電力變壓器的溫度和過載監(jiān)測
本文描述了該系統(tǒng)的硬件設(shè)置和監(jiān)測原理,同時為了提高繞組中溫度分布的精確度而設(shè)計了一個熱力學模型。根據(jù)繞組的熱力學模型和在線監(jiān)測的結(jié)果即可決定變壓器在何時可以過載且安全運行。
主題詞:電力變壓器,過熱點,工況監(jiān)測,過載容量
I. 介紹
電網(wǎng)中變壓器的實際運行工況是影響供電穩(wěn)定性的一個重要因素。如果我們給變壓器裝上一套在線監(jiān)測系統(tǒng),對變壓器的工況進行長期監(jiān)測,既能保證變壓器的“健康”工作(即使過載期間也如此),同時也能指出變壓器運行的老化趨勢并提供早期的預警信息,從而及時對一些緩慢發(fā)展的事故進行修復以免導致變壓器的損壞。
變壓器是電力系統(tǒng)中單臺價值最高的設(shè)備。一些附屬設(shè)備的小故障都可能導致整臺變壓器的損壞。例如若冷卻器的控制單元中的參數(shù)選配不當,就有可能導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模型及冷卻單元相連的熱分布監(jiān)測系統(tǒng)可指導變壓器在適當?shù)臅r候過載運行,并計算出最大允許過載容量,從而明顯地降低實際運行中變壓器過載運行的風險。
一臺變壓器通常由下列幾個獨立部件組成,他們是作變壓的繞組、作導磁用的鐵芯。還有一些設(shè)備如套管、調(diào)壓開關(guān)、冷卻器等。
統(tǒng)計得出每一個部件引起變壓器故障的可能性是個變量。因此監(jiān)測有價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值的部件,因此該系統(tǒng)應(yīng)能測量出變壓器繞組內(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),從而延長變壓器的運行壽命,并增加運行的可靠性。
II. 變壓器監(jiān)測系統(tǒng)
1997年,我們首先在兩臺變壓器上安裝了監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分考慮了1997年之前的監(jiān)測經(jīng)驗[1],并在隨后三年多的運行中,對監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)。
該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元是以由西門子開發(fā)的可編程控制器(SIMATIC)為基礎(chǔ)的。
對冷卻系統(tǒng)的監(jiān)測通常是通過測量其冷卻器在出入口處油和空氣等介質(zhì)的溫度而完成。通過對這些測量值進行估算,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)油泵的風扇故障。另外我們還測量高壓套管上電流、電壓值和調(diào)壓開關(guān)分接點的實際位置。通過這些參數(shù)我們很容易確定變壓器的實際負荷。通過計算氣體傳感器的輸出信號就能確定絕緣材料的工況,同時所有油泵和風扇的工作狀態(tài)也能通過開關(guān)量形成的數(shù)字信號得到。
為了避免計算機過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,而將計算機放入主控室內(nèi)對所有采集的數(shù)據(jù)進行存儲和分析,兩者之間用光纖連接。光纖的長度可達幾百米,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集裝置與計算機之間電的隔離。用此方式即使變壓器移走也無需拆卸數(shù)據(jù)采集單元,而計算機硬件更換也更加容易,因為計算機內(nèi)沒有任何附加設(shè)備。
圖1 變壓器監(jiān)測系統(tǒng)圖
用廣泛用于工業(yè)自動化系統(tǒng)的器件來組裝該系統(tǒng)比用特殊的變壓器監(jiān)測用的硬件有幾個優(yōu)點:
1.這些元件按工業(yè)化標準生產(chǎn),在世界各地隨處可見,因此很長時間內(nèi)備件很容易獲得。
2.自動化系統(tǒng)本身在不斷地發(fā)展,隨著元器件功能的改善,將來可制造更好的監(jiān)測系統(tǒng)。例如只要增加一個模塊,原監(jiān)測系統(tǒng)的功能就能得到擴展,而且一套監(jiān)測系統(tǒng)可同時監(jiān)測多臺變壓器(像變壓器組)。
該系統(tǒng)的數(shù)值計算分為兩步。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)出報警信號,同時將報警信號傳給計算機,該計算機則通過設(shè)定的數(shù)據(jù)通道向更高一級的計算機發(fā)出信號。所有實測數(shù)據(jù)都不斷傳輸給變電站計算中心作進一步計算,并構(gòu)成一個時間與實測值的平面坐標系統(tǒng)。而坐標系統(tǒng)的時間則以實測數(shù)據(jù)進入設(shè)定的數(shù)據(jù)庫的時間為準。因此對程序而言,最重要的一點是能夠長時間穩(wěn)定運行。
另一個監(jiān)測功能則由繞組熱力學模型構(gòu)成。根據(jù)IEC354標準,該模型決定了繞組中導體溫度的分布。該溫度分布取決于環(huán)境溫度、負荷情況及進入繞組的油溫等。假如我們作一次過載仿真,對上述參數(shù)的數(shù)值可以取實測值,也可以取虛擬值。將取值輸入熱力學模型中進行計算,我們就得到象過熱點溫度和中間導體的溫度等參數(shù)。在存儲如此大量的數(shù)據(jù)時,有必要不時對這些數(shù)據(jù)做一備份,該備份可通過一個與維護系統(tǒng)相連的調(diào)制解調(diào)器來實現(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)得到變壓器實際工況的信息對整個電網(wǎng)的安全運行是大有卑益的。
III. 新型熱力學模型的發(fā)展
在估算油紙絕緣材料的老化程度時,一個非常重要的基本要求是對線圈內(nèi)部導體溫度的準確把握。我們?yōu)橐粡娪蛯虻淖儔浩骼@組設(shè)計的熱力學模型在一臺 110kV300MVA的變壓器上得到驗證。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)測系統(tǒng)中直接測量導體溫度是很困難、也是很昂貴的。因此有必要用簡單易行的方法來確定導體溫度值。即通過測量油和空氣溫度,變壓器負荷和每一個冷卻器的狀態(tài)等的測量值來確定導體溫度。
標準的算法(如IEC354[2])是針對大范圍內(nèi)不同幾何形狀和不同技術(shù)的變壓器都有效的算法。達此目的的唯一途徑是將算法最簡化。而簡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電阻的增加對溫度的影響,用一個系數(shù)來考慮導體內(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,導體和油之間的溫差保持不變等。
不同的熱力學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)量和計算所需時間會急劇增加。一個精確的模型通常只對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)可用一個熱力線網(wǎng)絡(luò)來描述。其分析方法與電網(wǎng)的分析方法類似。熱源表示導體內(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,在計算熱阻時不僅要考慮相鄰導體間熱阻,也要考慮導體對周圍油流的阻力,同時還要考慮不同材料對熱阻的影響。通常情況下這些材料為:
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