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主变压器绕组热点光纤测温技术的应用

来源: 发布日期:2015-02-12 浏览次数:1908

1 传统测温技术存在不足

   电力变压器是变电站的重要设备,承担着电网的升压、降压和电压调节等重要任务。随着电力系统规模的不断扩大,电压等级的不断提高,变压器容量的不断增大,其故障率也有所增加。主变压器(以下简称主变)温度作为其运行状况的一个重要监测指标,特别是变压器运行在高温、高负载时,更加关系到主变的安全运行。因此,对其进行在线诊断,了解主变线圈内部的实时运行工况,使得主变测温系统倍受重视。在传统主变测温技术中,应用最广泛且最具代表性的是热敏电阻电桥测温方式和铂电阻测温方式。虽然传统测温技术在现阶段中应用普遍,但其仍存在一定的局限。比如,热敏电阻方式,其变化率为非线性,不适合测量高温区。而Pt100(铂电阻)虽然测量精度高,线性度好,但热响应慢,耐振动和耐冲击性差。再如,传统测温技术均是基于电信号传感器的测温系统,而变压器内部由于存在高电压、强电磁场,使得这类电信号的传感器极易受电磁干扰,其数据的可靠性及准确性很难得到保证。

2 光纤测温新技术

   为了克服传统测温技术在现场应用的不足,推进智能电网的建设进程,许多设备在线监测技术发展迅速,性能优良而且日益完善。光纤测温技术在强电场环境中应用,已经取得可喜业绩,其显著的光学特性,可使传感器与系统的其他部分实现电气分离,从而提高传感器设计上的灵活性和安全性。同时,通过对主变在线远程实时测量,解决变压器内部线圈热点温度盲区的监测问题。

2.1 光纤测温原理及特点

   任何光学特性随温度改变而发生变化的材料,基本上就构成了一个光学温度传感器的基础。其中,随温度变化的参数包括吸收率或其传输性能、反射率、折射率、偏振程度以及发出的荧光或磷光等。光纤测温技术最初是由氧硫化斓作为磷光体传感器。随着磷光物质的温度升高,不发光的驰豫过程占显著的地位,因而发光强度也随之减弱。稀土元素磷光物发出的荧光是由三阶铕离子不同的激发态产生的光谱线条组成,不同谱线的发光强度之比与激励条件和寄生损耗的波动无关,但与温度有关。因此,该比值可提供准确的温度信息。但是该技术成本昂贵,实际工程项目不宜采用。

   随着光纤测温技术的发展,目前采用一种能够在长时间内按指数衰减荧光的材料作为传感器,所使用的材料,具有耐高温、化学性质稳定、无电磁干扰,数据可靠性高等优点,且性价比合理,批量生产,适用于工业温度测量领域。高效磷光体传感器选用4价锰离子激发的氟锗酸镁作为传感器材料。红色可辐射磷光体传感器由可见的短波以及紫外辐射所激发,如图1所示,同时给出用于区分激发与荧光辐射的两个滤镜处的透射光谱。


   通过测量荧光的衰减率可以进行温度测量,介于初始信号电平S1与衰减信号St/e的时长就是衰减时间,如图2所示。随温度变化的衰减时间的合成变化,如图3所示。光纤测温系统可以采用低能发光二极管作为图2 磷光体传感器的荧光强度与衰减时间的关系图3 氟锗酸镁传感器的衰减时间与温度的关系光源,当光电探测器接受到磷光体传感器所产生的荧光后,经过微处理器以及数字信号处理器计算衰减时间后,将返回的荧光强度按温度的形式反映出来。

2.2 光纤测温技术的应用

   沈变作为国内最有影响力的变压器生产单位,在线测温技术是其考虑的重点。设备状态量的实时监测,能够更有效地提升设备运行安全性。为此,沈变采用主变绕组热点光纤测温新技术,用以监测主变的常规油温以及绕组内的热点温升。

2.2.1 光纤测温系统整合

   主变绕组热点光纤测温系统包含了数据采样和分析报警功能(包括硬件和软件),并能与智能组件的通信组件进行链接。将主变绕组热点光纤测温系统的监测数据接入智能设备(IED)后,上传到站控层的数据处理中心,对主变绕组热点的动态监测值进行预诊断分析。站控层主要由数据处理服务器组成,提供站内运行的人机界面,实现状态监测数据的展现(包括实时数据、历史趋势等)和设备的综合评估分析、辅助决策等功能,数据处理服务器与自动化监控系统一体化集成,主变绕组热点光纤测温系统的软件也整合到状态分析系统中。

2.2.2 光纤测温系统构建

   由于测温光纤需要绕制在变压器内部,长期浸泡在绝缘油中,因此选用聚四氟乙烯与凯弗拉尔制成光纤外套,并采用高功率的发光二极管。这样可以减小光纤绕制线圈的直径,具有更小的弯曲半径,便于光纤在主变绕组内的绕制与安装。经过对光纤测温设备市场的调研,沈变采用国内西安和其光电科技有限公司生产的光纤控制器。该公司是国内光纤测温领域的先锋,拥有数百台变压器绕组热点光纤温控器的安装经验和业绩。

1)光纤温控器 4通道,测温范围为-30~260℃,测温精度为±1℃,温度分辨率为0.1℃,采样速度为50ms,可同时显示6个通道数据,模拟输出6路(4~20 mA),环境温度为-40~70℃,输入交流电源为50Hz,110~240V,光源寿命为30年,通信协议支持IEC 61850。

2)光纤传感器 传递变压器内部的温度信号,适应各种苛刻的化学环境,不受变压器高压及电磁干扰的影响。测温范围为-40~260℃,响应时间小于0.25s,温度分辨率为0.1℃,光纤护套采用双重特弗纶护套凯弗拉尔保护,无电磁干扰,传感器内径为1.5mm,螺旋外套直径为2.8mm,使用寿命为30年。

3)壳体贯通器 材料为304不锈钢,最大压力为689.6kPa,最大真空小于133.322×10-3Pa,最高工作温度为180℃。

2.2.3 光纤测温系统安装

   光纤及探头在主变线圈中的正确安装,对光纤测温系统的正常运行至关重要。对于心式主变,首先选择所需的径向垫块并斜向开槽,再采用GORTEX包裹探头置于槽中,以增强探头的安全性和灵活性,最后将该径向垫块放于主变线圈最热部位的导线相邻位置。当心式主变压器线圈装配接近完成时,将嵌入探头的径向垫块装入线圈,并在油箱内部的光纤外部贴紧套上绝缘纸管,确保油箱壁贯通器的位置远离今后例行检修的位置。

主变绕组热点光纤测温系统实施监测主变4个点的温度,4根光纤由主变内部引至安装盘上的贯通器,由4根光纤通过导线槽引至光纤温控器,温控器上显示4个点的温度。

主变绕组热点光纤测温系统安装示意图,如图4所示。


                                             图 4 测温系统安装

   沈变主变绕组热点的光纤测温安装位置,根据运行要求并结合测温设备的技术特点,定为高压绕组、中压绕组、顶层油温、底部油温,涵盖了主变的所有重要区域,让实时监测和诊断功能得以真正实现,从而降低主变绕组遭受破坏的概率,延长主变的使用寿命。

3 结语

   主变绕组热点光纤测温技术是最近几年发展起来的一项新技术。光纤具有体积小、重量轻、柔软可绕、电绝缘性能好、不受电磁干扰、可在易燃易爆环境下工作等一系列优点。与传统的测量主变顶层或底层油温的方式不同,光纤测温技术可以通过直接放在主变绕组中的传感探头,在线准确测量“热点”温度,且毋需校准,给电力客户提供了一种直接、快速的动态测量技术。随着电子式传感器信号处理设备可靠性的提高,单个器件价格的降低,光纤绕组测温技术在电力行业中的应用必将越来越广泛。





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