论柱上变压器智能化改造及物联网技术的应用

引言

随着经济的高速发展，用电需求不断增加，配电设施发展很快。从当前运行情况来看，随着主网线路及设施的完善，主网的故障率逐步降低，相应地，10kV配电网故障引致停电的情况越来越突出。如何提高10kV配电网的可靠性是摆在电力生产运维部门面前的一大难题。

10kV配电网中，由于柱上配电变压器数量众多，安装位置偏僻，运行环境恶劣，导致频发配电变压器故障或其相应避雷器、保护熔断器引起的停电事故。

所以从柱上配电变压器入手，针对运行维护中的难点问题，引入新的技术解决方案，结合保护测控技术以及物联网技术，对配电变压器进行升级改造，进一步提高设备的可靠性，以适应未来智能配网对变压器精确保护及智能化的需求。

1 当前柱上配电变压器的组成

当前配电变压器一般有以下部分组成：

1）跌落式熔断器开关；

2）高压避雷器；

3）变压器；

4）低压配电箱。

图1.1所示是一种常见的柱上变压器的布置图。

图1.1

1.1 跌落式熔断器开关

跌落式熔断器开关，一直以来为柱上变压器提供短路和过流保护，其主要原因有：

1）结构简单，易于杆上安装，适应性强；

2）跌落式熔断器开关有明显断口，为现场维护提供安全隔离；

3）维护方便，维护人员只需要在地面就可以完成熔断器的更换操作；

4）成本低廉。

然而，随着供电质量要求越来越高，跌落式熔断器开关的缺点就无法忽视了。

1）跌落式熔断器过流保护特性离散性大，多发误动事故。

2）由于熔断器保护动作时熔体熔断时间不完全同步，常出现缺相运行的情况。

3）受周围环境影响，以及众多厂家质量参差不齐等原因，跌落式熔断器开关时有发生诸如触头发热、误动、异常脱落、熔断器炸毁等故障。影响到线路的供电可靠性。

4）故障后查障时间长，更换熔断器也不容易，导致恢复供电时间长。

1.2 运维方式

当前柱上配电变压器的运维方式主要靠人工现场巡查。尽管有部分地区在低压侧安装了无线集抄系统，可以提供一些辅助信息给运维人员参考，但变压器本身的运行状况还得人员到现场查看。

一般日常巡视内容有：

1）现场查看有油温油位，检查外观，各部位是否有渗油漏油；

2）检查套管是否正常，有否破裂，有否杂物、油污；

3）检查表面是否有放电痕迹或其他异常现象；

4）检查变压器运行声音是否正常；

5）检查高低压各接线端子是否正常，有否松脱、破裂；

6）检查各部分是否过热；

7）检查外壳是否生锈；

……。

如图1.2所示。

图1.2

可见，对于大量的配电变压器的运行维护，需要大量人力物力。

所以，应用新技术，改变配电变压器的现状，提高设备可靠性，提高运维效率，大有可为。

2 智能配电变压器方案

2.1 物联网概念

物联网这个概念，在美国早在1999年就提出来了。当时叫传感网。其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。

“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。

物联网(Internet of Things)，国内外普遍公认的是MIT Auto-ID中心Ashton教授1999年在研究RFID时最早提出来的。在2005年国际电信联盟（ITU）发布的同名报告中，物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于RFID技术的物联网。

2.2 配电变压器与物联网概念

对于配电变压器来说，我们可以借鉴物联网的概念和技术，实现以下目标：

1）每台变配电变压器拥有唯一ID；

2）通过一体化集成数据采样系统，使得每台配电变压器具备对自我状态的感知能力；

3）通过一体化集成的数据处理系统，处理和存储状态数据，提供状态评估和故障预警；

4）支持小无线系统通讯，允许通过认证的客户终端访问配电变压器数据；

5）支持远程无线系统通讯，可以与远方后台交换数据。

2.3 配电变压器智能化方案目标

配电变压器智能化的根本目标是为了提高设备的可靠性，提高运维效率，预防和减少故障的发生。

基于以上目标，智能化方案包括以下内容：

1）采用微型高压断路器保护；

2）应用继电保护技术对变压器设备故障实时就地隔离。

3）参考物联网技术的设备身份识别、设备状态感知(状态数据采样)、无线通讯

4）应用合适数学模型，对设备状况自我诊断评估，发出运维提示或预警。

5）运维人员随时可以无线获取设备状态信息，用于更进一步分析研究。

2.4 配电变压器智能化方案实现

2.4.1 微型高压断路器

应用断路器开关作变压器的保护开关无论保护范围、保护能力，还是保护质量及可靠性都是远远好于熔断器的。

应用断路器开关作变压器的保护开关也是未来智能电网的必然要求。

但是推广应用断路器，必须解决以下问题：

1）成本高昂；

2）设备相对复杂、安装维护要求较高；

3）体积较大。

所以要想应用断路器开关在柱上变压器上作为其保护，现有的普通柱上断路器明显不太合适。只有研究新的合适的微型断路器开关，降低成本，才能推进断路器开关在配电变压器保护上的应用。

下面我们就这几方面提出一个思路，供大家一起探讨。

为了考虑到通用性，能够安装在已有的变压器上，就要考虑外装式方案。

外装式方案要考虑与变压器整合连接，不是简单的将一个柱上变压器+一个柱上断路器开关。而是需要与变压器做一体化的考虑。

图2.4.1所示是方案的示意图。

图2.4.1

此方案的思路是直接在变压器的高压端头处安装断路器。所以适合对已运行的变压器的改造升级，也方便与不同厂家的变压器的配合安装。

主要特点是：

1）利用现有的固封绝缘技术，尽量减少断路器开关的体积，已达到小型化；

2）跟不同的变压器配套，只需选配不同的安装底座则可；

3）控制系统集成在开关上，功能简单实用，预留通讯接口；

4）高压的接线全部实现密闭，提高安全性；

5）开关支持电动操作、机械手动分合；

6）安装简单灵活。

2.4.2 系统方案总述

微型高压断路器用于代替熔断器，为实现变压器设备的可靠保护和快速恢复供电提供了可能。而作为柱上配电变压器智能化的核心，数据测控单元、数据处理单元、数据通讯单元等则是智能变压器设备的中枢大脑。

如图2.4.2所示。

具体各部分功能如下：

█传感器是系统的眼睛，感知设备的高低压电流、电压、油温、油位、接线端头温度、环境温度等等，测控单元对设备的关键参数采集和控制。

█数据处理单元对测控单元采集到的数据进行处理、存储，以及进行评估计算，得出准确的评估结果。

评估计算模型主要从以下几个方面考虑：

1）考虑环境温度、油温温升、低压电缆端头温度温升，对应变压器的负载电流，是否合理；

2）变压器高压电流、低压电流的差流是否正常；

3）油温油位关系是否正常；

4）长期历史数据与实时数据相关性对比；

5）长期油温记录测算绝缘寿命；

等等。

图2.4.2

█数据通讯单元采用无线通讯技术，根据相应的协议，对远程主站或客户端的访问进行身份辨别认证，对认证的客户端的请求响应和处理。同时对通讯传输的数据进行加密和解密，对用户权限分级授权，保证设备的信息安全。

2.4.3 变压器智能化改造后的运维方式变化

柱上变压器按上述方案智能化改造后，运行维护方式将发生天翻地覆的变化。下图是典型的2种方式。

1）有远程主站系统的话，安坐电脑终端前，可知所有变压器的状态。如图2.4.3.1所示。

图2.4.3.1

2）如果没有远程主站系统，可以坐巡检车辆，无需下车，一路用手持终端通过近距离无线通讯系统，调取各个变压器的运行数据，然后回到电脑前，鼠标轻点，读取手持终端的数据，自动生成报表。如图2.4.3.2所示。

图2.4.3.2

所以，无论实现上述哪种巡查方式，跟以前的人工巡检相比，劳动强度大大降低，效率大大提高，设备的运行维护变得更加合理有序。

3 结语

上文对当前的10kV柱上变压器的现状进行了分析，提出面向未来智能电网的变压器智能化改造方案，并介绍了物联网技术在变压器智能化改造中的应用。同时提出了变压器状态检测、评估的思路和方案，为配电变压器的升级改造、提高运行维护效率、逐步适应新电网的高可靠性要求，研究和探索变压器的智能化之路。