陳樹(shù)海+張孝云+王進(jìn)

摘 要：作為電網(wǎng)重要設(shè)備之一的電力變壓器，其運(yùn)行狀況對(duì)電網(wǎng)的安全有十分重要的影響。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在變壓器運(yùn)行事故中有相當(dāng)一部分是因超負(fù)荷運(yùn)行引起的。變壓器超負(fù)荷運(yùn)行使繞組發(fā)熱量增大，繼而引起變壓器油和其他絕緣材料溫度升高，長(zhǎng)期如此造成絕緣材料老化，最終發(fā)生繞組絕緣擊穿，燒壞變壓器。因此，變壓器運(yùn)行時(shí)油溫升的監(jiān)控對(duì)預(yù)防此類事故的發(fā)生有重要的預(yù)警作用。本文在分析現(xiàn)有變壓器油溫測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，提出了一種利用兩點(diǎn)間油壓強(qiáng)差來(lái)間接測(cè)量油溫的方法，該方法對(duì)豐富變壓器油溫升測(cè)量手段有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 油溫測(cè)量；壓強(qiáng)差；變壓器保護(hù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.019

0 引言

電力變壓器在掛網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，由于空載損耗和負(fù)載損耗的存在，變壓器不可避免地消耗電網(wǎng)的電功量，轉(zhuǎn)化成熱量后通過(guò)散熱和冷卻系統(tǒng)散發(fā)到外界環(huán)境中去。變壓器的使用壽命主要是由其內(nèi)部的絕緣材料的壽命決定，溫度每升高6℃，絕緣材料的壽命就要降低一半，變壓器的使用壽命隨之降低一半。油浸式電力變壓器內(nèi)部充有起冷卻和絕緣作用的變壓器油，變壓器產(chǎn)生的熱量，通過(guò)變壓器油散發(fā)到外界環(huán)境中，因此油溫的測(cè)量和控制是維護(hù)變壓器安全運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[1-3]。

1 壓力膨脹式油溫測(cè)量方法

變壓器的散熱是通過(guò)冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，而溫度控制指示器（簡(jiǎn)稱溫控器）是控制冷卻系統(tǒng)投退和超溫報(bào)警的核心裝置。變壓器上用的溫控器主要有油溫溫控器和繞組溫控器，繞組溫控器是在油面溫控器的基礎(chǔ)上增加了加熱元件，通過(guò)熱模擬方法實(shí)現(xiàn)對(duì)繞組溫度的測(cè)量。當(dāng)前主流的溫控器，如德國(guó)MESSKO公司的MT-ST型油面溫控器和MT-STW型繞組溫控器，瑞典AKM公司34系列油面溫控器和35系列繞組溫控器，均屬于壓力式膨脹測(cè)溫儀器（內(nèi)含波登管），由彈性波紋管、毛細(xì)管和溫包組成一個(gè)全密封系統(tǒng)，利用這密閉系統(tǒng)內(nèi)部所充的感溫介質(zhì)受溫度變化而產(chǎn)生的壓力變化，使彈性波紋管端部產(chǎn)生位移變化，使彈性波紋管端部產(chǎn)生角位移來(lái)帶動(dòng)指針指示被測(cè)溫度值。溫控器一般會(huì)帶有電氣接點(diǎn)和遠(yuǎn)傳信號(hào)裝置，用來(lái)輸出溫度開(kāi)關(guān)控制信號(hào)和溫度變送信號(hào)[4-5]。

該種測(cè)量方法能反映變壓器某一局部空間內(nèi)的油溫變化，但由于變壓器油箱內(nèi)油溫分布的不均衡性，該種測(cè)量方法對(duì)反映油溫的整體分布情況并不適用。

2 壓差式油溫測(cè)量方法

考慮到變壓器油的密度是隨著溫度的變化而變化的，同時(shí)密度也是影響變壓器油壓強(qiáng)大小的一個(gè)關(guān)鍵因素，因此壓強(qiáng)的變化能間接反映油溫的變化?；谶@一原理，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)有一定高度差的測(cè)量點(diǎn)的油壓強(qiáng)差，就可間接將兩測(cè)點(diǎn)之間的平均油溫測(cè)量出來(lái)。

如圖1所示，在變壓器油箱壁的不同高度處開(kāi)設(shè)1#和2#兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)。在作壓強(qiáng)差與油溫的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)前，對(duì)有關(guān)符號(hào)所代表的意義作如下說(shuō)明：

T：變壓器油t℃時(shí)的油溫；

T0：變壓器油t0℃時(shí)的油溫；

ρ：變壓器油t℃時(shí)的密度；

V：變壓器油t℃時(shí)的體積；

ρ0：變壓器油t0℃時(shí)的密度；

V0：變壓器油t0℃時(shí)的體積；

ΔT：變壓器油溫升；

ΔV：變壓器油體積變化量；

h： t℃時(shí)變壓器油總深度；

h1：1#測(cè)點(diǎn)距油箱底深度；

h2：2#測(cè)點(diǎn)距油箱底深度；

Δh：2#測(cè)點(diǎn)與1#測(cè)點(diǎn)的高度差；

p1：1#測(cè)點(diǎn)油壓強(qiáng)；p2：2#測(cè)點(diǎn)油壓強(qiáng)；

g：重力加速度（9.8m/s2）。

以下公式的推導(dǎo)是以溫度變化前后，變壓器油的總質(zhì)量不變?yōu)榍疤帷?/p>

由于ρ0、g、Δh、T0均為已知量，因此，T就是Δp這唯一變量的函數(shù)，通過(guò)測(cè)量1#測(cè)點(diǎn)與2#測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)差Δp，便可測(cè)出變壓器油溫。

3 計(jì)算公式簡(jiǎn)化處理

為方便記憶和后續(xù)在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理，假定以20℃時(shí)的變壓器油密度為計(jì)算參考點(diǎn)（20℃時(shí)變壓器油計(jì)算密度為871Kg/m3），并假設(shè)1#和2#測(cè)點(diǎn)的相隔垂直間距為1m，于是（10）式可寫成：

T=1428.6（（8535.8/Δp）-1）+ 20 （11）

根據(jù)變壓器運(yùn)行環(huán)境溫度和變壓器油最高允許溫度的實(shí)際情況，T一般處在（-30，95）這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，在該區(qū)間內(nèi)T與Δp的散點(diǎn)分布如圖2所示。

從圖2中可以看出，在（-30，95）溫度范圍內(nèi)，T與Δp的散點(diǎn)分布幾乎按線性規(guī)律分布，經(jīng)擬合計(jì)算，得到的近似線性計(jì)算式為：

T=-0.17Δp+ 1474 （12）

（12）式便是兩點(diǎn)之間平均變壓器油溫的近似簡(jiǎn)化計(jì)算式。

4 油溫測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建

圖3為油溫測(cè)量系統(tǒng)組成框圖。1#與2#壓力變送器分布在不同位點(diǎn)高度的變壓器油箱壁上。壓力變送器產(chǎn)生兩路4～20mA電流信號(hào)，經(jīng)250Ω精密電阻后，轉(zhuǎn)換成兩路1～5V電壓信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)這兩路電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，將模擬量電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量電壓信號(hào)后送到MCU處理單元。MCU處理單元按照預(yù)先編譯好的處理程序，按照公式（12）基本數(shù)學(xué)關(guān)系式對(duì)兩路數(shù)字量電壓信號(hào)進(jìn)行處理、解算，解算結(jié)果經(jīng)RS485傳輸電路送后臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控程序進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

變壓器油箱內(nèi)的油溫分布并不是均勻的，總的來(lái)說(shuō)，越靠近繞組油溫越高。因此，為了得到變壓器油溫的總體分布情況，需要在油箱壁上，在不干涉其他裝置或組件的前提下，盡可能多開(kāi)設(shè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)出相鄰兩點(diǎn)的壓力差，并通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算公式得出若干個(gè)溫度數(shù)據(jù)，據(jù)此估計(jì)出變壓器油溫的總體分布情況。

5 總結(jié)

針對(duì)現(xiàn)有壓力膨脹式油溫測(cè)量方法不能全面反映變壓器油溫的總體分布情況的弱點(diǎn)，本文基于變壓器油密度受溫度影響這一基本關(guān)系，提出了利用兩點(diǎn)油壓強(qiáng)差來(lái)間接測(cè)油溫的方法，并給出了通過(guò)加設(shè)測(cè)點(diǎn)數(shù)量以進(jìn)一步提高估算變壓器油溫總體分布情況的建議。該方法對(duì)豐富變壓器油溫升測(cè)量手段有一定借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介：陳樹(shù)海（1969-），男，山東沂南人，技師，主要從事變壓器絕緣材料及絕緣件加工生產(chǎn)調(diào)度管理工作。

*為通訊作者