本发明属于变压器技术领域，尤其是一种强迫油循环风冷饼式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法。
背景技术
变压器运行温度对于判断变压器运行状态和绝缘老化程度具有重要作用，是变压器运维中需要密切关注的一项指标。由于强迫油循环风冷饼式绕组变压器绕组包裹于油纸绝缘系统中，其温度难以通过普通温度计测量。目前，常用的变压器绕组测温装置有两种，一种是在变压器内置光纤光栅等测温装置，直接测量绕组部位温度，此种方式测量准确，但结构复杂，影响变压器的绝缘、密封性能；另一种是通过“热模拟”的方法间接测量绕组温度，通过测量变压器表层油温和绕组电流，计算出绕组部位温度，此种方法易于实现，但是由于仅考虑了绕组电流的影响，测量误差较大。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、精度高且使用方便的强迫油循环风冷饼式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种强迫油循环风冷饼式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法，包括以下步骤：
步骤1、将强迫油循环风冷变压器饼式绕组温度测控器与安装在强迫油循环风冷饼式绕组变压器上的油面温度计、电流互感器、环境温度计、风冷控制器、油泵控制器连接在一起并实时采集相应的数据，同时输入变压器结构参数、绕组类型、结构尺寸参数；
步骤2、建立强迫油循环风冷饼式绕组变压器绕组与变压器油之间的热平衡方程；
步骤3、采用如下公式计算强迫油循环风冷饼式绕组变压器的绕组温度：
θw＝θo+δθα+δθβ
式中，θw表示绕组温度，θo表示表层油温，δθα表示绕组对内层油的平均温升，δθβ表示内层油对表层油的平均温升；其中：
所述δθα计算方法为：
δθα＝δθa+δθb
式中，δθa表示绕组对内层油的平均温升估算值，δθb表示绕组绝缘对内层油温升的校正值；
所述δθa的计算方法为：
δθa＝0.159q0.7
式中，q表示绕组单位面积热负荷；
所述δθb的计算方法为：
δθb＝k5q
式中，k5为绕组绝缘对油温升的校正系数；
所述δθβ计算方法为：
δθβ＝0.229p0.8+(θa-θo)0.6
式中，p为变压器油箱有效散热面积的单位面积热负荷，θa为外界空气温度；
式中，p0和pk分别为变压器空载损耗和负载损耗，s1、s2和s3分别为油箱顶盖有效散热面积、箱壁有效散热面积和冷却器有效散热面积；
k6为与冷却器风机、潜油泵运行情况相关的系数，其计算公式如下：
式中n为风机总数，n1为当前运转风机数，m为潜油泵总数，m1为当前运转潜油泵数。
所述步骤3后还包括如下步骤：强迫油循环风冷变压器饼式绕组温度测控器根据步骤3的计算结果，将绕组温度通过表头进行本地显示，或者通过远程显示装置进行远程显示。
所述强迫油循环风冷变压器饼式绕组温度测控器包括压电信号处理器、ct二次电流变送器、绕组温度计算模块和绕组温度控制模块，该压电信号处理器的输入端与油面温度计及环境温度计相连接接收来自于变压器顶层油温和来自于端子箱内环境温度计的外界气温，所述ct二次电流变送器与电流互感器相连接并接收来自于变压器套管的绕组电流；所述压电信号处理器、ct二次电流变送器的输出端连接绕组温度计算模块，该绕组温度计算模块还连接风冷控制器和油泵控制器分别接收风冷控制器的风扇运行数据以及潜油泵运行情况，绕组温度计算模块还接收变压器结构参数、绕组类型、结构尺寸参数进行绕组温度计算；所述绕组温度计算模块的输出端与绕组温度控制模块相连接，该绕组温度控制模块与表头、远程显示装置及变压器保护装置相连接，通过表头和远程显示装置在就地和远方显示绕组温度，同时在绕组温度达到不同级别告警值时向变压器保护装置发出不同信号。
所述步骤2建立的热平衡方程为：
m1c1δθ1+(δθ1-δθ2)a1k1dt＝p1dt
m2c2δθ2+δθ2a2k2dt＝(δθ1-δθ2)a1k1dt
上式中，下标1和2分别表示绕组和变压器油，m表示重量，c表示比热容，k表示总传热系数，δθ表示温升，dt表示时间的微分，a表示对流表面积，p表示损耗功率。
所述绕组单位面积热负荷q的计算方法为：
其中，k1为线饼温度系数，在85℃时，铜导线k1＝22.1，铝导线k1＝36.8
k2为线匝绝缘校正系数，
i为线饼中通过的电流，γ为线饼中的电流密度，n为线饼的匝数，k3为导线的遮盖系数，
k4为导线中的附加损耗百分数，l为线饼外表面的周长，
l＝2(na1+b1)
上式中，a1为饼式绕组带绝缘导线厚度，b1为饼式绕组带绝缘导线宽度，n为线饼中并列导线根数；
绕组绝缘对油温升的校正系数k5的计算方法为：
k5＝30.257(a1-a+2c)-12.855。
本发明的优点和效果：
本发明针对强迫油循环风冷饼式绕组变压器的特点，在现有测量变压器表层油温、绕组电流的基础上，还考虑了变压器结构形式、饼式绕组结构和尺寸、冷却方式及强油循环风冷冷却器运行情况，建立了新的绕组温度计算方法，使得对变压器各类工况下绕组温度的测量更加准确，基于绕组温度发出的各类超温报警和跳闸信号更加及时可靠，有利于变压器运维人员及时掌握变压器运行状态，也为变压器绝缘老化的精确评估评估建立了基础。
附图说明
图1是本发明使用的变压器绕组测温系统原理图；
图2是强迫油循环风冷变压器饼式绕组温度测控器的电控原理图；
图3是强迫油循环风冷饼式绕组变压器的绕组示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
一种强迫油循环风冷饼式绕组变压器的非侵入式绕组测温方法，是在如图1所示的绕组测温系统上实现的，在强迫油循环风冷饼式绕组变压器上安装有变压器升高座3、变压器套管1、端子箱10、冷却器控制箱9、冷却器6、风扇7、潜油泵8、温度计油杯5。所述端子箱和冷却器控制箱安装在变压器侧壁上，在端子箱内安装有强迫油循环风冷变压器饼式绕组温度测控器和环境温度计，在端子箱表面上安装有表头11，在冷却器控制箱内安装有风冷控制器和油泵控制器，风冷控制器和油泵控制器分别控制风扇和潜油泵给冷却器降温。所述温度计油杯安装在变压器顶盖处且其内部安装有油面温度计4，在变压器套管上安装有电流互感器2。强迫油循环风冷变压器饼式绕组温度测控器是绕组测温系统的核心部分，该强迫油循环风冷变压器饼式绕组温度测控器与电流互感器、油面温度计、风冷控制器、油泵控制器、表头、远程显示装置12相连接，其中表头用于本地显示，远程显示装置安装于变电站主控室或集成于后台监控装置内用于远程显示。
如图2所示，强迫油循环风冷变压器饼式绕组温度测控器包括压电信号处理器、ct二次电流变送器、绕组温度计算模块、绕组温度控制模块，该压电信号处理器的输入端与油面温度计及环境温度计相连接接收来自于油面温度计的变压器顶层油温和来自于端子箱内环境温度计的外界气温，所述ct二次电流变送器与电流互感器相连接并接收来自于变压器套管的绕组电流；所述压电信号处理器、ct二次电流变送器的输出端连接绕组温度计算模块，该绕组温度计算模块还连接风冷控制器和油泵控制器分别接收风冷控制器的风扇运行数据以及潜油泵运行情况，绕组温度计算模块还接收变压器结构参数、绕组类型、结构尺寸等参数进行绕组温度计算。所述绕组温度计算模块的输出端与绕组温度控制模块相连接，该绕组温度控制模块与表头、远程显示装置及变压器保护装置相连接，通过表头和远程显示装置在就地和远方显示绕组温度，同时在绕组温度达到不同级别告警值时向变压器保护装置发出不同信号。
图2给出的油面温度计信号采集和就地显示只是其中一种方式，其连接方式适用于油面温度计温包采用毛细管形式，就地显示表头采用数字显示方式。还可以采用其他方式
(1)油面温度计温包采用铂电阻形式，就地显示表头采用数字显示方式，此时油面温度计与强迫油循环风冷变压器饼式绕组温度测控器直连，无需经过压电变送器；
(2)油面温度计温包采用毛细管形式，就地显示表头采用机械指针方式，此时油面温度计分出两路信号，一路经压电变送器进入强迫油循环风冷变压器饼式绕组温度测控器，一路接表头，表头不再接收强迫油循环风冷变压器饼式绕组温度测控器输出信号。
基于上述绕组测温系统，本发明的测温方法包括以下步骤：
步骤1、将强迫油循环风冷变压器饼式绕组温度测控器与安装在强迫油循环风冷饼式绕组变压器上的油面温度计、电流互感器、环境温度计、风冷控制器、油泵控制器连接在一起并实时采集相应的数据，同时输入变压器结构参数、绕组类型、结构尺寸参数。
步骤2、建立强迫油循环风冷饼式绕组变压器绕组与变压器油之间的热平衡方程。
由于变压器的温升和散热是一个动态稳定系统，该系统包含绕组、铁心和变压器油三种主要物质以及纸板等其他绝缘材料、变压器外壳及外部空气。该系统中，铁心和绕组均为热源，分别由变压器空载损耗和负载损耗构成。铁心和绕组之间有绝缘，在此处忽略他们之间的热交换，仅考虑绕组-变压器油的热循环系统。在绕组最热点与绕组外部，通过热传导传热；在绕组与变压器油之间，通过对流传热；在内层油与表层油之间，通过对流传热。绕组与变压器油之间的热平衡方程为：
m1c1δθ1+(δθ1-δθ2)a1k1dt＝p1dt
m2c2δθ2+δθ2a2k2dt＝(δθ1-δθ2)a1k1dt
上述热平衡方程中，下标1和2分别表示绕组和变压器油。m表示重量，c表示比热容，k表示总传热系数，δθ表示温升，dt表示时间的微分，a表示对流表面积，p表示损耗功率。
在饼式绕组变压器中，既有垂直油道，又有水平油道，因此传热系数k与油流的流动情况有关，即与油道高度(宽度)、绕组辐向尺寸、单位面积热负荷、散热形式和外部气温有关；损耗功率p以铜损为主，因此与绕组电流有关。
步骤3、采用如下公式计算强迫油循环风冷饼式绕组变压器的绕组温度：
θw＝θo+δθα+δθβ
式中，θw表示绕组温度，θo表示表层油温，δθα表示绕组对内层油的平均温升，δθβ表示内层油对表层油的平均温升。
(1)绕组对内层油的平均温升δθα计算方法为：
δθα＝δθa+δθb
式中，δθa表示绕组对内层油的平均温升估算值，δθb表示绕组绝缘对内层油温升的校正值。
①绕组对内层油的平均温升估算值δθa的计算方法为：
对于强迫油循环风冷饼式绕组变压器，有：
δθa＝0.113q0.7
式中q表示绕组单位面积热负荷，按下式计算：
其中k1为线饼温度系数，在85℃时，铜导线k1＝22.1，铝导线k1＝36.8
k2为线匝绝缘校正系数，
i为线饼中通过的电流
γ为线饼中的电流密度
n为线饼的匝数
k3为导线的遮盖系数，
k4为导线中的附加损耗百分数；
l为线饼外表面的周长，l＝2(na1+b1)
a1和b1为饼式绕组尺寸参数。饼式绕组的剖视图如图3所示。图中a为绕组裸导线厚度，a1为绕组带绝缘导线厚度，b1为绕组带绝缘导线宽度，c为附加绝缘厚度，a为线饼宽度，n为线饼中并列导线根数。
②绕组绝缘对内层油温升的校正值δθb的计算
δθb＝k5q
k5为绕组绝缘对油温升的校正系数，k5＝30.257(a1-a+2c)-12.855
(2)内层油对表层油的平均温升δθβ计算
对于强迫油循环风冷变压器
δθβ＝0.183p0.8+(θa-θo)0.85
式中，p为变压器油箱有效散热面积的单位面积热负荷，θa为外界空气温度
式中p0和pk分别为变压器空载损耗和负载损耗，s1、s2和s3分别为油箱顶盖有效散热面积、箱壁有效散热面积和冷却器有效散热面积
k6为与冷却器风机、潜油泵运行情况相关的系数，
式中n为风机总数，n1为当前运转风机数，m为潜油泵总数，m1为当前运转潜油泵数。
步骤4、强迫油循环风冷变压器饼式绕组温度测控器根据计算结果，将绕组温度通过表头进行本地显示，或通过远程显示装置进行远程显示。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。