1 概述
大型变压器在运行时, 绕组温度分布是不均匀的。通过传统的热模拟法测量的技术，运行绕组的温升过程与模拟不尽相同, 误差较大, 法国电网已停用该测温装置[ 3 ]。在顶层油温处于正常水平的情况下，绕组的热点温度可能已发生局部过热。绕组过热一方面会造成该处油的分解, 另一方面还会造成该处局部绝缘累积性的老化(多次重复过热) , 最终将导致绝缘击穿而损坏变压器。变压器绝缘运行寿命一般认为应遵循六度法则:年平均温度为98 ℃时具有正常寿命,当超过或达不到98℃时,每上升或降低6℃,则变压器寿命降低一半或延长一倍。因此绕组热点温度是变压器负载的最主要限定因素, 应尽力准确测出[ 1 ]。
2 热点温度直接测量新技术的应用
在变压器热点温度直接测量技术上，主要是围绕光纤传感技术来进行的。光纤为SiO2材料，具有非常优异的绝缘特性，敏感组件测量和信号的传输均由光来完成，没有电信号的引入，因此理论上就为光纤传感技术在变压器热点温度监测上成为可能。
目前使用光纤传感技术测量变压器热点温度主要有三种测量技术：荧光式测量，半导体式测量和光纤光栅测量。
2.1 荧光式测温
荧光式测温方法是在光纤末端加入荧光物质，经过一定波长的光激励后，荧光物质受激辐射出荧光能量。由于受激辐射能量按指数方式衰减，衰减时间常数根据温度的不同而不同，通过测量衰减时间，从而得出测量点的温度。
由于衰减时间常数的计算是通过荧光物质受激辐射后的光强测量而换算得到的，而光强受光纤弯曲所产生的光损耗、光纤接头处的插入损耗以及外接光缆的光损耗等因素影响，从而导致衰减时间常数计算误差。
2.2 半导体测温
半导体测温原理是在光纤末端加入砷化钾晶体，当光源发出多重波长的光照射到砷化钾晶体时，该晶体处于不同的温度会吸收部分波长的光，同时将剩余不能吸收的波长的光反射回去。通过检测反射光的频谱，从而换算出测量点的温度。
半导体测温由于测量的是光的频谱，不是光强，因此测量不受光功率影响，但是在实际操作过程中，光路的变化(如光缆的重新布置, 传感器的重新焊接)还会严重影响测温的准确性，还须重新定标，确保温度测量的准确性。【4】
同荧光式测温技术一样，温度敏感组件都是处于光纤的末端，单根光纤只能接一个传感器。
2.3 光纤光栅测温
光纤光栅是在光纤上制作的、只反射特定波长的光传感组件。该器件反射的波长与温度具有优异的线性关系，光纤光栅反射波长和温度线性拟合的决定系数可达99.99%，通过测量光纤光栅反射回的光的波长，即可换算出测量点的温度。在单根光纤上的不同位置可以刻写不同波长的光纤光栅传感器，每个传感以光纤光栅刻写时的光反射波长为其编码，通过波分复用技术，从而在单根光纤上实现最多可达20个光纤光栅传感器的串联。
2.4 三种光纤测温技术的比较
表1 三种光纤测温技术的比较
3 光纤光栅测温系统在110kV变压器中的应用
3.1 测量方案
传感器埋设前，可用计算机对绕组热点温度的分布情况先作分析计算，确定最热点所在的大致位置。测量方案如下图所示，高压绕组第三、四饼间油道紧邻位置放置两个光纤光栅温度传感器，低压绕组第三、四饼间油道紧邻位置放置两个光纤光栅温度传感器。这样设置传感器的理由一方面可以评估绕组的热点温度；另一方面可以比较在绕组的紧邻位置，两个传感器测量的温度是否有较好的一致性。
图1 测量方案示意图
3.2 光纤光栅传感器的安装
A 在垫块上切割一个凹槽，凹槽直径要保证可以放入光纤传感器
3.3 安全性评估
3.3.1 光纤光栅传感器与变压器油的兼容性评估
进入变压器内部的光纤光栅传感器及相关材料分别经过两个阶段的试验评估。第一阶段试验是按照GB/T 16927.1-19 《高电压试验技术 第一部分 一般试验要求》，在105℃的油温中放置了168小时，试验前后油样的油化验结果合格，且光纤光栅传感器及相关材料均无开裂现象。第二阶段试验是将上述材料放入变压器油中2年，试验结果证明材料和变压器油兼容性满足要求。
3.3.2 光纤光栅传感器的耐击穿和爬电性能评估
光纤光栅传感器的耐击穿和爬电性能评估分别经历两个阶段的试验评估。第一阶段试验是按照GB/T 16927.1-19 《高电压试验技术 第一部分 一般试验要求》，光纤光栅传感器在变压器油中的耐压值不低于3kV/mm。第二阶段试验中光纤光栅传感器在空气中经受了1575kV雷电冲击、1525kV操作冲击、400kV工频耐压和DC 1020kV，5min的直流耐受试验，并顺利通过了上述测试。
3.3.3 测试结果评估
用来进行测试的主变为广东电力设备厂生产的SZ11-63000/110变压器，冷却方式为ONAN带风扇（自冷容量为100%带6把风扇）。绕组热点温度的测量分两次进行，第一次在温升试验时进行，按常规程序试验。在常规温升试验后第二天，进行了长时1.3倍过负载（开风扇）和30分钟1.5倍过负载（不开风扇）试验，检验一下过负载时绕组热点温度是否在允许范围内。试验在早晨9:00开始，到17:40结束，在每个时间段内，负载电流保持恒定，负载电流变化顺序如下所示，整个试验过程定时记录测量结果。
0-390 变压器加载130%额定负载
390-420变压器零负载
420-480变压器加载80%额定负载
480-520变压器加载150%额定负载
表2 常规温升试验绕组热点温升
表2为常规温升试验时（100%负载）绕组热点温升结果。从表中数据可以看出，绕组平均温升较低的低压绕组热点温升比绕组平均温升较高的高压绕组的热点温升还要高，说明绕组热点温升受局部散热条件好坏影响很大，空间磁场的分布不均是否也有关系，尚待进一步的试验验证。图2是负载变化时热点温度的变化情况与按IEC 60076-7所述的计算方法确定的热点温度值的变化曲线。
计算所需的变压器的特征参数为：
θa =15.7℃ Δθor = 36℃ R = 100 （试验采用短路法） H = 1.3 gr = 17.8℃ τw = 10
τ0 = 210
图2 绕组热点温度与负载电流的关系
从图2可以看出，每一次负载电流的变化，光纤测温系统都能对绕组热点温度做出响应，灵敏度非常高。测量值的曲线与按IEC 60076-7所述的计算方法计算的热点温度值曲线趋势基本一致，但绝对值与测量结果仍有一定差值。
4 结论
从实验结果来看，运用光纤光栅在变压器带电的情况下对绕组热点温度进行测量是完全可行的，且光纤光栅传感器具有很好的绝缘性能，耐油性能也已经过了2年的验证，不会对变压器油造成任何污染，与变压器油的兼容性良好，且运行时不受外界环境干扰，对温度的测量也有足够的准确度。
利用光纤传感器监测绕组的热点温度，可以根据最热点温度调整主变负荷，对评估变压器的过负荷能力也具有非常大的作用，即使在过负载状态下也能保障安全运行，达到经济运行的目的。此外，利用光纤光栅进行测温，单根光纤最多可以安装20个传感器，并可以串、并联使用，一台解调仪可以同时监测几百个测量点，这样就可以近似地得到绕组的温度分布梯度。且测温范围高达300℃，灵敏度高，一旦变压器内部出现过热现象便能马上反应出来，可以达到避免设备故障扩大或提前报警的作用。
参考文献：
【1】IEC. Loading guide for oil - immersed power transformer[S ], revision of publication 60076-7. 2005
【2】陆万烈, 夏业勤1 变压器绕组温度测量的“热模拟”误差[J ]1 变压器, 1999, 36 (10) : 15～ 17
【3】陈淑谨, 王世阁, 刘富家1 变压器绕组热点在线监测装置的研制与应用[J ]1 变压器, 2000, 37 (8) : 41～ 44
【4】牟长江，用光纤技术直接测量变压器绕组热点温度【J】1 变压器，1995,11
论文作者:吴炳荣
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/18
标签：绕组论文; 光纤论文; 热点论文; 测温论文; 变压器论文; 光栅论文; 温度论文; 《电力设备》2018年第18期论文;