第二节　智能变压器

一、基本含义

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到实时信息，自动分析目前的工作状态与其他系统实时交互信息，同时接收其他系统的相关数据和指令，调整自身的运行状态。

智能化变压器的实现是在传统变压器基础上植入传感器，增加智能组件，利用数字化和网络化技术通过变压器状态传感器和指令执行元件，实现变压器状态的可视化、控制的网络化和自动化，为智能变电站提供最基础的功能支撑。智能组件需要与变压器主体进行一体化的统一设计，并承担过程层或间隔层的全部计量、检测、控制和保护等功能。

二、智能化变压器的功能

变压器智能组件能够自动获取变压器的各种运行参数，同时根据运行参数，结合评估诊断关键技术模型（热平衡模型、冷却模型、过负荷模型、老化模型、故障分类模型和综合状态评估模型），对变压器当前运行状态、过负荷能力、老化率、紧急过载时间等进行有效评估，并形成评估诊断报告。具体功能如下：

变压器智能化单元：集成主IED和测量IED功能，含冷却装置智能监控，有载断路器智能监控，铁芯接地电流监测，变压器振动监测；

变压器智能化诊断单元：集成主IED功能，含铁芯接地电流监测，变压器振动监测；

变压器智能化测控单元：集成测量IED功能，含冷却装置智能监控，有载断路器智能监控；

局部放电监测单元：8通道，每个通道可接超高频、超声或脉冲电流传感器；

冷却装置智能控制箱：含电控元件（继电器、接触器等），带本地控制器。

三、智能变压器组成

智能变压器主要由变压器主体、检测设备各种状态的传感器、执行器、通讯网络、变压器智能化单元（TIED）、智能化辅助设备等组成。

智能化辅助设备主要包括：智能组件柜、主IED（用于综合分析）、测控IED、局部放电监测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。

1.传感器

智能变压器传感器通过在变压器内部或本体上集成的电压、电流、油温油压、绕组温度等各类型传感器获得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，能实时反映变压器的运行状态。智能变压器传感器布置图如图1-14所示。

2.变压器智能化单元

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。智能单元的主要功能有：

（1）监测顶层油温、底层油温、环境温度和开关室油温度；

（2）监测高、低压侧电压、电流；

（3）监测铁芯接地电流；

（4）监测油压力、油位；

（5）监测负荷状况；

（6）评估过负载能力和紧急过载时间；

（7）统计电量，电能质量分析；

（8）计算绕组热点温度；

（9）评估变压器寿命损失和老化率；

（10）监测局部放电；

（11）监测油中气体和微水；

（12）监测非电量保护跳闸信号；

（13）冷却器智能监控；

（14）冷却效率评估；

（15）有载断路器智能监控；

（16）评估有载断路器触头寿命；

（17）综合分析、评估变压器状态；

（18）内置Web服务器；

（19）通讯符合IEC 61850标准。

变压器智能化单元布置示意图，如图1-15所示。

智能化变压器网络拓扑图，如图1-16所示。

对TIED的其他要求：

（1）支持标准通讯协议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。

四、智能变压器信号检测技术要求

智能变压器与传统变压器最大的区别除所有信号采用统一标准的数字化传输外，在运行过程中应能将运行状态通过智能化单元实时反馈给系统，涉及的关键参数及检测方法如下：

1.电压

目前变压器各绕组的工作电压不在本体上监测或检测，而是由专门的PT完成，供二次系统使用。

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：

（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，低压侧小于1mA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。

2.电流

传统变压器各绕组的工作电流，无论是本体上带套管CT还是独立测量，都是供二次保护或测量、计量系统使用，套管CT的二次通过变压器端子箱，以模拟信号的形式（0～1A或0～5A）传给控制室。

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：

（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，将其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（0～10mA或0～5mA）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。

3.油温

传统变压器的油温检测采用油面温度计（机械或电子式），输出触点控制信号或模拟信号（如4～20mA）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。

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。

4.绕组热点温度

目前变压器绕组温度检测主要采用绕组温度计间接检测，即通过电流补偿的形式反映绕组温度，不能真正反映绕组的热点温度。新技术主要以光纤测温为研究热点。

光纤测温是通过预埋在绕组上的多个光纤温度探头实现测温的，但由于存在很多问题，有待进一步完善和探讨。

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，实际工程中光纤完好率较低。

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年后基本都退出运行了。总之，用光纤测量绕组热点温度是发展趋势，但需要在测量方法和安装工艺上进行改进，才能进入实用阶段。

变压器绕组热点温度测量要用改进的光纤测温方法实现。

5.绕组变形

智能变压器需要监测绕组变形情况，目前还没有带电在线监测手段。非带电检测绕组变形也处于评估水平。如频响法、阻抗法、高压脉冲法等。这些手段也仅限于非带电评估检测。真正的绕组变形检测需要内置传感器，可以考虑采用光纤检测绕组变形。

第一阶段的智能变压器可以不考虑绕组变形检测。

6.油压

与传统变压器不同，智能变压器油箱内部的油压需要通过传感器以模拟信号或数字信号的形式反映给TIED。同时还要保留气体继电器的接点信号（轻瓦斯和重瓦斯），油压如果采用模拟传感器，可在TIED内直接量化，也可通过A/D转换层量化。

油压传感器配置要求，目前为气体继电器加模拟压力传感器。

7.油中气体

反映变压器运行状态的重要分析数据是油中气体含量，目前不但有相关标准和问题分析基本判据，也有大量的经验积累。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，主要是单组分传感器。

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通讯。数据包格式需要进一步详细定义。

8.局部放电

在智能化变压器中局部放电监测是必不可少的。与油气相比，反应速度快、灵敏度高、可实现定位。近年来，随着检测方法和手段的改进，局部放电逐步受到重视，已成为衡量变压器绝缘性能的关键指标。随着在线监测和分析方法的改进，已完全进入实际应用阶段。

目前变压器局部放电监测主要有以下几种方法：

（1）脉冲电流法：这是标准指定的方法，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20～400kHz，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。

（2）超高频（或特高频）法：这是为克服现场干扰问题而开发的一种方法。频带在20～1500MHz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。这种方法用于变压器局部放电在线监测还存在很多问题：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。

（3）超声法：与超高频法类似，存在定量困难、检测有盲区的缺点。目前主要用于局部放电定位，这是由于局部放电信号声电传输速度差明显，超声法可实现局部放电定位，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1000pC以上（受放电性质和位置影响）。

鉴于上述特点，智能变压器局放检测传感器应采用内外结合放置：

1）外置传感器。

①铁芯接地线上安装高频电流传感器。实践证明对于变压器本体破坏性放电，铁芯接地线上都能检测到；

②高压套管末屏上安装高频电流传感器，植于套管末屏引出线端，监测变压器本体的同时，监测套管放电；

2）内置传感器：必须在保证变压器运行安全可靠的基础上，植入内部传感器，且更换或维护不能停运或吊开变压器。满足上述条件的传感器必须是无源的，并且在变压器内部不能有电子线路。内置传感器采用内外分置安装法。因为脉冲电流传感器内外安装没有区别，仅考虑在外部安装。

①超声波传感器的分置安装。在变压器箱壁上选定2～6个位置安装广角超声波导杆，将局部放电超声信号传导至油箱外部的传感器。波导杆组件与箱壁通过法兰连接，外部安装超声传感器；

②超高频传感器的分置安装，在变压器箱壁上选定2～4个重点检测部位，安装平板型高频接收天线，天线组件与箱壁通过法兰连接，外部设传感器安装法兰。在智能变压器中内外分置的两种传感器，超声优于超高频，因为超声可同时评估放电部位。但对电抗器的局部放电监测，内置传感器应采用超高频。智能变压器局部放电监测装置（内置IED）将各传感器接收到的信号分析处理后，通过标准通讯协议送TIED单元。

局部放电监测主要技术要求：

在线监测灵敏度：铁芯接地线检测500pC；

箱壁超声或超高频监测：小于1000pC；

具备位置评估和放电统计分析功能。

9.铁芯接地电流

铁芯接地电流由接地电流互感器转换成（0～10mA）模拟信号或数字化信号直接接入TIED单元。

10.油质监测

目前可与油气在线监测集成在一起，监测油含水量，分析结果通过自身的IED单元送TIED，作为评估变压器绝缘状态的参数之一。

11.内部振动监测

主要检测运行中变压器内部零部件的松动，目前还处于探索阶段，传感器可分置安装。

12.其他接点状态信号

气体继电器：重瓦斯、轻瓦斯；

压力释放器：状态量；

压力继电器：状态量；

油位：上限、下限；

油流：油流状态；

充氮灭火：状态信号；

电吸湿器：状态量；

预留状态输入信号：8个。

这些断路器量直接通过无源接点方式送TIED，由TIED直接打包。

13.有载断路器

有载断路器具有独立的操作机构和控制装置，目前这些操作和控制信号以断路器或模拟量方式直接接入控制室。

智能变压器中有载断路器内配有一个智能单元（IED），接受TIED的指令，将断路器状态实时反馈给TIED，有载断路器内含执行机构和状态监测单元。反馈给TIED的状态包括：

（1）当前断路器位置。

（2）操作电源状态。

（3）机械操作机构是否正常。

（4）断路器室油质。

（5）切换断路器触头状态。

以上所有信息由断路器智能化单元（IED）打包，实时传给TIED，统一管理和控制。

14.冷却器

冷却器的所有控制和状态信息由冷却器智能控制单元（IED）实现，冷却器智能控制单元接收TIED指令，优化投切冷却器，并将状态实时反馈给TIED。

主要信息包括：

（1）冷却器电源状态：正常、故障、断相、停电。

（2）油泵状态：正常、故障。

（3）各组冷却器状态：工作、备用、故障、全停。

五、智能变压器执行器

由变压器智能化单元（TIED）直接管理的执行单元有三个：

（1）冷却器控制单元。

（2）有载断路器控制单元。

（3）充氮灭火控制单元。

（4）电吸湿器控制。

TIED通过网络向冷却器控制单元发送投切操作指令，并将冷却器当前状态反馈给TIED同样TIED也是通过网络向有载断路器控制单元发送调节指令，并将状态反馈给TIED。

以上执行器自带智能化单元，主要考虑其独立性，并符合IEC 61850标准架构。第一阶段的智能化变压器可通过中间转换单元实现。

六、智能变压器的保护

传统变压器保护其保护逻辑是由二次保护系统完成的，对于智能变压器，保护也应该由一个单独的变压器智能保护单元完成，因为各种断路器的动作不能由TIED完成。TIED将目前变压器的状态反馈给系统，变压器智能保护单元接收状态信息后，由预先设定的保护策略发出相应的动作指令。

变压器智能保护单元应提供以下基本保护：

（1）反映变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护，状态信号来自TIED。

（2）相间短路保护。

（3）后备保护，包括过流、复合电压启动过流、负序电流、阻抗等。

（4）零序电流保护。

（5）过负荷保护。

（6）过激磁保护。

（7）电压频率保护。

（8）事件及故障录波。

七、功能集成

全数字化变电站乃至智能化变电站要解决的关键问题是过程信息共享和设备之间的互操作性，从而提高设备的重用性、电站运行的可靠性、设备的可接入性、可维护性，使其能够更安全可靠、经济地运行。

一个智能化电站应是由各智能化设备（IED）在统一信息模型和服务模型的网络环境下实现信息共享和互操作。采用统一建模的网络协议（如IEC 61850）通过网络实现集成。这样可解决灵活性、接入性、可靠性、经济性、安全性问题。