什么是智能变压器以及其工作原理

第一节　变压器

1.什么是智能变压器?

答:一个能够在智能系统环境下，通过网络与其他设备或系统进行交互的变压器。其内部嵌入的各类传感器和执行器在智能化单元的管理下，保证变压器在安全、可靠、经济条件下运行。出厂时将该产品的各种特性参数和结构信息植入智能化单元，运行过程中利用传感器收集得到实时信息，自动分析目前的工作状态，与其他系统实时交换信息，同时接受其他系统的相关数据和指令，调整自身的运行状态。

2.智能变压器由哪些部分组成?

答:智能变压器主要包括主IED、测控IED、局放监测IED、油气监测IED、光纤绕组测温监测IED、其他监测IED、非电量保护装置、传感器、合并单元、执行机构、通信网络、智能组件柜、调节控制部件、主控单元、传感采集、通信传输和基本部件。

3.智能变压器有哪些传感器?

答:油位传感器、顶层油温传感器、油压力传感器、光纤测温传感器、油气传感器、底层油温传感器、内置组合式局放传感器、铁芯夹件传感器、铁芯接地电流及局放传感器。

4.智能变压器能实现什么样的功能?

答:智能变压器可以实现以下功能:运行数据检测、故障报警、保护功能、状态诊断与评估、信息管理、智能温控、负荷控制等。

5.什么是变压器智能化单元?

答:智能化单元，可简称TIED(transformer intelligent electric device)，这是整个智能化变压器的核心，其内部潜有数据管理、综合数据统计分析、推理、信息交互管理等。变压器出厂时将各种技术参数、极限参数、结构数据、推理判据等，通过专家知识库的数据组织形式植入智能化单元。用标准协议与其他智能系统交换信息。各种传感器、执行器通过各自的数字化或智能化单元接入。一些简单的模拟量、开关量可直接接入TIED。

6.对TIED的要求有哪些?

答:(1)支持标准通信协议IEC 61850和TCP/IP。

(2)具有互操作性，能够与同一厂家或不同厂家的IED互联。

(3)内嵌Web维护界面，支持远程维护功能。

(4)带有跟踪自诊断功能，确保系统异常后实时报警。

(5)满足室外长期运行要求，必须保证能够在恶劣环境或极端环境和变电站强电磁干扰环境下，安全可靠运行。

7.智能变压器各绕组的工作电压是如何获取的?

答:智能变压器在运行过程中各绕组的工作电压需要反映到智能化单元(TIED)，这是评估自身运行状态的重要参数之一，变压器承受的电压、电压谐波、过励磁状态、传输容量计算、调压过程监测都需要通过电压分析计算。

各绕组电压参数的获取方法如下:

(1)在变压器内部或本体上集成电压传感器，具体传感器形式可不限制，电磁式、电容式、光电式等，目前可采用技术成熟的检测方法。传感器获得的低压模拟信号直接接入智能化单元(TIED)，数字化后作为TIED的分析输入参数或打包通过网络向系统传送的信号。

传感器无论采用电磁式或电容式，其容量与传统PT相比很小。在满足精度和信噪比要求的前提下，仅供A/D转换用，低压侧＜1 mA即满足要求。

(2)变压器状态评估所需的各绕组的电压实时信号，通过网络从其他智能化单元(IED)上获取。如独立的智能化电压、电流测量单元。但必须是实时信号，而不是有效值信号。

TIED中应支持以上两种电压信号获取方式。

电压数字化要求:分辨率16 bit;采样率128点/周波;精度测量0.2%;保护5P。

8.智能变压器各绕组的工作电流是如何获取的?

答:智能变压器在运行过程中各绕组工作电流的稳态或暂态量必须实时反映到智能化单元(TIED)，用于评估自身的运行状态，分析变压器负荷、电流谐波、调压过程监测等。

电流信号的获取方法如下:

(1)在变压器内部集成电流互感器，具体形式不限制，电磁式、电子式、光纤式等。目前套管CT技术成熟，而且数字化后CT的容量很小，目前还应以这种形式为主，在变压器本体安装优于其他形式。从套管CT获取的模拟电流信号(0～10 mA或0～5 mA)直接送TIED数字化，作为TIED的分析输入信号或打包通过网络向系统传送。与电压信号类似，电流信号本地直接数字化，在满足精度和信噪比要求的前提下，容量可以很小。

(2)外部获取，与电压信号外部获取相同。

在变压器智能化单元中应支持以上两种电流信号获取方式。

电流数字化要求:分辨率16 bit;采样率128点/周波;精度测量0.2%;保护5P。

9.智能变压器各绕组的油温是如何获取的?

答:传统变压器的油温检测采用油面温度计(机械或电子式)，输出接点控制信号或模拟信号(如4～20 mA)直接控制冷却器或通过端子箱接入主控室，有些变压器根据用户要求检测油面温度和油箱底部温度。

智能变压器油温检测采用PT100，监测油面温度、油箱底部温度和环境温度。PT100直接接到TIED或温度监测智能化单元。智能化单元最少应具备5路PT100温度检测输入接口。

油面温度2路;底部温度2路;环境温度1路。精度要求与目前变压器上使用的相同。各路温度信号直接在TIED数字化，控制冷却器或打包传输，冷却器控制指令由智能化单元给出。

10.应用光纤测量变压器绕组温度所存在的问题有哪些?

答:(1)将光纤探头预埋在绕组上，目前需要在变压器线圈绕制过程中预埋，工艺难度较大，且线圈绕完后需要经过多道工序处理(整形、干燥、吊装等)，进入总装后还有多道工序才能完成整体装配。光纤细而强度低，在此过程中很容易损坏。

(2)光纤探头测量的是单点温度，预埋的位置是设计人员根据计算评估确定的，很难与实际热点温度吻合。

(3)光纤在变压器绕组内部受振动、温度、油浸等多种因素影响，寿命和精度都很难保证。由于在线圈内部，损坏后根本无法修复或更换。有些在3～5年后基本就退出运行了。

11.智能变压器中油中气体含量的测量方法有哪些?

答:在现有技术上开发的油气监测装置，从原理上主要有四种。

(1)传统气象色谱法:精度高，能准确分析多种气体含量，但用于在线监测，结构复杂、故障率高、消耗载气，色谱柱寿命短。

(2)光声光谱法:精度适中，可分析多种气体，但对环境要求高，稳定性一般，但不需要载气和耗材。

(3)燃料电池法:仅能反映综合气体，且以氢气为主，精度一般。

(4)气体传感器法:多种传感器，分别检测不同气体成分。目前技术不成熟，只要是单组分传感器。

智能变压器在第一阶段可采用目前成熟的多组分气象色谱法在线监测装置。在线监测装置内置IED单元，通过标准总线与TIED通信。

12.脉冲电流法测量变压器局放的原理是什么?

答:脉冲电流法是标准指定的方法，校验和检测都有标准，通过视在放电量衡量变压器的放电水平。频段在20～400 kHz，此方法是变压器出厂试验和验收试验指定的方法。用于在线监测如何克服现场干扰是关键问题，随着滤波和放电信号识别算法的改进，已进入实用阶段。检测传感器安装在套管末屏或铁芯(夹件)接地线上。

13.什么是测量变压器局放的超高频法?

答:超高频(或特高频)法是为克服现场干扰问题而开发的一种方法。频带在20～1 500 MHz之间，通过高频天线接收某个干扰小的频段信号，检测放电量。

14.超高频法的缺点有哪些?

答:(1)高频信号尤其是特高频，传播衰减很快，受被测设备结构影响很大，变压器内部主要是金属部件，监测天线无论装在什么位置都会有盲区。

(2)定量困难，不但非线性，而且受放电位置影响很大，目前没有标准。

(3)在变压器上安装困难，需要开安装孔，对保证高压变压器内部油质有影响，且在单一点检测有盲区。

15.超声法测量局放有什么特点?

答:该方法与超高频法类似，存在定量困难、检测有盲区的缺点。目前主要用于局放定位，由于局放信号声电传输速度差明显，可实现局放定位。受各种电信号干扰小。大型变压器在箱体外部检测超声，由于油箱磁屏蔽和箱壁的影响，灵敏度较低，一般可检测量在1 000 pC以上(受放电性质和位置影响)。

16.智能变压器有哪些技术要求?

答:根据智能变压器测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化、信息互动化的总体要求，智能变压器要达到如下的技术要求。

(1)根据实时获取的油箱顶部温度、环境温度、负荷电流评估绕组的热点温度和寿命损耗(IEC 60354，IEC 70076－7)、过载能力、紧急过负载时间，向冷却器控制系统发出操作指令，并评估冷却效率，超过设定参数，主动启停相应设备，超过极限参数，主动发出信息或指令。

(2)根据设定的冷却器控制方式(自动、手动)，控制并监视冷却器的智能运行，制定冷却器投切策略、优化冷却器投切。监视冷却器:①每组风机的工作状态(工作、停止、故障);②电源状态(正常、断相、停电、故障)，根据冷却效率提示是否清理。给出分类故障报警，紧急情况下主动发出指令。(www.xing528.com)

(3)实时观察气体继电器状态(轻瓦斯、重瓦斯);压力释放器状态动作跳闸;压力继电器动作跳闸等以最高优先级，发出信息。

(4)将实时监测的油位、油箱内油压、油面温度、铁芯接地电流等模拟量转换成数字量，作为状态评估和故障分析的数据，或实时监测数据上传。

(5)监测吸湿器的干燥状态，并根据设定的判据，启停吸湿器干燥装置。

(6)定时从油气监测装置中获取油气分析数据和油中含水量数据，分析变压器绝缘状态，记录其各种成分的变化趋势，评估绝缘水平。关注异常数据，并按IEC 60599或GB/T 7252或积累的经验推理，给出故障类型评估结果。对于超过预定变化速率的气体，给出紧急故障评估类型报警，智能变压器的技术要求超过预定变化速率的气体，给出紧急故障评估类型报警，同时给出原始数据。

(7)在油气数据异常的情况下，结合负荷数据，评估故障性质。

(8)接受变压器绕组热点温度监测装置数据，评估变压器负荷状态、寿命损耗、过负荷能力，并动态优化冷却方式。

(9)用户根据需要可随时调出变压器本体的各种性能参数、结构特性数据和必要的图形。

17.什么是智能组件?

答:由若干智能电子装置集合组成，承担宿主设备的测量、控制和监测等基本功能;在满足相关标准要求时，智能组件还可承担相关计量、保护等功能。可包括测量、控制、状态监测、计量、保护等全部或部分装置。

18.智能组件具有哪些属性?

答:智能组件具有以下三个属性:

(1)是一个物理设备。

(2)是宿主高压设备的一部分。

(3)由一个以上智能电子装置组成。

19.什么是智能电子装置(intelligent electronic device，IED)?

答:一种带有处理器、具有以下全部或部分功能的一种电子装置。

(1)采集或处理数据。

(2)接收或发送数据。

(3)接收或发送控制指令。

(4)执行控制指令。

20.变压器智能化项目有哪些?

答:智能化项目见表2－1。

表2－1

21.变压器冷却装置控制IED有哪些功能?

答:见表2－2。

表2－2

22.变压器有载分接开关控制IED有哪些功能?

答:见表2－3。

表2－3

23.变压器智能组件主IED有哪些功能?

答:(1)信息集成。支持各类标准通信规约，集成各种IED的数字信号，提供配置工具，可实现IED的设备的设置。

(2)规约转换。将从IED设备提取的信息转换为IEC 61850规约要求的格式转发到站控层网络。

(3)控制转发。接收上位机发送的控制指令转发到各类IED，并返回各IED的状态信息。

(4)事件报警。接收IED的各类事件及报警信息并转发至站控层网络。

(5)故障诊断与状态评估。建立多状态参量融合的故障诊断模型和基于故障可信性分析的状态评估方法，准确分析变压器运行状态。

(6)辅助决策。提供包括变压器优化运行、变压器检修策略等决策支持信息。

24.智能变压器对内置型传感器的要求是什么?

答:智能变压器对内置型传感器的要求是:采用无源型，或将有源部分外置。

变压器的所有出厂试验应在安装了内置传感器之后进行。

内置传感器与外部检测单元的联络通道应符合一次设备的密封要求。

内置传感器的使用寿命应不小于15年。

25.智能变压器对外置型传感器的要求是什么?

答:新设备留有外置传感器的安装位置。外观要求整洁、易维护、不降低变压器的外绝缘水平。

应安装在低电位处，除非必须，不推荐安装于高压部位。

与高压设备内部绝缘介质相通的外置传感器，其密封性能、机械杂质含量等应符合或高于变压器的相应要求。

有良好的电磁屏蔽措施。

26.智能变压器的控制器有哪些?

答:包括变压器冷却系统、有载开关控制器，控制方式有控制器就地控制、智能组件通过控制器控制、站控层通过智能组件控制。优先顺序为:系统层控制、智能组件控制、控制器就地控制。

27.变压器智能组件各自的功能是什么?

答:套管监测装置:监测变压器套管介损，采集套管泄漏电流、阻性电流等。

局放监测装置:采用超声波和特高频法监测变压器内部局部放电现象，并定量和定性分析局部放电类型、位置等。

油色谱监测装置:采用色谱法，在变压器不停电条件下监测变压器油中气体，包括H₂、CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆、CO₂、H₂O。

非电量保护:根据非电量信号完成对变压器的保护，采用电缆直采直跳方式。

变压器测控装置:接收本间隔合并单元采样值，并将处理结果传送至站控层网络，同时完成对本间隔开关、刀闸就地和远方遥控功能。

变压器保护装置:接收合并单元的电流、电压采样数字信号，根据电流、电压等电量信号完成对变压器的保护，采用GOOSE方式完成开关、刀闸的位置信号采集和跳、合闸控制功能。

合并单元:采集本间隔CT、PT(常规或电子式)信号，并将电流、电压合并信号传至过程层网络。

28.智能变压器如何控制调节有载调压分接头?

答:变压器智能测控装置通过电缆直采或从站控层获取变压器负荷电流、电压信号，根据设定的调压控制方式，自动向有载调压开关控制器发出调节指令，或从站控层获取远方遥控命令调节变压器分接头挡位。

变压器智能测控装置从有载调压分接头开关就地控制器获取分接头挡位、调节操作次数、OLTC异常状态等信号，这些信号通过IEC 61850发送至站控层网络。