智能变压器

摘要

智能变压器属于电网变压器领域，涉及一种智能变压器。包括油浸式变压器（1）、主站（2）、断路器（3）、智能化终端控制器（4），主站（2）分别通过通信接口与断路器（3）、智能化终端控制器（4）联络。其中，智能化终端控制器（4）接有探测电网三相四线状态的互感器组（5）、变压器油温的温度传感器（8）、变压器油气压力的压力传感器（9），以及调节电网效率和稳定电压的电子式分接开关（6）、无功补偿系统(7)，还有应急处理的安全阀（10）。主站（2）根据智能化终端控制器（4）的探测信息，通过断路器（3）和智能化终端控制器（4）对变压器运行的各项指标做出监测控制，使电网安全、稳定。本发明高性能、高可靠、低造价。

权利要求

1.智能变压器，包括油浸式变压器（1）、具有监测和调度平台功能的主站（2）、断路器（3）、智能化终端控制器（4），其特征在于：主站（2）分别通过通信接口与断路器（3）、智能化终端控制器（4）联络；且，所述智能化终端控制器（4）具有多输入端口和多输出端口，其输入端接有，

①互感器组（5），该互感器组（5）包含四个互感器，四个互感器分别探测三相四线电网的三根火线和一根零线，且接三根火线的互感器的变比按变压器额定容量的额定电流配置，接零线的互感器的变比按变压器额定容量的额定电流的25%配置；

②温度传感器（8），该温度传感器（8）位于所述油浸式变压器（1）的油箱顶部；

③压力传感器（9），该压力传感器（9）位于所述油浸式变压器（1）油箱顶部；

其输出端接有，电子式分接开关（6），该电子式分接开关控制所述油浸式变压器（1）的高压侧；无功补偿系统(7)，该无功补偿系统由6-12路自愈式并联电容器（18）组成，分三组共补，一组分补，补偿容量按变压器额定容量20%配置，各路自愈式并联电容器（18）分别通过微型断路器（19）和固态继电器（20）接到智能化终端控制器（4）输出端；安全阀（10），该安全阀（10）装于所述油浸式变压器（1）的油箱顶部；所述断路器（3）的两端分别接所述油浸变压器的进线和出线，且该断路器（3）具有电动操作机构，电动操作机构接受远程通讯指令动作，同时具有负载短路保护功能，报警触头会将信号发送到主站（2）。

2.如权利要求1所述的智能变压器，其特征在于：所述智能化终端控制器（4）的输入端还接有瓦斯气体继电器，瓦斯气体继电器采用无源干接点与智能化终端控制器（4）接通。

3.如权利要求1或2所述的智能变压器，其特征在于：所述主站（2）采用具有交互功能的处理器。

4.如权利要求1或2所述的智能变压器，其特征在于：所述断路器（3）采用3VL系列或CMＺ2系列断路器；所述智能化终端控制器（4）采用HJ3000PD。

5.如权利要求4所述的智能变压器，其特征在于：所述通信接口采用RS485接口。

6.如权利要求5所述的智能变压器，其特征在于：所述温度传感器（8）由两路进入油中50-100毫米深的PT100型油温传感器构成；所述压力传感器（9）采用压力继电器，并采用无源接点；所述安全阀（10）采用压力释放器；所述油浸式变压器装设有密封的吸湿器，且其油箱底部安装有绝缘油的取样阀和较大排油阀。

说明书

智能变压器

技术领域

[0001] 本发明属于电网变压器领域，涉及一种智能变压器。

背景技术

[0002] 供电电网由于负载的复杂性、电网本身的故障、使用的不确定性，造成电网的波动性很大。电网的波动不仅造成用户的用电质量受影响，也容易造成电网本身的设备损坏。所以为了减小电网的波动及其造成的影响，许多变电站采用了智能变压器。智能变压器不仅可以检测电网的各项指标，如三相相电压、三相相电流、零序电压、零序电流、频率、谐波量、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能等参数，还可以检测自身的情况，如变压器油温、油压等，同时可以根据检测到的情况调节电网的配置，以及实行自身保护措施。目前的智能变压器有很多，但在可靠性方面、简便性方面、造价方面、性能方面都存在着不尽人意的地方，还需要不断的发展、创新。

发明内容

[0003] 本发明提供一种利用成熟可靠器件构成的智能变压器，能够检测电网和自身的各种参数，同时可以对电网输出做出适当调配和对自身安全做出相应保护措施。

[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0005] 设计一种智能变压器，包括油浸式变压器、具有监测和调度平台功能的主站、断路器、智能化终端控制器，主站分别通过通信接口与断路器、智能化终端控制器联络；且，[0006] 所述智能化终端控制器具有多输入端口和多输出端口，其输入端接有，

[0007] ①互感器组，该互感器组包含四个互感器，四个互感器分别探测三相四线电网的三根火线和一根零线，且接三根火线的互感器的变比按变压器额定容量的额定电流配置，接零线的互感器的变比按变压器额定容量的额定电流的25%配置；

[0008] ②测变压器油温度的温度传感器，该温度传感器位于所述油浸式变压器的油箱顶部；深入油中５０㎜以上．

[0009] ③测变压器油气压力的压力传感器，该压力传感器位于所述油浸式变压器的油箱顶部；

[0010] 其输出端接有，

[0011] ①电子式分接开关，该电子式分接开关控制所述油浸式变压器的高压侧；

[0012] ②无功补偿系统，该无功补偿系统由6-12路自愈式并联电容器组成，分三组共补，一组分补，补偿容量按变压器额定容量20%配置，各路自愈式并联电容器的投入和切除通过微型断路器和固态继电器，固态继电器击发点接到智能化终端控制器输出端；

[0013] ③安全阀，该安全阀装于所述油浸式变压器的油箱顶部，采用无源接点与智能化终端控制器接通；

[0014] 所述断路器的两端分别接所述油浸变压器的进线和出线，且该断路器具有电动操作机构并接受无线通讯指令动作，同时具有负载短路保护功能并有报警触头将信息反馈给终端。

[0015] 所述智能化终端控制器的输入端还接有瓦斯气体继电器，瓦斯气体继电器采用无源干接点与智能化终端控制器接通。

[0016] 所述主站采用具有交互功能的处理器。

[0017] 所述断路器采用3VL系列或CMZ２系列断路器；所述智能化终端控制器采用HJ3000PD。

[0018] 所述通信接口采用RS485。

[0019] 所述温度传感器由两路进入油中50-100毫米的PT100型油温传感器构成；所述压力传感器采用压力继电器，并采用无源接点；所述安全阀采用压力释放器；所述油浸式变压器装设有密封的吸湿器，且其油箱底部安装有绝缘油的取样阀和较大排油阀。

[0020] 为了变压器的安全、稳定、高效运行，所述主站通过所述断路器和所述智能化终端控制器采用如下方式对变压器进行保护，

[0021] ①低压端工作相电流超过额定电流1.2倍时允许长时间运行，超出额定电流1.5倍时主站发出报警信号，持续运行4小时相电流不下降到额定电流1.15倍时HJ3000PD指令低压断路器分闸，变压器停止运行5秒钟后再启动。

[0022] ②低压端工作相电流超过额定电流2倍时HJ3000PD发出报警信号，在30分钟内不降到额定电流1.15倍时HJ3000PD即指令低压断路器分闸，变压器停止运行5秒钟后再启动。

[0023] ③变压器低压端线电压380V控制在410V - 350V范围内，

[0024] 当高过410V时主站发出报警信号，当高过660V时再发出报警信号，30分钟内不下降到410V以下，HJ3000PD指令低压断路器分闸，变压器停止运行，当电压恢复正常后HJ3000PD指令低压断路器合闸，变压器恢复运行；

[0025] 当低于350V时主站发出报警信号，当低于320V时再发出报警信号，30分钟之内不上升到350V以上，HJ3000PD指令低压断路器分闸，变压器停止运行，当电压恢复正常后HJ3000PD指令低压断路器合闸，变压器恢复运行。

[0026] ④变压器低压端相电压220V控制在230V - 180V范围内，

[0027] 当高过高过230V主站发出报警，当高于380V时再发出报警信号，30分钟后相电压不下降到230V时，HJ3000PD指令低压断路器分闸，变压器停止运行，当电压恢复正常后HJ3000PD指令低压断路器合闸，变压器恢复运行；

[0028] 当低于180V主站发出报警，当低于170V时再发出报警信号，30分钟内相电压不上升到180V时，HJ3000PD指令低压断路器分闸，变压器停止运行，当电压恢复正常后HJ3000PD指令低压断路器合闸，变压器恢复运行。

[0029] ⑤当变压器因无功电能缺乏造成功率因数下降导致低压端电压下降时，主站通过HJ3000PD控制所述无功补偿系统投入补偿电容器及时提高功率因数，从而提升电压。

[0030] ⑥当变压器运行所需无功电能充足而出现供电电压波动时，主站及时指令HJ3000PD启动所述电子式分接开关调整供电电压。

[0031] ⑦电网供电频率标准50Hz，控制在52Hz - 48Hz范围内，高过60Hz时主站发出报警信号，高过100Hz时再发出报警信号，2小时未作处理频率仍在60Hz 时，HJ3000PD指令低压断路器分闸，变压器停止运行，事态处理后线路频率恢复正常，主站发出信号给HJ3000PD，HJ3000PD指令低压断路器合闸，变压器恢复运行。

[0032] ⑧当低压端3、5、7次谐波电压的线电压≤19伏、相电压≤11伏时，主站发出报警信号，10分钟无改善时HJ3000PD指令低压断路器分闸，变压器停止运行；谐波量降到额定值５％以下时变压器恢复运行。

[0033] ⑨通过探测零线的零序电流互感器可实时监测变压器三相不平衡度，当三相不平衡度超过25%时，HJ3000PD指令低压出线断路器分闸，变压器停止运行；并短信告知用电管理人员及时调整负荷，正常后变压器恢复运行。

[0034] ⑩HJ3000PD实时统计低压用户平均停电时间—— AIAC、低压用户平均停电次数——AITC、低压用户用电可靠率——RS，定期传输给主站，主站对统计数据存储保留二年以上，来有效对比历年供电可靠性水平。

[0035] HJ3000PD通过互感器组实时监测电网中三相电压值，任何一相的电压反映为0 V（伏）时，主站发出缺相报警信号，10秒内HJ3000PD指令低压断路器分闸，变压器停止运行。

[0036] 利用所述断路器的短路保护功能，当负载出现短路时，2秒内切断负荷，并且断路器及时将短路信息输入HJ3000PD，HJ3000PD会将信息传输到主站，并告知此次分闸是短路保护。

[0037] 主站设定变压器油的温度值＜98℃时正常运行， 温度值＞105℃时报警并启动户内冷却设施，报警时限为4小时，在此时间段内温度下降到98℃，则停止报警和冷却设施，在此时间段内温度仍是＞105℃时主站发信号给HJ3000PD，HJ3000PD指令低压断路器分闸，变压器停止运行，当变压器油温降到98℃时HJ3000PD指令断路器合闸，变压器恢复运行。

[0038] 油浸式变压器室内安装时，当室内瓦斯气浓度达到250-300mL时瓦斯气体继电器接通HJ3000PD终端控制器，HJ3000PD通知主站发出报警并启动室内通风排气设施。

[0039] 当变压器油的压力超过40KPa时，压力继电器无源接点接通，信号传递到HJ3000PD，此时HJ3000PD指令低压断路器分闸，变压器停止运行，4秒钟后打开压力释放器喷出油气减压。

[0040] 本发明的有益效果：用四个互感器对电网中几乎所有参数做出检测，并根据检测结果通过自愈式并联电容器和电子式分接开关对电网做出合理调配。用传感器检测自身的工作状况，适时采取应急措施保护自身安全。采用带交互功能的中央处理器搭配HJ3000PD终端控制器和3VL系列断路器，实现上述功能，可以做到高性能、高可靠、低造价。

附图说明

[0041] 图1为本发明设计原理的示意图。

[0042] 图2为本发明智能变压器的一个优选实施例结构示意图。

[0043] 图中：1、油浸式变压器，2、主站，3、断路器，4、智能化终端控制器，5、互感器组，6、电子式分接开关，7、无功补偿系统，8、温度传感器，9、压力传感器，10、安全阀，11、进线绝缘子、12、出线绝缘子，13、电流互感器，14、吊环，15、散热片，16、通信端子，17、避雷器，18、自愈式并联电容器，19、微型断路器，20、固态继电器，21、电源盒。

具体实施方式

[0044] 下面结合附图对本发明中的一个实施例作具体描述。

[0045] 如图1，本发明的智能变压器中，变压器为油浸式变压器1，配备了具有交互功能和控制功能的主站2、断路器3、智能化终端控制器4。主站2通过RS485接口与断路器3、智能化终端控制器4通信，构成了变压器的智能化，同时还设置了具有检测和执行功能的器件：

[0046] 1、与智能化终端控制器4连接的互感器组5检测三相四线电网中的A、B、C三相和N相电流，智能化终端控制器4根据互感器组5反馈的信号实时监测变压器运行状态，包括电压、电流、频率、谐波、有功功率、无功功率、功率因数、三相电流不平衡度、停电时间及次数等模拟信号，并且将这些信号经数字化转换后通过RS485接口传输给主站2。

[0047] 2、智能化终端控制器4接有电子式分接开关6，智能化终端控制器4根据无功补偿后的电压值的变化投切高压侧电子分接开关6，由此保证低压供电电压稳定性。

[0048] 3、智能化终端控制器4接有无功补偿系统7，无功补偿系统7由自愈式并联电容器18、微型断路器19、固态继电器20构成，智能化终端控制器4根据功率因数的变化，通过DC24V有源接点控制固态继电器20投入或切除自愈式并联电容器18来补偿无功电流的不足。

[0049] 4、油浸式变压器1中装有温度传感器8，温度传感器8接到智能化终端控制器4，提供变压器油的温度。

[0050] 5、油浸式变压器1中装有压力传感器9，压力传感器9接到智能化终端控制器4，压力传感器9用于监测变压器油的热涨压力；同时，对于室内安装的油浸式变压器还装有瓦斯气体传感器，可监测轻重瓦斯量，用于防火。

[0051] 6、油浸式变压器1中还装有安全阀10，安全阀10由智能化终端控制器4控制，当变压器内部油气压达到极限时打开安全阀喷出油气来保证变压器安全，用于防爆。

[0052] 下面以一个实施例具体说明智能变压器的构成，本实施例中变压器的规格为S11Z-*KVA-10KV/0.4KV-W。

[0053] 组成： S11油浸式变压器本体和一体化式智能箱以及外部的主站2，三者以RS-484通信接口，执行MODBUS通用协议进行通信。其中主站2采用工控机。

[0054] 智能箱内含有：断路器3、智取化终端控制器4、互感器组5、自愈式并联电容器18、电源盒21、通信端子16、电子式分接开关6、微型断路器19、固态继电器20、避雷器17等。其中，

[0055] 1、断路器3为带通讯接口的电操式断路器，采用3VL(德国西门子)或CMZ2(国产常熟)有载可控断路器。

[0056] 2、智取化终端控制器4 采用HJ3000PD智能化终端控制器，根据互感器组5反馈的信号实时监测变压器运行状态，将电压、电流、频率、谐波、有功功率、无功功率、功率因数、三相电流不平衡度、停电时间及次数等模拟信号，转换为数字信号后通过RS485接口传输给主站2。

[0057] 3、互感器组5为四个分别检测A、B、C三相线和N线的电流互感器13，电流互感器13的变比按变压器额定容量的额定电流配置，N相按额定电流25%配置。

[0058] 4、八个自愈式并联电容器18、六个微型断路器19、十二个固态继电器20构成三组共补和一组分补的无功补偿系统7。

[0059] 5、电源盒21中有24V直流电源。

[0060] 6、电子式分接开关6由大功率可控硅构成±2×2.5% 5位电子式有载分接开关，用于控制变压器的高压侧，将分接开关可控硅触发信号线引入HJ3000PD，HJ3000PD将信号传送给主站2，由主站2设定启动和关闭的程序，保证低压侧输出电压的稳定性。

[0061] 7、避雷器17采用三个氧化锌避雷器，可防雷击过电压。

[0062] 8、通信端子16连接主站2、断路器3和智取化终端控制器4。

[0063] 在变压器本体中：

[0064] 1、变压器顶部装设PT100型油温传感器二支，传感器进入油中50-100毫米，油温的上限点采用无源接点接通，信号线与HJ3000PD终端控制器接通，HJ3000PD以通讯模式将变压器顶部油温信号传送给主站2，由主站2设定保护值。

[0065] 2、装设压力继电器，压力继电器上限值以无源干接点方式上传HJ3000PD，再由HJ3000PD将信号传输给主站2、由主站2指令断路器3来控制变压器运行。

[0066] 3、安装压力释放器，压力释放器的动作迟后压力继电器5秒以上，即保证变压器停止运行后才喷油释放压力。

[0067] 4、设有密封的吸湿器，保证绝缘油中含水量不超标。

[0068] 5、油箱底部安装还有绝缘油的取样阀和较大排油阀，便于检查油的绝缘性能和维修时换油。

[0069] 主站2、断路器3、智能化终端控制器4，以及具有检测和执行功能的器件协同工作，在主站2设定的控制程序下运行，保证变压器安全、稳定地工作：

[0070] 1.过电流(过负载)保护。

[0071] 1.1.低压侧工作相电流超过额定电流1.2倍时允许长时间运行，超出额定电流1.5倍时主站2发出报警信号，持续运行4小时相电流不下降到额定电流1.15倍时HJ3000PD指令低压断路器3分闸，变压器停止运行5秒钟后再启动。

[0072] 1.2.低压侧工作相电流超过额定电流2倍时HJ3000PD发出报警信号，在30分钟内不降到额定电流1.15倍时HJ3000PD即指令低压断路器3分闸，变压器停止运行5秒钟后再启动。

[0073] 2.过电压和欠电压保护。

[0074] 2.1.变压器低压侧线电压标准380V．控制在(410V - 350V)范围内。

[0075] 高过410V时主站2发出报警信号，660V时再发出报警信号，30分钟之内不下降到410V以下HJ3000PD指令低压断路器3分闸，变压器停止运行，当电压恢复正常后HJ3000PD指令低压断路器3合闸，变压器恢复运行。

[0076] 低于350V时主站2发出报警信号，320V时再发出报警信号，30分钟之内不上升到350V以上HJ3000PD指令低压断路器3分闸，变压器停止运行，当电压恢复正常后HJ3000PD指令低压断路器3合闸，变压器恢复运行。

[0077] 2.2. 变压器低压侧相电压220V，控制在(230V - 180V)范围内.

[0078] 高过230V主站2发出报警，高于380V时再发出报警信号，30分钟后相电压不下降到230V时HJ3000PD指令低压断路器3分闸，变压器停止运行，当电压恢复正常后HJ3000PD指令低压断路器3合闸，变压器恢复运行。

[0079] 低于180V主站2发出报警，低于170V时再发出报警信号，30分钟内相电压不上升到180V时HJ3000PD指令低压断路器3分闸，变压器停止运行，当电压恢复正常后HJ3000PD指令低压断路器3合闸，变压器恢复运行。

[0080] 2.3.变压器运行时因无功电能缺乏造成功率因数下降，由此出现低压端电压下降，此时无功补偿系统7会动态跟踪投入运行，及时提高功率因数并提升电压，此系统是有效的节能减排系统，节约有功电能损耗，保证供电电压质量。

[0081] 2.4.变压器运行所需无功电能充足而出现供电电压波动时，主站2会及时指令HJ3000PD启动变压器电子式有载分接开关，及时调整供电电压。

[0082] 3.供电频率变动超限保护。

[0083] 3.1.电网供电频率标准是50Hz，控制在52Hz - 48Hz范围内，高过60Hz时主站2发出报警信号，100Hz时再发出报警信号，2小时未作处理，频率仍在60Hz 时HJ3000PD指令低压断路器3分闸，变压器停止运行，事态处理后，主站2发出信号;HJ3000PD指令低压断路器3合闸，变压器恢复运行。

[0084] 4.谐波畸变率保护。

[0085] 4.1.低压380V电网的电压总谐波畸变率允许值为5%，低压电网相对相之间电压为380伏，相对地之间电压为220伏，相间畸变值为19伏，相对地畸变值为11伏。

[0086] 4.2.当低压端3、5、7次谐波的线电压≤19伏、相电压≤11伏时主站2发出报警信号，10分钟不作处理时HJ3000PD指令低压断路器3分闸，变压器停止运行，供电部门对此应查出原因并作出根除处理。

[0087] 5.三相负荷不平衡保护。

[0088] 三相不平衡度计算方法：

[0089] β% = [(Imax - Icp) ÷ Icp] × 100%

[0090] β% - 不平衡度; Imax – 单相最大电流值; Icp – 三相平均电流值[0091] 因三相不平衡引起的中性电流值不得超过单相绕组额定电流值25%.

[0092] 智能室HJ3000PD通过N相电流互感器可实时监测零序电流值，当零序电流值超出规定值时HJ3000PD即指令低压出线断路器3分闸，变压器停止运行。

[0093] 6.供电可靠性。

[0094] 6.1.统计计算方法：

[0095] 1).低压用户平均停电时间，记作 AIAC

[0096] AIAC = ∑(每次停电持续时间×每次停电用户数)/用户总小时数/户

[0097] 2).低压用户平均停电次数，记作AITC

[0098] AITC = ∑(每户停电次数)/用户总数/(次/户)

[0099] 3).低压用户用电可靠率，记作 RS

[0100] RS = (1 – 用户平均停电时间/统计期间时间)×100%

[0101] 6.2.HJ3000PD终端控制器能实时准确监测统计上述数据并定期传输给主站2，主站2对统计数据存储保留二年以上，可有效对比历年供电可靠性水平。

[0102] 7.缺相保护。

[0103] 7.1.低压配电网三相供电缺一不可，缺相对电器设备和变压器危害极大，智能室中HJ3000PD可实时监测A、B、C三相值，其中任何一相的电压反映为0 V时为缺相，主站2发出报警信号(告知那一相缺失)，10秒之内HJ3000PD指令低压出线断路器3分闸，变压器停止运行，事故处理完毕后变压器恢复运行。

[0104] 8.短路保护。

[0105] 8.1.短路危害极大，瞬间可能烧毁变压器，此保护利用低压断路器3开断能力瞬间(2秒)切断负荷，断路器3会及时将短路信息输入HJ3000PD，HJ3000PD会将信息传输到主站2，并告知此次分闸是短路保护。

[0106] 8.2.短路电流的大小与变电站接地系统及变压器安装地的接地措施相关，本实施例选用断路器3的开断能力为25KA。（此值可按各变配电系统要求选定）。

[0107] 9.S11Z型变压器油顶温度保护。

[0108] 主站（2）设定温度控制数值：＜980C正常运行， ＜1050C报警。报警时限为40 0
小时，在此时间段内温度应下降到98C，在此时间段内若温度仍是105C，主站2发信号给
0
HJ3000PD，HJ3000PD指令低压断路器3分闸，变压器停止运行，当变压器油温降到98C时HJ3000PD指令断路器3合闸，变压器恢复运行。

[0109] 10.突发事故保护。

[0110] 因变压器单相绕组短路产生局放或其它外部因素造成变压器油气膨胀，压力超过40KPA时压力继电器无源接点接通，信号传递到HJ3000PD， HJ3000PD指令低压断路器3分闸，变压器停止运行，4秒钟后变压器压力安全阀10打开喷出油气减压，从而防止了爆炸燃烧事故，变压器转入检修。