变压器绕组热点温度检测标准

发表时间: 2019-05-24 10:59:02

作者: 变压器

来源: 福州英诺温控器


电力变压器的负载能力主要受绕组温度的限制。作为新设备验收测试的一部分,温升测试旨在证明在满载和额定环境温度下,平均绕组温度不会超过行业标准规定的限值。然而,绕组的温度不均匀,真正的限制因素实际上是绕组的最热部分,通常称为绕组热点。该热点区域位于变压器顶部的某处,无法通过传统方法直接测量。

固体绝缘温度是变压器老化的主要因素。随着温度和时间,纤维素绝缘材料经历解聚过程。随着纤维素链变短,纸的机械性能如拉伸强度和弹性降低。最终纸张变脆并且不能承受短路力,甚至不能承受变压器寿命的正常振动。这种情况表征了固体绝缘材料的寿命终结。由于它不可逆,它还定义了变压器的寿命终结。

该过程对变压器所有者来说是众所周知的,并且已经进行了持续的努力以监测热点温度以利用冷的环境温度,延长变压器寿命同时提供紧急过载能力并利用市场机会。图1显示了纸张对温度的敏感性。现代变压器使用经过化学处理的热升级纸,以提高纤维素结构的稳定性。这种纸的额定热点温度为110°C,可以看出增加7°C会使老化加速因子加倍。对于使用普通牛皮纸制造的旧变压器,根据IEC,额定热点温度为95°C或根据IEC为97°C。

湿式变压器(固体绝缘材料含水量超过2%)在高温下运行时会产生额外的风险。已经表明,捕获在纸中的残留水可能达到起泡条件并以水蒸气泡的形式从纸中逸出。这些气泡可能随着油流动而移动,或者被缠绕在绕组中,并且在两种情况下都会对绝缘击穿造成威胁。难怪变压器操作员试图以最佳平均值控制绕组热点温度。





绕组温度计算方法的最新发展几十年来,已经提供了从可以方便地测量的数据计算绕组最热点温度的指南,以及从温升测试或制造商计算得出的参数。基本的计算方法依赖于变压器油箱顶部油温的测量(顶油温度)以及绕组最热点和顶油之间温差的计算。制造商根据他对绕组中油流量和损耗分布的建模提供这种温升。此后,可以使用标准关系计算任何负载的热点温度:


- 绕组指数

这个简单的公式以指数函数完成,以说明绕组的热惯性应用突然的负荷增量。这种计算方法已经存在了几十年,但更频繁地利用变压器过载能力已经表明这种方法的不足之处。



值得注意的是,传统的热点温度计算方法使用了许多不正确的假设:

•假设冷却管道中的油温与最高油温相同

•忽略了绕组阻力随温度

的变化• 忽略了油粘度随温度的变化•

忽略了分接位置的影响

•变化假设环境温度对油温有直接影响。


此外,实验工作已经表明,在突然过载开始时,油惯性引起绕组冷却管道中的油温快速升高,这不会被罐中的顶部油温反射。因此,正在开发替代方程组,同时考虑所有这些因素。

另一个重要的演变是关于变压器“热复制”定义的指南的消失,该指南通常用于提供额定负载下绕组温升的默认值。该参考文献将不再可用于为制造商估计的热点温升提供支持。这可能会降低变压器制造商提供该关键热参数的可靠性。


根据变压器尺寸阻抗和设计,将平均绕组与油的梯度与热点到顶部油梯度相关的“H”因子可以在很宽的范围内变化。在这里,正确计算绕组最热点和顶部油之间的临界温差将取决于制造商正确建模绕组管内油流的能力,沿绕组的损耗分布,各种绝缘厚度的传热特性在整个绕组中使用以及限制油流动的局部特征的影响。

还认识到,先前计算方法的动态响应不充分,因为负载电流的突然增加可能导致绕组热点温度中的意外高峰值。为了涵盖所有类型的负载变化,提供了一组精心设计的微分方程,考虑了绕组热时间常数,油时间常数和三个新常数来表征油流量。



所有这些变化表明,先前已知的热点温度计算方法不足以准确评估绕组热点温度。计算机的广泛使用现在允许复杂的计算方法,但它表明,对于缠绕热点温度的追求并非微不足道,并且考虑到需要收集的额外值的数量来进行计算,这引起了新的疑虑。难怪用光纤传感器直接测量绕组温度是关键变压器的推荐做法。

绕组热点温度直接测量的最新进展.




光纤温度传感器用于高压变压器温度测量



近三十年来,光纤温度传感器已经可用于高压变压器的测量。第一个单元很脆弱,在制造过程中需要精细处理。在过去十年中,为了改善坚固性并促进通过罐壁连接,进行了重大的开发。

系统上的光纤探头由一根200微米的固态光纤纤维和一层可渗透的PTFE Teflon保护套组成。该探头设计用于承受制造条件,包括煤油解吸以及长期浸入变压器油中。Teflon夹套的渗透性允许在真空下完全浸渍。温度传感元件基于成熟的GaAs技术,采用原始算法驱动,分析信号并提供可重复和可重复的测量。

为了测量绕组温度,传感器可以嵌入间隔器中或直接连接到任何值得进行温度监测的导体上。显示了直接与连续转换电缆(CTC)接触的传感器的示例。必须在本地拆除绝缘层并在安装传感器后恢复。


更常用的方法是将传感器插入连续磁盘之间的垫片中。在径向间隔件中切割出槽,并且如图4所示,将这些槽粘合到位。该方法避免了破坏和恢复导体绝缘的精细任务。由于垫片实际上阻止了在该位置处的油循环,因此垫片中的温度梯度非常小并且传感器达到两个盘的平均温度。其中我们比较来自两个与绕组接触的传感器的温度和一个插入同一绕组下方的间隔器中的传感器的温度。可以看出,在间隔物中测量的温度实际上略高于测量的导体温度。


导体上传感器和垫片中传感器的温度测量值之间的差异

光纤探头的安装以及在制造期间处理这种长光纤对于避免可能破坏光纤的急剧弯曲来说当然是具有挑战性的。所引入的改进之一是光纤的临时绕线,如图6所示。另一个改进是简化的穿墙连接,如图7所示。这种光学穿通装置设计简单,既可提供低损耗的光学连接,又可提供泄漏 - 自由运作。通过这些改进,光纤传感器的存活率现在优于90%。



光纤温度传感器的现场经验



自1998年以来,水电公司在十几个关键变压器中安装了光纤温度传感器,每个变压器都包含8个探头。在一个案例中,该装置配备了48个光纤传感器,在大型调查范围内,提供变压器内部温度分布的全貌。该单元的特点总结如下:

•类型:变频器 - 变压器, ODAF冷却•额定功率:107 MVA,单相•线路绕组:230 /?3 kV,810 A, 接地Y •阀门绕组:127 /?3 kV,1468 A,Y •第三级:18.2千伏

变压器是定向流动型,油直接压在绕组中。所有泵都在持续使用,而风扇分为两个阶段。一套是手动操作,并在此处报告的期间持续操作。另一组处于自动模式,并在绕组温度达到50°C时打开。作为其正常工作的一部分,该变压器经历了显着的负载变化。负载需求波动和大型同步电容器的周期性连接导致典型的日间负载1 pu和夜间负载0.4 pu这些宽负载变化可以更好地评估标准中提出的绕组热点温度模型的动态行为。


107MVA换流变压器上的光纤温度传感器


107MVA转换器 - 变压器上的绕组热点温度模型



对于这种绕组,制造商估计额定热点高于顶部油的温度为25°C。对于绕组指数,IEEE和IEC指南建议定向流使用m = 1。可以看出,利用这些值,从制造商预测和经典模型计算的绕组热点温度在额定负载下可以偏差约7度。这将导致大约14度,150%的超载。光纤温度传感器提供更可靠的温度值。即使这样,拥有一个有效的模型用于预测目的也许是有用的。这可以通过调节额定热点上升,绕组指数和绕组热时间常数来实现。然后可以充分利用

装载能力,在应急过程中维持服务或承载额外负载以利用市场机会。

增强过载能力

大多数电力变压器本身具有一定的过载能力。单元的额定容量基本上是导致内部温度不超过IEEE和IEC等行业标准规定的限制的负载水平。超过铭牌额定值的载荷的应用涉及一定程度的风险和加速老化。这些影响在IEEE和IEC装载指南(1-2)中详细讨论,可归纳如下:

•对于长时间过载,主要后果是固体绝缘的热老化。

•对于短期变压器故障,主要风险是由于在高电应力区域释放气泡而导致介电强度降低。这些气泡的出现概率与卷绕热点温度和绝缘纸的含水量密切相关。

•在过载情况下,某些组件(如LTC触点和套管连接)可能会产生高温,导致热失控。

人们普遍认为,如果在整个过载期间密切监测变压器状况,则可以显着降低与过载相关的风险。当变压器面临过载情况时,监测绕组热点温度和溶解的油中油和呋喃在油中为操作员提供了重要支持。绕组温度的在线监测可以提供绝缘劣化的动态评估,然后可以将相对的寿命损失转换成成本。造成生命损失的成本需要从传输这种额外负荷所获得的明显效益中减去。在计算传输这种额外能量的成本时,生命损失也是有用的。

为了量化连续绕组温度监测的益处,需要估算监测提供的额外负载裕度。变压器过载的现场经验仍然有限,但作为第一个近似值,可以保守地假设,如果上述参数得到适当监控,变压器可以承受10%的额外负载,其运行时存在相同的置信度。没有监控。因此,监控系统的值可以直接与监控系统提供的额外变压器容量的值进行比较。然而,这种粗略的方法忽略了在高温下操作时会产生的额外生命损失。

更好的方法是计算利用额外的装载能力来利用市场机会所带来的经济效益。作为一个数字示例,假设当市场条件具有吸引力时,可以要求100MVA变压器承载10%的过载,大约5%的时间。

这种粗略计算假设过载期间的温度条件稳定,但它允许我们显示在充分控制下使用变压器满载能力可以预期的效益大小。结论电力变压器的负荷能力主要受绕组温度的限制。实践中,通过测量罐顶部的油温来评估该温度,并根据负载电流和绕组特性计算出附加值。随着更频繁发生过载,已经发现这种简化的方法不适用于几种类型的过载和变压器设计。

为了缩小这一差距,考虑到绕组电阻,油粘度和油惯性的变化,旨在更好地表示绕组内的油温。仍然,使用光纤传感器直接测量绕组温度提供了超过由制造商提供的不确定参数计算的值和表征冷却模式的不确定方程的明确优势。

为了满足这一重要需求,光纤传感器已经显着改进,以至于直接测量绕组温度现在成为测量该关键参数的首选方法。脆弱光纤传感器与变压器工厂环境的兼容性在过去一直是一个问题,但现在通过坚固的光纤护套,工厂工作期间适当的传感器绕线以及简化的穿墙连接解决。


光纤传感器已经成熟应用于电力变压器,应该成为新变压器的标准功能。对绕组热点温度的即时了解为进行过载事件提供了必要的信心,并从该资产中获得了全部收益。

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