新型城市軌道交通變壓器及健康管理研究

摘" 要：變壓器是城市軌道交通的重要環(huán)節(jié)，目前變壓器普遍在安全、節(jié)能、智能化等方面存在一些問(wèn)題。硅橡膠干式變壓器能夠滿(mǎn)足城市軌道交通關(guān)于能效、空載損耗、噪聲、電磁屏蔽和負(fù)載能力等性能指標(biāo)的要求。健康管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電力變壓器運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期的潛在故障，提高設(shè)備運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)變壓器“定期檢修”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”。

關(guān)鍵詞：硅橡膠干式變壓器；健康管理系統(tǒng)；溫度監(jiān)測(cè)；振動(dòng)監(jiān)測(cè)；城市軌道交通

中圖分類(lèi)號(hào)：U223.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）03-0116-04

Abstract： Transformers are an important part of urban rail transit. Currently， transformers generally have some problems in terms of safety， energy conservation， and intelligence. Silicone rubber dry-type transformers can meet the requirements of urban rail transit on performance indicators such as energy efficiency， no-load loss， noise， electromagnetic shielding， and load capacity. The health management system realizes comprehensive monitoring of the operating status of power transformers， detects early potential faults in a timely manner， improves the safety and stability of equipment operation， and realizes the transformation of \"regular maintenance\" of transformers into \"condition-based maintenance\".

Keywords： silicone rubber dry-type transformer; health management system; temperature monitoring; vibration monitoring; urban rail transit

城市軌道交通在優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)、緩解城市交通擁堵、環(huán)境保護(hù)方面均具有相應(yīng)的積極作用，并已經(jīng)成為我國(guó)走新型城鎮(zhèn)化道路的重要舉措。伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市交通需求劇增，城市軌道交通也得到快速發(fā)展，我國(guó)已成為世界上城市軌道交通發(fā)展最快的國(guó)家。據(jù)資料顯示，截至2022年底，我國(guó)共有55個(gè)城市開(kāi)通城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路308條，同比增長(zhǎng)8.8%；累計(jì)投運(yùn)車(chē)站總計(jì)5 875座，同比增長(zhǎng)9.96%；運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度達(dá)10 287.45 km，同比增長(zhǎng)11.7%。其中，地鐵8 008.17 km，占比為77.84%；市域快軌1 223.46 km，占比為11.89%；有軌電車(chē)564.77 km，占比為5.49%。

城市軌道交通供電系統(tǒng)，由電力系統(tǒng)經(jīng)高壓輸電網(wǎng)、主變電所降壓、配電網(wǎng)絡(luò)和牽引變電所降壓和換流等環(huán)節(jié)，向城市軌道快速交通線路運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組輸送電力[1-2]。城市軌道交通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括外部電源、主變電所、牽引供電系統(tǒng)、動(dòng)力照明供電系統(tǒng)和電力監(jiān)控系統(tǒng)[3]。變壓器是城市軌道交通的重要環(huán)節(jié)，起到承上啟下的電力傳輸作用，但目前變壓器普遍在安全、節(jié)能、智能化等方面存在一些問(wèn)題。變壓器根據(jù)絕緣介質(zhì)的不同，分為油浸式變壓器和干式變壓器[4]。油浸式變壓器具有散熱快、傳導(dǎo)均勻、油品絕緣性能可恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，但油本身具有耐熱性低、易燃易老化等缺點(diǎn)，因此在使用變壓器油作為冷卻介質(zhì)時(shí)有很多具體要求。干式變壓器采用環(huán)氧樹(shù)脂澆注，降低了火災(zāi)隱患和日常維護(hù)的成本，但存在絕緣材料耐熱等級(jí)低、絕緣材料易老化開(kāi)裂等問(wèn)題。且目前電力變壓器獨(dú)立運(yùn)行，缺少智能化監(jiān)測(cè)手段，無(wú)法了解變壓器的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息和健康狀態(tài)。

1" 新型硅橡膠變壓器

硅橡膠固體絕緣干式變壓器具有節(jié)能、環(huán)保、低碳和安全可靠的特性，填補(bǔ)了變壓器只有液體和氣體作為絕緣材料的技術(shù)空白，突破了環(huán)氧樹(shù)脂絕緣技術(shù)的限制。硅橡膠干式變壓器在安全、絕緣性能、環(huán)境適應(yīng)能力和超負(fù)載能力等方面與傳統(tǒng)變壓器相比都有明顯提升，特別是解決了多年來(lái)令人困擾的變壓器局部放電問(wèn)題。從原理上消除了高壓繞組內(nèi)部局部放電，提高了繞組的電氣安全性能和使用壽命。高、低壓繞組外部均設(shè)計(jì)了可靠的高強(qiáng)度固體絕緣層，作為空氣主絕緣的后備防線，使變壓器始終處于十分安全的狀態(tài)。

從基本結(jié)構(gòu)看電氣安全特性，硅橡膠澆注高壓線包的繞組結(jié)構(gòu)為多分段（餅）單向連續(xù)順繞，分段電壓受?chē)?yán)格限制、內(nèi)部電場(chǎng)分布均勻，構(gòu)成主動(dòng)消除局部放電原理，不受繞組內(nèi)部絕緣材料缺陷影響，因此徹底消除變壓器局部放電困擾；通過(guò)液態(tài)澆注導(dǎo)熱硅橡膠，對(duì)繞組進(jìn)行密實(shí)填充和包封，有利于向外傳導(dǎo)熱量并防止在繞組內(nèi)部聚積灰塵，同時(shí)形成高強(qiáng)度、可靠的固體絕緣包封，與空氣共同構(gòu)成復(fù)合主絕緣。

從電氣絕緣原理看電氣安全特性，硅橡膠絕緣變壓器在4個(gè)方面對(duì)高壓絕緣技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新。

一是主動(dòng)消除局部放電原理可保持變壓器永恒低局放（小于5 pC）。

二是兩固一氣三重冗余絕緣結(jié)構(gòu)可以做到主絕緣缺陷容錯(cuò)，充分利用空氣絕緣可恢復(fù)特性，同時(shí)可靠而強(qiáng)大的固體絕緣不受氣候影響，主絕緣安全可靠。

三是出線采取一體化硅橡膠套管防護(hù)可以加強(qiáng)繞組表面絕緣，使干式變壓器的出線具有戶(hù)外絕緣防護(hù)能力。

四是多種防雷技術(shù)加強(qiáng)了干式變壓器抗雷擊能力。

硅橡膠節(jié)能變壓器采用綠色環(huán)保材料制造，在使用時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生任何的有害物質(zhì)，更不會(huì)影響人體健康和污染環(huán)境。硅橡膠節(jié)能變壓器采用硅橡膠作為絕緣材料，其具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕和耐老化的特點(diǎn)，可以減少絕緣材料的損耗和熱量產(chǎn)生，提高變壓器的能效。同時(shí)硅橡膠節(jié)能變壓器具有快速變壓、穩(wěn)定變壓的效果，可以在電壓要求很高的各種環(huán)境當(dāng)中加以使用，與普通變壓器相比，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)提高效率、減少損耗，提高電能利用率，從而節(jié)約電耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的。

2" 健康管理系統(tǒng)

變壓器健康管理系統(tǒng)按照感知層、決策層和應(yīng)用層的體系構(gòu)建，如圖1所示。其中感知層作為健康管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過(guò)感知層設(shè)備實(shí)現(xiàn)電氣量、環(huán)境量、狀態(tài)量和視頻圖像等數(shù)據(jù)采集和邊緣計(jì)算功能，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)到?jīng)Q策層設(shè)備；決策層設(shè)備提供算法支撐以及邏輯控制功能，對(duì)感知層信息進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器健康狀態(tài)的快速響應(yīng)和處理；在服務(wù)器集群或數(shù)據(jù)中心環(huán)境下，應(yīng)用層的功能將網(wǎng)絡(luò)中的海量信息資源集成，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)據(jù)的“一次采集，處處使用”，解決數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索、使用、挖掘、安全和隱私保護(hù)等問(wèn)題，應(yīng)用層是變壓器健康管理系統(tǒng)的用戶(hù)界面，位于體系結(jié)構(gòu)的頂端，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，實(shí)現(xiàn)變壓器健康管理系統(tǒng)的開(kāi)放與共享，為用戶(hù)提供豐富的價(jià)值服務(wù)。

2.1" 硬件設(shè)計(jì)

電力是關(guān)乎國(guó)家安全和發(fā)展的戰(zhàn)略行業(yè)，目前構(gòu)成繼電保護(hù)裝置的核心元器件（CPU插件、電源插件、ADC插件等）受制于發(fā)達(dá)國(guó)家，存在巨大安全隱患，一旦發(fā)生芯片禁運(yùn)事件，電網(wǎng)將面臨重大風(fēng)險(xiǎn)。變壓器監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)遵循全國(guó)產(chǎn)化的原則，并采用開(kāi)源嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，有效杜絕了保護(hù)裝置中進(jìn)口器件潛在的信息安全隱患，對(duì)推動(dòng)電網(wǎng)保護(hù)和測(cè)控裝置核心芯片全面國(guó)產(chǎn)化，構(gòu)建安全穩(wěn)定電網(wǎng)具有重要意義。

變壓器監(jiān)測(cè)裝置采用國(guó)產(chǎn)化元器件，設(shè)計(jì)方案由處理器+計(jì)量芯片+串口屏組成，如圖2所示，處理器采用國(guó)產(chǎn)32位MCU，實(shí)現(xiàn)通信、邏輯處理、開(kāi)入開(kāi)出、顯示驅(qū)動(dòng)和按鍵處理等功能；采用一代三相SOC計(jì)量芯片，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、計(jì)量、電能質(zhì)量分析等功能。

2.2" 低壓繞組溫度監(jiān)測(cè)

低壓繞組溫度超過(guò)絕緣耐受溫度使絕緣破壞，是導(dǎo)致變壓器不能正常工作的主要原因之一，低壓繞組溫度監(jiān)測(cè)智能組件采用低功耗單片機(jī)，利用預(yù)埋在變壓器低壓繞組中的鉑熱電阻來(lái)檢測(cè)變壓器繞組的溫升，能夠自動(dòng)啟停冷卻風(fēng)機(jī)對(duì)繞組進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，避免或減少變壓器因溫度過(guò)高而引發(fā)的故障，并能控制超溫報(bào)警及超溫跳閘輸出，以保證變壓器運(yùn)行在安全狀態(tài)，從而延長(zhǎng)變壓器的工作壽命，低壓繞組溫度監(jiān)測(cè)智能組件信息通過(guò)串口Modbus通信模塊上傳到變壓器監(jiān)測(cè)設(shè)備，設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

2.3" 高壓繞組溫度監(jiān)測(cè)

電力變壓器的安全運(yùn)行和使用壽命，很大程度上取決于變壓器繞組的安全可靠，利用海康測(cè)溫?zé)嵯駜x來(lái)檢測(cè)變壓器高壓繞組近端部、電纜和銅排連接部的溫升，熱成像設(shè)備通過(guò)接收熱輻射，以非接觸方式檢測(cè)高壓繞組的溫度和狀態(tài)，支持點(diǎn)、線、框多規(guī)則靈活布控，滿(mǎn)足關(guān)鍵區(qū)域，特殊點(diǎn)位的測(cè)溫需求，實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、可視化測(cè)溫、溫度異常報(bào)警，可以簡(jiǎn)捷、安全、直觀和準(zhǔn)確地查找、判斷高壓繞組過(guò)熱故障，快速采取措施防止事故發(fā)生。

測(cè)溫?zé)嵯駜x通過(guò)以太網(wǎng)接入高壓繞組溫度監(jiān)測(cè)智能組件的交換機(jī)模塊，交換機(jī)模塊將測(cè)溫?zé)嵯駜x信息傳遞到邊緣計(jì)算模塊，邊緣計(jì)算模塊從圖像信息中提取各分區(qū)最高溫度、最低溫度、平均溫度等信息，通過(guò)串口Modbus通信模塊上傳到變壓器監(jiān)測(cè)設(shè)備，設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

2.4" 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

為了保護(hù)電力變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)智能組件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶儔浩鞅O(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行分析和處理，監(jiān)測(cè)運(yùn)行中的變壓器繞組或鐵芯發(fā)生松動(dòng)或變形故障，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)措施，從而減小振動(dòng)對(duì)電力變壓器的影響。運(yùn)行中的變壓器當(dāng)繞組或鐵芯發(fā)生松動(dòng)或變形故障時(shí)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用振動(dòng)傳感器，利用壓電晶體的壓電效應(yīng)測(cè)量振動(dòng)速度，應(yīng)用于振動(dòng)速度的精密量測(cè)，具有頻響寬、精度高、上電及歸零速度快、抗干擾能力強(qiáng)、氣密性好和壽命長(zhǎng)等性能優(yōu)點(diǎn)。其電荷放大器、積分處理、有效值調(diào)理單元內(nèi)置于傳感器不銹鋼外殼內(nèi)，振動(dòng)速度信號(hào)經(jīng)4～20 mA變送器轉(zhuǎn)換電路輸出，振動(dòng)監(jiān)測(cè)智能組件采集振動(dòng)速度信號(hào)，通過(guò)串口Modbus通信模塊上傳到變壓器監(jiān)測(cè)設(shè)備，設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

2.5" 軟件設(shè)計(jì)

采用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)作為變壓器健康管理平臺(tái)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是不依賴(lài)于硬件系統(tǒng)、獨(dú)立于硬件平臺(tái)，系統(tǒng)構(gòu)成支持基于冗余網(wǎng)絡(luò)的分布式體系結(jié)構(gòu)，采用對(duì)象化的設(shè)備描述方法，系統(tǒng)地描述由傳統(tǒng)的面向遠(yuǎn)動(dòng)的數(shù)據(jù)列表方式變?yōu)閷哟畏绞剑瑢?duì)象層次可以任意嵌套，能夠更直觀、更方便地反映電力系統(tǒng)的構(gòu)成。

健康管理平臺(tái)基于軟總線的分布式運(yùn)行環(huán)境，功能分布的多服務(wù)器應(yīng)用模式，資源優(yōu)化的客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器機(jī)制，可分別組成單機(jī)系統(tǒng)或多機(jī)系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，將以太網(wǎng)通信作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)分層、分布式構(gòu)架；強(qiáng)大的通信功能，主站監(jiān)控系統(tǒng)可無(wú)縫集成各種監(jiān)控分站以及廠站自動(dòng)化系統(tǒng)傳輸?shù)母鞣N運(yùn)行信息，同時(shí)系統(tǒng)提供OPC及各種流行通信規(guī)約接口，能直接軟件集成或通過(guò)監(jiān)控分站和通信服務(wù)器集成其他廠家的不同保護(hù)設(shè)備、智能設(shè)備的運(yùn)行信息，統(tǒng)一形成信息全覆蓋、一致性強(qiáng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

健康管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)超大容量設(shè)計(jì)，全面的數(shù)據(jù)共享解決方案，信息量豐富，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站全面、充分的描述；先進(jìn)的并行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，每一個(gè)服務(wù)器和工作站都有自己完全同步復(fù)制的面向?qū)ο蟮膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，避免了復(fù)雜的文件管理和系統(tǒng)緩存管理任務(wù)，縮短了應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)之間的編碼路徑，更少的CPU指令使得系統(tǒng)性能得到更大的提高。

雙機(jī)冗余熱備用技術(shù)，雙以太網(wǎng)通信，終端信息主動(dòng)上傳，是真正的多主結(jié)構(gòu)，不僅消除了傳統(tǒng)的通信瓶頸，也便于以故障點(diǎn)對(duì)象為單位隔離故障，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。配有光纖以太網(wǎng)卡，整個(gè)系統(tǒng)可組成全光纖以太網(wǎng)，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；系統(tǒng)集成的各種先進(jìn)的軟件技術(shù)，具有良好的可維護(hù)性和擴(kuò)展性，提供了一個(gè)安全可靠的、能提供各種高級(jí)服務(wù)的開(kāi)放式基礎(chǔ)平臺(tái)。

3" 結(jié)論

硅橡膠絕緣變壓器可實(shí)現(xiàn)全生命周期免維護(hù)，特別能適應(yīng)各種苛刻環(huán)境（如高原、高寒、高濕、多塵和多雷）。硅橡膠干式變壓器能夠滿(mǎn)足城市軌道交通關(guān)于能效、空載損耗、噪聲、電磁屏蔽和負(fù)載能力等性能指標(biāo)的要求，其安全可靠、節(jié)能環(huán)保、低噪音、低輻射、低維護(hù)成本和再生利用率高等特性，完美匹配了城市軌道交通選用變壓器的需求，同時(shí)也完美匹配我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。

新型城市軌道交通牽引整流變壓器健康管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力變壓器線圈溫度、運(yùn)行時(shí)間、供電質(zhì)量、電氣數(shù)據(jù)、火災(zāi)和震動(dòng)等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電力變壓器運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè)。新型城市軌道交通牽引整流變壓器健康管理系統(tǒng)具有測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動(dòng)化特征，與硅橡膠牽引整流變壓器配套，構(gòu)成具備智能維護(hù)功能的城市軌道交通用變壓器，能夠根據(jù)測(cè)量及在線監(jiān)視信息提供綜合診斷結(jié)果，針對(duì)早期潛在故障進(jìn)行診斷和分析，提高設(shè)備運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)變壓器“定期檢修”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”，減少運(yùn)行維護(hù)成本，為變壓器的檢修提供科學(xué)依據(jù)，可以節(jié)省大量維修費(fèi)用、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、提高供電可靠性和減少檢修風(fēng)險(xiǎn)。具有異常情況智能識(shí)別功能，協(xié)助用戶(hù)實(shí)現(xiàn)變壓器全壽命周期管理。

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