1、相關標準與導則

國際上主要由IEEE (電氣和電子工程師協會) 和IEC (國際電工委員會) 兩個標準化組織制定與變壓器熱點溫度監測和負載相關的標準與導則。這些標準為變壓器的設計、測試、運行和維護提供了重要的技術依據。

1.1 IEEE標準

1.1.1 IEEE C57.91 《油浸式變壓器和有載調壓分接開關負載導則》

IEEE C57.91是北美地區廣泛采用的關于油浸式變壓器負載能力評估和熱點溫度計算的核心標準。其主要內容包括：

• 熱模型：提供了計算變壓器頂層油溫 (Top Oil Temperature, TOT) 和繞組熱點溫度 (HST) 的數學模型。這些模型基于變壓器的設計參數 (如損耗、油量、散熱方式等)、負載電流和環境溫度。該標準允許用戶根據變壓器的具體設計參數計算定制化的額定值，從而更充分地利用變壓器容量。
• 絕緣老化評估：標準中包含了評估絕緣老化速率的方法，引入了老化加速因子 (Aging Acceleration Factor, FAA) 的概念，用于量化不同熱點溫度下絕緣材料相對于基準溫度 (通常為110°C) 的老化速度。還定義了單位壽命 (per-unit life) 的概念，用于估算在特定負載和溫度條件下的壽命損耗。
• 負載指南：為正常負載、計劃性過載以及短期和長期緊急過載情況下的運行提供了指導原則和限值。這些指導考慮了環境溫度補償和不同冷卻方式的影響。
• 持續修訂：IEEE C57.91標準會定期進行修訂，以納入最新的研究成果和技術進展。例如，該標準正在進行重大修訂，包括更新其主要熱模型，并計劃提供開源代碼以方便用戶使用。

1.2 IEC標準

1.2.1 IEC 60076-2 《電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升》

IEC 60076-2規定了液浸式變壓器的溫升限值和溫升試驗方法。

• 溫升限值：標準規定了在額定負載和規定環境條件下，變壓器各部件 (如繞組平均溫升、頂層油溫升) 的允許溫升值。
• 熱點溫度估算：對于熱點溫度，IEC標準通常認為熱點溫度比繞組平均溫度高出一定裕度。例如，有提及熱點溫度通常比繞組平均溫度高13°C。該標準通過限制繞組平均溫升來間接控制熱點溫度。根據IEC 60076-2，在40°C的最高環境溫度下，最大允許繞組熱點溫升為78°C (其他月平均和年平均環境溫度條件也有規定)。

1.2.2 IEC 60076-7 《電力變壓器 第7部分：油浸式電力變壓器負載導則》

IEC 60076-7是與IEEE C57.91相對應的IEC負載導則，為油浸式變壓器的熱性能評估和安全負載提供了詳細指南。

• 熱模型：該標準引入了兩種熱模型來計算頂層油溫和繞組熱點溫度，以更準確地反映變壓器在動態負載條件下的熱行為，特別是考慮了負載變化后熱點溫度的瞬態“過沖”現象。
• 指數方程解模型：適用于階躍函數式的負載變化，尤其適合制造商通過試驗確定傳熱參數。
• 微分方程解模型：適用于任意時變的負載系數K和時變的環境溫度θa，特別適用于在線監測系統。該模型是指數模型的數學變體。
• 瞬態熱點溫度：與舊版導則相比，新版IEC 60076-7更關注負載變化后的瞬態熱點溫度，認識到此時的熱點溫度可能高于穩態值。
• 模型參數：模型中使用的熱工參數 (如熱時間常數τo,τw，損耗比R，指數x, y，熱特性常數k11,k21,k22等) 可以通過標準的非截尾溫升試驗獲得。

1.3 CIGRE導則與技術手冊

CIGRE (國際大電網會議) 作為一個國際性的電力系統技術組織，也發布了許多關于變壓器可靠性、狀態監測和資產管理的技術手冊和報告。這些出版物通常包含了對最新研究成果、工程實踐和故障統計的總結，為熱點溫度監測和變壓器管理提供了有價值的參考。例如，CIGRE的變壓器可靠性調查數據經常被引用，以說明溫度監測不足的嚴重后果。

1.4 主要標準條款概要

下表總結了IEEE和IEC標準中與熱點溫度監測和負載相關的一些關鍵條款：

表 2：IEEE和IEC關于HST監測與負載的關鍵標準概述

標準代號	標準名稱 (部分)	關鍵條款/內容 (關于HST/負載)	相關性/應用
IEEE C57.91	油浸式變壓器負載導則	頂層油溫和熱點溫度計算的熱模型；絕緣老化加速因子 (FAA) 和壽命損耗估算；正常及緊急過載指南；考慮環境溫度和冷卻方式。	北美地區變壓器負載能力評估、熱點計算、壽命管理的主要依據。
IEC 60076-2	電力變壓器 – 液浸式變壓器的溫升	規定繞組平均溫升和頂層油溫升限值；通過限制平均溫升間接控制熱點溫度；熱點溫升限值 (如78°C @ 40°C環溫)。	全球范圍內變壓器溫升設計和試驗的基本標準。
IEC 60076-7	電力變壓器 – 油浸式電力變壓器負載導則	兩種熱模型 (指數方程和微分方程) 用于計算TOT和HST；考慮瞬態熱點溫度和“過沖”效應；模型參數基于溫升試驗；適用于在線監測和動態負載。	IEC體系下變壓器負載能力評估和熱點計算的詳細指南，特別關注動態熱行為。
IEEE C57.12.00	液浸式配電、電力和調壓變壓器通用要求	定義額定值 (kVA) 與溫升限值的關系；規定標準溫升限值 (如65°C繞組平均溫升)。	變壓器基本額定值和溫升要求的通用標準。

資料來源：福州華光天銳

這些標準和導則的正確理解和應用，對于確保變壓器在各種運行條件下都能安全、可靠地工作，并最大限度地發揮其使用壽命至關重要。隨著監測技術和計算方法的發展，這些標準也在不斷更新，以提供更精確、更實用的指導。

2. 變壓器老化對熱點溫度的影響

變壓器的老化過程對其熱性能，特別是繞組熱點溫度，會產生顯著影響。隨著服役時間的增長，變壓器內部的絕緣材料和冷卻系統會發生劣化，導致其在相同負載和環境條件下產生更高的熱點溫度。

• 絕緣材料老化與散熱效率下降：隨著時間的推移，變壓器內部的固體絕緣材料 (如絕緣紙板、隔板) 會因熱老化、氧化和水解等作用而逐漸劣化，其物理和化學性質發生改變。這種劣化可能導致絕緣件收縮、變形或開裂，從而改變原有的油流通道，影響冷卻油的循環和散熱效率。同時，油中可能產生的油泥等老化產物也可能附著在繞組表面和散熱器內壁，進一步阻礙熱量傳遞。
• 冷卻系統效率降低：對于帶有強制冷卻系統的變壓器，風扇、油泵等部件的性能也可能隨時間推移而下降。例如，風扇葉片積垢、軸承磨損可能導致風量減少；油泵效率降低則會減少油的循環流量。這些因素都會直接導致冷卻能力的下降。
• 老化變壓器的熱點溫度升高：由于上述原因，老化變壓器的整體散熱能力通常會弱于新變壓器。因此，在承受相同負載電流時，老化變壓器的繞組溫升和頂層油溫升往往會更高，進而導致其繞組熱點溫度也顯著升高。一項研究對比了服役5年和20年的變壓器，結果顯示，在相似條件下，服役20年的變壓器熱點溫度比服役5年的高出35%。
• 老化因子的引入：為了在熱點溫度計算中考慮老化效應，一些研究引入了“老化因子” (Aging Factor, A) 的概念。這個因子根據變壓器的服役年限、運行歷史和負載情況等經驗數據進行調整，用于修正溫升計算結果，從而更準確地預測老化變壓器的熱點溫度。例如，有研究提出對于老舊變壓器，老化因子A的取值范圍可以在1.1到1.3之間。熱點溫度的計算公式可以調整為：Ths=Toil+((Twinding?Toil)?(1+A))，其中 Ths 是熱點溫度，Toil 是油溫，Twinding 是繞組溫度。
• 加強對老化變壓器的監測：由于老化變壓器更容易出現過熱問題，且其絕緣系統相對脆弱，因此對其熱點溫度進行更密切和準確的監測尤為重要。這有助于及時發現潛在的熱失控風險，采取必要的維護或降負荷措施，避免加速老化或引發故障。

理解并量化老化對變壓器熱點溫度的影響，對于制定合理的維護策略、評估剩余壽命以及決定是否需要對老舊變壓器進行升級改造或替換具有重要意義。

3. 熱點溫度監測的效益與最佳實踐

對變壓器繞組熱點溫度進行有效監測，不僅能帶來顯著的運行和經濟效益，也需要遵循一定的最佳實踐以確保監測系統的有效性。

3.1 對資產管理和預測性維護的效益

實施精確的熱點溫度監測系統可以為電力企業帶來多方面的效益：

• 延長變壓器壽命：通過精確控制熱點溫度在安全限值內運行，可以顯著減緩絕緣老化速率，從而延長變壓器的實際使用壽命。
• 優化負載管理與提升容量利用率：實時準確的熱點溫度數據使得運行人員能夠更精確地了解變壓器的實際熱裕度，從而安全地提升變壓器的負載水平，甚至在必要時進行動態過載，充分挖掘設備潛力，延緩新增投資。研究表明，通過直接熱點監測，有時可以實現10-30%的容量提升而無需超出設計溫度限值。例如，某輸電變壓器通過直接熱點監測發現實際溫度比計算值低12°C，從而立即將允許負載提高了15%，將一項價值520萬美元的容量升級項目推遲了4年。
• 早期故障檢測與預防災難性故障：熱點溫度的異常升高往往是變壓器內部潛在故障 (如繞組匝間短路、冷卻系統故障、連接不良等) 的早期信號。精確監測能夠及時捕捉這些信號，為采取預防性措施贏得寶貴時間，避免故障擴大化甚至發展為災難性事故，從而減少重大經濟損失和電網沖擊。光纖監測可以比傳統方法提前數月甚至數年檢測到冷卻系統退化、局部繞組變形、內部連接惡化和絕緣退化熱點等問題。
• 降低維護成本與減少停運：基于狀態的維護 (CBM) 依賴于準確的狀態數據，熱點溫度是其中的核心參數。通過連續監測，可以從基于時間的定期維護轉向基于實際狀態的預測性維護，優化維護計劃，減少不必要的維護工作和停運時間，從而降低總體維護成本。維護成本的降低幅度通常可達15-30%。
• 提升運行安全性：避免變壓器因過熱導致火災、爆炸等事故，保障人員和設備安全。
• 為決策提供數據支持：連續監測產生的大量歷史數據和實時數據，為變壓器的運行策略調整、壽命評估、資產更新決策等提供了科學依據。

3.2 實施熱點溫度監測的最佳實踐

為了充分發揮熱點溫度監測系統的效益，應遵循以下最佳實踐：

• 清晰的采購規范：在采購變壓器或監測系統時，應制定清晰、明確的技術規范，包括對額定值、溫升限值、監測系統的精度、響應時間、傳感器類型和數量等提出具體要求。應參考最新的IEEE和IEC標準。
• WTI與冷卻方式和繞組時間常數的匹配：對于仍使用WTI的場合，特別是對于油流引導 (OD) 冷卻的變壓器，應選擇時間常數等于或小于繞組時間常數的WTI，以更準確地反映繞組溫度。傳統WTI的時間常數約為45分鐘，而繞組時間常數通常在4-10分鐘。
• 選擇合適的監測技術：應根據變壓器的重要性、容量、預期負載特性、預算以及對監測精度的要求，綜合評估選擇最合適的監測技術。對于關鍵的大型變壓器，直接光纖測溫通常是首選。
• 光纖傳感器的策略性布置：如果采用光纖監測，傳感器的數量和位置至關重要。應根據變壓器設計的熱場分析結果，將傳感器布置在最有可能出現熱點的區域，如繞組頂部、引線出口、油流不暢處等。
• 與SCADA及預測性維護工具集成：將熱點監測系統的數據集成到變壓電站的SCADA系統和上層資產管理或預測性維護平臺，實現數據的統一管理、趨勢分析、自動報警和智能診斷。
• 定期審查監測數據與報警閾值：應定期回顧歷史監測數據，分析溫度變化趨勢，并根據變壓器的實際運行狀況和老化程度，適時調整報警閾值，確保監測系統的有效性和靈敏性。
• 考慮變壓器全生命周期管理：熱點監測應作為變壓器全生命周期管理的一部分，從設計、制造、安裝、運行到維護和退役，都應關注其熱性能。
• 人員培訓：確保相關運行和維護人員了解熱點監測系統的工作原理、數據解讀方法以及應急處置流程。

遵循這些最佳實踐，有助于最大限度地發揮熱點溫度監測在保障變壓器安全經濟運行、優化資產管理方面的作用。

4. 最新進展與未來趨勢

變壓器繞組熱點溫度監測技術正隨著傳感器技術、數據分析方法以及智能化電網的發展而不斷進步。

4.1 傳感器技術的進步

• 光纖傳感器性能提升：光纖傳感技術持續發展，在精度、測量范圍、響應速度和長期穩定性方面不斷提升。例如，熒光衰減式傳感器的精度在實驗室條件下可達±0.2°C，現場應用可達±0.5°C，測量范圍可擴展至-40°C至+300°C。分布式溫度傳感 (DTS) 技術，如基于拉曼散射的DTS，能夠提供沿光纖路徑的連續溫度分布，其溫度測量誤差可小于1°C，定位精度誤差在1.2米以內，為在線監測高功率設備提供了新途徑。
• 光纖傳感器在役變壓器改造應用：盡管在制造過程中安裝光纖傳感器是最佳選擇，但針對在役變壓器的光纖傳感器改造技術也在發展，使得部分老舊變壓器也能受益于直接熱點測量帶來的優勢。

4.2 數據驅動方法與機器學習

傳統基于物理模型的熱點溫度估算方法 (如IEEE和IEC標準中的模型) 雖然提供了理論基礎，但在實際應用中其精度可能受限于模型簡化和參數不確定性。近年來，數據驅動方法，特別是機器學習 (ML) 和人工智能 (AI) 技術，在變壓器熱點溫度預測和狀態監測領域展現出巨大潛力：

• 更精確的溫度預測：研究表明，利用歷史運行數據 (如負載、環境溫度、油溫等) 訓練的機器學習模型，如人工神經網絡 (ANN)、時間序列密集編碼器 (TiDE)、時間卷積網絡 (TCN)、循環神經網絡 (RNN)、卷積神經網絡 (CNN) 以及自適應神經模糊推理系統 (ANFIS) 等，在預測頂層油溫和繞組熱點溫度方面，其精度往往優于傳統的標準模型。例如，一項研究中，ANN模型的頂層油溫預測平均絕對誤差 (MAE) 為1.49°C，遠低于IEC模型的5.51°C。
• 處理復雜非線性關系：機器學習模型能夠學習和捕捉變壓器熱行為中復雜的非線性關系和不確定性，而無需依賴精確的物理參數。
• 物理信息神經網絡 (PINN)：PINN等新興技術嘗試將物理定律融入神經網絡的訓練過程中，有望提供更具解釋性和魯棒性的熱行為預測。
• 分位數回歸用于預測區間：為了不僅僅提供點預測值，研究人員開始采用分位數回歸等方法來構建熱點溫度的預測區間，從而量化預測的不確定性，為風險評估和決策提供更全面的信息。
• 實時監測與故障診斷：基于機器學習的模型可以用于實時監測變壓器的熱狀態，并通過分析預測值與實際測量值的偏差來檢測異常工況或早期故障，例如冷卻系統故障。

4.3 與物聯網 (IoT) 和云平臺的集成

• 實時數據采集與遠程訪問：通過將熱點監測傳感器 (特別是光纖傳感器) 與物聯網 (IoT) 技術相結合，可以實現對變壓器熱狀態的實時、連續數據采集，并通過云平臺進行存儲、處理和分析。這使得運維人員可以隨時隨地遠程訪問變壓器的健康數據，提高了管理的便捷性和響應速度。
• 邊緣計算：在靠近數據源的邊緣設備上進行初步的數據處理和分析 (邊緣計算)，可以減少數據傳輸量，降低延遲，并能在本地快速響應異常事件。
• 大數據分析與預測性維護：云平臺匯集的來自眾多變壓器的海量監測數據，為應用大數據分析和更高級的預測性維護算法提供了基礎。通過對歷史數據的深度挖掘，可以發現潛在的故障模式，優化維護策略，并提高整個變壓器群組的運行效率和可靠性。

4.4 氣候變化與極端天氣的影響

全球氣候變化導致極端天氣事件 (如熱浪、極寒天氣) 的頻率和強度增加，這對電力設備的運行帶來了新的挑戰。

• 熱應力增加：持續的高環境溫度會顯著增加變壓器的熱應力，降低其散熱能力，可能導致熱點溫度更容易超出安全限值，加速絕緣老化。
• 對監測和負載策略的更高要求：在極端天氣條件下，對變壓器熱點溫度進行更精確、更實時的監測變得尤為重要。同時，可能需要制定更具適應性的負載管理策略，以應對環境溫度的劇烈波動，確保電網在極端條件下的韌性。

未來，變壓器熱點溫度監測技術將朝著更精確、更智能、更具預測性的方向發展。多傳感信息融合、先進的AI算法以及與數字孿生等技術的結合，將為變壓器的全生命周期健康管理提供更強大的支持。

5. 結論

變壓器繞組熱點溫度是決定其絕緣壽命、運行可靠性和承載能力的核心參數。對熱點溫度進行準確、實時的監測對于保障電力系統安全穩定運行、優化變壓器資產管理、延長設備壽命具有不可替代的重要性。

本報告系統地闡述了繞組熱點溫度的定義、形成機理及其對變壓器健康的深遠影響。持續過高的熱點溫度會通過加速絕緣材料解聚過程，顯著降低其機械和介電性能，最終可能導致變壓器發生災難性故障。

在監測方法方面，技術經歷了從傳統的基于模擬或計算的間接估算方法 (如機械式WTI和電子溫度監測器ETM) 到高精度直接測量方法 (主要是光纖傳感技術FOS) 的演進。光纖傳感器以其抗電磁干擾、高精度、實時性等優勢，成為當前關鍵變壓器熱點監測的首選技術。同時，DGA、紅外熱成像等輔助診斷技術也為全面評估變壓器狀態提供了有益補充。

IEEE和IEC等國際標準化組織制定了一系列關于變壓器溫升和負載的導則，為熱點溫度的計算、評估和控制提供了重要的理論依據和工程指導。這些標準也在不斷發展，以適應新的技術和更高的可靠性要求。

變壓器的老化過程會對其熱性能產生負面影響，導致熱點溫度升高，因此對老化變壓器的熱點監測需更加關注。通過實施有效的熱點監測，電力企業可以獲得延長設備壽命、優化負載、降低維護成本、提升運行安全等多重效益。遵循最佳實踐，如制定清晰的采購規范、選擇合適的技術、策略性布置傳感器以及將監測數據集成到智能管理平臺，是確保監測效果的關鍵。

展望未來，變壓器熱點溫度監測技術正朝著更智能化、精準化和預測性的方向發展。先進傳感器技術的持續進步、數據驅動方法 (特別是機器學習和人工智能) 的深入應用、與物聯網及云平臺的緊密集成，以及對氣候變化等外部因素影響的考量，將共同推動變壓器熱管理水平的不斷提升。這些發展趨勢預示著未來能夠更有效地保障變壓器這一電網核心設備的安全、高效運行，為構建更可靠、更具韌性的電力系統奠定堅實基礎。