本文描述了該系統(tǒng)的硬件設(shè)置和監(jiān)測(cè)原理，同時(shí)為了提高繞組中溫度分布的精確度而設(shè)計(jì)了一個(gè)熱力學(xué)模型。根據(jù)繞組的熱力學(xué)模型和在線監(jiān)測(cè)的結(jié)果即可決定變壓器在何時(shí)可以過(guò)載且安全運(yùn)行。

　　主題詞：電力變壓器，過(guò)熱點(diǎn)，工況監(jiān)測(cè)，過(guò)載容量

　　I. 介紹

　　電網(wǎng)中變壓器的實(shí)際運(yùn)行工況是影響供電穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。如果我們給變壓器裝上一套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)變壓器的工況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，既能保證變壓器的“健康”工作（即使過(guò)載期間也如此），同時(shí)也能指出變壓器運(yùn)行的老化趨勢(shì)并提供早期的預(yù)警信息，從而及時(shí)對(duì)一些緩慢發(fā)展的事故進(jìn)行修復(fù)以免導(dǎo)致變壓器的損壞。

　　變壓器是電力系統(tǒng)中單臺(tái)價(jià)值最高的設(shè)備。一些附屬設(shè)備的小故障都可能導(dǎo)致整臺(tái)變壓器的損壞。例如若冷卻器的控制單元中的參數(shù)選配不當(dāng)，就有可能導(dǎo)致變壓器的效率降低，或加快油紙絕緣的老化。我們提供的與熱力學(xué)模型及冷卻單元相連的熱分布監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可指導(dǎo)變壓器在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候過(guò)載運(yùn)行，并計(jì)算出最大允許過(guò)載容量，從而明顯地降低實(shí)際運(yùn)行中變壓器過(guò)載運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

　　一臺(tái)變壓器通常由下列幾個(gè)獨(dú)立部件組成，他們是作變壓的繞組、作導(dǎo)磁用的鐵芯。還有一些設(shè)備如套管、調(diào)壓開(kāi)關(guān)、冷卻器等。

　　統(tǒng)計(jì)得出每一個(gè)部件引起變壓器故障的可能性是個(gè)變量。因此監(jiān)測(cè)有價(jià)值和容易出故障的部件是非常有效的。而繞組在變壓器中是最有價(jià)值的部件，因此該系統(tǒng)應(yīng)能測(cè)量出變壓器繞組內(nèi)部的數(shù)據(jù)，以便我們分析和了解繞組內(nèi)部的狀態(tài)，從而延長(zhǎng)變壓器的運(yùn)行壽命，并增加運(yùn)行的可靠性。

　　II. 變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　1997年，我們首先在兩臺(tái)變壓器上安裝了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分考慮了1997年之前的監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)[1]，并在隨后三年多的運(yùn)行中，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不斷地加以改造和完善，使之成為今天的一種全新概念上的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元是以由西門子開(kāi)發(fā)的可編程控制器（SIMATIC）為基礎(chǔ)的。

　　對(duì)冷卻系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)通常是通過(guò)測(cè)量其冷卻器在出入口處油和空氣等介質(zhì)的溫度而完成。通過(guò)對(duì)這些測(cè)量值進(jìn)行估算，就能發(fā)現(xiàn)冷卻器表面或空氣入口處的濾網(wǎng)上是否有污物。同樣的原理也能發(fā)現(xiàn)油泵的風(fēng)扇故障。另外我們還測(cè)量高壓套管上電流、電壓值和調(diào)壓開(kāi)關(guān)分接點(diǎn)的實(shí)際位置。通過(guò)這些參數(shù)我們很容易確定變壓器的實(shí)際負(fù)荷。通過(guò)計(jì)算氣體傳感器的輸出信號(hào)就能確定絕緣材料的工況，同時(shí)所有油泵和風(fēng)扇的工作狀態(tài)也能通過(guò)開(kāi)關(guān)量形成的數(shù)字信號(hào)得到。

　　為了避免計(jì)算機(jī)過(guò)分接近電力變壓器而受到電磁干擾，通常我們把數(shù)據(jù)采集裝置安裝在變壓器的控制箱中，而將計(jì)算機(jī)放入主控室內(nèi)對(duì)所有采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，兩者之間用光纖連接。光纖的長(zhǎng)度可達(dá)幾百米，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集裝置與計(jì)算機(jī)之間電的隔離。用此方式即使變壓器移走也無(wú)需拆卸數(shù)據(jù)采集單元，而計(jì)算機(jī)硬件更換也更加容易，因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)沒(méi)有任何附加設(shè)備。

　　圖1 變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

　　用廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的器件來(lái)組裝該系統(tǒng)比用特殊的變壓器監(jiān)測(cè)用的硬件有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　1.這些元件按工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，在世界各地隨處可見(jiàn)，因此很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)備件很容易獲得。

　　2.自動(dòng)化系統(tǒng)本身在不斷地發(fā)展，隨著元器件功能的改善，將來(lái)可制造更好的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。例如只要增加一個(gè)模塊，原監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能就能得到擴(kuò)展，而且一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)測(cè)多臺(tái)變壓器（像變壓器組）。

　　該系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算分為兩步。若數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中心單元從所采集的數(shù)據(jù)中裝置鑒別出極限值，即一個(gè)采集的數(shù)據(jù)超出定義極限值，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中心單元將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)將報(bào)警信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)則通過(guò)設(shè)定的數(shù)據(jù)通道向更高一級(jí)的計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)。所有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都不斷傳輸給變電站計(jì)算中心作進(jìn)一步計(jì)算，并構(gòu)成一個(gè)時(shí)間與實(shí)測(cè)值的平面坐標(biāo)系統(tǒng)。而坐標(biāo)系統(tǒng)的時(shí)間則以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)入設(shè)定的數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)間為準(zhǔn)。因此對(duì)程序而言，最重要的一點(diǎn)是能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

　　另一個(gè)監(jiān)測(cè)功能則由繞組熱力學(xué)模型構(gòu)成。根據(jù)IEC354標(biāo)準(zhǔn)，該模型決定了繞組中導(dǎo)體溫度的分布。該溫度分布取決于環(huán)境溫度、負(fù)荷情況及進(jìn)入繞組的油溫等。假如我們作一次過(guò)載仿真，對(duì)上述參數(shù)的數(shù)值可以取實(shí)測(cè)值，也可以取虛擬值。將取值輸入熱力學(xué)模型中進(jìn)行計(jì)算，我們就得到象過(guò)熱點(diǎn)溫度和中間導(dǎo)體的溫度等參數(shù)。在存儲(chǔ)如此大量的數(shù)據(jù)時(shí)，有必要不時(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)做一備份，該備份可通過(guò)一個(gè)與維護(hù)系統(tǒng)相連的調(diào)制解調(diào)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。若不用調(diào)制解調(diào)器，將數(shù)據(jù)線直接與變電站控制系統(tǒng)相連也很方便。變電站控制系統(tǒng)得到變壓器實(shí)際工況的信息對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行是大有卑益的。

　　III. 新型熱力學(xué)模型的發(fā)展

　　在估算油紙絕緣材料的老化程度時(shí)，一個(gè)非常重要的基本要求是對(duì)線圈內(nèi)部導(dǎo)體溫度的準(zhǔn)確把握。我們?yōu)橐粡?qiáng)油導(dǎo)向的變壓器繞組設(shè)計(jì)的熱力學(xué)模型在一臺(tái) 110kV300MVA的變壓器上得到驗(yàn)證。為了得到最高的精確度，還要考慮很多的入口參數(shù)。

　　在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中直接測(cè)量導(dǎo)體溫度是很困難、也是很昂貴的。因此有必要用簡(jiǎn)單易行的方法來(lái)確定導(dǎo)體溫度值。即通過(guò)測(cè)量油和空氣溫度，變壓器負(fù)荷和每一個(gè)冷卻器的狀態(tài)等的測(cè)量值來(lái)確定導(dǎo)體溫度。

　　標(biāo)準(zhǔn)的算法（如IEC354[2]）是針對(duì)大范圍內(nèi)不同幾何形狀和不同技術(shù)的變壓器都有效的算法。達(dá)此目的的唯一途徑是將算法最簡(jiǎn)化。而簡(jiǎn)化的算法就不可避免地忽略掉許多重要的因素。例如，沿線繞組軸向?qū)w電阻的增加對(duì)溫度的影響，用一個(gè)系數(shù)來(lái)考慮導(dǎo)體內(nèi)渦流產(chǎn)生的附加損耗，從繞組底部到頂部的線圈溫升與油溫的升高方式一樣，導(dǎo)體和油之間的溫差保持不變等。

　　不同的熱力學(xué)模型指出要想使模型的精確度有所提高，則決定該算法所需的參數(shù)的數(shù)量和計(jì)算所需時(shí)間會(huì)急劇增加。一個(gè)精確的模型通常只對(duì)特定的幾何形狀的繞組和冷卻方式有效，因此首先要定義你想達(dá)到的精度和所能利用的資源。

　　A.固體絕緣系統(tǒng)的熱力線網(wǎng)絡(luò)

　　繞組內(nèi)部的固體絕緣系統(tǒng)可用一個(gè)熱力線網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述。其分析方法與電網(wǎng)的分析方法類似。熱源表示導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的損耗，與電網(wǎng)中的電流源類似。熱阻與電阻類似，在計(jì)算熱阻時(shí)不僅要考慮相鄰導(dǎo)體間熱阻，也要考慮導(dǎo)體對(duì)周圍油流的阻力，同時(shí)還要考慮不同材料對(duì)熱阻的影響。通常情況下這些材料為：