变压器绕组温度计异常的原因及改进建议

1、变压器绕组温度计异常的原因及改进建议俞立凡 , 李慧蓉(杭州华电半山发电有限公司 , 浙江 杭州 310015摘要 :介绍了 9F 燃机发电机主变压器的绕组温度计异常现象的分析和处理及绕组温度测量的热模拟法和改进建 议 。关键词 :变压器 ; 绕组温度计 ; 热模拟法 ; 处理 ; 改进中图分类号 :TM403.9文献标识码 :B 文章编号 :1001-8425(2007 11-0051-07 Abnormal Reason and Improvement Proposal of Winding Thermometer in TransformerYU Li-fan, LI Hui-rong(

2、Hangzhou Huadian Banshan Power Generation Co., Ltd., Hangzhou 310015, China Abstract :The analysis and treatment of abnormal phenomena of winding thermometer in main transformer of 9F gas -engine generator are introduced. The thermal simulation method for winding temperature measurement and its impr

3、ovement proposal are present-ed.Key words :Transformer ; Winding temperature ; Thermal simulation method ; Treatment ; Improvement1引言变压器的使用寿命取决于其绝缘材料的老化 程度 , 而绕组温度 (尤其是其最热部分的温度 对绝 缘材料的老化起决定作用。所以 , 大、 中型变压器都 配备了绕组温度监测装置。监测装置必须可靠 , 因为当变压器超出允许温 度或监测装置不准确时 , 会给变压器的运行带来一 定程度的影响。我公司的 3台 9F 燃机主变中的 2台在运行了 1

4、年多以后 , 绕组温度计都出现了相同 的异常现象。笔者以 2号主变为例 , 对绕组温度计 的异常情况进行了分析 , 并提出改进建议 , 供大家 讨论。2异常经过4月 26日 23 02突然发现 2号主变绕组温度 从 69 开始上升。检查电气控制系统 (ECS 的显示 器 (CRT 监控 :主变油温正常 62 , 主变三相电流 平衡 (高压侧 , 均为 810A 左右 , 且小于额定值 (I e = , 何操作。现场就地检查 :绕组温度计显示 90 , 与 ECS 显示一致 , 油位表显示 90%, 2只油面温度表显示 62 , 红外线测温 :变压器顶部外壳温度在 57 58 , GE 公司的变

5、压器故障气 体 在 线 监 视 仪 显 示 90L A L (为 正 常 值 , 冷 却 器 工 作 正 常 (4组 工 作 , 1组备用 , 1组辅助 , 无报警 。23 06随即将备用、 辅助的 2组风扇投入运行 ; 机组减负载到 250MW 、 26MVA , 主变一次侧电流降 为 626A 。23 10温度在最高 93 后开始稳定。0 45变压器上层油温降到 57 , 绕组温度稳定 在 89 。将刚投运的 2组风扇停用 , 恢复原运行方 式 , 但温度变化均不大。3 22至 4:00绕 组 温 度 开 始 从 89 逐 渐 降 至 61 (负载 280MW 未变 。4 05试加负载到

6、300MW 后 , 绕组温度也升至 88 , 再减负载到 280MW , 绕组温度稳定在 88 , 上 层油温基本不变。第 44卷 第 11期2007年 11月 TRANSFORMERVol.44 November No.11 2007 第44卷7 29绕组温度又突然从 59 上升至 85 。 详细温度异常变化见图 1。3原因分析及处理3.1变压器绕组温度计的热模拟测量法原理 变压器绕组的发热是由变压器的负载损耗产生的。由负载损耗 P=I 2r 公式可知 , 绕组的发热是和 变压器电流的平方成正比的。由于变压器绕组是浸 在绝缘油中的 , 因此 , 绕组温度计是在一个油温计 的基础上 , 配备一

7、台电流匹配器和一个电热元件 , 其原理见图 2, 外观见图 3。温度计的传感器即温包 插在变压器油箱顶层的油孔内。当变压器负载为零 时 , 绕组不发热 , 故温度计读数为变压器油的温度 ; 当变压器带上负载后 , 通过电流互感器输出的与负 载成正比的电流 , 经电流匹配器调整后流经嵌装在 波纹管内的电热元件 , 使电热元件发热。电热元件 所产生的热量 , 使弹性元件的位移量增大。由于弹 性元件的位移量是由变压器顶层油温和变压器负 载电流决定的 , 因此在设计绕组温度计时 , 考虑了 流经电热元件的电流 (匹配器的二次电流 所产生 的温度指示增量 , 它近似于变压器被测绕组对油的温升。 这样 ,

8、 绕组温度计指示的温度是变压器顶层油 温与绕组对油的温升之和 , 它反映了被测变压器绕 组的最热部分温度。温度计座即油孔呈筒形焊接在变压器油箱顶 部 , 与变压器油系统是隔离的 , 但导热。使用时先在 温度计座内注满感温油再插入温包 , 然后取出温包 , 抽吸小量感温油后 (确保温包全杆长的 95%能浸在 油中即可 , 再放回温包并将螺纹固定。目的是使温 度计座内的感温油有膨胀空间 , 并保证温度计座的 热传导良好 , 确保测温准确。另外 , 电流匹配器是一种电流变换装置 , 它的作 用是为绕组温度计提供电源。其电气原理是由电流 互感器输入的电流 , 经电流匹配器变换后 , 向绕组温 度计内部

9、的电热元件提供一个可调电流 , 从而达到 模拟变压器绕组最热部分温度的目的。电流匹配器 可进行粗调 (调整线端 K , 即变化 和微调 (调整电位 器 W , 即与电热元件的分流比 。在整套的测量设备 中 , 电热元件是该设备的核心元件 , 因为它的发热特 性能否真实地反映变压器绕组的发热特性将直接影 响测量结果。实物内部照片见图 4。 3.2变压器非电量保护的配置机 机 压 压图 1变压器绕组温度 -负载曲线上层油温绕组温度一次侧电流0 002 004 006 008 00 tFig.1Temperature and load curves of trans-former winding电流

10、互感器 CT电流匹配器温度计座变压器本体电位器 W电阻电热元件I p感温包A 1B温控接点压力式温度计Pt100图 2热模拟法原理图I hI S 020406080100120140图 3外观Fig.3Outlin图 4绕组温度计实物内部照片Fig.4Inner photo of winding thermometer俞立凡、 李慧蓉 :变压器绕组温度计异常的原因及改进建议第 11期242kV %19kV ; 额定容量 480000kVA 。它的非电量保护如表 1所示。表 1中内容的说明如下。(1 因进口气体继电器目前我省内尚无法检测 整定 , 所以气体继电器保护定值依主变出厂技术文 件设定。

11、(2 绕组温度计采用“ 热模拟法” 原理 , 电流取 至变压器低压侧绕组 M1-M2, 变比为 20000%5, 所 以二次额定电流为 I e =14586%4000=3.6465A , 需通 过电流变送器降流 :跨线 1接 7号 8号、跨线 2接 11号 14号 , 根据厂家资料 , 在额定电流下低压绕组平均铜油温差 T=9.3K 。(3 全停 3表示 :跳燃机、 灭磁、 跳发电机开关、 跳主变 220kV 开关、 跳 6kV 1A 和 1B 段工作电源开 关、 切换厂用电 A 和 B 。(4 主变正常工作时分接头在 4挡位置 , 分接 电压为 236kV , 分接电流 1174A 。每台主

12、变上有 1台绕组温度计和 2台油面温度计 , 这三台温度计不但有压力式温度计 , 还带反映温 度的 Pt100输出的电阻信号和 4mA 20mA 变送器输 出 , 供 ECS 采集和 CRT 显示等。其 Pt100的传输引 线使用三线制 (三线制的优点是可以减少因连接导 线电阻值的改变而引起的测量误差 , 利用不平衡电 桥检测因温度变化而导致输出电压的变化 。3.3综合分析(1 由于 2台油面温度计指示相近 , 均在 62左右 , 现场红外线测温 , 变压器顶部外壳指示 58 , (2 绕 组 温 度 计 是 根 据 热 模 拟 原 理 制 成 , 计 算 公 式 为 (公 式 中 1.3为

13、变 压 器 绕 组 的 热 点 系数 :绕组最高温度 =变压器顶层油温 +1.3×绕 组的平均铜油温差(3 由变压器厂家资料显示 :在额定电流 下的低压绕组平均铜油温差为 T=9.3K 。(4 现在变压器一次侧的工作电流为810A , 远小于额定电流 I le (1174A 。 虽然绕组温度计用的是二次侧的电流 , 但此变压器是 双绕组变压器 , 一次侧电流与二次侧电流成 正比。(5 变压器故障气体在线监视仪显示90L %L (正常值 。根据上述几点可以判断 , 变压器工作是 正常的 , 绕组温度异常是由于绕组温度计故 障造成的。 而且从图 1可知 , 故障时好时坏极 不稳定。故障最

14、大的可能是在电流匹配器部 分 , 特别是微调电位器 W 处接触不良 , 出现 的现象与图 1符合。假设绕组温度计反映的是真实的温度 (按当时90 计算 , 再根据当时的实际一次工作电流 I 为810A , 换算成加热元件的电流 I s 为 :I s =I %I le ×0.73=0.0006218I=0.0006218×810=0.503658A0.73A 为额定负载下的加热元件电流。 查 表 4可 得 :绕 组 的 平 均 铜 油 温 差 T 约 为 4.782K 。则变压器顶层油温应该有 :变压器顶层油温 =绕组最高温度 -1.3×绕组的平 均铜油温差 =90

15、-1.3×4.782=83.7834 , 这显然是错 误的。再根据变压器顶层油温 62 , 换算成 T 为 :绕组的平均铜油温差 T=(绕组最高温度 -变 压器顶层油温 %1.3=(90-62 %1.3=21.53846查表 4可得 I s 约为 1.07A 则一次侧电流约为 :I=I s ×I le %0.73=1.07×1174%0.73=1720.8A这显然也是错误的。所以 , 确定为绕组温度计故障而非变压器绕组 故障。3.4处理对策考虑到绕组温度高的高定值 (115 , 保护要出口跳闸 , 会启动全停 3保护 , 即 :跳燃机、 灭磁、 跳发 跳 段表 1

16、非电量保护配置保护类型 保护规范 定值作用 本体重瓦斯 德国 04-101.5m %s 全停 3本体轻瓦斯 德国 04-10300cm 3发信 油面温度高 MT-ST160F 85 发信 绕组温度高 MT-STW160105 发信 绕组温度高高 MT-STW160115 全停 3压力释放 208-60Y 12PSI 全停 3主变冷却器全停发信 K131min 发信 主变冷却器全停跳闸 KT11(顶层油温 75 时 30min 全停 3主变冷却器全停跳闸 KT12(顶层油温 <75 时 60min 全停 3主变冷却器 段电源故障 KT23s 发信 主变冷却器 段电源故障 KT33s 发信

17、温度起动辅助冷却器 65 温度停止辅助冷却器55Table 1Configuration of non-electric quantity protection53第 44卷工作电源开关和切换厂用电 A 和 B 。故参照 DL %T572-1995 电力变压器运行规程 临时决定 :(1 撤出主变绕组温度高的高定值跳闸出口压 板。(2 当绕组温度达 115 及以上时应检查油温 是否超过 85 , 如超过则立即减负载。(3 当绕组温度无法监视时 , 应监视油温不超 过 85 。在 28日 9:30, 由热工人员微调了电流匹配器 中的电位器 W , 绕组温度计恢复显示正常。当时恢 复后的实测数据如表

18、 2所示。5月 2日厂家来现场调试 , 原温度计特性略有 偏差 , 考虑到保护的重要性 , 还是更新了 , 并复测特 性试验合格 , 见表 3。经过三天试用均正常后 , 恢复 主变绕组温度高的高定值跳闸出口压板。4改进建议4.1常用的绕组温度在线测量方法目前 , 变压器绕组温度的在线测量方法概括起 来可分为直接测量法、 间接计算法和热模拟测量法 三种。(1 直接测量法 :该种方法一般在制造过程中 埋设测温元件 , 埋设点越多测量越准确 , 但维护技 术很复杂 , 价格也很昂贵。( : 式的间接计算法 , 具有足够的精确度 , 因此把这种 方法用于变压器绕组热点温度测量是目前一种经 济、 简便和

19、实用性强的绕组热点测温方式。它是根 据假设的变压器热模型 , 导出的热点温升计算公 式 , 这是变压器绕组热点估算的经典方法 , 具有一 定的精度 , 是一种实用有效的测量方法。(3 热模拟测量法 :原理如 3.1所述。由于安装 在变压器上的测温设备经过一段时间运行后精度 降低 , 测量误差增大 , 存在隐患 , 法国已在电网中停 止使用这种测温仪。4.2热模拟测量法的改进建议对热模拟测量法 , 因为原只有一个绕组温度 计 , 缺乏冗余判断 , 故将变压器绕组温度高做在保 护的出口上。 建议将原有的已经送到 ECS 上的变压 器 2只油面温度计的温度和变压器一次侧 A 、 C 相 电流 , 利

20、用“ 热模拟测量法” 的公式 , 用 ECS 来模拟 2个变压器的“ 绕组温度” 供监测用 , 增加了绕组温度 的冗余判断。这样在硬件上不需要增加设备 , 仅仅在 ECS 软 件上增加一个计算公式 , 添加 2个显示的控件即 可。如进一步考虑 , 建议在 ECS 再增设 :(1 3个绕组温度相互间偏差大报警 , 例如偏差 大于 5 报警。(2 绕组最高温度与油面温度偏差大报警 , 例 如偏差大于 15 报警。因为 , 如果在变压器满载时 , 出现绕组温度计 类似上述“ 微调电位器 W 接触不良” 故障 , 保护将会 误动。分析如下 :当 时 油 面 温 度 在 62 , 绕 组 最 高 温 度

21、 显 示 90 , 一次侧电流 810A , 绕组的平均铜油温差 T 约为 4.782K 。实际应在 62+1.3×4.782=68.2166 , 加热元件 的电流 I s 应在 0.5A 左右 , 而反映的 I s 变为 1.05A 左 右。这样 , 如果变压器额定电流到 1174A 时 , 标准 的 I s 应为 0.73A , 而错误的 I s 将变为 1.533A 。这时 , 对应的 T 约为 43 左右。绕组最高温度 =62+1.3×43=117.9 , 大于 115 动作值 , 而且在此变压器顶层油温还是用当时的负 载温度代入 , 实际到额定负载时顶层油温还要高

22、 , 所以保护必将误动。虽 然 , 在 105 时 会 报 警 , 但 由 于 再 上 升 到 115 时间太短 , 根据上升的曲线速率 , 时间在 2min ,表 2实测数据时刻 绕组温度%温度 1%油温 2%A 相电流%AC 相电流%A发 电 机 负 载 %MW表 3特性试验数据模拟 CT 二次 电流 I p %A 原温度计校前电流 I s %mA新温度计校前 电流 I s %mA俞立凡、 李慧蓉 :变压器绕组温度计异常的原因及改进建议第 11期视 , 以便将报警点设置提前。 4.3改进的依据及公式“ 热模拟测量法” 的测温公式为 :绕组最高温度 =变压器顶层油温 +1.3×绕组

23、的平均铜油温差其中“ 绕组的平均铜油温差” 可用 JB T8450 变 压器绕组温度计 电热元件温升曲线及函数表达式 来计算。根据 JB T8450 变压器绕组温度计 给出的理 想电热元件温升函数 T=f (I s 的曲线 , 如图 5所示 , 同时它还给出了“ 电流 I s , 温升 T ”对照表 , 见表 4。 对温升函数曲线 , 利用计算机软件进行 4次多 项式拟合时可表示为 :T=4.0276-19.89I s +53.929I s 2-26.124I s 3+6.6766I 4s(1或用简化的公式 :T=kI s 2(2 式中 k=18.38I s =I I e ×0.73

24、=0.0006218I (用低压绕组铜油温差 T=9.3K 在额定电流下 加热电流为 730mA 代入时 , 虽然用的是一次侧电 流 , 但由于主变是双绕组变压器 , 一、 二次侧电流成 正比 , 所以实际反映的是二次侧绕组的温度 4.4改进后绕组温度的冗余数据对照 改进后的实测数据见表 5。通过表 5可以看出“ 绕组温度计” 是采用热模, 而绕组温度计中的关键元件 :电热元件 , 它的温升特性是否符合 理想的温升特性是影响该类仪表测量准确性的关键 因素之一。 从各使用单位的实际情况来看 , 有很多使 用中甚至不少新出厂的温度计 , 其电热元件的温升 误差比较大 , 一般在 4K 6K , 大

25、的 在 8K 9K , 远 不 能满足机械行业标准 JB T8450-1996变压器绕组 温度计 中小于 2K 的要求。 现在通过软件在 ECS 上 模拟“ 绕组温度计” , 抵消了电热元件温升误差 , 不仅 准确性比实际的“ 绕组温度计” 高 , 而且在原有的基 础上增加了冗余监测量 , 增加了故障判断的依据。4.5对绕组温度计制造的改进建议通过本次异常案例 , 我们知道在绕组温度计中微调电位器 W 接触不良的隐患确实存在 , 而此微调 电位器 W 在绕组温度计电路中起加热元件的分流 器作用 , 当被保护的变压器额定铜油温升较小时 , I s 就小 , 微调电位器 W 的分流量就大 , 则微

26、调电位器W 的动触点更容易产生接触不良。为避免上述情况发生 , 建议生产单位 :(1 微调电位器 W 在温度计生产组装时要确保 是三只脚都焊接上。 万一微调电位器 W 的动触点开 路时 , 二只固定脚形成的固定电阻还有分流作用 , 减 缓动触点开路的影响。(2 在微调电位器 W 旁并联 1个可投切的固定电阻 (R 1、 K 1 , 在微调电位器 W 前串联 1个 固定电阻 (R 2 , 详见图 6。以减少微调电位 器 W 的调节量 , 减缓动触点开路的影响。(3 修改原跨线的整定规则 , 必要时增 加电流匹配器 CT 的挡位。例如在本文中实 例的情况下 , 可否将原 整 定 :降 流 :跨 线

27、 1接 7号 8号、 跨线 2接 11号 14号 (3.2A 4.0A , 改 为 :降流 :跨线 1接 7号 8号、 跨线 2接 11号 14号 (4.0A 5.0A 。目的是减少微调电位器 W 的分流 量。 例如在变压器额定工况下 , 假设电流匹配器中的403020100.40.60.81.4T KI s A图 5电热元件的温升特性曲线Fig.5Temperature rise curve of electrothermal unit表 4电热元件的温升函数表T K 101214161820222426283032343638Table 4Temperature rise list of

28、electrothermal unit电位器 WA 1BR 1R 2K 1增加 部 分图 6增加可投切分流电阻电路示意图Fig.6Added switching divided resistance circuit 55 表 改进后的实测数据 第 卷 时刻 绕组温度 9 油温 9 油温 9 相电流 9 相电流9 负载 9 绕组温度 9 绕组温度 9 日 日 日 日 日 日 日 日 日 日 日 日 日 日 日 日 日 注： 绕组温度 、 是 根据公式（ ） 软件自动计算的结果（ 绕组温度 是油温 和 相电流计算的结果， 绕组温度 是油温 和 相 电流计算的结果） 。 二次 的变比 “ 号 号”为

29、 ； “ 号 号” 。则 （ 电流匹配器 输出电流） 的减小 为 量 为： 升流 跨线 电流 9 表 升流跨线整定表 输入电流 跨线 × × （ ） 即在额定工况下， 微调电位器 的分流量可 以减少 ， 其他不变。 因为， 绕组温度计中要求： 额定工况下， 应在 如主变压器 二次输出额定电流 之间。 本来就在此区间， 则不必通过变流器而直接将 输出接到变送器接线柱的 号和 号端； 如不在 此区间则应按表 、 进行升流或降流。 表 而绕组温度计原考虑的出发点是： 一般情况 下， （ 绕组温度计工作电流， 即加热电流） 约为 的 号 号 号 号 号 号 号 号 号 号 号 号

30、的故障。 因此， 建议跨线的整定规则要灵活， 只要能保证 微调电位器 能调整 到整定值， 并留有一定调节 余地， 电流匹配器 的输出电流 越小越好。 结束语 变压器的使用寿命取决于它的绕组温度， 故提 9， 而当某些变压器铜油温差较小时， 例如本文中 的变压器， 这时 仅为 的 9 左右， 其他的 9 要 靠微调电位器 来分流， 势必容易造成微调电位器 表 降流跨线整定表 高变压器温度监测的准确性十分必要， 特别是已将 绕组温度高保护出口跳闸的变压器， 更显重要。 针对采用 “ 热模拟测量法”的绕组温度计存在 “ 电流匹配器部分” 的故障可能， 它已经对变压器的 正常运行构成了一个事故隐患。故

31、对有条件的运行 单位， 应采取措施， 增加“ 绕组温度” 的冗余监视， 确 保变压器的可靠运行。 对绕组温度计生产单位， 建议 进一步完善， 提高产品的可靠性。 （ 下转第 页） 降流 跨线 输入电流 跨线 号 号 号 号 号 号 号 号 号 号 风机 片式散热器 汇流管 变压器主体 第 卷 表 散热器再次改造后变压器顶层油温、 负载情况 变压器油温 + 高压侧电流 + 环境温度 + 观察日期 图 再次改造后的散热器布置图 热器安装法兰进行安装， 建议安装底吹式风机。 （ ） 在受场地限制无法安装底吹式风扇电机的 情况下， 要采用侧吹式风机吹风。此时， 要充分考虑 散热器间距对风冷效果的影响，

32、 应采用加装汇流管 的办法来集中布置散热器， 以便调整每组散热器间 的距离， 提高风冷时的冷却效果。 （ ） 在设计方案制定前， 一定要进行现场实地查 看和测量。 要根据现场的实际情况， 制定可行的改造 方案。 综上所述， 只要设计方案合理， 对老变压器冷却 系统进行更新改造是可行的， 这将大大改善变压器 的冷却效果， 有利于变压器的安全运行。 参考文献： 路 长 柏 ， 朱 英 浩 电 力 变 压 器 计 算 哈 尔 滨 ： 黑 龙 江 科 续跟踪观测， 其结果如表 所示。 从表 中数据分析看， 再次改造后的变压器其 冷却效果得到了较大的改善， 达到了散热器改造的 预期效果。 结论 （ ） 老变压器管式散热器改造为片式散热器， 其 设计温升校核中， 在考虑变压器铭牌所标注空载损 耗、 负载损耗的基础上，