变压器绕组热点温度监测标准和规范2025年版完整指南
1、相关标准与导则
金彩汇国际上主要由IEEE (电气和电子工程师协会) 和IEC (国际电工委员会) 两个标准化组织制定与变压器热点温度监测和负载相关的标准与导则。这些标准为变压器的设计、测试、运行和维护提供了重要的技术依据。
1.1 IEEE标准
1.1.1 IEEE C57.91 《油浸式变压器和有载调压分接开关负载导则》
金彩汇IEEE C57.91是北美地区广泛采用的关于油浸式变压器负载能力评估和热点温度计算的核心标准。其主要内容包括：
- 热模型：提供了计算变压器顶层油温 (Top Oil Temperature, TOT) 和绕组热点温度 (HST) 的数学模型。这些模型基于变压器的设计参数 (如损耗、油量、散热方式等)、负载电流和环境温度。该标准允许用户根据变压器的具体设计参数计算定制化的额定值，从而更充分地利用变压器容量。
- 绝缘老化评估：标准中包含了评估绝缘老化速率的方法，引入了老化加速因子 (Aging Acceleration Factor, FAA) 的概念，用于量化不同热点温度下绝缘材料相对于基准温度 (通常为110°C) 的老化速度。还定义了单位寿命 (per-unit life) 的概念，用于估算在特定负载和温度条件下的寿命损耗。
- 负载指南：为正常负载、计划性过载以及短期和长期紧急过载情况下的运行提供了指导原则和限值。这些指导考虑了环境温度补偿和不同冷却方式的影响。
- 持续修订：IEEE C57.91标准会定期进行修订，以纳入最新的研究成果和技术进展。例如，该标准正在进行重大修订，包括更新其主要热模型，并计划提供开源代码以方便用户使用。
1.2 IEC标准
1.2.1 IEC 60076-2 《电力变压器 第2部分：液浸式变压器的温升》
IEC 60076-2规定了液浸式变压器的温升限值和温升试验方法。
- 温升限值：标准规定了在额定负载和规定环境条件下，变压器各部件 (如绕组平均温升、顶层油温升) 的允许温升值。
- 热点温度估算：对于热点温度，IEC标准通常认为热点温度比绕组平均温度高出一定裕度。例如，有提及热点温度通常比绕组平均温度高13°C。该标准通过限制绕组平均温升来间接控制热点温度。根据IEC 60076-2，在40°C的最高环境温度下，最大允许绕组热点温升为78°C (其他月平均和年平均环境温度条件也有规定)。
1.2.2 IEC 60076-7 《电力变压器 第7部分：油浸式电力变压器负载导则》
IEC 60076-7是与IEEE C57.91相对应的IEC负载导则，为油浸式变压器的热性能评估和安全负载提供了详细指南。
- 热模型：该标准引入了两种热模型来计算顶层油温和绕组热点温度，以更准确地反映变压器在动态负载条件下的热行为，特别是考虑了负载变化后热点温度的瞬态“过冲”现象。
- 指数方程解模型：适用于阶跃函数式的负载变化，尤其适合制造商通过试验确定传热参数。
- 微分方程解模型：适用于任意时变的负载系数K和时变的环境温度θa，特别适用于在线监测系统。该模型是指数模型的数学变体。
- 瞬态热点温度：与旧版导则相比，新版IEC 60076-7更关注负载变化后的瞬态热点温度，认识到此时的热点温度可能高于稳态值。
- 模型参数：模型中使用的热工参数 (如热时间常数τo,τw，损耗比R，指数x, y，热特性常数k11,k21,k22等) 可以通过标准的非截尾温升试验获得。
1.3 CIGRE导则与技术手册
CIGRE (国际大电网会议) 作为一个国际性的电力系统技术组织，也发布了许多关于变压器可靠性、状态监测和资产管理的技术手册和报告。这些出版物通常包含了对最新研究成果、工程实践和故障统计的总结，为热点温度监测和变压器管理提供了有价值的参考。例如，CIGRE的变压器可靠性调查数据经常被引用，以说明温度监测不足的严重后果。
1.4 主要标准条款概要
下表总结了IEEE和IEC标准中与热点温度监测和负载相关的一些关键条款：
| 标准代号 | 标准名称 (部分) | 关键条款/内容 (关于HST/负载) | 相关性/应用 |
|---|---|---|---|
| IEEE C57.91 | 油浸式变压器负载导则 | 顶层油温和热点温度计算的热模型；绝缘老化加速因子 (FAA) 和寿命损耗估算；正常及紧急过载指南；考虑环境温度和冷却方式。 | 北美地区变压器负载能力评估、热点计算、寿命管理的主要依据。 |
| IEC 60076-2 | 电力变压器 – 液浸式变压器的温升 | 规定绕组平均温升和顶层油温升限值；通过限制平均温升间接控制热点温度；热点温升限值 (如78°C @ 40°C环温)。 | 全球范围内变压器温升设计和试验的基本标准。 |
| IEC 60076-7 | 电力变压器 – 油浸式电力变压器负载导则 | 两种热模型 (指数方程和微分方程) 用于计算TOT和HST；考虑瞬态热点温度和“过冲”效应；模型参数基于温升试验；适用于在线监测和动态负载。 | IEC体系下变压器负载能力评估和热点计算的详细指南，特别关注动态热行为。 |
| IEEE C57.12.00 | 液浸式配电、电力和调压变压器通用要求 | 定义额定值 (kVA) 与温升限值的关系；规定标准温升限值 (如65°C绕组平均温升)。 | 变压器基本额定值和温升要求的通用标准。 |
资料来源：福州华光天锐
金彩汇这些标准和导则的正确理解和应用，对于确保变压器在各种运行条件下都能安全、可靠地工作，并最大限度地发挥其使用寿命至关重要。随着监测技术和计算方法的发展，这些标准也在不断更新，以提供更精确、更实用的指导。
2. 变压器老化对热点温度的影响
变压器的老化过程对其热性能，特别是绕组热点温度，会产生显著影响。随着服役时间的增长，变压器内部的绝缘材料和冷却系统会发生劣化，导致其在相同负载和环境条件下产生更高的热点温度。
- 绝缘材料老化与散热效率下降：随着时间的推移，变压器内部的固体绝缘材料 (如绝缘纸板、隔板) 会因热老化、氧化和水解等作用而逐渐劣化，其物理和化学性质发生改变。这种劣化可能导致绝缘件收缩、变形或开裂，从而改变原有的油流通道，影响冷却油的循环和散热效率。同时，油中可能产生的油泥等老化产物也可能附着在绕组表面和散热器内壁，进一步阻碍热量传递。
- 冷却系统效率降低：对于带有强制冷却系统的变压器，风扇、油泵等部件的性能也可能随时间推移而下降。例如，风扇叶片积垢、轴承磨损可能导致风量减少；油泵效率降低则会减少油的循环流量。这些因素都会直接导致冷却能力的下降。
- 老化变压器的热点温度升高：由于上述原因，老化变压器的整体散热能力通常会弱于新变压器。因此，在承受相同负载电流时，老化变压器的绕组温升和顶层油温升往往会更高，进而导致其绕组热点温度也显著升高。一项研究对比了服役5年和20年的变压器，结果显示，在相似条件下，服役20年的变压器热点温度比服役5年的高出35%。
- 老化因子的引入：为了在热点温度计算中考虑老化效应，一些研究引入了“老化因子” (Aging Factor, A) 的概念。这个因子根据变压器的服役年限、运行历史和负载情况等经验数据进行调整，用于修正温升计算结果，从而更准确地预测老化变压器的热点温度。例如，有研究提出对于老旧变压器，老化因子A的取值范围可以在1.1到1.3之间。热点温度的计算公式可以调整为：Ths=Toil+((Twinding−Toil)⋅(1+A))，其中 Ths 是热点温度，Toil 是油温，Twinding 是绕组温度。
- 加强对老化变压器的监测：由于老化变压器更容易出现过热问题，且其绝缘系统相对脆弱，因此对其热点温度进行更密切和准确的监测尤为重要。这有助于及时发现潜在的热失控风险，采取必要的维护或降负荷措施，避免加速老化或引发故障。
理解并量化老化对变压器热点温度的影响，对于制定合理的维护策略、评估剩余寿命以及决定是否需要对老旧变压器进行升级改造或替换具有重要意义。
3. 热点温度监测的效益与最佳实践
对变压器绕组热点温度进行有效监测，不仅能带来显著的运行和经济效益，也需要遵循一定的最佳实践以确保监测系统的有效性。
3.1 对资产管理和预测性维护的效益
实施精确的热点温度监测系统可以为电力企业带来多方面的效益：
- 延长变压器寿命：通过精确控制热点温度在安全限值内运行，可以显著减缓绝缘老化速率，从而延长变压器的实际使用寿命。
- 优化负载管理与提升容量利用率：实时准确的热点温度数据使得运行人员能够更精确地了解变压器的实际热裕度，从而安全地提升变压器的负载水平，甚至在必要时进行动态过载，充分挖掘设备潜力，延缓新增投资。研究表明，通过直接热点监测，有时可以实现10-30%的容量提升而无需超出设计温度限值。例如，某输电变压器通过直接热点监测发现实际温度比计算值低12°C，从而立即将允许负载提高了15%，将一项价值520万美元的容量升级项目推迟了4年。
- 早期故障检测与预防灾难性故障：热点温度的异常升高往往是变压器内部潜在故障 (如绕组匝间短路、冷却系统故障、连接不良等) 的早期信号。精确监测能够及时捕捉这些信号，为采取预防性措施赢得宝贵时间，避免故障扩大化甚至发展为灾难性事故，从而减少重大经济损失和电网冲击。光纤监测可以比传统方法提前数月甚至数年检测到冷却系统退化、局部绕组变形、内部连接恶化和绝缘退化热点等问题。
- 降低维护成本与减少停运：基于状态的维护 (CBM) 依赖于准确的状态数据，热点温度是其中的核心参数。通过连续监测，可以从基于时间的定期维护转向基于实际状态的预测性维护，优化维护计划，减少不必要的维护工作和停运时间，从而降低总体维护成本。维护成本的降低幅度通常可达15-30%。
- 提升运行安全性：避免变压器因过热导致火灾、爆炸等事故，保障人员和设备安全。
- 为决策提供数据支持：连续监测产生的大量历史数据和实时数据，为变压器的运行策略调整、寿命评估、资产更新决策等提供了科学依据。
3.2 实施热点温度监测的最佳实践
为了充分发挥热点温度监测系统的效益，应遵循以下最佳实践：
- 清晰的采购规范：在采购变压器或监测系统时，应制定清晰、明确的技术规范，包括对额定值、温升限值、监测系统的精度、响应时间、传感器类型和数量等提出具体要求。应参考最新的IEEE和IEC标准。
- WTI与冷却方式和绕组时间常数的匹配：对于仍使用WTI的场合，特别是对于油流引导 (OD) 冷却的变压器，应选择时间常数等于或小于绕组时间常数的WTI，以更准确地反映绕组温度。传统WTI的时间常数约为45分钟，而绕组时间常数通常在4-10分钟。
- 选择合适的监测技术：应根据变压器的重要性、容量、预期负载特性、预算以及对监测精度的要求，综合评估选择最合适的监测技术。对于关键的大型变压器，直接光纤测温通常是首选。
- 光纤传感器的策略性布置：如果采用光纤监测，传感器的数量和位置至关重要。应根据变压器设计的热场分析结果，将传感器布置在最有可能出现热点的区域，如绕组顶部、引线出口、油流不畅处等。
- 与SCADA及预测性维护工具集成：将热点监测系统的数据集成到变压电站的SCADA系统和上层资产管理或预测性维护平台，实现数据的统一管理、趋势分析、自动报警和智能诊断。
- 定期审查监测数据与报警阈值：应定期回顾历史监测数据，分析温度变化趋势，并根据变压器的实际运行状况和老化程度，适时调整报警阈值，确保监测系统的有效性和灵敏性。
- 考虑变压器全生命周期管理：热点监测应作为变压器全生命周期管理的一部分，从设计、制造、安装、运行到维护和退役，都应关注其热性能。
- 人员培训：确保相关运行和维护人员了解热点监测系统的工作原理、数据解读方法以及应急处置流程。
遵循这些最佳实践，有助于最大限度地发挥热点温度监测在保障变压器安全经济运行、优化资产管理方面的作用。
4. 最新进展与未来趋势
金彩汇变压器绕组热点温度监测技术正随着传感器技术、数据分析方法以及智能化电网的发展而不断进步。
4.1 传感器技术的进步
- 光纤传感器性能提升：光纤传感技术持续发展，在精度、测量范围、响应速度和长期稳定性方面不断提升。例如，荧光衰减式传感器的精度在实验室条件下可达±0.2°C，现场应用可达±0.5°C，测量范围可扩展至-40°C至+300°C。分布式温度传感 (DTS) 技术，如基于拉曼散射的DTS，能够提供沿光纤路径的连续温度分布，其温度测量误差可小于1°C，定位精度误差在1.2米以内，为在线监测高功率设备提供了新途径。
- 光纤传感器在役变压器改造应用：尽管在制造过程中安装光纤传感器是最佳选择，但针对在役变压器的光纤传感器改造技术也在发展，使得部分老旧变压器也能受益于直接热点测量带来的优势。
4.2 数据驱动方法与机器学习
传统基于物理模型的热点温度估算方法 (如IEEE和IEC标准中的模型) 虽然提供了理论基础，但在实际应用中其精度可能受限于模型简化和参数不确定性。近年来，数据驱动方法，特别是机器学习 (ML) 和人工智能 (AI) 技术，在变压器热点温度预测和状态监测领域展现出巨大潜力：
- 更精确的温度预测：研究表明，利用历史运行数据 (如负载、环境温度、油温等) 训练的机器学习模型，如人工神经网络 (ANN)、时间序列密集编码器 (TiDE)、时间卷积网络 (TCN)、循环神经网络 (RNN)、卷积神经网络 (CNN) 以及自适应神经模糊推理系统 (ANFIS) 等，在预测顶层油温和绕组热点温度方面，其精度往往优于传统的标准模型。例如，一项研究中，ANN模型的顶层油温预测平均绝对误差 (MAE) 为1.49°C，远低于IEC模型的5.51°C。
- 处理复杂非线性关系：机器学习模型能够学习和捕捉变压器热行为中复杂的非线性关系和不确定性，而无需依赖精确的物理参数。
- 物理信息神经网络 (PINN)：PINN等新兴技术尝试将物理定律融入神经网络的训练过程中，有望提供更具解释性和鲁棒性的热行为预测。
- 分位数回归用于预测区间：为了不仅仅提供点预测值，研究人员开始采用分位数回归等方法来构建热点温度的预测区间，从而量化预测的不确定性，为风险评估和决策提供更全面的信息。
- 实时监测与故障诊断：基于机器学习的模型可以用于实时监测变压器的热状态，并通过分析预测值与实际测量值的偏差来检测异常工况或早期故障，例如冷却系统故障。
4.3 与物联网 (IoT) 和云平台的集成
- 实时数据采集与远程访问：通过将热点监测传感器 (特别是光纤传感器) 与物联网 (IoT) 技术相结合，可以实现对变压器热状态的实时、连续数据采集，并通过云平台进行存储、处理和分析。这使得运维人员可以随时随地远程访问变压器的健康数据，提高了管理的便捷性和响应速度。
- 边缘计算：在靠近数据源的边缘设备上进行初步的数据处理和分析 (边缘计算)，可以减少数据传输量，降低延迟，并能在本地快速响应异常事件。
- 大数据分析与预测性维护：云平台汇集的来自众多变压器的海量监测数据，为应用大数据分析和更高级的预测性维护算法提供了基础。通过对历史数据的深度挖掘，可以发现潜在的故障模式，优化维护策略，并提高整个变压器群组的运行效率和可靠性。
4.4 气候变化与极端天气的影响
全球气候变化导致极端天气事件 (如热浪、极寒天气) 的频率和强度增加，这对电力设备的运行带来了新的挑战。
- 热应力增加：持续的高环境温度会显著增加变压器的热应力，降低其散热能力，可能导致热点温度更容易超出安全限值，加速绝缘老化。
- 对监测和负载策略的更高要求：在极端天气条件下，对变压器热点温度进行更精确、更实时的监测变得尤为重要。同时，可能需要制定更具适应性的负载管理策略，以应对环境温度的剧烈波动，确保电网在极端条件下的韧性。
金彩汇未来，变压器热点温度监测技术将朝着更精确、更智能、更具预测性的方向发展。多传感信息融合、先进的AI算法以及与数字孪生等技术的结合，将为变压器的全生命周期健康管理提供更强大的支持。
5. 结论
变压器绕组热点温度是决定其绝缘寿命、运行可靠性和承载能力的核心参数。对热点温度进行准确、实时的监测对于保障电力系统安全稳定运行、优化变压器资产管理、延长设备寿命具有不可替代的重要性。
金彩汇本报告系统地阐述了绕组热点温度的定义、形成机理及其对变压器健康的深远影响。持续过高的热点温度会通过加速绝缘材料解聚过程，显著降低其机械和介电性能，最终可能导致变压器发生灾难性故障。
在监测方法方面，技术经历了从传统的基于模拟或计算的间接估算方法 (如机械式WTI和电子温度监测器ETM) 到高精度直接测量方法 (主要是光纤传感技术FOS) 的演进。光纤传感器以其抗电磁干扰、高精度、实时性等优势，成为当前关键变压器热点监测的首选技术。同时，DGA、红外热成像等辅助诊断技术也为全面评估变压器状态提供了有益补充。
金彩汇IEEE和IEC等国际标准化组织制定了一系列关于变压器温升和负载的导则，为热点温度的计算、评估和控制提供了重要的理论依据和工程指导。这些标准也在不断发展，以适应新的技术和更高的可靠性要求。
变压器的老化过程会对其热性能产生负面影响，导致热点温度升高，因此对老化变压器的热点监测需更加关注。通过实施有效的热点监测，电力企业可以获得延长设备寿命、优化负载、降低维护成本、提升运行安全等多重效益。遵循最佳实践，如制定清晰的采购规范、选择合适的技术、策略性布置传感器以及将监测数据集成到智能管理平台，是确保监测效果的关键。
金彩汇展望未来，变压器热点温度监测技术正朝着更智能化、精准化和预测性的方向发展。先进传感器技术的持续进步、数据驱动方法 (特别是机器学习和人工智能) 的深入应用、与物联网及云平台的紧密集成，以及对气候变化等外部因素影响的考量，将共同推动变压器热管理水平的不断提升。这些发展趋势预示着未来能够更有效地保障变压器这一电网核心设备的安全、高效运行，为构建更可靠、更具韧性的电力系统奠定坚实基础。
