智能化变压器的研究与应用

智能化变压器的研究与应用

智能能源发源的开发和建设是一项系统工程，涉及多个学科和行业。同时，它无法提供智能电网的实际经验，因此需要独立的创新。因此,智能电网将会极大地提高我国电力工业及相关产业诸如变压器制造业的整体技术水平和创新能力。智能电网具有坚强、自愈、兼容、经济、集成和优化等特征,同时具有信息化、自动化和互动化等技术特征。坚强智能电网基本架构如图1所示,其技术体系包含电网基础体系、技术支撑体系、智能应用体系和标准规范体系。电网基础体系是电网系统的物质载体,是实现坚强电网的重要基础。技术支撑体系是指先进的通信、信息和控制等应用技术,是实现智能化的基础。智能应用体系是保障电网安全、经济和高效运行,最大效率利用能源和社会资源,提供用户增值服务的具体体现。标准规范体系是指技术、管理方面的标准、规范、试验、认证和评估体系,是建设坚强智能电网的制度保障。功能一体化智能化变电站以先进的信息化、自动化和分析技术为基础,灵活、高效且可靠地满足发电、用电对电网提出的各种需求,实现提高电网安全性、可靠性、灵活性和资源优化配置水平的目标。变电站又是电力网络的节点,负责连接线路和输送电能,担负着变化电压等级,汇集电流,分配电能,控制电能流向和调整电压等功能。变电站的智能化运行是实现智能电网的最基础环节之一。智能化变电站基本机构如图2所示,可分为站控层、间隔层和过程层。站控层包括自动化站级监视控制系统,站域控制、通信系统和对时系统等子系统,实现面向全站设备的监视、控制、告警及信息交互功能。完成数据采集和监视控制(SCADA)、操作闭锁以及同步矢量采集、电能量采集及保护信息管理等相关功能。站控层功能高度集成,可在一台计算机或嵌入式装置实现,也可分别在多台计算机或嵌入式装置中。间隔层包括继电保护装置、系统测控装置和监测功能组主智能电子装置IED(IntelligentElectronicDevice)等二次设备,实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能,即与各种远方输入、输出、传感器和控制器通信。过程层包括变压器、断路器、隔离开关及电流/电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置。电力变压器是过程层中最重要的高压设备之一,由于其事故率高,故障影响大,对电网可靠性有较大影响。电力变压器也是结构最复杂,故障原因最复杂的电网设备。电力变压器在运行中有不少需要监测的参数,如负荷、油温、油位、油中气体和开关分接位置等;也有一些需要控制的部件,如冷却系统、有载调压系统等。综合这些因素可以看出,电力变压器具有智能化价值,是高压设备智能化重要设备之一。智能化变电站主要对电力变压器的测量、控制、计量、监测和保护等部分的要求与常规变电站不同,智能化变电站对其智能化设备要求至少具有五项基本技术特征,即测量数字化,对相关参量就地数字化测量,所属参量包括变压器油温、有载分接开关分接位置,开关设备分、合闸位置等;控制网络化,对有控制需求的部件实现基于网络控制,如变压器冷却装置、有载分接开关和开关操作机构等;状态可视化,把设备状态信息,通过智能组件的自诊断,以可辨识的方式,使设备状态在电网中是可观测的,所谓状态可视,并非对运行人员而是对相关系统的,如设备运行管理系统与电网调动系统可基于智能组件状态可视化功能,看到设备健康状态,自动生成检修方案,优化电网运行;功能一体化,将相关测量、控制、计量、监测和保护等一体化融合设计,做到简洁、简单,减少占用空间;信息互动化,与调动系统交互,与设备运行管理系统交互,使设备自诊断结果与调动决策和设备运行管理系统有机结合,可提供变压器运行自诊断结果。变压器智能组件与冷却器控制器的接口智能化变压器的构成包括变压器本体,内置或外置于变压器本体的传感器和控制器,实现对变压器进行测量、控制、计量、监测和保护的智能组件。变压器的冷却器控制器和有载分接开关控制器应具有可连接智能组件的接口,并可以响应智能组件的控制。变压器的状态监测主要包括局部放电监测、油中溶解气体监测、绕组光纤测温、侵入波监测、变压器振动波谱和噪声等。1.放电或短路分析提供主油箱顶层和底部油温度的测量,可判断变压器是否过热,冷却装置运行是否异常。采集来自气体继电器节点信息和压力释放阀状态信号,用于检测是否由于内部故障产生严重放电或短路。根据主油箱油位和分接开关油箱油位的测量,给出合理的油位上限、下限。测量风扇电动机电流和电压,观察和分析风扇及风扇电动机的工作状态。根据油流继电器提供的信号,分析油泵是否异常。有载分接开关驱动电源电压测量便于观测操作电源状态,有载分接开关切换次数测量便于分析机械寿命,有载分接开关当前分接位置测量可提供当前工作的状态量。智能变压器的测量功能还应包括各侧负荷电流及中性点电流测量,其主要作用应用于保护和状态感知。2.测控单元的配置对于冷却控制系统,主油箱油顶层温度和底部油温度以及绕组光纤测温同样用于判断变压器是否过热,冷却装置运行是否异常,冷却装置开起组数参量用于控制冷却装置负荷匹配及运行状态。铁心接地电流的主要作用在于监控铁心故障,如是否存在多点接地。变压器各侧电流和环境温度可对变压器进行发热故障原因判断和温度预测,变压器各侧电压则用于监控是否有过励磁状况发生。对于有载分接开关控制系统,开关分接位置、变压器各侧电流及变压器各侧电压均用于控制参考量,分接开关运行状态则用于智能控制。智能化变压器测控单元的配置基于变压器本体测控参量,通过Modbus通信协议将本体控制箱与智能控制柜中的测控单元IED进行连接。智能化变压器测控单元IED的主要功能是接受来自间隔层或站控层的命令,对PLC通过串口通信进行协议转换,不仅可以向间隔层或站控层发送数据,还可以有效地对数据进行存储,图3给出了智能化变压器测控单元的基本结构。3.电子式整体传感关键技术智能化变压器的计量主要体现在使用电子式电流互感器替代以前的传统电磁感应式电流互感器,实现变电站运行实时信息数字化。电子式电流互感器在电网动态观测,提高继电保护可靠性等方面具有重要作用。准确的电流、电压动态测量,为提高电力系统运行控制的整体水平奠定了测量基础。电子式电流互感器又可分为采用法拉第磁光效应感应被测信号的光学电子式电流互感器(OCT)和利用电磁感应原理感应被测信号的罗氏(Rogowski)线圈电子式电流互感器(ECT)。光学电子式电流互感器(OCT)采用法拉第磁光效应感应被测信号,传感头不需要复杂供电装置,整个系统线性度好,其关键技术在于光学传感材料的稳定性、传感头组装技术、微弱信号调制解调、温度对精度的影响、振动对精度的影响以及长期运行稳定性等。罗氏线圈电流互感器(ECT)利用电磁感应原理感应被测信号,由于是空心线圈,不会出现磁饱和及磁滞等问题,频响特性、暂态特性和线性度好。但是相位处理复杂,线圈制作工艺要求高,易受温度和外磁场等因素干扰,仅在某一范围内满足精度要求,对积分器稳定性要求高。其关键技术在于电源供电技术、远端电子模块可靠性和采集单元的可维护性。电子式互感器与传统互感器相比,不含铁心,消除了磁饱和、铁磁谐振等问题,提高了继电保护可靠性。电子式互感器抗电磁干扰性能好,低压边无开路高压危险,测量精度高,动态范围大,可测量几十安至几千安的电流,故障条件下可反映几万安甚至几十万安的电流。电子式互感器的频响范围宽,能真实反映一定的高频信号,为暂态量提供可靠数据,绝缘结构不采用油或气体绝缘,无易燃、易爆等危险;结构简单,重量轻,体积小,易于安装;输出的数字接口适应了电力计量与保护数字化、微机化,精度与二次负荷无关;体积和重量比传统电流互感器小很多,经济性能好。可见,采用电子式电流互感器可以带来显著的经济效益和社会效益,而且电压等级越高效益越明显。4.智能变压器监测系统智能化变压器的局部放电在线监测一般用于500kV级及以上变压器,所采用的局部放电监测技术具有良好的抗电晕干扰能力,可监测的视在放电量一般可控制在500~5000pC。局部放电监测原理基于特高频的全频带动态扫频检测技术,使用特高频传感器可做到输出阻抗自动平衡,不需阻抗变换器,可以带电检修,同时采用四通道高速同步采样、复合除噪技术和自动阈值小波除噪技术等。油中溶解气体监测一般选择色谱柱法技术,油气分离采用负压动态真空脱气技术,使用灵敏度高,响应速度快的纳米晶半导体气敏传感器,整个装置支持IEC61850通信协议(见图4)。油中溶解气体监测满足智能组件状态可视化的基本要求,氢气和乙炔监测为必选,其他气体及水分为可选。绕组光纤在线测温可有效地监测绕组内部最热点温升,对分析变压器热绝缘寿命衰减具有重大意义。绕组光纤测量不确定度≤2℃,测量范围一般控制在5~180℃之间。绕组光纤测温采用在绕组热点处预埋光纤(见图5),以达到实时测量绕组最热点温升的目的。绕组内部光纤通过安装在油箱壁上的贯穿器与外部光纤相连接,外部光纤终端连接至光纤控制器,光纤控制器通过串口通信连接到主IED。在线监测铁心接地电流的目的是通过对铁心接地电流的监测来发现箱体内异物、内部绝缘受潮或损伤、油箱沉积油泥及铁心多点接地等类型的故障,从而及早发现潜伏隐患,提出预警,避免事故的发生(见图6)。利用高灵敏度电流传感器,不失真地采集变压器铁心对地的泄漏电流信号。信息传输采用IEC61850通信协议,通过对电流信号的运算和处理,剔除杂波干扰信号,得到实际接地泄漏电流信息,最终利用专家系统分析、判断并预测铁心绝缘的健康状况。智能变压器的监测功能还包括气体聚集量(轻瓦斯)、主油箱底部油温、电容式套管电容量、套管介质损耗因数以及用于500kV变压器的振动波谱和噪声的正常指纹等项目。其中,振动波谱和噪声应提供变压器故障或缺陷时的特征指纹,并提供相应指纹分析技术,传感器位置、监测频率及灵敏度等应满足监测要求,监测频率大致在0.1~20kHz,最小可测量≤0.001G。5.变压器非电量保护110kV变压器电量保护建议按双套配置,采用主、后备保护一体化配置。220kV及以上变压器电量保护按双重化配置,每套保护包含完整的主、后备保护功能。变压器保护直接采样,直接跳各侧断路器,非电量保护采用就地直接电缆跳闸方式,变压器非电量保护量包括瓦斯信号、油温信号、绕组信号、压力释放阀信号及冷却设备全停信号。变压器保护可采用分布式保护,分布式保护由主单元和若干个子单元组成,子单元不应跨电压等级。集成继电保护功能,满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求,提高保护的性能和智能化水平。智能变电站分为站控层、间隔层和过程层,包括变压器、断路器、隔离开关和电流互感器等在内的一次设备及其所属的智能组件均处于过程层,图7给出了基于IEC61850通信协议,由过程层智能组件向间隔层或站控层信号传递的智能柜网络拓扑结构示意图。新一轮智能化变压器制造业崛起建设坚强智能电网,设备是关键。变压器制造企业只有积极迎接智能电网带来的变革,抓住机遇,接受挑战,在不断发展的过程中不懈努力,不断提高,才能在智能电网建设中发挥应有的作用,实现新一轮智能化变压器制造业的振兴与崛起。随着国家电网