Розуміння тиску, опору та волоконно-оптичних термометрів

Надійна робота Масляний трансформатор значною мірою залежить від стабільності температури його внутрішньої ізоляційної оливи та обмотки. Перегрів є основною причиною прискореного старіння ізоляції, погіршення продуктивності та, зрештою, відмов. Тому моніторинг температури є одним з найважливіших аспектів експлуатації та обслуговування трансформатора. Від традиційних механічних циферблатів до сучасних інтелектуальних волоконно-оптичних систем, історія розвитку термометрів – це еволюція технології моніторингу трансформаторів від пасивного спостереження до активного раннього попередження.

 

У цій статті буде систематично описано поширені типи термометрів, що використовуються в масляних трансформаторах, та надано поглиблений аналіз їхніх принципів роботи та сценаріїв застосування.

 

Розділ 1: «Родинне дерево» термометрів – детальний огляд трьох основних типів

Залежно від принципів вимірювання та місця встановлення, термометри для масляних трансформаторів поділяються на три категорії. Разом вони утворюють тривимірну мережу моніторингу від температури верхньої частини оливи до гарячих точок обмотки.

 

1. Термометр тискового типу (термометр дистанційного зчитування)

Принцип роботи: Це класичний механічний прилад, що базується на тепловому розширенні/стисканні та передачі тиску рідини/газу. Система складається з трьох частин:

 

Температурна лампа (датчик): Вставляється в оливу у верхній частині бака трансформатора, заповненого температурочутливим середовищем (наприклад, рідиною, газом або рідиною з низькою температурою кипіння).

 

Капілярна трубка: довга, тонка металева трубка, що з'єднує лампочку з манометричною головкою, заповнена середовищем, що передає тиск.

 

Манометр (індикатор): Встановлюється на стінці бака трансформатора або шафи керування, можливо, за кілька метрів від лампочки. Його серцевиною є трубка Бурдона – вигнута, еластична металева трубка. Коли лампочка нагрівається, зміна внутрішнього тиску передається через капіляр на трубку Бурдона, що призводить до її деформації. Ця деформація переміщує стрілку через механізм з'єднання, показуючи температуру.

 

Ключові характеристики:

 

Чисто механічний, не потребує зовнішнього живлення, відмінна стійкість до електромагнітних перешкод, дуже висока надійність.

 

Вимірювальну головку можна встановити дистанційно для зручного локального зчитування показників.

 

Зазвичай оснащений 1-2 регульованими контактами для функцій сигналізації перегріву та відключення.

 

Точність і швидкість відгуку відносно нижчі порівняно з електронними типами, а капілярна трубка схильна до механічних пошкоджень.

 

Типове застосування: Основний пристрій моніторингу та сигналізації температури верхнього шару оливи, майже стандартна функція на всіх масляних трансформаторах.

 

2. Резистивний температурний детектор (RTD, наприклад, PT100)

Принцип роботи: Засновано на властивості, що опір провідника змінюється з температурою. Найпоширенішим чутливим елементом є платиновий термометр опору, де PT100 позначає опір 100 Ом за 0°C. Його опір змінюється точно та лінійно з температурою.

 

Компоненти системи:

 

Платиновий зонд RTD: встановлений у термометрічному отворі у верхній частині трансформатора, занурений в олію.

 

Вимірювальний міст і передавач: часто інтегровані в інтелектуальний блок керування. Точна схема вимірює опір PT100 і перетворює його на стандартний струмовий сигнал 4-20 мА або цифровий сигнал.

 

Ключові характеристики:

 

Висока точність вимірювання, сигнали можуть передаватися на великі відстані, хороша завадостійкість.

 

Вихідний сигнал – це стандартний електричний сигнал, який легко інтегрується з платформами автоматизації, такими як SCADA (системи диспетчерського керування та збору даних) та DCS (системи розподіленого керування) для віддаленого централізованого моніторингу.

 

Часто встановлюється разом із термометром тискового типу, слугуючи резервним або високоточним засобом дистанційного моніторингу та реєстрації температури оливи.

 

Типове застосування: Використовується для дистанційної передачі та цифрового моніторингу температури верхнього шару оливи, що є основою сучасних автоматизованих підстанцій без обслуговування.

 

3. Система вимірювання температури обмотки оптоволоконного кабелю (найсучасніше пряме вимірювання "гарячих точок")

Принцип роботи: Наразі це найпряміша та найсучасніша технологія моніторингу температури обмоток. Вона базується на фізиці волоконних брэгівських решіток.

 

Датчик на основі волоконної брагівської ґратки (FBG): періодична зміна показника заломлення (ґратка) записується на сегмент спеціального оптичного волокна за допомогою лазера. Його ключова властивість: світло певної довжини хвилі (довжина хвилі Брагга) відбивається, і ця відбита довжина хвилі лінійно зміщується зі змінами температури (або деформації) в місці розташування ґратки.

 

Процес вимірювання: Гнучкий волоконно-оптичний кабель, вбудований кількома датчиками FBG, безпосередньо попередньо вбудовується між шарами ізоляції високовольтних обмоток у передбачуваних точках найгарячішого стану під час виробництва трансформатора. Система випромінює широкосмугове світло, і, аналізуючи конкретну довжину хвилі, відбиту від кожної решітки, вона може точно та в режимі реального часу отримувати абсолютну температуру в різних точках обмотки.

 

Ключові характеристики:

 

Пряме вимірювання температури гарячої точки обмотки, а не непряма оцінка. Дані є найбільш достовірними та надійними.

 

Іскробезпечний: Оптичне волокно виготовлене з кремнезему, є ізоляційним, стійким до високої напруги та електромагнітних перешкод, стабільно працює в сильних електромагнітних полях.

 

Розподілене вимірювання: одне волокно може містити десятки точок вимірювання, що дозволяє створити повну теплову карту обмотки.

 

Ключовий фактор для оцінки "динамічного рейтингу" трансформатора та терміну служби.

 

Типове застосування: Великі, критично важливі трансформатори (наприклад, надвисокої напруги, перетворювальні трансформатори), інтелектуальні підстанції, що потребують керування навантаженням.

 

Розділ 2: Роз'яснення ключових концепцій – температура верхнього шару оливи проти температури обмотки

Це ключова концепція та відправна точка для вибору типів термометрів.

 

Температура верхньої частини бака: Вимірює температуру оливи у верхній частині бака. Вона відображає загальне теплове навантаження трансформатора, але має тепловий лаг. При зміні навантаження температура обмотки змінюється швидше, а потім температура оливи. Це вимірюють термометри тиску та термометри зі збігом температур.

 

Температура гарячої точки обмотки: стосується найгарячішої точки всього трансформатора, зазвичай розташованої у верхній частині низьковольтної обмотки. Це найважливіший параметр, що визначає швидкість старіння ізоляції та навантажувальну здатність. Традиційні методи не можуть виміряти її безпосередньо, натомість вони покладаються на індикатор температури обмотки (WTI), який моделює/оцінює її за допомогою «корекції температури верхнього шару оливи + струму». Вимірювання за допомогою волоконно-оптичних методів – єдина технологія, яка може безпосередньо та точно виміряти її.