大型油浸电力变压器绕组温度测量技术的应用

摘 要：本文通过分析变压器运行中热效应对其寿命和安全运行的影响，阐明对油浸式变压器绕组温度检测和控制的必要性，并简要介绍了绕组温度计的工作原理和使用方法。

关键词：油浸变压器；绕组温度计；应用；

1  前言

电力变压器是电力系统中重要的电气设备之一，其运行状况对电力系统安全可靠运行关系极大。据相关资料统计，1990－1999年间110kV及以上变压器的平均事故率约为0.69%。其中因绕组超温运行，导致绝缘老化，变压器绕组击穿、烧毁事故占有相当大比例。对于油浸式变压器，其寿命实际主要是固体绝缘（纤维纸）的寿命。促使绝缘老化的主要因素是温度、水分和氧气，其中在变压器带负载时，热效应的作用最为突出。可以说热效应是变压器老化的决定性因素。也就是说变压器绕组绝缘的热老化速度与绕组的热点温度有关。

按GB1094电力变压器标准设计的油浸式电力变压器，GB/T151―94《油浸式电力变压器负载导则》规定其热点温度基准值是98℃，即在此温度下绝缘的相对老化率为1。在80～140℃范围内，温度每增加6K，老化率就增加一倍（所谓的6K法则）。油浸式变压器的相对热老化率和温度的关系列于表一中，由表一可以清楚看出，变压器在140℃下运行1ｈ，其老化量相当于在98℃下运行128ｈ，可见适当降低绕组的运行温度和控制绕组最热点温度不超过允许温度，对延长绕组绝缘物的使用寿命极为重要。

表1  油浸式变压器相对老化率和热点温度的关系

对于大型的、冷却系统采用强油循环的油浸电力变压器，油的时间常数约为1～2h，而绕组的时间常数很小，只有约5～10min，两者差别较大。所以由于热传导过程影响，目前所采用检测油顶层温度来推断绕组温度以作为变压器运行工况的判据的方法，存在不准确、不及时、不直观的弱点。因此，有必要采用新的办法来对运行中电力变压器绕组温度进行监测，及时反映出绕组的工作温度。从而引出了绕组温度计。

２  绕组温度计的工作原理

变压器绕组本身是一个带电体，直接测量绕组温度在绝缘处理上具有较大难度，特别是电压等级较高的绕组，虽可以采用光纤技术也能实现，但成本较高。所以我们常见到的绕组温度计实际上是一个通过将变压器顶部油温和工作电流综合后，得到可以反应绕组温度的一个模拟值，而并非是绕组实际温度的测量值。其工作原理为：

图1  变压器绕组温度计工作原理图

见图1，它主要是在一个油温表的基础上，配备一台电流匹配器和一个电热元件。 温度表的传感器――温包插在变压器油箱顶部的油孔内，当变压器负荷为零时，绕组温度计的读数为变压器油箱顶层油面的温度。当变压器带上负荷后，通过变压器电流互感器取出的与负荷成正比的电流，经电流匹配器调整后流经嵌装在波纹管内的电热元件，电热元件产生热量，使波纹管内的气体进一步膨胀，表计弹性元件的位移量增大。因此，在变压器带上负荷后，弹性元件的位移量是由变压器顶层油温和变压器的负荷电流两者所决定。变压器绕组温度计指示的温度是变压器顶层油温与线圈对油的温升之和。

在整套测量装置中，电热元件是核心部件，因为它的发热特性能否 “真实地”反映变压器绕组的发热特性，将直接影响到测量结果。为此，需在变压器做温升试验时，测量变压器绕组的温升，从而对流经发热元件的电流通过电流匹配器进行调节，使得电热元件的发热特性与变压器绕组对油的温升特性更为接近。使得温度计的值更能准确地反映变压器绕组的温度。

3  变压器绕组温度计的具体应用

我们知道，变压器绕组温度除了与流经它的电流大小、绕组自身的损耗直接有关外，还与变压器铁芯涡流损耗发热、绕组内部环流大小和变压器产品的设计、制造、工艺、质量以及运行时的环境温度、冷却系统运行工况有关。也就是说绕组温度是上述因素的综合实际直观反映。

为更好地使用绕组温度计，我们先来了解变压器绕组温度的分布情况和影响他的因素。对于变压器绕组的温度分布情况，见图二，为简化分析，可以假设为绕组的油温，从底部到顶部按线性增加；沿绕组高度任何位置的温升，从底部到顶部按线性增加，此直线与油温升直线平行，两平行线之间的差值为定值；最热点温升较绕组顶部的温升高一定值。由图2可看出，影响绕组温度高低的首要因素是环境温度，也就是冷却介质的温度；其次是变压器的损耗大小和冷却系统的使用情况，从而决定变压器底部和顶部油的温升；再次，变压器绕组内部油道设计、油流量大小等影响线圈

图2  油浸式变压器绕组温度分布模拟图

和油之间热交换时的温差。还可看出，绕组的平均温度值，也就是变压器绕组温升试验时，采用电阻法所测量到的利用导体电阻与温度的关系换算出来的温度值，只相当于绕组中上部位置的实际温度值。由于上部油温较高以及上端部线圈压板涡流发热等的影响，绕组中温度较高的部位在绕组上部。该部位也一般是最热点分布的地方。

故我们在调整或校验绕组温度计时，应先明确要检测的是绕组的平均温度或是最高温度，并根据不同的变压器和相应的使用环境，综合考虑各种因素的影响。下面就假设以乌江渡2#主变压器配备BWR－04B型绕组温度计为例来说明绕组温度计使用。

乌江渡2#主变压器技术参数

型号：SSP10――290000/220

额定容量：290MVA

额定电压：242±2×2.5%/15.75kV

高压侧额定电流：691.9A

总损耗：692.27kW

冷却方式：ODWF

油面允许温升：55K

绕组允许温升：65K

配合绕组温度计的CT变比（安装在高压侧）：1200/5

乌江渡2#主变压器使用环境

主变压器室内环境温度（通风设计值）：35℃

冷却器冷却水多年平均水温：16.3℃

冷却器冷却水最高水温：28.1℃

冷却器配备：5台，单台冷却功率315kW

BWR－04B型绕组温度计主要技术参数

输出信号：4～20mA电流信号

工作条件：环境温度（－40～＋55）℃、相对湿度小于95％

测量范围：0～150℃

准确度：2.0级

开关性能：4组可调开关，各开关可在全量程内任意设定

电热元件的温升特性：见图3

① Is―温度计的工作电流；

② △T―变压器对应工作电流时的绕组平均温升

图3   电热元件的温升特性曲线

3.1  电流匹配器的选用

由变压器技术参数可知：

变压器电流互感器的二次侧额定电流为Ip＝691.9/（1200/5）≈2.88A，根据厂家提供的电流匹配器选型参照表（见表二）可知3≥Ip＝2.88A＞2，因此可选择BL—B型电流匹配器。

 表2  电流匹配器选型参照表

3.2  温度计工作电流Is的整定

3.2.1  假设我们希望温度表所显示的温度值是绕组最热点的温度，查阅该变压器的温升试验报告，取温升较高的绕组的温升值10K作基数(由于变压器绕组的温升试验是采用电阻法测得，该值为平均温升)，再加上被普遍认可的绕组最热点温度与平均温度的差值13K，得△T＝10+13＝23K

3.2.2  由△T＝23K查图三电热元件的温升特性曲线得Is＝1.12A。

3.2.3  由Ip＝2.88A ，Is＝1.12A可得Is/Ip=1.12/2.88≈38.8%，查表二可知，在BL—B型电流匹配器中，系数K＝5时，有Is=（28～40）%Ip。

3.2.4  见图4电流匹配器调整接线图，将控制端K与5#接线端子连接，并调整电位器W，使得在Ip＝2.88A 时，Is＝1.12A即可。

图4  电流匹配器调整接线图

3.3  接点动作值的整定

3.3.1  温度升高报警

根据变压器的设计参数知道，该变压器的绕组最热点允许温升为55K+23K=78K，计及冷却水的年平均温度为16.3℃，则本报警接点的整定值应为：78+16.3＝94.3℃

3.3.2 温度过高跳闸

油浸式变压器属A级绝缘，最热点温度一般不能超过140℃，最高不得超过160℃。即使牺牲的寿命不多，也不允许超过，因超过140～160℃时油可能要分解出气体，产生气泡影响器芯内部绝缘的绝缘强度。所以从变压器安全运行出发的角度出发，最热点温度不能超过140℃。即温度过高跳闸的动作值可整定为140℃。

4  结束语

需要说明的是，绕组温度计在稳态的情况下是可以直接参考的，但在动态下同样受到油对热源热交换时间常数较大的影响，有一定的局限性。在超额定电流运行时也不能较准确地反映绕组温度。另外象乌江渡主变压器这种采用多台强油循环水冷确器的变压器，在不同的负载条件或温度下，所投入的冷却器（分别各含油泵）数量不同，从而变压器内部油流速有较大的变化，进而引起变压器绕组对油的温升特性发生较大的变化，这样就可能在某些工况下，变压器的温升特性与温度计电热元件的温升特性有较大的差别，其温度指示值的参考价值要打一定的折扣。