带光纤温控器的变压器温升试验及分析

　　1 引言

　　温升试验是保证变压器使用寿命和安全运行的重要试验。温升试验的目的是验证变压器在额定工作条件下， 主体总损耗所产生的热量与散热装置达到热平衡的温度是否符合有关的标准及技术协议的要求，并验证产品结构的合理性，发现油箱（或外壳）和结构件上的局部过热的程度。

　　变压器绕组最热点温度是变压器的安全、经济运行和使用寿命的决定因素, 因为绕组最热点绝缘因过热而导致的老化可能发展成为整个变压器的损坏。因此GB1094.2-1996《电力变压器第2 部分温升》和IEC354《油浸式电力变压器负载导则》在以往相关标准的基础上增加了绕组热点温升的计算。但是任何的理论计算都需要试验的检验， 可靠的检验是在试验中实际测量热点的温升。

　　浙江电力变压器有限公司在变压器温升试验中采用光纤温控器实测热点温升。该试验在国家变压器质量监督监测中心的指导下进行， 试验流程和结果完全符合国家相关标准。

　　2 光纤测温原理

　　确定绕组热点温度的方法可分为直接测量法、热模拟测量法和间接计算法三种。直接测量法是在绕组中埋设传感器，由光纤传播信号在高电压、高磁场条件下实现在线、实时地准确测量绕组的热点温度，是未来变压器温升试验热点测量的首选方法。

　　以美国Lumasense 公司的ThermAsset2 为例，该变压器绕组热点光纤温控器是通过测量磷光体单独的固有参数（衰减时间）而确定的，不会因为光纤的物理变化而改变， 所以该系统是一个无需校验的系统。磷光物质传感器直接附于光纤探头末端。该探头采用经过验证与油浸高压电力变压器长期兼容，且具有优良电气性能的材料制成。20 世纪80 年代起，该技术就已经运用于电力变压器（多年来，广泛被世界各地大变压器厂商作为工业标准所接受）。在温升试验期间仅需安装光纤探头（使用工厂现有的工具），由光纤探头测量的数据即可知道绕组最热点的实际温度而且操作简单。该系统具有4～8 个有独立输出和显示的测量通道， 采用的温度传感器由一种稳定的耐高温的荧光材料制成, 直接置于光导纤维一端。其原理是当LED 光源发出的光脉冲通过光纤送到与绕组接触的温度传感器时, 该脉冲激励传感器的荧光材料,使其产生波长较长的荧光,根据返回荧光的衰减时间测出该传感器的温度, 然后通过处理,显示出温度值和有关系统参数,并同时将温度信息传输到控制室。该系统可在变压器处于峰值负载和紧急超铭牌容量运行时提供精确的绕组温度, 并可使变压器根据测出的绕组实际温度及时调整负载。

　　3 试验方法与过程

　　GB1094.2-1996 规定， 短路法为油浸式电力变压器温升试验的标准方法。

　　3.1 绕组热点温度和位置的预报

　　试验前根据绕组的相关参数，包括绕制方法、导线类别及参数、绕组尺寸及油道尺寸等，运用专门的计算软件确定热点的位置和温度值。本文中采用变压器温度场计算软件， 该软件能对饼式绕组和筒式绕组的温度场进行计算分析。软件的计算结果已在各种型号的变压器上得到实际的检验， 具有较高的精度。

　　3.2 光纤温控器的安装

　　3.2.1 传感器的安装

　　（1）在饼式绕组中的安装。把光纤测温探头插入相邻线饼间的垫块中， 探头在垫块中的安装以及绝缘处理如图1 和图2 所示。垫块处理好后把垫块放入探头部位即可，如图3 所示。

　　（2）在筒式绕组中的安装。在筒式绕组中由于没有水平撑条，因此，为了不破坏绕组绝缘结构，将探头安装在垂直撑条上。安装时在垂直撑条上开槽，开槽高度为事先计算好的热点高度。在撑条对应的位置开槽，探头应能与绕组接触，如图4 所示。

　　3.2.2 引线探头的安装（选择）

　　根据GB1094.3-2003 套管温升测量属监测性测量，只需防止过热即可，试验中可采用红外测温。但为了实现温度自动报警以及得到套管连续的温度数据，本次试验采用光纤测温。在引线上的光纤探头安装如图5 所示。

　　3.2.3 安装油箱壁结合板

　　油箱壁有四个锥螺纹用于安装贯通器。在油箱上开孔后， 可将结合板焊接在油箱壁或用螺丝安装在油箱壁上。

　　3.2.4 装贯通器和内外光纤

　　贯通器用于内外光纤的光学连接， 内外光纤采用ST 连接器进行插拔式连接。将带有锁紧螺帽的内部光纤的SMA 型接头与贯通器连接好，如图6 所示。外部光纤一端接到贯通器，另一端接到光纤测温系统本体，如图7 所示。

　　3.3 试验过程

　　短路法温升试验按国家标准规定的两个阶段进行。

　　3.3.1 施加总损耗阶段

　　温升稳定条件按GB1094. 2-1996 规定。此处应该注意的是不能以热点的温升作为稳定的标准，因为顶层油温升的稳定滞后于热点一段时间。当热点温升稳定时顶层油温升可能还没有达到稳定。

　　3.3.2 施加额定电流阶段

　　该阶段的绕组电阻的测量按照国家标准要求的方法测出热电阻即可得出绕组的平均温度， 加入光纤温控器以后，该仪器能自动记录热点的温度（间隔时间用户自定），根据该数据就可以找到断电时刻的热点温度。

　　3.4 温度的测量

　　（1）环境温度的测量。环境温度的测量参照国家标准的试验规范测量。

　　（2）散热器进出口温度的测量。分别在散热器的进出口设置2～3 个温度传感器，记录其读数的平均值。每隔一段时间，记录一次散热器油进出口温度。

　　（3）顶层油温升的测量。油顶层温度是用多个插入油箱顶部和插入散热器的连管内的温度计进行测量。

　　（4）绕组热点温升的测量。用光纤温控装置实时自动测量热点的温升， 通过电脑终端保存大量的温度数据。

　　（5）油箱外部的局部温度测量。在变压器温升试验中需要注意测量油箱壁和套管连接处有无局部过热，通常采用红外测温仪检测。

　　4 工程实例

　　4.1 试验结果

　　带光纤温控器的温升试验结果符合国家标准，得到的数据， 特别是热点温度值和位置对于变压器的安全可靠运行具有指导价值。表1 为某台主变的试验结果和计算结果的比较。

　　4.2 结果分析

　　由光纤探头的安装方法可知， 探头的位置都在绕组绝缘的外部， 探头所测的温度均为贴近导线的绝缘层的温度。根据传热学的导热机理，铜线表面和绝缘纸外表面之间有一个温度梯度。因而测量温度与热点的真实有一个差值，测量值需要修正。根据导热傅立叶定律：

　　根据式（3）经过修正，光纤所测热点温度值也示于表1 中。

　　相对误差：

　　将数据代入式（4），试验结果用修正后的值，相对误差的计算结果如表2 所示。

　　从表2 可以看出， 高压绕组的相对误差很小，这是由于探头和铜导线之间只隔着导线绝缘层和绝缘垫片。而低压绕组的相对误差偏大，这是由于低压绕组的探头安装在撑条中，与热点不仅隔着绝缘层而且离热点有一定距离，所以相对误差偏大。

　　5 结束语

　　（1） 浙江电力变压器有限公司在50MVA 变压器上进行的带光纤温控器的温升试验，试验过程和结果符合国家相关标准。

　　（2）在温升试验时使用光纤探头测量绕组最热点温度是可行的，所获得的经验对今后变压器现场运行时采用光纤测温探头进

　　行在线监测绕组热点温度具有参考价值。

　　（3）平均温升及热点温度的试验结果和预报结果吻合良好， 验证了本试验预报热点的温度场计算软件的可靠性； 同时也间接证明了本次试验确定的热点位置的误差是在合理的允许范围之内。