引言

配电变压器作为配电系统的核心设备，其安全平稳运行直接影响配电网运行的可靠性。目前针对配电变压器的在线监测技术尚未有大规模应用，其油位和油温测量方式基本还是采用机械式管状油位计和机械式指针温度计，测量的精度有限并且无法实现在线测量，测量数据无法实时上送。而具有在线状态监测功能的相关装置目前也未能实现大规模应用。本文针对配电变压器的结构特点设计了深度集成微功耗传感器的状态传感单元，结合以国产芯MCU为核心的采集终端，实现了对配电变压器油温、油位、油压、微水等状态量的实时监测。并且将装置安装于配电台区中进行实际运行，运行结果验证了装置未来推广应用的可行性。

1概述

目前，配电变压器的低压台区采用三相用电的负载占少数，采用单相用电且随机接入相线的负载占多数。负荷分布不均已成为导致配电变压器三相不平衡长期存在的主要原因。目前的三相不平衡治理方案主要是无功补偿、安装ＳＶＧ（静止无功发生器）、人工换相和安装换相开关。采用无功补偿和安装ＳＶＧ两种方式治理配电变压器三相不平衡，但是采用无功电流不能调整不平衡电流，也不能调整三相实际负荷，因此无功补偿和安装ＳＶＧ都不是理想的解决方案；指出人工换相不仅影响用户用电状态，而且存在安全隐患。而换相开关可通过预设目标换相算法得出最佳换相指令，使三相平均分配负荷，能从根源上解决负载端三相不平衡，且换相开关投切时间短暂，用电用户几乎毫无察觉。在实际治理过程中，换相开关能否获得最优的换相方案与优化算法的选择有直接关系。采用粒子群算法求解负荷换相调整问题，但后期计算量呈现指数倍增长，不利于快速搜索；提出利用改进的粒子群算法来求解换相模型，将多维数组转化为一维数组，解决了粒子群算法的维度灾难问题，有利于增加算法求解速度。

2三相不平衡对配电变压器效率

配电网三相不平衡产生的原因大致分为两类，一类是由供电环节不平衡而导致系统三相不平衡，另一类则是由负荷的不对称引起的系统三相不平衡。低压电网大多是经过变压器降压后，以三相四线制向用户供电，存在大量的随机性接入的单相负荷。在进行三相配电时，供电公司应该将接入单相用户均衡地分接在A、B、C三相。但近年来，由于单相用户的用电设备增加、单相接入负载功率增大以及单相用户用电设备接入的时间不确定等，均造成了三相负载的不平衡。目前，影响配电变压器效率的问题主要由变压器损耗、线路损耗、三相不平衡构成。而对于低压配电网来说，三相不平衡是影响配电变压器效率的主要成因。因为居民在生活中主要使用单相用电器，用电强度完全随着自己的用电习惯变化，具有较强的随机性，所以在同一个时段，A、B、C三相会负担不同强度的用电负荷，造成比较严重的三相不平衡问题。据调查数据显示，在较高收入水平的农村地区，其单相负荷容量可达到总负荷容量的90%；在收入水平中等的农村地区该比例约为70%；在较低收入水平的少数用电区域中，单相用电负荷所占比重也能达到50%。这种由于单相用电设备的随机性接入导致的三相负荷不平衡会给低压配电网带来很多危害，尤其会影响配电变压器效率。提出一种考虑负荷分布的线损计算方法。对传统线损计算方法的模型和适用范围进行了介绍。引入三相潮流算法，分析优化模型中三相负荷及单相负荷的待选接入方式，主要以低压配电网的线损作为研究对象，重点围绕线损影响因素及适用于低压配电网的降损方法展开研究，考虑的因素不足。基于低压配网简化模型明确了三相负荷不平衡危害和解决方案，对现有的三相负荷不平衡治理措施进行改进，提出三相负荷不平衡智能控制方案，定量分析和评估不同条件下三相负荷不平衡对低压配电网台区的危害及影响。针对农村配电变压器三相不平衡进行了分析，主要就三相不平衡带来的线路和配变附加损耗及应对调整给出了模型方法。分析三相不平衡对变压器损耗影响的机理，并就配电变压器损耗计算实例分析，给出了配电变压器损耗与三相不平衡度的关系。针对三相不平衡的危害展开讨论并提出三相不平衡治理措施与防治策略。

3传感器的选型和结构设计

油温、油位、压力等状态量的监测功能需要通过各类传感器实现，传感器的选型首先需要考虑实际运行时的工作环境，其具有温度高、长期密闭、较强的电磁干扰等特点。变压器的运行温度一方面和环境温度有关，另一方面也受到运行负荷的影响，其顶层油温最高可以达到100℃左右。因此各类传感器需具备一定的耐高温性能，并且输出信号有较好的抗干扰能力。另外，整个传感单元采用原有管状油位计结构，传感器的结构设计需要和管状油位计结构相结合，并且不能影响装置的密封性和压力释放阀性能。压力传感器的结构类型主要分为金属铠装型和板载型，金属铠装型外型较大，难以集成在管式油位计内；而板载压力传感器需要气体导流管，也不适合实际应用。最终与传感器厂家定制了一款金属铠装外壳，外壳带螺纹的压力传感器，螺纹安装直径与管式油位计管径匹配。油位测量功能主要调研了激光接近传感器、位移传感器、差分电容传感芯片和接地电容传感芯片，并进行了试验验证。验证结果表明激光接近传感器的分辨率不够，位移传感器的体积较大，不便于结构集成，且成本较高。而电容传感器的容值变化范围有限，且需要引出感应电极，导致安装的可靠性不强。本装置最终选用GP2Y0A51型红外传感器作为最终的油位测量传感器，测距范围2cm~15cm，分辨率1mm，利用红外线反射原理将传感器和被测物体间的距离转换为模拟电压输出。

4三相不平衡治理方案

4.1实时负荷调整策略

三相不平衡治理方案的核心在于利用自动换相控制算法的负荷调整策略。换相开关主控器根据采集的实时负荷数据、相序情况，并结合低压台区模型，利用优化算法计算得出最优换相指令，给安装在负荷端的换相开关下达换相指令进行换相。

4.2负荷换相的目标函数

在大量文献中，治理三相负荷不平衡主要关注两个方面：三相电流不平衡度越低越好；换相操作的支路数量越少越好。但是若只关注这两个方面，则忽略了由于三相负荷长期处于不平衡状态，配电变压器和线路早已产生损耗，导致后续三相不平衡治理效果不理想。本文运用换相开关对不平衡负荷进行实时调整。当三相不平衡度超过国家建议标准中１５％的限值时，控制器读取安装在低压台区负荷端进线处的换相开关所采集的负荷侧电压电流和相序信息，以此为依据计算得出最佳换相方案，对部分负荷组相序进行调整。

结束语

配电变压器作为配电网络的关键设备，运行状态直接决定配电网络的稳定性。经实际运行表明，配电变压器监控系统能够实时反映变压器的运行状态，并对故障及异常信息进行及时处理，极大提升了配电变压器运行的可靠性。

参考文献

[1]潘泽彬.农村配电变压器台区三相不平衡治理措施的研究[J].工程技术研究,2019,4(18):23-24.

[2]刘占雄.武安市电网配电台区的三相不平衡治理[D].华北电力大学,2018.

[3]郭宇航.配电变压器三相负载不平衡的危害和治理措施研究[J].科学中国人,2017(05):102+105.

[4]宋利斌.浅谈配电变压器三相负荷不平衡治理[J].农村电工,2018,24(12):33-34.

[5]叶伟杰.江西电网配电变压器三相不平衡综合治理措施研究[D].南昌大学,2017.