基于熒光光纖傳感的油浸式變壓器繞組測溫研究

王紅英

(西安文理學(xué)院 機械與材料工程學(xué)院，西安 710065)

電力系統(tǒng)中，維護電力變壓器的正常運行是整個系統(tǒng)可靠供電的基本保證.近年來，我國用電需求快速增長，電力系統(tǒng)發(fā)展方向為超高壓、大容量.因此，變壓器的故障率也隨之增加.據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，110 kV及以上變壓器的平均事故率在0.69%以上.尤其是近年來，變壓器因過載運行，導(dǎo)致絕緣老化、變壓器繞組擊穿、燒毀事故率高達75%以上.高壓油浸電力變壓器的壽命主要取決于固體絕緣(纖維紙)的壽命，溫度、水分和氧氣是促使其絕緣老化的主要因素.熱效應(yīng)為變壓器老化的決定性因素，熱點溫度的高低決定了變壓器的使用壽命.

隨著光電子技術(shù)的高速發(fā)展，光纖傳感器的誕生為變壓器溫度測量[1-3]提供了一種新的技術(shù)手段.相對于傳統(tǒng)的電信號測量傳感器，光纖傳感器具有體積小、抗腐抗電磁干擾、耐高溫、耐高壓等諸多優(yōu)勢，能有效監(jiān)測電力變壓器內(nèi)部的熱點溫度.當(dāng)前最為成熟技術(shù)為基于熒光光纖的溫度傳感器，應(yīng)用最為廣泛的是點式光纖測溫產(chǎn)品.該技術(shù)最開始從國外進行應(yīng)用，20世紀80年代，著名的變壓器制造廠商如ABB、西門子、東芝的產(chǎn)品上均使用過熒光光纖溫度傳感器.

變壓器的內(nèi)部溫度可以通過以下3種方法獲得：熱模擬測量法、間接計算法和直接測量法.對于熱模擬法，就是通過在變壓器中安裝熱模擬法測溫儀表，從而換算出變壓器的繞組溫度.其優(yōu)點是經(jīng)濟、冷卻系統(tǒng)可以被直接啟動.但是，該方法準確性差，測量溫度有一定的時差性.在法國電網(wǎng)中，該方法已經(jīng)被停止使用.間接計算法，就是根據(jù)假設(shè)的變壓器熱模型，結(jié)合各國的實用經(jīng)驗、國際電工委員會的IEC345-1991標(biāo)準和我國的GB/T15164-1994《油浸式電力變壓器負載導(dǎo)則》[4]標(biāo)準，推導(dǎo)出熱點溫升計算公式，具有一定的精度，具有經(jīng)濟、簡便、實用性強等特點，但是該方法計算復(fù)雜，尤其是由經(jīng)驗得出的計算參數(shù)，通用性不強，在變壓器現(xiàn)場使用時受到限制.且熱模法和間接計算法只能求解熱點溫度值，不能得到熱點的具體位置，實際應(yīng)用過程中具有一定的局限性.直接測量法是在繞組靠近導(dǎo)線部分埋設(shè)傳感器，然后通過檢測儀表獲取傳感器附近的溫度值，它是一種在線檢測設(shè)備.直接測量法可以實時、準確測量出繞組熱點溫度；通過及時啟動制冷設(shè)備，可以避免因變壓器繞組過熱引發(fā)的事故.該方法最典型的應(yīng)用代表為熒光光纖溫度傳感器和半導(dǎo)體光纖溫度傳感器.

本文采用熒光光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)對變壓器中、高壓三相繞組溫度[5]、頂層油溫以及中部油溫進行直接測量.同時，采用PT100溫度傳感器測量電力變壓器的頂層油溫、底層油溫、中部油溫以及環(huán)境溫度.根據(jù)PT100溫度傳感器測量數(shù)據(jù)間接計算出電力變壓器的熱點溫度，并與熒光光纖測溫數(shù)據(jù)進行比較.

1 熒光光纖測溫原理

光致發(fā)光現(xiàn)象是熒光測溫法的工作機理所在.由普朗克定律可知,當(dāng)物質(zhì)受到某種形式的能量的激發(fā)會產(chǎn)生電子躍遷,躍遷過程在能級E1與能級E2之間進行,波長為λ的光波會在這一過程中發(fā)射.

hc=λΔE=λ(E2-E1)

(1)

式(1)中，h為普朗克常數(shù)；c為光速；λ為激發(fā)光子波長；E2為高能態(tài)電子能量；E1為低能態(tài)電子能量.

根據(jù)對熒光信號處理方式的不同，熒光光纖溫度傳感器通常分為：熒光強度型、熒光強度比型和熒光壽命型.

其中，熒光壽命型光纖溫度傳感器與其他上述兩種傳感器相比，探測器的退化、光纖彎曲和光源等因素對系統(tǒng)影響甚小，修正傳感器探頭較為容易，在中低范圍內(nèi)測量精度與靈敏度均較高，適用于變壓器內(nèi)部溫度測量的要求.目前，國內(nèi)外在變壓器繞組測溫領(lǐng)域使用的熒光光纖傳感器均為熒光壽命型光纖溫度傳感器.

熒光壽命型光纖傳感器用短脈沖光激發(fā)熒光體,形成的激發(fā)態(tài)熒光體隨時間而衰變,其衰變率為：

(2)

對式(2)進行積分后得：

(3)

(4)

式(4)可以改寫為：

(5)

以指數(shù)形式衰減的單一熒光體，其發(fā)射強度F(t)和激發(fā)態(tài)群分子數(shù)N(t)成正比.即

(6)

研究表明，熒光壽命也會受環(huán)境溫度影響而發(fā)生變化.式(7)表示了熒光壽命與溫度的關(guān)系：

(7)

其中，Rs、RT、k、ΔE為常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度.

圖1 熒光壽命與溫度的關(guān)系

由式(7)可見，溫度為影響熒光壽命的關(guān)鍵參數(shù).如圖1所示.溫度升高，熒光壽命減小，通過測量熒光壽命可以得到溫度值.因此，熒光壽命的求取成為關(guān)鍵問題.

2 變壓器溫升實驗

實驗中采用西安和其光電科技有限公司研制的熒光光纖測溫器[5].測試現(xiàn)場如圖2所示.

變壓器所用參數(shù)為：

額定容量：240/240/120 MVA

額定電壓：230±8×1.5%/121/38.5 kV

額定電流：602.5/1145.2/1799.5 A

冷卻方式：ONAN

圖2 測試現(xiàn)場

光纖探頭埋置位置為：三相繞組的高、中壓繞組分別埋置1個，油頂部1個，油中間1個，共8個點.三相繞組的高、中壓繞組溫度由熒光光纖傳感器直接測得.測試結(jié)果如圖3所示.

圖3中明顯看到，在0.5 h以內(nèi)，三相繞組溫升變化迅速由開始的平均14.5 ℃提升到中、高壓平均分別為67.7 ℃、72.4 ℃，之后中、高壓溫升平均分別增加到89.8 ℃、92.6 ℃，兩個時間段三相繞組溫升基本呈線性變化趨勢；2.5 h以后溫升基本趨于穩(wěn)定.其中，A、B、C三相繞組的中壓繞組分別平均為84.9 ℃、90.6 ℃、93.9 ℃，高壓繞組溫升分別平均為89.4 ℃、94.1 ℃、94.3 ℃.

根據(jù)GB/T 15164-1994《油浸式電力變壓器負載導(dǎo)則》，對于自然油循環(huán)冷卻方式，變壓器在暫態(tài)情況下，經(jīng)過時間t后繞組熱點溫度為：

θh=θa+[θoi+(θou-θoi)(1-e-t/τ)]+HgrKy

(8)

(9)

式(9)中，θh為任意負載下的熱點溫度，℃;θa為環(huán)境溫度，℃;θoi為初始時刻頂層油溫升，K;θor為額定電流下的頂層油溫升，K;θou為最終頂層油溫升，K;τ為油時間常數(shù)，h;H為熱點系數(shù);gr為繞組平均溫度與油平均溫度之差,K;K為負載系數(shù);y為繞組系數(shù);R為額定電流下的負載損耗和空載損耗之比;x為油的指數(shù).

由公式(8)、(9)計算可得變壓器熱點溫度[6]隨運行時間的變化情況，結(jié)果如圖4所示.計算結(jié)果顯示變壓器熱點溫度隨時間始終呈非線性變化趨勢，且初始溫度大于實測的溫度，近10 h后溫升才趨于穩(wěn)定，計算結(jié)果與實測存在偏差較大，不利于對變壓器的維護提供理論依據(jù).

圖3 三相繞組的高、中壓繞組溫升測試

圖4 變壓器熱點溫度計算值

圖5所示為熒光光纖測溫器測得的變壓器頂層油溫及底層油溫.測試結(jié)果顯示2 h左右，變壓器的頂層油溫、底層油溫由開始的平均為14.6 ℃分別迅速增加到63.8 ℃、38.1 ℃，3 h后，分別穩(wěn)定在65 ℃、39.8 ℃.

經(jīng)過時間t后的頂層油溫升、中部油溫升和底層油溫升的理論計算值[6-8]分別可以由式(10)、(11)、(12)求出：

θot=θoi+(θou-θoi)(1-e-t/τ)

(10)

θmt=θmi+(θmu-θmi)(1-e-t/τ)

(11)

θbt=θbi+(θbu-θbi)(1-e-t/τ)

(12)

式(11)、(12)中，θmi為初始時刻的底層油溫升，K；θmu為時間t內(nèi)所加負載的穩(wěn)態(tài)底部油溫升，K；θbi為初始時刻的底層油溫升，K；θbu為時間t內(nèi)所加負載的穩(wěn)態(tài)底部油溫升，K.

計算結(jié)果如圖6所示.圖中明顯看到，變壓器頂層油溫和中部油溫隨時間均呈現(xiàn)非線性變化趨勢，且穩(wěn)定時間均為10 h，計算結(jié)果不利于對變壓器的維護.

圖5 頂層油溫、底層油溫的熒光光纖傳感器實時測試值

圖6 光纖測量頂層油溫與中部油溫計算值

實驗中還采用了PT100熱電偶測試變壓器的油溫隨時間變化情況.測試結(jié)果(如圖7)顯示了頂層油溫、中部油溫、底層油溫隨時間的變化，比較圖5和圖7發(fā)現(xiàn)，兩種方法測試油溫隨時間變化趨勢基本一致，對于同一位置的溫升而言，熒光測溫測出的溫升值較大.

圖8所示的計算結(jié)果顯示，頂層油溫、中部油溫、底層油溫隨時間隨時間呈非線性變化，其中，頂層油溫在運行10 h后，趨于穩(wěn)定，中部油溫與底層油溫在運行5 h后，趨于穩(wěn)定.

圖7 PT100測得的頂層油溫、中部油溫及底部油溫

圖8 PT100熱電偶測量頂層油溫、中部油溫及底部油溫的計算值

3 結(jié)論

本文利用熒光光纖測溫器實時測試了變壓器三相繞組的中、高壓溫升、頂層油溫以及中部油溫隨時間變化情況，實驗也采用PT100測量了頂層油溫和中部油溫隨時間變化情況.同時，根據(jù)GB/T 15164-1994《油浸式電力變壓器負載導(dǎo)則》進行了相應(yīng)的計算.結(jié)果表明，熒光光纖測溫系統(tǒng)能夠真實反映變壓器的內(nèi)部溫度變化，PT100僅能測試頂層油溫、中部油溫以及底層油溫，理論計算出的熱點溫度數(shù)據(jù)偏差較大，隨時間呈非線性變化趨勢，且達到穩(wěn)定溫度的時間較長，不利于變壓器的維護.相比之下，理論計算出的PT100油溫數(shù)據(jù)與PT100實測油溫數(shù)據(jù)較接近，然而，穩(wěn)定溫度所需時間較長，對變壓器的維護產(chǎn)生不利影響.

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