Monitorowanie stanu cieplnego transformatorów suchych – Przewodnik po analizie technicznej i zastosowaniu

• Głównymi źródłami ciepła są uzwojenia i rdzenie żelazne transformatorów suchych, takich jak transformatory z żywicy lanej i transformatory z żywicy epoksydowej.. Ich stan termiczny bezpośrednio determinuje trwałość izolacji. Na każde 6 ℃ wzrostu temperatury gorącego punktu uzwojeń, życie zostanie zmniejszone o połowę.
• Monitorowanie transformatorów z izolacją powietrzną i transformatorów z izolacją stałą wymaga dokładnego pomiaru temperatury każdego elementu grzejnego. Tradycyjne metody mają ograniczenia, i fluorescencyjny światłowód ma najlepszą wszechstronną wydajność wśród nowych technologii wykrywania.
• W artykule dokonano analizy technologii monitorowania stanu cieplnego różnych typów transformatorów suchych, porównuje różne schematy, and provides selection and application points to help you master efficient monitoring methods.

1. Main Heating Components and Causes of Heat Generation in Dry-type Transformers

Whether it is Cast resin transformers, Epoxy resin transformers, Air-insulated transformers, or Solid insulation transformers, heat is mainly generated from energy loss during power conversion. The core heating components and mechanisms are as follows:

1. Uzwojenia (the most important heat source):Copper loss (I²R) generated when current passes through the windings is the main heat source for all types of dry-type transformers. For Cast resin transformers, their windings are tightly wrapped by epoxy resin, so the heat dissipation condition is more complex than that of Air-insulated transformers, and heat is easy to accumulate to form hot spots. The winding insulation layer of Epoxy resin transformers will accelerate aging due to high temperature for a long time. When the load current increases (such as overload operation), copper loss increases in square proportion, and the temperature rises sharply. Ponadto, leakage flux between turns and layers of the windings will generate eddy current loss, further aggravating heat generation. High-voltage windings are more prone to hot spots due to more turns, thinner wires, and larger heat generation per unit volume.
2. Iron core:The iron core generates iron loss in the alternating magnetic field, including hysteresis loss and eddy current loss. This characteristic is particularly obvious in Solid insulation transformers – the thermal conductivity of solid insulation materials is relatively poor, and if the heat of the iron core cannot be dissipated in time, local overheating may occur. Hysteresis loss is related to the area of the hysteresis loop of the iron core material, and eddy current loss is caused by eddy current (circulating current) induced in the iron core. If the insulation of iron core silicon steel sheets is poor or the laminations are loose, eddy current loss will increase significantly, leading to local overheating.
3. Lead wires and connection parts:Poor contact at connection parts such as winding leads and tap changers will generate contact resistance, causing additional Joule heat. This kind of heat generation is more likely to be ignored in Air-insulated transformers because their insulation depends on air gaps, and overheating at contact points may directly affect insulation performance. While the connection parts of Cast resin transformers are covered by insulation materials, so the heat generation is more hidden and may rise suddenly under normal load, which is a common cause of local overheating faults.
4. Cooling fans (auxiliary heating):Forced air-cooled Epoxy resin transformers or Solid insulation transformers, their fan motors will generate a small amount of heat during operation, but the proportion is very low (zazwyczaj <1%). The main impact is that when the fan fails, the heat dissipation efficiency will be reduced, indirectly aggravating the temperature rise of other components. For naturally cooled Air-insulated transformers, the lack of fans makes them more dependent on the heat dissipation design of the windings themselves, dlatego monitorowanie temperatury elementów grzewczych jest szczególnie istotne.

Wytwarzanie ciepła przez te elementy oddziałuje ze sobą: ciepło uzwojeń jest przenoszone na żelazny rdzeń poprzez przewodzenie, a ciepło żelaznego rdzenia jest odprowadzane do otaczającego środowiska poprzez konwekcję. Jeśli jakiekolwiek ogniwo odprowadzające ciepło jest zablokowane, wywoła to reakcję łańcuchową, co prowadzi do ogólnej temperatury.

2. Zasada działania systemu monitorowania stanu cieplnego transformatorów suchych

Monitorowanie stanu termicznego transformatorów suchych określa, czy sprzęt znajduje się w bezpiecznym zakresie pracy rejestrowanie w czasie rzeczywistym rozkładu temperatury i trendu zmian każdego elementu grzewczego. Niezależnie od tego, czy są to transformatory z żywicy lanej, czy transformatory w izolacji powietrznej, the core logic is the same: equipment loss (copper loss, utrata żelaza) is converted into heat. If the heat dissipation rate is lower than the heat generation rate, the temperature will continue to rise, eventually leading to aging and failure of insulation materials (such as epoxy resin, solid insulation materials).

The monitoring system usually consists of three parts:

1. Sensing layer: Directly contact or be close to heating parts (takie jak uzwojenia, iron core connection points) to convert temperature signals into transmittable electrical or optical signals. For Cast resin transformers, it needs to be able to penetrate the insulation layer for accurate temperature measurement. For Air-insulated transformers, it needs to adapt to the impact of dust in the open environment.
2. Transmission layer: Transmit signals to the processing unit through cables, światłowody, lub środki bezprzewodowe. Ze względu na zwartą strukturę izolacji transformatorów izolacyjnych Solid, istnieją wyższe wymagania dotyczące przestrzeni okablowania linii przesyłowych.
3. Warstwa analityczna: Analiza danych temperaturowych w czasie rzeczywistym, i wywołać alarm w przypadku przekroczenia progu (takie jak górna granica temperatury gorącego punktu wynosząca 155 ℃ dla transformatorów z żywicy epoksydowej, które można odpowiednio złagodzić w przypadku transformatorów z izolacją powietrzną ze względu na lepsze odprowadzanie ciepła, ale wymaga ścisłego monitorowania).

Wśród nich, the rodzaj technologii warstwy czujnikowej jest głównym czynnikiem determinującym efekt monitorowania, bezpośrednio wpływające na dokładność i wiarygodność danych.

3. Kompleksowe porównanie technologii monitorowania stanu cieplnego transformatorów suchych

Different thermal condition monitoring technologies have significant performance differences in scenarios of different types of dry-type transformers such as Cast resin, Epoxy resin, Air-insulated, and Solid insulation. The following is a comparison of key parameters of mainstream technologies:

Monitoring Technology	Zasada wyczuwania	Zakres pomiaru temperatury	Anti-electromagnetic Interference Ability	Metoda instalacji	Długoterminowa stabilność	Poziom kosztów	Adaptability to Different Types of Transformers	Core Shortcomings
Termistor (PT100)	Metal resistance changes with temperature	-50~200℃	Słaby	Surface pasting / lead wiring	Słaby (needs calibration every 3-5 lata)	Niski	Only suitable for surface temperature measurement of Air-insulated transformers, cannot penetrate the resin layer	Cannot monitor internal hot spots of windings; leads are susceptible to electromagnetic interference
Infrared thermometer	Receives infrared radiation to calculate temperature	-20~300℃	Strong	Bezdotykowy (external installation)	Średni (affected by environmental dust)	Średni	General adaptability to Air-insulated transformers, cannot penetrate the insulation layer for Cast resin transformers	Needs to open the observation window, susceptible to environmental temperature and humidity interference
Siatka Bragga z włókna	Grating reflection wavelength changes with temperature	-40~150℃	Strong	Implant into windings / pasting	Średni (prone to drift at high temperature)	Wysoki	Suitable for Solid insulation transformers, but susceptible to material stress in Cast resin transformers	Complex demodulation equipment, multi-point monitoring needs series connection leading to single point failure affecting the whole
Wireless sensor	Radio frequency signal transmits temperature data	-30~125℃	Słaby	Surface adsorption	Słaby (żywotność baterii 1-2 lata)	Średni	Can be tried for Air-insulated transformers, easy to shield signals for Cast resin transformers with metal shells	Bateria szybko ulega awarii w środowisku o wysokiej temperaturze, dane są łatwe do stracenia
Fluorescencyjny światłowód	Czas zaniku fluorescencji zmienia się wraz z temperaturą	-30~200℃	Niezwykle silny	Implant into windings	Doskonały (bezobsługowy przez ponad 10 lata)	Średnio-wysoki	Nadaje się do wszystkich typów, szczególnie nadaje się do pomiaru temperatury wewnętrznej transformatorów izolacyjnych z żywicy i stali	Okablowanie światłowodowe wymaga profesjonalnego projektu, z wymaganiami dotyczącymi promienia gięcia
Rozproszony światłowód	Optyczne odbicie w dziedzinie czasu (OTDR)	-50~250 ℃	Strong	Połóż wzdłuż uzwojeń	Średni (Dokładność maleje wraz z odległością)	Wysoki	Nadaje się do dużych transformatorów w izolacji powietrznej, niewystarczająca ilość miejsca w kompaktowych transformatorach z izolacją stałą	Nie można zlokalizować określonych gorących punktów, może mierzyć tylko temperaturę regionalną

Wniosek: Technologia fluorescencyjnych włókien optycznych zapewnia najlepszą wszechstronną wydajność w monitorowaniu stanu termicznego różnych transformatorów suchych, especially in three core dimensions: internal hot spot capture of Cast resin transformers, anti-interference ability of Air-insulated transformers, and long-term stability of Solid insulation transformers, which are far superior to other technologies.

4. Core Technical Points of Thermal Condition Monitoring for Dry-type Transformers

Effective thermal condition monitoring needs to meet the special operating environment of different types of dry-type transformers. The following points determine the reliability of the system:

1. Accurate monitoring adapted to insulation type:Sensors for Cast resin transformers need to be implanted into the windings wrapped by epoxy resin to directly measure hot spots; Air-insulated transformers need to consider the impact of dust on sensors and select anti-pollution models; Solid insulation transformers, due to their compact structure, require sensors with a diameter <2mm to avoid damaging insulation.
2. Anti-aging design for material characteristics:The monitoring system for Epoxy resin transformers needs to withstand the long-term chemical stability of epoxy resin after curing, and the sensor material must not react with the resin; sensors for Air-insulated transformers need to have dust-proof and moisture-proof performance to adapt to the open environment.
3. Differentiated threshold setting:Different insulation materials have different heat resistance levels. Epoxy resin belongs to Class F (hot spot upper limit 155℃), and some solid insulation materials can reach Class H (180℃). The monitoring system needs to preset corresponding thresholds according to the transformer type to avoid false alarms or missed alarms.
4. Protection of insulation performance during installation:When implanting sensors into Cast resin transformers, it is necessary to avoid damaging the epoxy resin insulation layer; the wiring of Air-insulated transformers must not affect the insulation distance of air gaps; Solid insulation transformers must ensure that the overall insulation resistance meets the standards after installation.

5. Często zadawane pytania (Często zadawane pytania): Key Questions in Thermal Condition Monitoring Practice

(I) Adaptability to Different Types of Transformers

1. Q: Is wireless sensor suitable for Cast resin transformers?
   A: NIE. Resin and metal shells will double shield wireless signals, resulting in a data loss rate >30%; and its windings are completely wrapped, so wireless sensors cannot be close to hot spots, and the measurement deviation can reach more than 20℃. It is recommended to use fluorescent optical fiber implantation monitoring.
2. Q: Is infrared thermometer sufficient for Air-insulated transformers?
   A: NIE. Although Air-insulated transformers have no insulation layer blocking, infrared temperature measurement is greatly affected by environmental temperature, wilgotność, and dust. The accuracy decreases to ±5℃ on rainy days, making it difficult to capture early overheating (such as 10℃ temperature rise at connection points). It is necessary to monitor key parts with fluorescent optical fiber.
3. Q: Will installing sensors on Solid insulation transformers damage the insulation?
   A: It can be avoided by selecting fluorescent optical fiber sensors with a diameter <2mm. Its flexible material can be implanted along the insulation gap. The measured insulation resistance decrease is <0.5%, which meets the IEC standard requirements and will not affect the insulation performance of the equipment.

(II) Technical Application

1. Q: Do sensors of Epoxy resin transformers need regular calibration?
   A: Fluorescent optical fiber sensors do not need calibration. Epoxy resin has strong long-term stability after curing and will not affect the decay characteristics of fluorescent materials. The system can maintain long-term accuracy (±1 ℃), while thermistors are easy to age in resin environment and need annual calibration.
2. Q: Can monitoring data of different types of dry-type transformers be互通ally analyzed?
   A: Tak. Through a unified data platform, the temperature rise curves of Cast resin transformers and Air-insulated transformers can be compared to analyze the difference in heat dissipation efficiency of different insulation types, providing a basis for transformer selection. Jednakże, the transformer type must be marked in the system to ensure the accuracy of the analysis.

6. Top Global Manufacturers of Thermal Condition Monitoring Systems for Dry-type Transformers

Ranking	Manufacturer Name	Podstawowe zalety techniczne (Adaptability to Different Types of Transformers)
1	Fuzhou Innovation Electronic Scie&Tech Co., z oo.	Developed special implantation tools for Cast resin transformers, fluorescent optical fiber sensors have good compatibility with epoxy resin, and the installation pass rate in Solid insulation transformers is 99.5%
2	Huaguang Tianrui	The monitoring system for Air-insulated transformers has IP66 protection level, outstanding dust resistance, and supports sharing data platforms with Epoxy resin transformers
3	Innowacje Luny (USA)	Distributed solutions are suitable for large Epoxy resin transformer clusters, and a single system can be compatible with monitoring of 20 different types of dry-type transformers
4	Rozwiązania Opsens (Kanada)	Sondy fluorescencyjne odporne na wysoką temperaturę (200℃) nadają się do transformatorów z izolacją stałą klasy H, z udziałem w rynku przekraczającym 30% na północnoamerykańskim rynku transformatorów z żywicy lanej
5	Neoptix (Kanada)	Miniaturowe czujniki o średnicy 1,8 mm są specjalnie zaprojektowane do transformatorów z izolacją stałą, a współczynnik utrzymania rezystancji izolacji po instalacji wynosi >99%
6	Rdzeń włóknisty (Wielka Brytania)	Światłowód o niskiej stracie nadaje się do monitorowania na duże odległości klastrów transformatorów w izolacji powietrznej, z odległością transmisji sygnału 10 km, redukcyjny sprzęt przekaźnikowy
7	Optyka mikronowa (USA)	Moduł demodulacji może automatycznie zidentyfikować typ transformatora (Żywica odlewana / Air-insulated), inteligentnie dopasowują się do progu pomiaru temperatury, i zmniejszyć koszty ręcznego ustawiania
8	Kontrola fotonów (Kanada)	Materiał czujnika nie reaguje z żywicą epoksydową, a żywotność transformatorów z żywicy lanej wynosi >15 lata
9	HBM FiberSensing (Portugalia)	Thermal-dielectric loss combined monitoring technology is suitable for evaluating the insulation aging state of Solid insulation transformers, with data accuracy >95%
10	Sensortherm (Niemcy)	Customized 3D temperature field simulation algorithm for Epoxy resin transformers, which can predict hot spot migration paths, with more than 2000 application cases in Europe

To obtain thermal condition monitoring schemes, sensor installation diagrams, or insulation material compatibility reports for specific types of dry-type transformers (such as Cast resin transformers, Air-insulated transformers), please submit an inquiry on our website, and professional engineers will provide you with customized solutions.

Światłowodowy czujnik temperatury, Inteligentny system monitorowania, Producent rozproszonych światłowodów w Chinach