变压器电力变压器温度的在线监测与诊断

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电力变压器温度的在线监测与诊断

摘要

伴随着我国经济的快速发展我国的电网运行水平也在不断提高电力变压器是电力系统中最重要的、最昂贵的设备之一它的可靠性直接关系到电网是否安全、高效、经济的运行。大部分变压器寿命的终结是因为其丧失了应有的绝缘能力而影响绝缘能力的最主要因素是变压器运行时的绕组温度。如果变压器运行时的绕组最热点温度过低则变压器的能力就没有得到充分利用减低了经济效益而热点温度过高不仅会影响变压器使用寿命还将对变压器安全运行造成威胁。电力变压器内部属于高电压、强电磁场环境对于变压器绕组温度的监测光纤光栅传感技术与传统的电信号传感技术相比具有无法比拟的优势尤其是适于电力变压器内部的复杂电磁环境。

本论文研究分布式光纤传感器的应用系统主要包括两方面。首先深入细致地分析研究了分布式光纤温度传感器系统的原理分析目前世界上光纤测温的先进技术以及科研成果采用基于拉曼散射的反斯托克斯和斯托克斯光的光强比较技术从空间和温度分辨率入手结合实际情况制定本系统的可行方法。其次对系统的每一部分都以物理公式的推导为基础以变使系统各部分的构建达到最优化最终将复杂的系统分解为较为简单的、有利于我们用软硬件实现的部分。其次在系统原理明确的基础上实现了该系统的光纤采样及后面的软件运算等部分依据设计方案完成了试验装置进行了试验研究。

关键词绕组热点温度光纤光栅在线监测分布式光纤传感器单片机a

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Power transformer on-line monitoring and diagnosis

Abstract

Alongwiththerapid developmentof economy in our country, the level of power grid operation in ourcountry are also constantly improve, powersystem of power transformer is one of the most importantandmostexpensive equipment, itsrel iabi lity is directly relatedtothe power grid is safe, efficient and economicoperation Mostof the end of thetransformer l ife because it lost its insulating abi lity, is themost importantfactorswhich affect the abi l ityof the insulationtransformerwinding temperature atruntime If transformerwinding atruntime the hot spot temperature is too low, the abi l ity ofthetransformer is underuti l ized, reducedeconomic efficiency, andthe hot spot temperature is too high,will not onlyaffect the service life of thetransformer,will also pose athreat tothe safe operation of thetransformer Power transformer internalbelongto highvoltage and strong electromagnetic environment, for thetransformerwindingtemperaturemonitoring, fiber Bragg grating sensingtechnology comparedwiththetraditional electricalsensor technologyhas incomparable advantages, particularlysuitablefor powertransformer internal complex electromagneticenvironmenta

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Appl ication of distributed fiber optic sensor system are studied in this paper,mainly including twoaspects Firstof al l, analyzed deeply and in detai l the principle of distributed optical fiber temperature sensorsystem; Analysis of the current optical fiber temperaturemeasurement intheworld advancedtechnology andscientific research, based onthe anti stokesRaman scattering and stokes l ight intensity ismore technology,fromthe perspective of the space resolution and temperature, combinedwith the actual situation make thefeasible method of this system Secondly the systemeach part based onthe physical formula is derived,withvariableto optimize the system each partof the bui lding;Wi l l eventual ly be a complex system is decomposedinto relatively simple, is advantageous to the we use part of the hardware and software implementationSecond, clear the principles of system implemented on the basis of the system of optical fiber part such assampl ing andthe software behindthe operation, according tothe design completedtestrig, isresearcheda

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Keyword:Winding hot spot temperature; FiberBragg grating; On-l ine monitoring;Distributed optical fiber sensor; Single chipmicrocomputer

目录

摘要· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·Ⅰ

Abstract· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·Ⅱ

第一章绪论· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1

1 1本论文的背景和意义· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1

12本论文的主要方法和研究进展· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1

13本论文的主要内容· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1

14本论文的结构安排· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1

第二章各章题序及标题小2号黑体· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·2

21各节点一级题序及标题小3号黑体· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·2

21 1各节的二级题序及标题4号黑体· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·2

22页眉、页脚说明· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·2

23段落、字体说明· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·2

24公式、插图和插表说明· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·2

结论· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·136

参考文献References· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·138

致谢· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·150

附录1标题· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·8

附录2标题· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·9a

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第一章绪论

1. 1变压器在线监测的意义

伴随着我国经济的快速发展我国的电网运行水平也在不断提高各级调度中心要求更多的信息以便及时掌握电网及变电站的运行情况提高变电站的可控性进而要求更多地采用远方集中控制、操作、反事故措施等即采用无人值班的管理模式以减少人为误操作的可能性提高运行的可靠性。同时在简化系统信息共享减少电缆减少占地面积降低造价等方面变电站已改变了运行的面貌“变电站自动化己转向了实用化阶段。国家电网公司先后出台了《国家电网公司 十一五”科技发展规划》、 《关于开展电网运行管理控制技术研究和推广应用的实施意见》将变电站综合自动化技术、高压输变电主设备安全运行技术作为重点技术领域以便为建设坚强电网提供必要的技术支持和保障。截至2005年底全国发电装机容量已超过5亿千瓦预计到2020年我国人均装机容量将达到08千瓦总装机容量也将超过10亿千瓦。在电网规模如此大 电压等级如此高的情况下一旦发生大面积的停电事故将给国家造成巨大损失给人民带来巨大不便电力系统的可靠性问题就显得尤为重要。电力变压器是电力系统中最重要的、最昂贵的设备之一它的可靠性直接关系到电网是否安全、高效、经济的运行。电力变压器是电网中能量转换、传输的核心是国民经济各行各业和千家万户能量来源的必经之路。如果一台大型电力变压器在系统中运行时发生事故则可能导致大面积停电其检修期一般要半年以上造成巨大的经济损失。以一套三相500kV  360MVA的大型变压器为例若发生绝缘故障其维修费用当在数百万元停电一天的直接电量损失按1 kW h电04元计达280万元若计入间接损失和社会损失那么它给整个社会造成的损失将更大。同时随着特高压项目的起动建设对变压器工作可靠性的要求更高。因为一旦特高压电网的枢纽电力变压器出现故障其带来的损失将是500 kV等超高压变压器的3~4倍甚至更高。变压器本身也是电力系统中最昂贵设备之一单以其本身价格计算进口的250 MVA/500kV变压器平均约133万美元/台 国产同规格的也可达到a

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1000万元/台。

电力变压器是电力系统中输变电能的高压电气设备担负着电压、电流的转换及功率传输的任务其性能的好坏直接影响着电力系统的安全稳定运行。由于变压器采用封闭式结构散热效果差热积累大并长期处于高电压、大电流和满负荷运行状态直接导致热量集结加剧、温度升高威胁电气绝缘性能。变压器过热故障是常见的多发性故障它对变压器的安全运行和使用寿命具有严重威胁。长期研究表明大型电力变压器的运行可靠性在很大程度取决于其绝缘状态。大部分变压器的寿命终结是因为其丧失了应有的绝缘能力而影响绝缘能力的最主要因素是变压器运行时的绕组温度。变压器绕组最热点的绝缘会因为过热而老化。若绕组最热点的温度过低则变压器的能力就没有得到充分利用减低了经济效益。热点温度如超过允许限值不仅会影响变压器使用寿命还将对变压器安全运行造成威胁。因此有必要对电力变压器的绕组温度进行在线监测防止变压器过热以保证变压器安全运行和延长其设备寿命。a

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变压器运行时有一部分电磁能量将转变为热量。也就是说在变压器运行时在铁心、绕组和钢结构件中均要产生损耗这些损耗将转变为热量发散到周围介质中去从而引起变压器发热和温度升高。随着绕组及铁心温度的升高它们与周围的变压器油通过散热器将热量传递给外部冷却介质。经过一段时间后绕组、铁心和油的温度上升达到稳定。一般来讲 由于产生的损耗不同变压器内部各部分的温度也不同绕组最高其次为铁心和变压器油。从变压器绝缘运行寿命看一般认为应遵循六度法则变压器绕组年平均温度为98摄氏度每上升或降低6摄氏度则变压器寿命降低一半或延长一倍。所以变压器温度在线监测对保证安全和延长设备寿命都有重要意义。

1.2 背景和国内外研究现状a

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目前 国内外油浸式变压器在线监测的范围很广主要包括

( 1)利用光纤传感器监测变压器的过热故障,并通过计算实时显示变压器各热点的运行温度

(2)监测油中可燃气体总量

(3)在线监测局部放电,包括电气局部放电、声音局部放电、超高频局部放电、静态局部放电

(4)在线监测套管的功率因数和电容

(5)在线监测油中湿度、温度、酸度

(6)在线监测负载电流

(7)在线监测绕组顶部和底部油温

(8)在线监测铁心接地故障和绕组缺陷

(9)在线监测储油柜的油位,通过安装传感器提供油渗漏信息

( 10)在线监测冷却装置的功能及运行情况。

在线监测变压器油温和绕组热点温度对早期诊断变压器故障十分重要 但是因变压器结构复杂影响其安全运行的因素较多使得在线监测的难度很大。过去一般采用间接的模拟测量方法准确性差而且不及时。因此准确测量油温(尤其是其热点温度)就显得十分重要。 由于在线实时监测系统确定绕组热点具有很高的准确性 本研究介绍的变压器在线温度监测系统通过传感器采集不同点的油温经上位机智能系统的分析实时监测变压器油的热点温度。

光纤传感技术种类很多根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况可以将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。这些类型的光纤传感技术各有优缺点传感器的形式也种类繁多就目前来看用于电力变压器内部温度测量的光纤传感系统还不是太多。a

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国外对电气设备状态监测的研究始于60年代但直到70~80年代随着传感器、计算机、光纤等高新技术的发展与应用设备在线诊断技术才真正得到迅速发展。

利用半导体材料的光吸收与温度的关系可以制成半导体透射式和反射式光纤温度传感器。半导体材料的吸收波长随着温度的增加而向长波长位移选择适当的半导体光源使其光谱范围正好在吸收区域这样透过半导体材料的光强随温度的增加而减少而从半导体材料反射回来的光强随温度的增加而增加利用光探测器检测出光强的大小进而检测出温度。

国外已尝试利用半导体吸收式光纤温度传感器实现对大型电力设备的温度状况进行检测而且取得了较好的效果。国内有学者用砷化镓半导体晶片做敏感元件用发光二极管做光源光电二极管作为光电转换元件构成了半导体吸收式光纤温度传感器并对其进行了研究。这种传感器结构比较简单成本低廉且便于制作其主要缺点是这种技术对光强度的改变比较敏感测量前需要对光强与温度的对应关系进行标定。因为光强度不仅与检测的温度有关其还与光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗、光探测器性能等因素有关所以其受干扰的情况也比较严重。

荧光光纤测温技术也是近年来光纤测温领域的一个研究热点。在绕组靠近导线部分埋设光纤传感器来测温温度传感器采用的是一种稳定的耐高温的荧光材料 LE D光源发出的光脉冲通过光纤送到与绕组接触的温度传感器该脉冲激励传感器的荧光材料使其产生波长较长的荧光根据返回荧光的衰减时间测出该传感器的温度需进行温度矫正。这种温度传感器对变压器绕组温度监测在上世纪八十年代就有应用典型产品是美国Lux tr o n公司研制的W T S-11型变压器绕组温度光纤荧光型监测系统能在0~200a