变压器绕组热点温度监测技术的研究

贾丹平， 赵 璐， 皇甫丽影

(沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870)

1 引 言

近年来，电力行业迅猛发展。在电力系统中，电力变压器是电能的传输和分配中最主要的设备之一，它对电能传输的经济性、分配的灵活性以及使用的安全性等方面具有很大的影响[1]。因此，变压器的可靠与安全运行对电力系统具有重要意义。为了有效地避免由于温度过高或者过热而引起变压器损坏，实时监测变压器的热点温度也变得越来越有必要[2]。

目前，国内外计算变压器热点温度的方法总体来说主要有2种，即间接计算法和直接测量法。间接计算法一般有3种：经验公式法、热电类比法以及数值计算法[3]。直接测量法的方法主要有红外测温、热电偶测温、热电阻测温和光纤测温法。由于光纤传感器具有体积小、质量轻、抗高压、抗电磁干扰以及可靠性好等优点，在电力系统中的应用逐渐增多，适合用于变压器内复杂的工作环境，可用于测量绕组的热点温度[4]。

2 光纤光栅的测温原理

光纤光栅是一种光纤纤芯内介质折射率呈周期性变化的无源器件，反射光及透射光的波长与光栅折射率调制周期及纤芯折射率有关[5]。温度、应变等物理量的变化会改变光栅的栅距以及折射率，进而影响反射光或透射光的波长值[6]。

入射光进入到光纤光栅时，FBG相当于一个窄带滤波器，即将匹配于FBG相位的光反射回来，将不匹配的光透射过去。FBG测温原理如图1所示。

根据耦合模理论，FBG反射光的中心波长λB满足布拉格光栅条件：

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff为光栅的有效折射率；Λ为光栅周期。中心波长λB由Λ和neff共同决定[7]。

本文是监测绕组热点的温度，将式(1)微分然后展开，获得由于温度变化引起的的中心波长的变化：

(2)

式中：ΔλB为FBG中心波长的变化量；Δt为温度变化量；Δneff和ΔΛ分别为光栅折射率变化和周期变化。

温度灵敏度系数设为St，则：

(3)

所以：

ΔλB=St×Δt

(4)

由式(4)可知，ΔλB与Δt之间存在稳定的线性关系，在监测变压器绕组热点温度时，可以通过中心波长的变化量获得绕组热点温度的值。

3 变压器电磁-流体-温度场的仿真分析

变压器在工作时，其内部的铁芯、绕组产生损耗会变成热量，使温度升高[8]。变压器油随温度的升高密度下降，热油上升将热量传导到变压器的油箱，油箱再将热量传到外界环境中，使温度降低；油温降低后变压器油密度增大，冷油下沉，重新回到变压器底部，完成变压器内的油循环，实现产热和散热的平衡。

3.1 建立仿真模型

本文以20 MVA、110 kV的在自然油冷却循环散热状态下的油浸式变压器为例进行仿真计算，分析其内部温度分布，获得绕组热点的具体信息。表1为该电力变压器的主要参数。

表1 变压器主要结构参数Tab.1 Main parameters of transformer

建立的变压器模型如图2所示，主要由铁芯、绕组、变压器油以及油箱组成。

图2 变压器结构模型Fig.2 Transformer structure model

3.2 变压器电磁场的分析

变压器工作时，变压器的铁芯和绕组由于电流的作用会产生损耗，这些损耗以热量的形式释放出来使变压器内部产生温升[9]。为了准确地计算出变压器内部铁芯以及绕组的损耗，本文使用Maxwell模块对上述介绍的110 kV油浸式变压器进行电磁场的仿真分析。仿真过程中，在变压器的绕组中添加额定的电流，同一相上的电流的相位一致，不同相上的电流的相位相差2π/3。

3.2.1 铁芯损耗分析

从图3中可以看出，铁芯芯柱的损耗大于铁轭上的损耗，且中心芯柱上的损耗较大。损耗最小的位置出现在上下铁轭的两端处。

图3 铁芯损耗分布云图Fig.3 Core loss cloud graph

3.2.2 绕组损耗分析

绕组的损耗主要是由电阻损耗与涡流损耗产生，其中电阻损耗与电流的平方成正比[10]。一旦绕组中通过负载电流，就会产生漏磁通，形成涡流损耗[11]。从图4中可知，绕组两端的磁感应强度较大。

图4 绕组磁感应强度分布云图Fig.4 Winding magnetic induction intensity distribution

3.3 变压器三维流体-温度场计算

进行流体-温度场的仿真分析，使用的是Fluent模块。在变压器内部温度传导过程中，油箱壁与空气之间的传热属于对流传热[11]。通过厂家给定的参数设置变压器油箱表面的散热系数：油箱顶部为10 W/(m2·K)，油箱侧面为15.1 W/(m2·K)，油箱底部为8.2 W/(m2·K)，油箱前后面为 28 W/(m2·K)。将Maxwell仿真计算得出的铁芯及绕组的损耗加载到Fluent中作为热源。设置外界环境温度与变压器初始温度均为20 ℃。

变压器流体场计算同样需要设置初始条件，将变压器油的初始速度设置为0 m/s。变压器油的循环受重力加速度和油属性的影响，设置整体重力加速度为9.81 m/s2，方向为Y轴负方向[12]。

3.3.1Z=0截面变压器油流速分布

从图5中可以看出，变压器上部油的流速大于底部变压器油的流速，随着温度的升高，变压器油的密度变小，动力粘度系数减小，热油上升；与外界的热交换后，温度下降，密度增大，变压器油在重力的作用下流回变压器的底部；流到变压器底部的油经过热源并与之进行热交换，重新向上流向油道，从而循环散热，使变压器内部温度保持稳定[13]。

二是严格湘江流域管理。《湖南省湘江保护条例》作为我国第一部江河流域保护的综合性地方法规，4月1日已正式实施，成立了由省长担任主任的湘江保护协调委员会，其办公室设在水利厅，并把湘江保护与治理作为省政府“一号重点工程”，制定《〈湘江保护条例〉实施方案》，推进湘江保护与治理。

图5 Z=0截面变压器油流速图Fig.5 Z=0 section transformer oil flow rate diagram

3.3.2 变压器内部温度分布

计算得出的铁芯以及绕组的温度分布如图6～图9所示。铁芯的最高温度出现在铁芯上端的铁轭处，3个芯柱的温度由下至上逐渐升高，且铁芯的温度分布大致沿着中心芯柱对称。变压器热点温度出现在中间相的中压绕组上，热点温度为83.16 ℃，绕组的温度基本上沿Y轴对称分布，中间相的绕组温度比旁边两相的绕组温度稍高一些，这是由于位于中间的绕组的散热条件要比另外两相绕组的散热条件差一些。

图6 铁芯温度分布云图Fig.6 Iron core temperature distribution

图7 低压绕组温度分布Fig.7 Low-voltage winding temperature distribution diagram

图8 中压绕组温度分布图Fig.8 Temperature distribution diagram of medium voltage winding

图9 高压绕组温度分布图Fig.9 High voltage winding temperature distribution diagram

为了更加直观地显示绕组上的温度，研究其轴向的温度分布情况，以中间相绕组为例，提取中间相的低、中、高压绕组的温度数据，绘制温度曲线如图10所示。

图10 绕组轴向温度曲线图Fig.10 Axial temperature curve of winding

绕组的轴向温度随着绕组轴向高度的增加而增加，然后在绕组高度的85%左右逐渐平缓下来。变压器油循环流动，热油上升，冷油下沉，将热量带到了变压器的上方，所以变压器绕组的温度随着绕组轴向高度的增加而增加。变压器上方的变压器油的温度越高，变压器油的动力粘度就越小，变压器的油的流速也就越大，所以变压器上方的散热较好，绕组顶部的温度逐渐平缓。

4 系统测温方案的设计

本系统的实验平台主要由3部分组成(见图11)：光学测温模块、解调系统和上位机显示单元。其中，光学测温模块由宽带光源、光环形器和FBG组成，此部分的作用主要是对FBG提供光源，同时将符合Bragg波长的光信号反射到解调系统中；解调系统主要包括FBGA解调模块，此模块将所反射进来的光信号转化为电信号，同时将信息传输到计算机中。上位机显示模块与硬件系统间完成通信，将测量值实时采集并显示到上位机界面中。

图11 系统总体框图Fig.11 Overall design drawing

4.1 FBGA解调模块

FBGA解调模块是由BaySpec公司设计的测量光谱的器件。FBGA解调模块的可靠性高，能耗低且该模块可以检测的波谱范围宽，波长的分辨率高，主要功能是实现光-电信号转换以及对转换之后的电信号进行处理，可以有效地使用在光纤光栅的测温系统中[14]。

4.2 上位机显示模块

上位机显示模块通过使用Labview程序调用动态链接库DLL函数，实现了对光谱数据以及波长信息的采集、处理以及显示[15]。根据波长与温度的拟定公式，在前面板上实现温度的显示功能，同时，建立了波长-功率波形图，能更直观地显示数据信息，还设计了阈值温度，当监测温度超过阈值温度时警示灯会变亮用以实现报警功能。

5 整机实验以及数据分析

根据设计好的光纤布拉格光栅测温系统，正确地连接各个光学器件和解调模块并且与计算机实现通信。整个平台的实物图如图12所示。

图12 光纤光栅测温系统实物图Fig.12 Physical image of fiber grating temperature measurement system

5.1 标定实验

搭建好整个测温系统后，开始对FBG进行标定实验，首先将FBG放入可以调节的恒温装置中，本次实验的测温范围设置在20～100 ℃。每次将温度升高10 ℃，并记录相对应的中心波长的值，然后使用最小二乘法计算出温度与波长的关系。因此，可以通过获取中心波长值间接地得到对应时刻的外界温度。温度与对应的中心波长值的测量数据如表2所示。

表2 标定实验数据表Tab.2 Calibration experiment data sheet

通过Matlab中的cftool工具将上述数据使用最小二乘法进行拟合，得到二者表达式为：

λ=0.009 7t+1 550

(5)

式中：λ为该传感器的中心波长；t为温度值。

R2代表相关指数，本实验中R2=0.998 9，表明该FBG的中心波长与温度间有良好的线性，将式(5)带入到Labview程序中，就能将温度值显示出来。

5.2 误差分析

为了验证该测温系统在实际测量中的准确性，进行测温实验并进行误差分析。将本实验所选择的的光纤光栅传感器放置在通过电炉不断缓慢加热的装置上，用来模拟绕组温升，并使用红外热成像仪测量其温度并进行对比[16]。

从20 ℃开始，测温仪上测量到的温度每升高15 ℃，记录一次搭建好的测温平台上位机前面板界面中显示的监测到的温度值。表3显示了测量结果和获得的误差。

表3 测温结果及误差

绘制出误差曲线图，结果如图13所示。

图13 误差曲线图Fig.13 Error curve

通过图13可以看出，光栅光纤测温平台的测量结果与实际温度值的误差值均低于0.5 ℃。证明测温平台的测量结果准确，该系统对光纤光栅传感器的标定结果准确可行。

6 结 论

本文基于光纤布拉格光栅的测温原理设计了变压器绕组热点温度监测平台。

(1) 首先对20 MVA、110 kV的变压器的电磁-流体-温度场进行了仿真，当环境温度为20 ℃时，绕组热点温度为83.16 ℃，出现在中间相的中压绕组上，位于绕组高度的85%左右，为合理放置光纤光栅传感器提供理论依据。

(2) 搭建实验平台，使用Labview设计变压器绕组热点温度监测系统的上位机界面，将FBG的反射光谱、中心波长值及其测得的温度值实时显示出来。

(3) 进行标定实验与误差分析实验。对标定实验获得的数据进行拟合，得到波长-温度的关系式，证明温度与波长之间有良好的线性关系。经过误差分析实验得到测量值与真实值之间的误差低于0.5 ℃，证明该系统可行。