一種智能干式變壓器研究與設計

張志鵬，李寶寶，曹廷根，楊莉莉，劉武揚

（1.許繼變壓器有限公司，許昌461000；2.許昌學院電氣與機械工程學院，許昌461000）

0 引言

未來智能電網發展趨勢是“一次”與“二次”系統的融合，功能方面預期是智能化、狀態清晰化以及自適應能力強，經濟效益方面是綜合建設成本和維護費用最低。從配電網的角度來講，要提高用戶的用電質量，必須實現電網的高度自動化以及和用戶之間的互動[1-3]。在電網系統中，變壓器是重要設備，它直接和用電設備連接，分布廣、數量多、容量大、總損耗大。隨著電力自動化技術和電力電子技術的不斷發展，電力設備智能化方面有了良好的技術支撐，這也為智能變壓器的發展提供了有利的條件。

干式變壓器多安裝在工廠、樓宇或地下室等空間有限場所，大多沒有運維人員。設備一旦出現故障，運維人員往往無法及時獲取故障信息，在事故發生或擴大化后才能從上級保護設備發現故障現象，這種粗放式管理無法滿足當前用電負荷對供電高可靠性的要求。另外變壓器所帶負載多樣，運行中會出現三相不平衡現象，由于沒有變壓器運行數據，用戶無法以最優的運行方式實時調整變壓器負載率，長時間運行會使本體溫度升高，嚴重時燒壞變壓器。目前國內大多為智能油浸式變壓器，例如中國西電、江蘇華鵬、保定天威等公司，量產的智能干式變壓器較少，知名的為施耐德發布的Smart Trihal智能干式變壓器。

1 智能干式變壓器工作原理

1.1 組成

智能干式變壓器由干式變壓器、感知元件、嵌入式智能終端[4]及相關連接線組成?；谖锫摼W的三層基本架構進行設計：通過在變壓器本體及外殼安裝或植入多種互感器、智能傳感器、信息采集模塊，作為感知層；網絡層由智能終端以及服務器管理軟件等組成；應用層主要有多個節點組成。

1.2 工作原理

為了保證智能終端處于安全穩定的狀態，電源外取，選用交流220 V或直流220 V；開機后控制器會進行自檢，判斷傳感器連接是否正常。若全部正常，會反饋到終端，此時發出指令，開始啟動各種傳感器、互感器采集高低壓相電流、相電壓、零序電流、線圈溫升、鐵心溫升、濕度等信號，控制器接收數據信息后，把這些信息儲存在數據庫中。將數據庫中數據與系統設置的各項參數閾值進行比對，當某一項參數超出或不在閾值范圍內時，智能終端面板有相應告警指示燈閃爍，此外智能終端還會將此信號通過以太網通信和RS485通信方式傳輸至用戶創建的網絡，此外智能終端還可以通過相應保護啟動風機等功能。

2 總體方案設計

2.1 本體布局設計

為了更好獲取干式變壓器的基礎參數，同時考慮空間問題，選用優質的傳感器或互感器，保證在不增加尺寸的情況下，滿足變壓器的各項數據采集。干式變壓器感知元件位置圖如圖1所示。在干式變壓器銅排、鐵心、線圈內部、外殼等多個位置設置感知元件，完成各類數據采集，例如線圈溫度，鐵心溫度、三相電流、電壓、環境溫濕度等信息。

圖1干式變壓器感知元件位置

2.2 智能終端硬件設計

表1硬件參數配置

根據實際需求，制定了相關硬件配置，如表1所示。通過在干變本體、外殼等位置植入或安裝傳感器，研制出一款集保護[5-6]、測控、多種通信方式于一體的智能終端，保障數據采集、傳輸、處理、控制以及可視化等。

2.3 智能終端軟件設計

本裝置的保護功能是基于分層、分模塊的設計思想，將保護功能實現按數據處理、元件計算、保護邏輯、出口邏輯等進行劃分，主要有過負荷保護、高溫告警及保護、風機自啟動控制及溫濕度告警與除濕等保護，此外裝置故障告警保護裝置的硬件發生故障（包括定值出錯、定值區號出錯、開出回路故障、A/D出錯），裝置的LCD顯示故障信息，并閉鎖保護，發告警信號。

（1）過負荷保護。裝置設有過負荷保護，由壓板進行投退。過負荷保護動作于告警。過負荷保護原理如圖2所示，其中Tgfh為過負荷告警延時。

圖2過負荷保護原理

（2）零序電流保護。裝置設有零序電流保護，由壓板進行投退。零序電流保護動作于告警。零序電流保護原理如圖3所示，其中Tlx為零序電流告警延時。

圖3零序電流保護原理

（3）變壓器高溫告警及保護。當變壓器本體的A相、B相、C相繞組及鐵芯溫度任何一個超過風機啟動定值，啟動變壓器本體風機達到冷卻的目的，并發遙信；變壓器本體通風散熱邏輯如圖4所示。

當變壓器本體的A相、B相、C相繞組及鐵芯溫度任何一個超過本體高溫定值，且高溫壓板投入，裝置啟動變壓器本體風機達到冷卻的目的，同時告警信號顯示、告警信號繼電器閉合并發遙信，裝置進行高溫信號顯示及遠傳；變壓器本體高溫告警保護邏輯如圖5所示。

圖4變壓器啟動散熱邏輯

圖5變壓器高溫告警邏輯

當變壓器本體的A相、B相、C相繞組及鐵芯溫度任何一個超過本體超高溫定值，且超高溫壓板投入，啟動變壓器本體風機達到冷卻的目的，同時跳閘信號顯示、跳閘信號繼電器閉合并發遙信，裝置進行超高溫信號顯示并發遙信。變壓器本體超高溫跳閘保護邏輯如圖6所示。

圖6變壓器超高溫跳閘邏輯

3 試驗結果與分析

試驗分為智能終端檢測和干式變壓器與智能終端整機聯調試驗。智能終端檢測主要包括基本性能試驗以及電磁兼容試驗，并通過第三方型式試驗，其中過負荷告警、零序電流告警整定范圍為0.1 A~20 A，誤差不超過±2.5%或±0.05 A；本體高溫、超高溫告警在整定范圍25℃~200℃內，誤差不超過±2℃；溫濕度測量功能檢驗在整定范圍30℃~70℃內誤差不超過±2℃，其他試驗結果不再一一闡述；證明智能終端各項指標符合要求。為了進一步驗證智能干式變壓器功能和可靠性，以SCB13-1000/10干式變壓器為測試對象，進行了整體聯調試驗，如圖7所示。試驗表明，驗證了變壓器的高低壓側相電壓、相電流、零序電流、有功功率、無功功率、功率因數等數據的準確性，通過修改設定值，驗證電壓電流越限告警、溫度告警、環境溫濕度告警及風機啟動等功能的可靠性。

圖7智能干式變壓器樣機

4 結語

本項目提出了一種干式變壓器與傳感器件、智能終端等一二次融合的技術方案，是切實可行的，能夠實時監測變壓器的運行狀態，如電流電壓、設備溫度、運行環境以及開關信號等。通過運行狀態分析，計算出運行功率、損耗、功率因數、三相不平衡率等。這些實時數據通過有線和無線方式上送至后臺系統，實現供電設備的可視化管理，下一步重點研究云平臺、手機App，實現一張網、一平臺、一終端的生態體系，為用戶提供更好的服務。