一种智能干式变压器研究与设计

张志鹏，李宝宝，曹廷根，杨莉莉，刘武扬

（1.许继变压器有限公司，许昌461000；2.许昌学院电气与机械工程学院，许昌461000）

0 引言

未来智能电网发展趋势是“一次”与“二次”系统的融合，功能方面预期是智能化、状态清晰化以及自适应能力强，经济效益方面是综合建设成本和维护费用最低。从配电网的角度来讲，要提高用户的用电质量，必须实现电网的高度自动化以及和用户之间的互动[1-3]。在电网系统中，变压器是重要设备，它直接和用电设备连接，分布广、数量多、容量大、总损耗大。随着电力自动化技术和电力电子技术的不断发展，电力设备智能化方面有了良好的技术支撑，这也为智能变压器的发展提供了有利的条件。

干式变压器多安装在工厂、楼宇或地下室等空间有限场所，大多没有运维人员。设备一旦出现故障，运维人员往往无法及时获取故障信息，在事故发生或扩大化后才能从上级保护设备发现故障现象，这种粗放式管理无法满足当前用电负荷对供电高可靠性的要求。另外变压器所带负载多样，运行中会出现三相不平衡现象，由于没有变压器运行数据，用户无法以最优的运行方式实时调整变压器负载率，长时间运行会使本体温度升高，严重时烧坏变压器。目前国内大多为智能油浸式变压器，例如中国西电、江苏华鹏、保定天威等公司，量产的智能干式变压器较少，知名的为施耐德发布的Smart Trihal智能干式变压器。

1 智能干式变压器工作原理

1.1 组成

智能干式变压器由干式变压器、感知元件、嵌入式智能终端[4]及相关连接线组成。基于物联网的三层基本架构进行设计：通过在变压器本体及外壳安装或植入多种互感器、智能传感器、信息采集模块，作为感知层；网络层由智能终端以及服务器管理软件等组成；应用层主要有多个节点组成。

1.2 工作原理

为了保证智能终端处于安全稳定的状态，电源外取，选用交流220 V或直流220 V；开机后控制器会进行自检，判断传感器连接是否正常。若全部正常，会反馈到终端，此时发出指令，开始启动各种传感器、互感器采集高低压相电流、相电压、零序电流、线圈温升、铁心温升、湿度等信号，控制器接收数据信息后，把这些信息储存在数据库中。将数据库中数据与系统设置的各项参数阈值进行比对，当某一项参数超出或不在阈值范围内时，智能终端面板有相应告警指示灯闪烁，此外智能终端还会将此信号通过以太网通信和RS485通信方式传输至用户创建的网络，此外智能终端还可以通过相应保护启动风机等功能。

2 总体方案设计

2.1 本体布局设计

为了更好获取干式变压器的基础参数，同时考虑空间问题，选用优质的传感器或互感器，保证在不增加尺寸的情况下，满足变压器的各项数据采集。干式变压器感知元件位置图如图1所示。在干式变压器铜排、铁心、线圈内部、外壳等多个位置设置感知元件，完成各类数据采集，例如线圈温度，铁心温度、三相电流、电压、环境温湿度等信息。

图1干式变压器感知元件位置

2.2 智能终端硬件设计

表1硬件参数配置

根据实际需求，制定了相关硬件配置，如表1所示。通过在干变本体、外壳等位置植入或安装传感器，研制出一款集保护[5-6]、测控、多种通信方式于一体的智能终端，保障数据采集、传输、处理、控制以及可视化等。

2.3 智能终端软件设计

本装置的保护功能是基于分层、分模块的设计思想，将保护功能实现按数据处理、元件计算、保护逻辑、出口逻辑等进行划分，主要有过负荷保护、高温告警及保护、风机自启动控制及温湿度告警与除湿等保护，此外装置故障告警保护装置的硬件发生故障（包括定值出错、定值区号出错、开出回路故障、A/D出错），装置的LCD显示故障信息，并闭锁保护，发告警信号。

（1）过负荷保护。装置设有过负荷保护，由压板进行投退。过负荷保护动作于告警。过负荷保护原理如图2所示，其中Tgfh为过负荷告警延时。

图2过负荷保护原理

（2）零序电流保护。装置设有零序电流保护，由压板进行投退。零序电流保护动作于告警。零序电流保护原理如图3所示，其中Tlx为零序电流告警延时。

图3零序电流保护原理

（3）变压器高温告警及保护。当变压器本体的A相、B相、C相绕组及铁芯温度任何一个超过风机启动定值，启动变压器本体风机达到冷却的目的，并发遥信；变压器本体通风散热逻辑如图4所示。

当变压器本体的A相、B相、C相绕组及铁芯温度任何一个超过本体高温定值，且高温压板投入，装置启动变压器本体风机达到冷却的目的，同时告警信号显示、告警信号继电器闭合并发遥信，装置进行高温信号显示及远传；变压器本体高温告警保护逻辑如图5所示。

图4变压器启动散热逻辑

图5变压器高温告警逻辑

当变压器本体的A相、B相、C相绕组及铁芯温度任何一个超过本体超高温定值，且超高温压板投入，启动变压器本体风机达到冷却的目的，同时跳闸信号显示、跳闸信号继电器闭合并发遥信，装置进行超高温信号显示并发遥信。变压器本体超高温跳闸保护逻辑如图6所示。

图6变压器超高温跳闸逻辑

3 试验结果与分析

试验分为智能终端检测和干式变压器与智能终端整机联调试验。智能终端检测主要包括基本性能试验以及电磁兼容试验，并通过第三方型式试验，其中过负荷告警、零序电流告警整定范围为0.1 A~20 A，误差不超过±2.5%或±0.05 A；本体高温、超高温告警在整定范围25℃~200℃内，误差不超过±2℃；温湿度测量功能检验在整定范围30℃~70℃内误差不超过±2℃，其他试验结果不再一一阐述；证明智能终端各项指标符合要求。为了进一步验证智能干式变压器功能和可靠性，以SCB13-1000/10干式变压器为测试对象，进行了整体联调试验，如图7所示。试验表明，验证了变压器的高低压侧相电压、相电流、零序电流、有功功率、无功功率、功率因数等数据的准确性，通过修改设定值，验证电压电流越限告警、温度告警、环境温湿度告警及风机启动等功能的可靠性。

图7智能干式变压器样机

4 结语

本项目提出了一种干式变压器与传感器件、智能终端等一二次融合的技术方案，是切实可行的，能够实时监测变压器的运行状态，如电流电压、设备温度、运行环境以及开关信号等。通过运行状态分析，计算出运行功率、损耗、功率因数、三相不平衡率等。这些实时数据通过有线和无线方式上送至后台系统，实现供电设备的可视化管理，下一步重点研究云平台、手机App，实现一张网、一平台、一终端的生态体系，为用户提供更好的服务。