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绕组温度检测

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发布时间：2025-07-03 19:45:02 更新时间：2025-07-02 19:45:03

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

绕组温度检测：保障电气设备安全运行的关键环节

绕组是电机、变压器、发电机等电气设备的核心部件，其运行温度是反映设备电气性能、绝缘状态和运行安全性的关键参数。过高的绕组温度会加速绝缘材料的老化、劣化甚至击穿，导致设备效率下降、寿命缩短，严重时引发短路、起火等恶性事故。因此，对绕组温度进行实时、精确的监测，是预防设备故障、优化运行效率、保障电力系统可靠性和延长设备使用寿命不可或缺的技术手段。准确的绕组温度检测不仅可以实现设备的预防性维护，避免非计划停机带来的巨大损失，更能为设备的容量优化、过载能力评估以及智能运维提供至关重要的数据基础。

关键检测项目

绕组温度检测主要关注以下几个核心项目：
1. 工作温度 (Operating Temperature): 设备在额定负载或特定运行工况下，绕组达到的稳定温度值。
2. 温升 (Temperature Rise): 绕组温度相对于环境温度（或冷却介质入口温度）的升高值，是衡量设备散热能力和设计合理性的关键指标。
3. 热点温度 (Hot-Spot Temperature): 绕组中最热点的温度，通常高于平均温度，对绝缘寿命影响最大，是重点关注对象。
4. 温度分布 (Temperature Distribution): 了解绕组内部或不同部位的温度差异，有助于发现局部过热、冷却不均或结构缺陷等问题。
5. 过载温升 (Overload Temperature Rise): 评估设备在短时过载条件下的温度变化和耐受能力。

常用检测仪器

根据检测原理和应用场景，常用的绕组温度检测仪器包括：
1. 埋置式温度传感器:
* 热电偶 (Thermocouples): 利用塞贝克效应测量温度，结构简单，响应快，需埋设于绕组内部（如槽底、层间、端部），直接测量导体或附近绝缘温度，精度较高，常用于热点监测和研发测试。
* 铂电阻温度探测器 (Pt100/Pt1000 RTDs): 利用金属电阻随温度变化的特性，精度和稳定性通常优于热电偶，同样需要埋置安装。
* 光纤温度传感器 (Fiber Optic Sensors - FOS):
* *分布式光纤测温系统 (DTS)*: 利用光纤中的拉曼散射效应，可连续测量沿光纤路径的温度分布，特别适合监测大型变压器、发电机绕组的轴向和周向温度场。
* *光纤光栅温度传感器 (FBG)*: 利用光栅波长随温度变化的特性，可准确定位测量多点温度，抗电磁干扰能力强，精度高。
2. 非接触式温度传感器:
* 红外热像仪 (Infrared Thermography - IRT): 通过捕捉物体表面散发的红外辐射来成像和测量温度，无需接触，安全快捷，适用于设备外部表面（如电机机壳、变压器油箱表面）的温度扫描和巡检，可发现局部过热点。但难以直接测量绕组内部温度。
* 红外点温仪: 测量单个点的表面温度，操作简单。
3. 电阻法测温装置:
* 基于导体电阻随温度变化的原理（铜≈0.393%/°C），通过精确测量绕组的直流电阻来推算其平均温度。常用于电机、变压器停机后的绕组平均温度测量，或在线监测系统（需特殊设计测量电路）。
4. 绕组温度指示器 (Winding Temperature Indicators - WTI):
* 常用于油浸式变压器。通过测量顶层油温，并利用一个模拟绕组与油之间温差的电流互感器（加热器）来叠加一个增量，最终指示“模拟”的绕组热点温度。这是一种间接测量方法。
5. 无线温度监测系统:
* 将小型化的传感器（如RTD、热电偶、或基于MEMS技术的传感器）与无线发射模块集成，安装在绕组关键点（如接头处），实时将温度数据无线传输到接收器或监控系统。适用于难以布线的场景或临时监测。

主要检测方法

绕组温度检测方法的选择取决于设备类型、运行状态（在线/离线）、所需精度、成本等因素：
1. 直接接触式测量 (在线/离线):
* 埋点法: 在制造或大修时，将热电偶、RTD或光纤传感器预先埋置在绕组内部的设计关键点（如导体表面、层间绝缘、端部）。这是获取最接近真实热点或关键部位温度的直接方法，精度高，适合长期在线监测或研发。
2. 间接测量 (主要在线):
* 电阻法: 适用于停机状态或特殊的在线电阻测量系统。通过测量绕组的直流电阻变化来计算平均温度。公式为：θ₂ = (R₂/R₁) * (K + θ₁) - K，其中R₁、θ₁是冷态电阻和温度，R₂是热态电阻，θ₂是待求热态温度，K是导体材料常数（铜为234.5，铝为225）。在线应用较复杂。
* 变压器WTI模拟法: 通过油温和加热电流间接模拟绕组热点温度，是油浸式变压器的常规监测方法。
* 热参数模型法: 建立设备的热路模型或数值模型，结合测量的环境温度、冷却介质温度/流量、负载电流等参数，实时计算或估算绕组温度（特别是热点温度）。常用于大型发电机、高压电机的监控系统。
3. 非接触式测量 (在线巡检/诊断):
* 红外热成像/测温: 对设备外壳、接线端子、散热器等外露部分进行扫描，发现异常温度升高区域，间接判断内部是否存在问题（如接触不良、冷却不良、过载）。无法直接测内部绕组。
4. 光纤分布式/准分布式测量 (在线):
* 利用DTS或FBG光纤传感器，可在设备运行时连续监测绕组沿长度方向的温度分布，特别适合于大型、高价值设备（如大型发电机、电力变压器）的精细温度管理与故障预警。

核心检测标准

绕组温度的检测、限值和测试方法需遵循相关国际、国家和行业标准，以确保安全、统一和可比性。主要标准包括：
1. 绝缘耐热等级标准 (基础):
* IEC 60085 / GB/T 11021: 《电气绝缘耐热性和表示方法》。定义了绝缘材料的耐热等级（如A(105°C), E(120°C), B(130°C), F(155°C), H(180°C), N(200°C), R(220°C), S(240°C)）及其对应的温度限值（最高允许温度/热点温度）。这是规定绕组温度上限的根本依据。
2. 旋转电机类设备:
* IEC 60034 / GB/T 755: 《旋转电机定额和性能》。标准第42部分（IEC 60034-42 / GB/T 21210）详细规定了电机温升试验的方法（电阻法、埋置传感器法、温度计法）和不同冷却方式、绝缘等级的温升限值。标准第21部分（IEC 60034-21 / GB/T 20161）规定了热保护装置的应用。
3. 电力变压器类设备:
* IEC 60076 / GB/T 1094: 《电力变压器》。标准第2部分（IEC 60076-2 / GB/T 1094.2）规定了温升试验的方法（通常测量顶层油温和用电阻法测绕组平均温度）以及基于绝缘等级（通常是A、B级）的绕组平均温升和顶层油温升的限值。
* IEC 60076-7: 涉及油浸式变压器负载导则，提供了计算不同负载和冷却条件下绕组热点温度的方法和限值（通常热点温度不超过140°C，且不能长期超过此值）。
4. 具体测试方法标准:
* 电阻法: 遵循IEC 60034 / GB/T 755 或 IEC 60076 / GB/T 1094 中规定的测量程序和计算方法。
* 埋置传感器法: 相关设备标准中有应用规定，具体传感器校准可能参考 IEC 60751 (RTD), IEC 60584 (热电偶) 或光纤传感器的专用标准。
* 红外测温: 参考 ISO 18434-1 (状态监测与诊断) 和 IEC/TS