一种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置及方法，其以变压器绕组温度直接关联的绕组电阻为参量，建立变压器温升试验时的等效电路方程，在很短时间内改变外施的短路电压U1，监测两个绕组中的电流I1和I2的变化，并将检测到的U1、I1、I2值代入等效电路方程模型中，近似求解计算得到各个绕组的实时温度。相比现有技术本发明在变压器温升试验时监测变压器绕组温度更为便捷，而且不需要再增加额外的测量工作，实现起来简单、快速、方便。
【专利说明】一种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 变压器温升直接关系到变压器的使用寿命和运行可靠性，是变压器型式试验项目 之一。对于大型电力变压器进行温升试验，可验证变压器在额定工作条件下，主体总损耗产 生的热量与散热装置达到热平衡的温度是否符合标准及技术协议的要求，并验证变压器产 品结构的合理性，发现油箱和结构件上的可能存在的局部过热情况。进行温升试验一般采 用短路法，即一侧绕组短路，另一侧绕组施加电压，利用变压器短路产生的损耗进行加热。 在温升试验时，需测量和监控绕组的实时温度。目前，并没有简便的方法实现绕组温度的实 时监控。常用的方法是在温升试验结束后测量绕组的热态电阻，折算出绕组的温度，但是 这种方法不具备实时性。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的上述不足，本发明提出一种简易且具备实时性的变压器温升试验 时绕组温度实时监测装置及方法。
[0004] 本发明采取的技术方案是：
[0005] -种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置，包括电源、变压器、电压互感器、 第一电流互感器、第二电流互感器以及绕组温度实时监测装置，变压器的一侧绕组施加电 压作为加压侧绕组，另一侧绕组短接作为短路侧绕组，所述电源的输出端与变压器加压侧 绕组连接，电压互感器用于监测变压器加压侧绕组的两端电压U 1，第一电流互感器、第二电 流互感器分别用于测量变压器加压侧、短路侧绕组中流过的电流Ip I2 ;所述电压互感器、 第一电流互感器、第二电流互感器的信号输出端与绕组温度实时监测装置连接，所述绕组 温度实时监测装置用于根据变压器各个绕组在80°C时的电阻值R、各绕组额定电压U n、短路 电压百分比uk，按照公式? 、·ιι. %'f -/? 2/2;γ/计算各个绕组的漏电感U、L2，其中f = 50Hz，并求得I1U2对时间的导数7>P/2，还用于在Imin内改变外施电压U 1后，将两次获得 的电压U1、电流I1U2以及&和/2，分别代入公式
[0006] U ,=OMHI1R 10\+0.0032^121 ^1,+0.752(/^ l0+kl2R 20)+I* L I2 L 2
[0007] 得到当前状态下变压器各绕组的实时温度T1和T2，其中R ltl和R2tl分别为变压器两 个绕组80°C时的电阻值，T1为加压侧绕组的温度，T 2为短路侧绕组的温度。
[0008] 进一步的，所述绕组温度实时监测装置包括采样滤波单元、微分运算单元和处理 分析单元，所述电压互感器、第一电流互感器、第二电流互感器的信号输出端与采样滤波单 元的输入端连接，采样滤波单元的第一输出端与处理分析单元连接，采样滤波单元的第二 输出端与微分运算单元的输入端连接，微分运算单元的输出端与处理分析单元连接。
[0009] 进一步的，加压侧绕组的两端电压U1以及加压侧、短路侧绕组中流过的电流Ip I2 经过采样滤波单元采样滤波后输出给处理分析单元，微分运算单元用于将加压侧、短路侧 绕组中流过的电流Ip I2经过采样滤波单元采样滤波后进行求导得到&、/2，然后输送至 处理分析单元，所述处理分析单元用于接收外部输入的各个绕组在80°C时的电阻值R、各 绕组额定电压Un、短路电压百分比uk，按照公式i = .. ·ιι: %'j: - f /2幻_计算各个绕组的 漏电感L1、L2，其中f = 50Hz，还用于在Imin内改变外施电压U1后，将两次获得的电压U1、 电流I:、I2以及八和/2，分别代入公式
[0010] U ,=OmsniR ^+Omsikl2R ^+0.1520^ l0+U2R 10)+l\ L I2 L 2
[0011] 得到当前状态下变压器各绕组的实时温度T1和τ2。
[0012] 一种变压器温升试验时绕组温度实时监测方法，包括如下步骤：
[0013] 步骤一、根据变压器出厂铭牌参数，得到变压器各个绕组在80°C时的电阻值R、各 绕组额定电压U n、短路电压百分比Uk;
[0014] 步骤二、根据公式i =yj(U ^UiVof-R2 /?π)'计算各个绕组的漏电感L1、L2 ;
[0015] 步骤三、进行变压器短路试验，在初始时刻测量并记录下外施短路电压U1，两个绕 组流过的电流Ii、I 2，同时求得Ii、I2对时间的导数/^ρ/2 ;
[0016] 步骤四、在Imin内，改变外施短路电压U1，重复步骤三，得到此时的Ip 12、 1\、
[0017] 步骤五、将两次测量得到的Ip 12、&、/2，分别代入公式
[0018] U ,=OMSHiR ^+0.003211^ ^+0.1520^ l0+U2R 20)+l\ L^kl2L2,
[0019] 即可分别求得当前状态下两个绕组的温度T1和T2，其中R ltl和R2tl分别为变压器两 个绕组80°C时的电阻值，T1为加压侧绕组的温度，T 2为短路侧绕组的温度。
[0020] 本发明以变压器绕组温度直接关联的绕组电阻为参量，建立变压器温升试验时的 等效电路方程，在很短时间内改变外施的短路电压U 1，监测两个绕组中的电流I1和I2的变 化，并将检测到的U1U 1U2值代入等效电路方程模型中，近似求解计算得到各个绕组的实时 温度，相比现有技术具有如下有益效果：
[0021] (1)提供了一种便捷的变压器绕组温度实时监测装置及方法；
[0022] (2)有利于在变压器进行温升试验时快速测量并分析计算出绕组温度，对控制温 升试验过程大有裨益。
[0023] (3)只需根据短路试验过程中的电压、电流固有参量，即可计算；不需要再增加额 外的测量工作，实现起来简单、快速、方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是本发明变压器温升试验时绕组温度实时监测装置的结构示意图。
[0025] 图中：1-电源，2-变压器，3-电压互感器，4一电流互感器，5-第二电流互感器， 6-绕组温度实时监测装置，61-采样滤波单元，62-微分运算单元，63-处理分析单元。
【具体实施方式】
[0026] 以下以双绕组变压器为例，对技术方案做进一步说明：
[0027] 变压器温升试验时，一侧绕组加压，另一侧绕组短路，此时回路可由下述两式描述 为：
[0028] [/ 广/，i ^ A1 式⑴
[0029] Ar2O2=IJ2(T2)+/^!,式⑵
[0030] 式（1)中，U1为加压侧绕组上的外施电压，Ip R1(T1)、Lp Np O1分别为加压侧绕 组的电流、电阻、电感、线圈匝数、磁通；八为电流I1对时间的导数；电阻R 1 (T1)与绕组温度 T1有关，为温度T1的函数，Tl为加压侧绕组的温度，12、R 2(T2)、L2、Ν2、Φ2为短路侧绕组的 电流、电阻、电感、线圈匝数、磁通；/ 2为电流I2对时间的导数；阻R2 (T2)与绕组温度T2关， 为温度T2函数，T2为短路侧绕组的温度，
[0031] 由于大型电力变压器均为强耦合，磁通耦合系数应为1，故有O1 = φ2。同时，变 压器的变比k = N1ZiN2，则式（1)和式（2)可合并简化为：
[0032] U ,=Z1^1CTLL2 式⑶
[0033] 变压器的绕组电阻是温度T1的函数，其表达式可写为：
[0034] R1(T1) = R1 (80 0C ) · (235+^)/(235+80) = 3. 2E-03 · R1 (80 °C ) · (235+^)式 (4)
[0035] 同理，有：
[0036] R2(T2) ==3. 2E-03 · R2 (80 °C ) · (235+T2)式（5)
[0037] 其中，RjSOt： )、R2(80°C )为绕组80°C时的电阻值，可在变压器铭牌参数中获得。
[0038] 电感L实质上为变压器漏电感，与电压、电流、温度无关，是固定量，可根据变压器 铭牌参数，通过下式计算：
[0039] L = ^(L -R 2 jlK J 式（6)
[0040] 其中，Un为变压器额定电压，uk为短路电压百分比，f为频率（50Hz)，R为该侧绕 组的电阻，一般为20°C时的值，可在变压器出厂铭牌参数中获得。电感L 1和L2均可利用式 (6)计算出来。
[0041] 结合式⑷?式（6)，式（3)可写成：
[0042] U ,=0.00321 ^ J0T1 +0.00321-12R 20T2 +0.752(1 ^ 10 +H J 20)+1\ 式（7)
[0043] 式（7)中，Rltl和R2tl分别为变压器两个绕组80°C时的电阻值。L 1和L2根据式（6) 计算可得。Up Ip I2可利用电压互感器、电流互感器配合功率分析仪或示波器测量得到，I1 和I2可通过对电流的连续监测实时求导得到。故式（7)中只剩下T1和T2两个未知量。为 求解!^和'，可在很短时间（1分钟）内改变外施电压U1，由于时间很短，绕组来不及散热， 可认为绕组温度变换很缓慢，由此可得到第二组Up Ip I2，可计算得到当前两个绕组的实时 温度。
[0044] 如图1所示，本发明提供一种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置，包括电 源1、变压器2、电压互感器3、第一电流互感器4、第二电流互感器5以及绕组温度实时监测 装置6,变压器2的一侧绕组施加电压作为加压侧绕组，另一侧绕组短接作为短路侧绕组。
[0045] 所述电源1的输出端与变压器2加压侧绕组连接，所述电源1用于施加电压至变 压器2加压侧绕组两端；所述变压器2短路侧绕组短接。电压互感器3与变压器2的加压 侧绕组并联连接，用于监测变压器2加压侧绕组的两端电压U 1 ;第一电流互感器4、第二电 流互感器5分别与所述变压器2的加压侧绕组和短路侧绕组串联连接，分别用于测量变压 器2加压侧、短路侧绕组中流过的电流Ip I2。所述电压互感器3、第一电流互感器4、第二 电流互感器5的信号输出端与绕组温度实时监测装置6连接，所述绕组温度实时监测装置 6用于根据电压互感器3和第一电流互感器4、第二电流互感器5获得的电压电流，经过运 算分析，得到变压器3各绕组的实时温度。
[0046] 所述绕组温度实时监测装置6包括采样滤波单元61、微分运算单元62和处理分析 单元63,所述电压互感器3、第一电流互感器4、第二电流互感器5的信号输出端与采样滤波 单元61的输入端连接，采样滤波单元61的第一输出端与处理分析单元63连接，采样滤波 单元61的第二输出端与微分运算单元62的输入端连接，微分运算单元62的输出端与处理 分析单元63连接。
[0047] 所述采样滤波单元61用于对电压互感器3和第一电流互感器4、第二电流互感器 5传送过来的电压信号U 1和电流信号Ip I2进行滤波和采样。滤波是为了消除电压和电流 信号中的噪声及干扰，采样是为了实现电压电流的连续监测，并将模拟信号转换为数字信 号。
[0048] 转换为数字信号后的电流I1和I2，所述采样滤波单元61将其通过第二输出端分 别输入微分运算单元62进行求导，得到(、/ 2。
[0049] 所述米样滤波单兀6的输出信号Up Ip I2通过第一输出端输出给处理分析 单元63,微分运算单元62的输出信号&、/2，分别进入处理分析单元63,同时，变压 器的铭牌信息中的各个绕组在80°C时的电阻值R(80°C )、各绕组额定电压仏、短路电 压百分比Uk也通过手动录入的方式进入处理分析单63。处理分析单元63根据公式 L = f Hi %f /ζ,τ/计算出各个绕组的漏电感L，同时实时存储Up Ip 12、人、/2信 号。
[0050] 在进行温升试验时，先记录初始时刻t0下的U1, Ip 12、(、/2信号； 然后立刻改变加在变压器2两端的电压U1，通过绕组温度实时监测装置5获 得此刻tl下的Up Ip 12、&、/2信号，然后将两组数据联立起来，解方程式 ?/ ^0.0032! J ω?；+0.0032?./25 2QT2+0.752G J lfl+?!2i? 2Q)+A i jn: ? 2，即可得到 11 时刻的各个 绕组的温度值。
[0051] 由于绕组温度实时监测装置5利用电压互感器3和电流互感器（4、5)可实时获得 温升试验任何时刻的电压和电流信号，因此，在温升试验时，利用本发明提供的技术方案即 可实现对各绕组温度的实时监测与估算。
[0052] 本发明还提供一种变压器温升试验时绕组温度实时监测方法，包括如下步骤：
[0053] 步骤一、根据变压器出厂铭牌参数，得到变压器各个绕组在80°C时的电阻值 R(80°C )、各绕组额定电压Un、短路电压百分比Uk ;
[0054] 步骤二、根据公式? = ^(?/ , .Ui %)2 -R 2 jin f计算各个绕组的漏电感L ;
[0055] 步骤三、进行变压器短路试验，在初始时刻测量并记录下外施短路电压U1，两个绕 组流过的电流Ip I2，同时利用测量系统的微分运算功能，求得Ip I2对时间的导数^和/2 ;
[0056] 步骤四、在Imin内，改变外施电压U1，重复步骤三，得到此时的Ip 12、&、/2 ;
[0057] 步骤五、将两次测量得到的In 12、&、/2，分别代入公式 (/ i =0.0032/J1QT；+0.0032(/2i? MT2+0.752(/J ω+H2i? 2。)+& ? i 2，即可分别求得当前状态 下两个绕组的温度T1和T2。
[0058] 本发明相比现有技术的有益效果是：
[0059] (1)提供了一种便捷的变压器绕组温度实时监测装置及方法；
[0060] (2)有利于在变压器进行温升试验时快速测量并分析计算出绕组温度，对控制温 升试验过程大有裨益。
[0061] (3)只需根据短路试验过程中的电压、电流固有参量，即可计算；不需要再增加额 外的测量工作，实现起来简单、快速、方便。
[0062] 以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 属于本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应 涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1. 一种变压器温升试验时绕组温度实时监测装置，其特征在于：包括电源（I)、变压器 (2)、电压互感器（3)、第一电流互感器（4)、第二电流互感器（5)以及绕组温度实时监测装 置（6)，变压器（2)的一侧绕组施加电压作为加压侧绕组，另一侧绕组短接作为短路侧绕 组，所述电源（1)的输出端与变压器（2)加压侧绕组连接，电压互感器（3)用于监测变压 器（2)加压侧绕组的两端电压U1，第一电流互感器（4)、第二电流互感器（5)分别用于测量 变压器（2)加压侧、短路侧绕组中流过的电流I1U2 ;所述电压互感器（3)、第一电流互感器 (4)、第二电流互感器（5)的信号输出端与绕组温度实时监测装置（6)连接，所述绕组温度 实时监测装置（6)用于根据变压器各个绕组在80°C时的电阻值R、各绕组额定电压Un、短路 电压百分比uk，按照公式i=^(U^ul0Zo)2 -R2 /2π(计算各个绕组的漏电感U、L2，其中f= 50Hz，并求得I1U2对时间的导数^和/2，还用于在Imin内改变外施电压U1后，将两次获得 的电压U1、电流IpI2以及&和^2，分别代入公式 U,=OMSII1R^^+0.0032?-/^ ^1,+0.752(1^l0+kI2R20)+I*L^kf2L2 得到当前状态下变压器（3)各绕组的实时温度T1和T2，其中Rltl和R2tl分别为变压器两 个绕组80°C时的电阻值，T1为加压侧绕组的温度，T2为短路侧绕组的温度。
2. 如权利要求1所述的变压器温升试验时绕组温度实时监测装置，其特征在于：所述 绕组温度实时监测装置（6)包括采样滤波单元（61)、微分运算单元（62)和处理分析单元 (63)，所述电压互感器（3)、第一电流互感器（4)、第二电流互感器（5)的信号输出端与采样 滤波单元￠1)的输入端连接，采样滤波单元￠1)的第一输出端与处理分析单元￠3)连 接，采样滤波单元￠1)的第二输出端与微分运算单元￠2)的输入端连接，微分运算单元 (62)的输出端与处理分析单元（63)连接。
3. 如权利要求2所述的变压器温升试验时绕组温度实时监测装置，其特征在于：加压 侧绕组的两端电压U1以及加压侧、短路侧绕组中流过的电流IpI2经过采样滤波单元（61) 采样滤波后输出给处理分析单元￠3)，微分运算单元￠2)用于将加压侧、短路侧绕组中流 过的电流I1U2经过采样滤波单元（61)采样滤波后进行求导得到&、/2，然后输送至处理 分析单元￠3)，所述处理分析单元￠3)用于接收外部输入的各个绕组在80°C时的电阻值 R、各绕组额定电压Un、短路电压百分比uk，按照公式￡ ...u%)2 -/； ::/2;Π计算各个绕 组的漏电感U、L2，其中f= 50Hz，还用于在Imin内改变外施电压仏后，将两次获得的电压 U1、电流I2以及八和/2，分别代入公式 U^0.0032/,/；,^+0.0032( /J ^12+0.752(1^l0+U2R I2L2 得到当前状态下变压器（3)各绕组的实时温度T1和T2。
4. 一种变压器温升试验时绕组温度实时监测方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤一、根据变压器出厂铭牌参数，得到变压器各个绕组在80°C时的电阻值R、各绕组 额定电压Un、短路电压百分比Uk ; 步骤二、根据公式i=^{1 -R1 /?π]计算各个绕组的漏电感LpL2 ; 步骤三、进行变压器短路试验，在初始时刻测量并记录下外施短路电压U1，两个绕组流 过的电流I2，同时求得I2对时间的导数/^ρ/2 ; 步骤四、在Imin内，改变外施短路电压U1，重复步骤三，得到此时的Ip 12、(、/2;步骤五、将两次测量得到的Ip12、^、/2，分别代入公式 U!=0.0032/^ ^^+0.003211^ 20T2+0.752(/^l0+kl2R20)+l\L^kl2L2, 即可分别求得当前状态下两个绕组的温度T1和T2，其中Rltl和R2tl分别为变压器两个绕 组80°C时的电阻值，Tl为加压侧绕组的温度，T2为短路侧绕组的温度。
【文档编号】G01K7/00GK104316207SQ201410601566
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】金涛, 汪涛, 汪发明, 贺家慧, 高得力, 谢齐家, 蔡成良 申请人:国家电网公司, 国网湖北省电力公司电力科学研究院