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摘要：变压器温升是影响其寿命的关键因素，而变压器温升最大的是绕组热点温度。本文主要介绍了变压器绕组热点的分布、热点温度的特性以及目前较为成熟的几种变压器绕组热点温度的光纤测量方法，并对几种测量方法进行了对比分析。
关键字：变压器 绕组温度 光纤测温
1变压器温升对其绝缘老化的影响
绝缘老化是影响变压器寿命的主要原因，引起绝缘老化最主要的因素便是温度，在实际的运行中由于变压器的绝缘系统内热量分布不均匀，变压器内部各个点的温度差别很大，其中以绕组的热点温升最为显著。通常，在变压器寿命与温度之间满足6℃法则，即当变压器运行在标定的98℃时，变压器的寿命为设计寿命即正常使用寿命，而当变压器运行在80℃-140℃时，温度每上升6℃，变压器寿命将减少一半。因此，变压器内部的热点温升对其绝缘老化的影响直接关系到变压器的寿命。
2变压器绕组热点的分布及其温度特性
变压器绕组温度的分布与绕组外的流场和绕组内部的热传导密切相关，从最根本上来说，决定变压器温度场分布的是其内部损耗的分布，而其中主要的是涡流损耗。通过现有的涡流损耗计算方法（定涡流系数法、理论计算法以及按线饼分布法）可以得知变压器绕组各点的漏磁密度大小、方向不同，导致涡流损耗也不尽相同，在漏磁通道相近处漏磁密度最高，在外圈绕组的地方漏磁密度基本为零，在轴向的上下两端涡流损耗最为严重。因此，热点一般出现在绕组总高度的80%-90%之间，因为，虽然在绕组上端及下端涡流损耗最大，但油流温度在绕组下端较低，而绕组上端由于出口效应不可能出现热点。
图3.1 荧光寿命与温度关系曲线图
3变压器绕组热点温度的测量方法
在对绕组热点温度的测量中，大量研究表明采用间接法所得的温度值比实际的温度值要低，并且不能实时的反应变压器最热点的温度，因而在目前智能变压器中通常采用直接测量法来准确的反映绕组的实时温度。
直接测量法是将光纤的传感器探头直接埋设在线圈中，传感器将温度信号通过光纤传播出来，从而实现绕组热点温度的测量。目前较为成熟的测量法包括光纤荧光式、光纤半导体式以及光纤光栅式，下面将对这三种方法进行详细的介绍。
3.1光纤荧光式测量法
荧光反射式测量法的原理为当光源照射到荧光物质时，其内部电子获得能量从基态跃迁到激发态，再从激发态返回到基态时放出辐射能而使得荧光物质发光，发光时间取决于激发态的寿命，也称为荧光寿命，而荧光寿命与该荧光物质所接触的温度呈一定关系，可以说荧光寿命的长短由温度的高低来确定，如图3.1所示。
从上图可知，荧光余晖的衰减与温度呈指数衰减趋势，因此，通过测量荧光余晖衰减的时间常数，得到该传感器所处位置的温度值。
3.2光纤半导体式测量法
光纤半导体测量法即利用半导体材料对光谱的吸收受温度的影响来进行测温，目前工程中较多的是采用GaAs材料作为温敏器件，当中心波长的光通过GaAs晶体时，光强呈指数规律衰减，衰减后的强度为：
图3.2光纤光栅测量法原理图
3.4三种光纤测温法的比较
对上述三种绕组热点测温方法从光源性质、价位、安装方式的可靠性以及结构特点等方面进行对比分析，如下表：
由上表可知，当电压等级较高时（≥220kV），半导体式的光纤测温法不再适用；当要求测量点数较多，需精确得知变压器绕组热点位置时，建议采用光纤光栅测温方式，但光栅比其他传感器探头脆弱，该方法对光纤及其安装方式均有较高的要求，且价位高；对于一般情况，建议采用荧光反射式测温法，价位适中，光纤探头强度较高，且技术比较成熟，结构简单，安装方便。
4某110kV变电站工程变压器绕组测温配置实例
变压器为SSZ10-M-31500/110kV YN.yno.d11 110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5kV Ud2-3%=6.5 Ud1-3%=17.5 Ud1-2%=10.5型低损耗、检修周期长的三相三绕组自冷式全密封有载调压变压器。
绕组测温系统配置方案：对变压器各相绕组温度进行实时在线监测和故障报警，变压器每相绕组各配置3个测温点，能通过IEC-61850规约传至本站智能监控一体化平台。
系统包含以下几部分组成：光纤解调仪、传感探针、光纤 、规约转换接口装置。技术要求：1）测温范围：-20~+150℃ 2）测温精度：±0.5℃ 3）探头直径不大于3mm 4）探头寿命不小于25年。
本工程采用荧光反射式光纤测温原理，基于稀土荧光物质来实现。系统安装示意如图4.1所示。
图4.1系统安装示意图
5结语
智能变压器在线监测中，绕组的热点温度监测十分重要，如今光纤测温技术已十分成熟，且测量精度高，实时性好。但仍然存在一些不足之处，例如，光纤测温是将温度传感器直接埋入变压器绕组之中，这就会对变压器的结构产生一定影响。此外，虽然光纤测温法精度高，但并不一定是变压器绕组的最热点温度，由于目前对变压器绕组最热点位置的模拟计算并不能精确的判断最热点位置，该位置与变压器的结构、运行状况以及负载情况密切相关。因此，只有较多的埋入测量点，才有可能找到最热点位置，测得最热点的温度，但是当埋入的传感器越多则对变压器结构的影响越大，目前工程中应用最多的是7~9点测温。本文论述了光纤绕组测温的几种方法以及适用范围，在实际的工程中，可以根据工程的具体情况来进行绕组测温的方式以及点数的选择。
参考文献
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[4]朱恒宣.油浸式变压器绕组热点预测及光纤测温 硕士论文 河北工业大学
论文作者:石玉华
论文发表刊物:《电力设备》2016年第10期
论文发表时间:2016/7/24
标签：绕组论文; 测温论文; 变压器论文; 热点论文; 光纤论文; 温度论文; 荧光论文; 《电力设备》2016年第10期论文;