第二節　智能變壓器

一、基本含義

能夠在智能系統環境下，通過網絡與其他設備或系統進行交互的變壓器。其內部嵌入的各類傳感器和執行器在智能化單元的管理下，保證變壓器在安全、可靠、經濟條件下運行。出廠時將該產品的各種特性參數和結構信息植入智能化單元，運行過程中利用傳感器收集到實時信息，自動分析目前的工作狀態與其他系統實時交互信息，同時接收其他系統的相關數據和指令，調整自身的運行狀態。

智能化變壓器的實現是在傳統變壓器基礎上植入傳感器，增加智能組件，利用數字化和網絡化技術通過變壓器狀態傳感器和指令執行元件，實現變壓器狀態的可視化、控制的網絡化和自動化，為智能變電站提供最基礎的功能支撐。智能組件需要與變壓器主體進行一體化的統一設計，并承擔過程層或間隔層的全部計量、檢測、控制和保護等功能。

二、智能化變壓器的功能

變壓器智能組件能夠自動獲取變壓器的各種運行參數，同時根據運行參數，結合評估診斷關鍵技術模型（熱平衡模型、冷卻模型、過負荷模型、老化模型、故障分類模型和綜合狀態評估模型），對變壓器當前運行狀態、過負荷能力、老化率、緊急過載時間等進行有效評估，并形成評估診斷報告。具體功能如下：

變壓器智能化單元：集成主IED和測量IED功能，含冷卻裝置智能監控，有載斷路器智能監控，鐵芯接地電流監測，變壓器振動監測；

變壓器智能化診斷單元：集成主IED功能，含鐵芯接地電流監測，變壓器振動監測；

變壓器智能化測控單元：集成測量IED功能，含冷卻裝置智能監控，有載斷路器智能監控；

局部放電監測單元：8通道，每個通道可接超高頻、超聲或脈沖電流傳感器；

冷卻裝置智能控制箱：含電控元件（繼電器、接觸器等），帶本地控制器。

三、智能變壓器組成

智能變壓器主要由變壓器主體、檢測設備各種狀態的傳感器、執行器、通訊網絡、變壓器智能化單元（TIED）、智能化輔助設備等組成。

智能化輔助設備主要包括：智能組件柜、主IED（用于綜合分析）、測控IED、局部放電監測IED、油氣監測IED、光纖繞組測溫監測IED、其他監測IED、非電量保護裝置、傳感器、合并單元、執行機構、通信網絡。

1.傳感器

智能變壓器傳感器通過在變壓器內部或本體上集成的電壓、電流、油溫油壓、繞組溫度等各類型傳感器獲得低壓模擬信號直接接入智能化單元（TIED），數字化后作為TIED的分析輸入參數或打包通過網絡向系統傳送的信號，能實時反映變壓器的運行狀態。智能變壓器傳感器布置圖如圖1-14所示。

2.變壓器智能化單元

可簡稱TIED（Transformer Intelligent Electric Device），這是整個智能化變壓器的核心，其內部潛有數據管理、綜合數據統計分析、推理、信息交互管理等。變壓器出廠時將各種技術參數、極限參數、結構數據、推理判據等，通過專家知識庫的數據組織形式植入智能化單元，用標準協議與其他智能系統交換信息。各種傳感器、執行器通過各自的數字化或智能化單元接入。一些簡單的模擬量、開關量可直接接入TIED。智能單元的主要功能有：

（1）監測頂層油溫、底層油溫、環境溫度和開關室油溫度；

（2）監測高、低壓側電壓、電流；

（3）監測鐵芯接地電流；

（4）監測油壓力、油位；

（5）監測負荷狀況；

（6）評估過負載能力和緊急過載時間；

（7）統計電量，電能質量分析；

（8）計算繞組熱點溫度；

（9）評估變壓器壽命損失和老化率；

（10）監測局部放電；

（11）監測油中氣體和微水；

（12）監測非電量保護跳閘信號；

（13）冷卻器智能監控；

（14）冷卻效率評估；

（15）有載斷路器智能監控；

（16）評估有載斷路器觸頭壽命；

（17）綜合分析、評估變壓器狀態；

（18）內置Web服務器；

（19）通訊符合IEC 61850標準。

變壓器智能化單元布置示意圖，如圖1-15所示。

智能化變壓器網絡拓撲圖，如圖1-16所示。

對TIED的其他要求：

（1）支持標準通訊協議IEC 61850和TCP/IP；

（2）具有互操作性，能夠與同一廠家或不同廠家的IED互聯；

（3）內嵌Web維護界面，支持遠程維護功能；

（4）帶有跟蹤自診斷功能，確保系統異常后實時報警；

（5）滿足室外長期運行要求，必須保證能夠在惡劣環境或極端環境和變電站強電磁干擾環境下，安全可靠運行。

四、智能變壓器信號檢測技術要求

智能變壓器與傳統變壓器最大的區別除所有信號采用統一標準的數字化傳輸外，在運行過程中應能將運行狀態通過智能化單元實時反饋給系統，涉及的關鍵參數及檢測方法如下：

1.電壓

目前變壓器各繞組的工作電壓不在本體上監測或檢測，而是由專門的PT完成，供二次系統使用。

智能變壓器在運行過程中各繞組的工作電壓需要反映到智能化單元（TIED），這是評估自身運行狀態的重要參數之一，變壓器承受的電壓、電壓諧波、過勵磁狀態、傳輸容量計算、調壓過程監測都需要通過電壓分析計算。

各繞組電壓參數的獲取方法：

（1）在變壓器內部或本體上集成電壓傳感器，具體傳感器形式可不限制（電磁式、電容式、光電式等），目前可采用技術成熟的檢測方法。傳感器獲得的低壓模擬信號直接接入智能化單元（TIED），數字化后作為TIED的分析輸入參數或打包通過網絡向系統傳送的信號。傳感器無論采用電磁式或電容式，其容量與傳統PT相比很小。在滿足精度和信噪比要求的前提下，僅供A/D轉換用，低壓側小于1mA即滿足要求。

（2）變壓器狀態評估所需的各繞組的電壓實時信號，通過網絡從其他智能化單元（IED）上獲取。如獨立的智能化電壓、電流測量單元。但必須是實時信號，而不是有效值信號。TIED中應支持以上兩種電壓信號獲取方式。

2.電流

傳統變壓器各繞組的工作電流，無論是本體上帶套管CT還是獨立測量，都是供二次保護或測量、計量系統使用，套管CT的二次通過變壓器端子箱，以模擬信號的形式（0～1A或0～5A）傳給控制室。

智能變壓器在運行過程中各繞組工作電流的穩態或暫態量必須實時反映到智能化單元（TIED），用于評估自身的運行狀態，分析變壓器負荷、電流諧波、調壓過程監測等。

電流信號的獲取方法：

（1）在變壓器內部集成電流互感器，具體形式不限制（電磁式、電子式、光纖式等）。目前套管CT技術成熟，而且數字化后CT的容量很小，目前還應以這種形式為主，將其在變壓器本體安裝優于其他形式。從套管CT獲取的模擬電流信號（0～10mA或0～5mA）直接送TIED數字化，作為TIED的分析輸入信號或打包通過網絡向系統傳送。

與電壓信號類似，電流信號本地直接數字化，在滿足精度和信噪比要求的前提下，容量可以很小。

（2）外部獲取，與電壓信號外部獲取相同。在變壓器智能化單元中應支持以上兩種電流信號獲取方式。

3.油溫

傳統變壓器的油溫檢測采用油面溫度計（機械或電子式），輸出觸點控制信號或模擬信號（如4～20mA）直接控制冷卻器或通過端子箱接入主控室，有些變壓器根據用戶要求檢測油面溫度和油箱底部溫度。

智能變壓器油溫檢測采用PT100監測油面溫度、油箱底部溫度和環境溫度。PT100直接接到TIED或溫度監測智能化單元。

智能化單元最少應具備5路PT100溫度檢測輸入接口。

油面溫度：2路，底部溫度：2路，環境溫度：1路。

各路溫度信號直接在TIED數字化，控制冷卻器或打包傳輸，冷卻器控制指令由智能化單元給出。

4.繞組熱點溫度

目前變壓器繞組溫度檢測主要采用繞組溫度計間接檢測，即通過電流補償的形式反映繞組溫度，不能真正反映繞組的熱點溫度。新技術主要以光纖測溫為研究熱點。

光纖測溫是通過預埋在繞組上的多個光纖溫度探頭實現測溫的，但由于存在很多問題，有待進一步完善和探討。

將光纖探頭預埋在繞組上，目前需要在變壓器線圈繞制過程中預埋，工藝難度較大，且線圈繞完后需要經過多道工序處理（整形、干燥、吊裝等），進入總裝后還有多道工序才能完成整體裝配。光纖細而強度低，在此過程中很容易損壞，實際工程中光纖完好率較低。

光纖在變壓器繞組內部受振動、溫度、油浸等多種因素影響，壽命和精度都很難保證。由于在線圈內部，損壞后根本無法修復或更換。有些在3～5年后基本都退出運行了。總之，用光纖測量繞組熱點溫度是發展趨勢，但需要在測量方法和安裝工藝上進行改進，才能進入實用階段。

變壓器繞組熱點溫度測量要用改進的光纖測溫方法實現。

5.繞組變形

智能變壓器需要監測繞組變形情況，目前還沒有帶電在線監測手段。非帶電檢測繞組變形也處于評估水平。如頻響法、阻抗法、高壓脈沖法等。這些手段也僅限于非帶電評估檢測。真正的繞組變形檢測需要內置傳感器，可以考慮采用光纖檢測繞組變形。

第一階段的智能變壓器可以不考慮繞組變形檢測。

6.油壓

與傳統變壓器不同，智能變壓器油箱內部的油壓需要通過傳感器以模擬信號或數字信號的形式反映給TIED。同時還要保留氣體繼電器的接點信號（輕瓦斯和重瓦斯），油壓如果采用模擬傳感器，可在TIED內直接量化，也可通過A/D轉換層量化。

油壓傳感器配置要求，目前為氣體繼電器加模擬壓力傳感器。

7.油中氣體

反映變壓器運行狀態的重要分析數據是油中氣體含量，目前不但有相關標準和問題分析基本判據，也有大量的經驗積累。在現有技術上開發的油氣監測裝置，從原理上主要有四種：

（1）傳統氣象色譜法：精度高，能準確分析多種氣體含量，但用于在線監測，結構復雜、故障率高、消耗載氣，色譜柱壽命短。

（2）光聲光譜法：精度適中，可分析多種氣體，但對環境要求高，穩定性一般，但不需要載氣和耗材。

（3）燃料電池法：僅能反映綜合氣體，且以氫氣為主，精度一般。

（4）氣體傳感器法：多種傳感器，分別檢測不同氣體成分。目前技術不成熟，主要是單組分傳感器。

智能變壓器在第一階段可采用目前成熟的多組分氣象色譜法在線監測裝置。在線監測裝置內置IED單元，通過標準總線與TIED通訊。數據包格式需要進一步詳細定義。

8.局部放電

在智能化變壓器中局部放電監測是必不可少的。與油氣相比，反應速度快、靈敏度高、可實現定位。近年來，隨著檢測方法和手段的改進，局部放電逐步受到重視，已成為衡量變壓器絕緣性能的關鍵指標。隨著在線監測和分析方法的改進，已完全進入實際應用階段。

目前變壓器局部放電監測主要有以下幾種方法：

（1）脈沖電流法：這是標準指定的方法，校驗和檢測都有標準，通過視在放電量衡量變壓器的放電水平。頻段在20～400kHz，此方法是變壓器出廠試驗和驗收試驗指定的方法。用于在線監測如何克服現場干擾是關鍵問題，隨著濾波和放電信號識別算法的改進，已進入實用階段。檢測傳感器安裝在套管末屏或鐵芯（夾件）接地線上。

（2）超高頻（或特高頻）法：這是為克服現場干擾問題而開發的一種方法。頻帶在20～1500MHz之間，通過高頻天線接收某個干擾小的頻段信號，檢測放電量。這種方法用于變壓器局部放電在線監測還存在很多問題：①高頻信號尤其是特高頻，傳播衰減很快，受被測設備結構影響很大，變壓器內部主要是金屬部件，監測天線無論裝在什么位置都會有盲區；②定量困難，不但非線性，而且受放電位置影響很大，目前沒有標準；③在變壓器上安裝困難，需要開安裝孔，對保證高壓變壓器內部油質有影響，且在單一點檢測有盲區。

（3）超聲法：與超高頻法類似，存在定量困難、檢測有盲區的缺點。目前主要用于局部放電定位，這是由于局部放電信號聲電傳輸速度差明顯，超聲法可實現局部放電定位，受各種電信號干擾小。大型變壓器在箱體外部檢測超聲，由于油箱磁屏蔽和箱壁的影響，靈敏度較低，一般可檢測量在1000pC以上（受放電性質和位置影響）。

鑒于上述特點，智能變壓器局放檢測傳感器應采用內外結合放置：

1）外置傳感器。

①鐵芯接地線上安裝高頻電流傳感器。實踐證明對于變壓器本體破壞性放電，鐵芯接地線上都能檢測到；

②高壓套管末屏上安裝高頻電流傳感器，植于套管末屏引出線端，監測變壓器本體的同時，監測套管放電；

2）內置傳感器：必須在保證變壓器運行安全可靠的基礎上，植入內部傳感器，且更換或維護不能停運或吊開變壓器。滿足上述條件的傳感器必須是無源的，并且在變壓器內部不能有電子線路。內置傳感器采用內外分置安裝法。因為脈沖電流傳感器內外安裝沒有區別，僅考慮在外部安裝。

①超聲波傳感器的分置安裝。在變壓器箱壁上選定2～6個位置安裝廣角超聲波導桿，將局部放電超聲信號傳導至油箱外部的傳感器。波導桿組件與箱壁通過法蘭連接，外部安裝超聲傳感器；

②超高頻傳感器的分置安裝，在變壓器箱壁上選定2～4個重點檢測部位，安裝平板型高頻接收天線，天線組件與箱壁通過法蘭連接，外部設傳感器安裝法蘭。在智能變壓器中內外分置的兩種傳感器，超聲優于超高頻，因為超聲可同時評估放電部位。但對電抗器的局部放電監測，內置傳感器應采用超高頻。智能變壓器局部放電監測裝置（內置IED）將各傳感器接收到的信號分析處理后，通過標準通訊協議送TIED單元。

局部放電監測主要技術要求：

在線監測靈敏度：鐵芯接地線檢測500pC；

箱壁超聲或超高頻監測：小于1000pC；

具備位置評估和放電統計分析功能。

9.鐵芯接地電流

鐵芯接地電流由接地電流互感器轉換成（0～10mA）模擬信號或數字化信號直接接入TIED單元。

10.油質監測

目前可與油氣在線監測集成在一起，監測油含水量，分析結果通過自身的IED單元送TIED，作為評估變壓器絕緣狀態的參數之一。

11.內部振動監測

主要檢測運行中變壓器內部零部件的松動，目前還處于探索階段，傳感器可分置安裝。

12.其他接點狀態信號

氣體繼電器：重瓦斯、輕瓦斯；

壓力釋放器：狀態量；

壓力繼電器：狀態量；

油位：上限、下限；

油流：油流狀態；

充氮滅火：狀態信號；

電吸濕器：狀態量；

預留狀態輸入信號：8個。

這些斷路器量直接通過無源接點方式送TIED，由TIED直接打包。

13.有載斷路器

有載斷路器具有獨立的操作機構和控制裝置，目前這些操作和控制信號以斷路器或模擬量方式直接接入控制室。

智能變壓器中有載斷路器內配有一個智能單元（IED），接受TIED的指令，將斷路器狀態實時反饋給TIED，有載斷路器內含執行機構和狀態監測單元。反饋給TIED的狀態包括：

（1）當前斷路器位置。

（2）操作電源狀態。

（3）機械操作機構是否正常。

（4）斷路器室油質。

（5）切換斷路器觸頭狀態。

以上所有信息由斷路器智能化單元（IED）打包，實時傳給TIED，統一管理和控制。

14.冷卻器

冷卻器的所有控制和狀態信息由冷卻器智能控制單元（IED）實現，冷卻器智能控制單元接收TIED指令，優化投切冷卻器，并將狀態實時反饋給TIED。

主要信息包括：

（1）冷卻器電源狀態：正常、故障、斷相、停電。

（2）油泵狀態：正常、故障。

（3）各組冷卻器狀態：工作、備用、故障、全停。

五、智能變壓器執行器

由變壓器智能化單元（TIED）直接管理的執行單元有三個：

（1）冷卻器控制單元。

（2）有載斷路器控制單元。

（3）充氮滅火控制單元。

（4）電吸濕器控制。

TIED通過網絡向冷卻器控制單元發送投切操作指令，并將冷卻器當前狀態反饋給TIED同樣TIED也是通過網絡向有載斷路器控制單元發送調節指令，并將狀態反饋給TIED。

以上執行器自帶智能化單元，主要考慮其獨立性，并符合IEC 61850標準架構。第一階段的智能化變壓器可通過中間轉換單元實現。

六、智能變壓器的保護

傳統變壓器保護其保護邏輯是由二次保護系統完成的，對于智能變壓器，保護也應該由一個單獨的變壓器智能保護單元完成，因為各種斷路器的動作不能由TIED完成。TIED將目前變壓器的狀態反饋給系統，變壓器智能保護單元接收狀態信息后，由預先設定的保護策略發出相應的動作指令。

變壓器智能保護單元應提供以下基本保護：

（1）反映變壓器油箱內部故障和油面降低的瓦斯保護，狀態信號來自TIED。

（2）相間短路保護。

（3）后備保護，包括過流、復合電壓啟動過流、負序電流、阻抗等。

（4）零序電流保護。

（5）過負荷保護。

（6）過激磁保護。

（7）電壓頻率保護。

（8）事件及故障錄波。

七、功能集成

全數字化變電站乃至智能化變電站要解決的關鍵問題是過程信息共享和設備之間的互操作性，從而提高設備的重用性、電站運行的可靠性、設備的可接入性、可維護性，使其能夠更安全可靠、經濟地運行。

一個智能化電站應是由各智能化設備（IED）在統一信息模型和服務模型的網絡環境下實現信息共享和互操作。采用統一建模的網絡協議（如IEC 61850）通過網絡實現集成。這樣可解決靈活性、接入性、可靠性、經濟性、安全性問題。