本文描述了該系統(tǒng)的硬件設置和監(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備。一些附屬設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

　　繞組內(nèi)部的固體絕緣系統(tǒng)可用一個熱力線網(wǎng)絡來描述。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：