铜损和铁损。铜损即负载损耗，取决于负载电流的大小和调压开关触头所处的位置。铁损即空载损耗。在稳定状态下，冷却功率等于总的有功损耗。
B. 冷却设备
所有从热媒到冷媒的热传递都需要温差驱动，发生在两种不同介质上的温差的比率和热流是一个热交换器的特性参数。该比率可以用一热阻来表示。
图 5. 热力学等效电路
等效图中的热容量表示变压器的整个热容量。变压器主要用三种不同热容量的材料构成，即油、铜、铁，这些材料具有不同的热容率，决定了包括冷却器在内的整个变压器的热容量。在完全对应电路的模拟中，热时间常数可用变压器的热容和和冷却器的热阻来表示。
图 6. 过载时的过热点温度
为了避免油纸绝缘的快速老化和气泡，必须限定过热点温度。当过热点温度达到限定值时，必须降低变压器负载。t1表示负载系数为k1时最大过载时间。
C. 其他过载限定
还有一些附件限制了变压器的过载运行，在检查这些附件的过载能力时，它们中间过载能力最低的附件限制了整个变压器的过载能力。它们是：
· 套筒允许流过的最大电流
· 有载调压开关的最大允许电流
· 磁屏蔽允许的最大感应电压
· 结构部件中的涡轮损耗
· 在线圈内部连接处的应力和张力
V. 结论
在以前监测项目所取得的经验基础上，我们开发了这种全新概念上的电力变压器监测系统。安装在变压器上的传感器由自动化系统中的模数转换来驱动。数据采集的中央单元与站用计算机之间的连接通过光纤连接，并将数据存储在站用计算机的数据库中。对测量数据的监控既可在数据采集单元，也可在站用计算机上进行。若数据采集单元监测到所测数据中的极限值（一个数据超出极限值），数据采集单元则发出报警信号。在站用计算机上可对这些测量到的数据进行计算和演示，像比较冷却器油温的计算值和测量值等。通过观察油泵和风扇的工作周期来确定何时对其维护。冷却器上的污染也能及时发现，还能避免变压器油及油纸绝缘材料的老化产生的事故。以这些采集到的数据为基础，供电单位可以估算出变压器的利用率，并找出隐藏的输电能力。一个连接了热力学模型的监测系统能对变压器过载周期内的表现作出预测。在考虑环境条件的情况下，监测电网有很高的输电需求时，被监测的变压器可以在没有事故危险或状态恶化的情况下过载运行。使用智能化的监测系统，对变电站实行经济、有效的管理很快就会到来。
VI. 参考文献
[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. 简历
Michael Schäfer于1965年8月2日出生在德国。在信息电子专业实习之后到斯图加特大学学习电气工程。1995年进入斯图加特大学的电力传输和高压技术学院。2000年获得斯图加特大学的硕士学位，并在纽伦堡进入西门子公司成为开发工程师。主要领域是油浸式电力变压器的监测和热力学模型。
Klaus Eckholz1945年5月1日出生于德国。在德累斯登大学学习电气工程。1969年进入德累斯登大学的高压研究院，并于1972年获硕士学位。随后在几个电力变压器制造厂工作。1998年在纽伦堡进入西门子公司做工程总监。
