一種智能干式變壓器研究與設(shè)計(jì)

張志鵬，李寶寶，曹廷根，楊莉莉，劉武揚(yáng)

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

0 引言

未來智能電網(wǎng)發(fā)展趨勢是“一次”與“二次”系統(tǒng)的融合，功能方面預(yù)期是智能化、狀態(tài)清晰化以及自適應(yīng)能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益方面是綜合建設(shè)成本和維護(hù)費(fèi)用最低。從配電網(wǎng)的角度來講，要提高用戶的用電質(zhì)量，必須實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的高度自動(dòng)化以及和用戶之間的互動(dòng)[1-3]。在電網(wǎng)系統(tǒng)中，變壓器是重要設(shè)備，它直接和用電設(shè)備連接，分布廣、數(shù)量多、容量大、總損耗大。隨著電力自動(dòng)化技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力設(shè)備智能化方面有了良好的技術(shù)支撐，這也為智能變壓器的發(fā)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(yùn)維人員。設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，運(yùn)維人員往往無法及時(shí)獲取故障信息，在事故發(fā)生或擴(kuò)大化后才能從上級保護(hù)設(shè)備發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象，這種粗放式管理無法滿足當(dāng)前用電負(fù)荷對供電高可靠性的要求。另外變壓器所帶負(fù)載多樣，運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)三相不平衡現(xiàn)象，由于沒有變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)，用戶無法以最優(yōu)的運(yùn)行方式實(shí)時(shí)調(diào)整變壓器負(fù)載率，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)使本體溫度升高，嚴(yán)重時(shí)燒壞變壓器。目前國內(nèi)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(chǎn)的智能干式變壓器較少，知名的為施耐德發(fā)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(guān)連接線組成。基于物聯(lián)網(wǎng)的三層基本架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)：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(wǎng)絡(luò)層由智能終端以及服務(wù)器管理軟件等組成；應(yīng)用層主要有多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。

1.2 工作原理

為了保證智能終端處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)，電源外取，選用交流220 V或直流220 V；開機(jī)后控制器會(huì)進(jìn)行自檢，判斷傳感器連接是否正常。若全部正常，會(huì)反饋到終端，此時(shí)發(fā)出指令，開始啟動(dòng)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(shù)據(jù)信息后，把這些信息儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中。將數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)閾值進(jìn)行比對，當(dāng)某一項(xiàng)參數(shù)超出或不在閾值范圍內(nèi)時(shí)，智能終端面板有相應(yīng)告警指示燈閃爍，此外智能終端還會(huì)將此信號通過以太網(wǎng)通信和RS485通信方式傳輸至用戶創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)，此外智能終端還可以通過相應(yīng)保護(hù)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)等功能。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 本體布局設(shè)計(jì)

為了更好獲取干式變壓器的基礎(chǔ)參數(shù)，同時(shí)考慮空間問題，選用優(yōu)質(zhì)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(xiàng)數(shù)據(jù)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(nèi)部、外殼等多個(gè)位置設(shè)置感知元件，完成各類數(shù)據(jù)采集，例如線圈溫度，鐵心溫度、三相電流、電壓、環(huán)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(shè)計(jì)

表1硬件參數(shù)配置

根據(jù)實(shí)際需求，制定了相關(guān)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(hù)[5-6]、測控、多種通信方式于一體的智能終端，保障數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、控制以及可視化等。

2.3 智能終端軟件設(shè)計(jì)

本裝置的保護(hù)功能是基于分層、分模塊的設(shè)計(jì)思想，將保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)按數(shù)據(jù)處理、元件計(jì)算、保護(hù)邏輯、出口邏輯等進(jìn)行劃分，主要有過負(fù)荷保護(hù)、高溫告警及保護(hù)、風(fēng)機(jī)自啟動(dòng)控制及溫濕度告警與除濕等保護(hù)，此外裝置故障告警保護(hù)裝置的硬件發(fā)生故障（包括定值出錯(cuò)、定值區(qū)號出錯(cuò)、開出回路故障、A/D出錯(cuò)），裝置的LCD顯示故障信息，并閉鎖保護(hù)，發(fā)告警信號。

（1）過負(fù)荷保護(hù)。裝置設(shè)有過負(fù)荷保護(hù)，由壓板進(jìn)行投退。過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作于告警。過負(fù)荷保護(hù)原理如圖2所示，其中Tgfh為過負(fù)荷告警延時(shí)。

圖2過負(fù)荷保護(hù)原理

（2）零序電流保護(hù)。裝置設(shè)有零序電流保護(hù)，由壓板進(jìn)行投退。零序電流保護(hù)動(dòng)作于告警。零序電流保護(hù)原理如圖3所示，其中Tlx為零序電流告警延時(shí)。

圖3零序電流保護(hù)原理

（3）變壓器高溫告警及保護(hù)。當(dāng)變壓器本體的A相、B相、C相繞組及鐵芯溫度任何一個(gè)超過風(fēng)機(jī)啟動(dòng)定值，啟動(dòng)變壓器本體風(fēng)機(jī)達(dá)到冷卻的目的，并發(fā)遙信；變壓器本體通風(fēng)散熱邏輯如圖4所示。

當(dāng)變壓器本體的A相、B相、C相繞組及鐵芯溫度任何一個(gè)超過本體高溫定值，且高溫壓板投入，裝置啟動(dòng)變壓器本體風(fēng)機(jī)達(dá)到冷卻的目的，同時(shí)告警信號顯示、告警信號繼電器閉合并發(fā)遙信，裝置進(jìn)行高溫信號顯示及遠(yuǎn)傳；變壓器本體高溫告警保護(hù)邏輯如圖5所示。

圖4變壓器啟動(dòng)散熱邏輯

圖5變壓器高溫告警邏輯

當(dāng)變壓器本體的A相、B相、C相繞組及鐵芯溫度任何一個(gè)超過本體超高溫定值，且超高溫壓板投入，啟動(dòng)變壓器本體風(fēng)機(jī)達(dá)到冷卻的目的，同時(shí)跳閘信號顯示、跳閘信號繼電器閉合并發(fā)遙信，裝置進(jìn)行超高溫信號顯示并發(fā)遙信。變壓器本體超高溫跳閘保護(hù)邏輯如圖6所示。

圖6變壓器超高溫跳閘邏輯

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)分為智能終端檢測和干式變壓器與智能終端整機(jī)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。智能終端檢測主要包括基本性能試驗(yàn)以及電磁兼容試驗(yàn)，并通過第三方型式試驗(yàn)，其中過負(fù)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(nèi)，誤差不超過±2℃；溫濕度測量功能檢驗(yàn)在整定范圍30℃~70℃內(nèi)誤差不超過±2℃，其他試驗(yàn)結(jié)果不再一一闡述；證明智能終端各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)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(jìn)行了整體聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，如圖7所示。試驗(yàn)表明，驗(yàn)證了變壓器的高低壓側(cè)相電壓、相電流、零序電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過修改設(shè)定值，驗(yàn)證電壓電流越限告警、溫度告警、環(huán)境溫濕度告警及風(fēng)機(jī)啟動(dòng)等功能的可靠性。

圖7智能干式變壓器樣機(jī)

4 結(jié)語

本項(xiàng)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(shù)方案，是切實(shí)可行的，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，如電流電壓、設(shè)備溫度、運(yùn)行環(huán)境以及開關(guān)信號等。通過運(yùn)行狀態(tài)分析，計(jì)算出運(yùn)行功率、損耗、功率因數(shù)、三相不平衡率等。這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過有線和無線方式上送至后臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備的可視化管理，下一步重點(diǎn)研究云平臺(tái)、手機(jī)App，實(shí)現(xiàn)一張網(wǎng)、一平臺(tái)、一終端的生態(tài)體系，為用戶提供更好的服務(wù)。