关键词：变压器；故障模拟；智能实训装置
作者简介：徐光举（1961-），男，江苏连云港人，江苏省电力公司职业技能训练基地，工程师；张长营（1968-），男，江苏宿迁人，江苏省电力公司职业技能训练基地，高级工程师。（江苏连云港222069）
中图分类号：TM4?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）36-0138-03
电力变压器是一个重要的电气设备，不同电压等级的电力线路要依靠不同型式的电力变压器将其连接起来，组成一个强大的电力系统，而处于电力系统末端的配电网中大量的配电变压器更是发挥着重要的作用，它直接为电力用户提供电能，一旦配电变压器出现故障将会影响电力用户的生产和生活用电，因此能否准确、快速地判别配电变压器故障进而排除故障，在尽可能短的时间内恢复配电变压器运行不仅事关电力优质服务质量，而且考验着电力运行和检修人员的技能水平。因此，对电力变压器运行和检修人员进行变压器基础知识和相关技能培训，使他们掌握相应的变压器运行和检修知识、技能尤为重要。
基于配电变压器故障模拟的智能实训装置研究与开发，将通过模拟配电变压器在运行中常见的故障现象，让学员在实训中通过故障现象准确地对故障类型进行判别，同时通过相应的仪器仪表测量对故障点进行确定，进而提出排除故障的方法，对于提高配电变压器运行与检修人员的技能水平将起到事半功倍的效果。
一、国内外研究水平综述
经查证，国内外对变压器相关技能的教学与培训方法，目前仅限于对变压器原理的讲解和对某一类型变压器进行解剖观察，还不能对变压器运行中可能发生的故障现象进行再现，同时由于培训用的变压器一旦选定，在变压器相关性能测试和试验中，只要变压器本身电气特性没有变化，测试数据具有唯一性，无法实现对多位学员进行个性化测试考核，这种培训方式不利于学员的理解和学习，在教学实践中诟病颇多。因此，提高员工实际操作技能以及维护、检修和测试技术水平，进行配电变压器智能仿真实训装置的研发和设计，改进现有教学与培训方式势在必行。
据了解，现阶段国内外研究机构尚未出现类似的理论研究和产品研发，本实训装置的研发结合变压器实际运行环境，模拟变压器发生故障时的参数变化，揭示不同故障时变压器参数变化的规律性，属国内外技术首创。
二、装置研发的理论和实践依据
1.原理简述
配电变压器在出厂试验和正常运行以及故障发生时的电气参数检测中需要进行绝缘耐压试验、绝缘电阻试验、直流电阻测试、容量测试、变比及连接组别等测试试验，该类试验如耐压试验在实际进行时危险性较大，技术要求也较高，一般在实验室环境下均不进行该类试验；绝缘电阻试验在实际试验中，无法模拟多种绝缘特性，使用真实变压器作为试验对象，测试数据单一，变压器故障发生时的参数变化无法模拟；直流电阻和变压器容量参数在不同变压器上体现不同的测试电阻值，电阻值从mΩ到几十Ω不易模拟；变比及连接组别无法加载实际电压实现变比测试。针对以上变压器试验存在的问题，对现有变压器进行模拟实训具有一定的现实必要性。
现场教学中，通常是将实际应用的某一型号配电变压器搬到实训室，让学员进行测试实训，实训变压器到位后，各类参数均恒定不变，学员很难从变压器参数的变化中判别故障状态和故障类型，非常不利于教学及考核。因此，为了便于教学与考核，减少操作时的危险性，需要对现有变压器实训装置进行改进。基于配电变压器故障模拟的实训装置将应用模拟技术通过改进10kV油浸电力变压器内部的原理结构，将原配电变压器内部铁心及线圈去掉，在变压器内部安装直流电阻模拟部件、容量测量模拟部件、绝缘耐压部件、变比设定模拟部件等需要进行变压器模拟实训的部件，同时保持实训装置外观、实训用的测试设备与真实测试设备完全一致，并通过软件控制设定实现变压器不同容量参数的设定和模拟，测试变压器通过无线方式与计算机控制主机通讯，实现数据传输无线化、参数设定智能化、数据模拟多样化的设计，实训人员操作测试设备和使用真实测试设备的方法和步骤一样，实现各类配电变压器的电气参数的测试和分析，从而解决了配电变压器电气参数检测实训中试验安全性和试验多样性的技术难题，同时也为模拟配电变压器不同状态下的电气参数量提供了可能。
2.研发依据
通过对现有变压器技术规范及技术标准的研究，总结现有变压器需要进行的试验及检定项目，根据GB-50150-2006《电气装置安装工程-电气设备交接试验标准》的技术要求，结合现场实际运行环境，油浸电力变压器需要进行的交接试验及满足标准如下：
（1）测量绕组连同套管的直流电阻，应符合下列规定：
1）测量应在各分接头的所有位置上进行。
2）1600kVA及以下电压等级三相变压器，各相测得值的相互差值应小于平均值的4%，线间测得值的相互差值应小于平均值的2%；1600kVA以上三相变压器，各相测得值的相互差值应小于平均值的2%；线间测得值的相互差值应小于平均值的1%。
3）变压器的直流电阻与同温下产品出厂的实测数值进行比较，相应变化不应大于2%；不同温度下电阻值按照下式换算：
R2=R1（T+t2）/（T+t1）
式中R1、R2分别为温度在t1、t2时的电阻值；T为计算用常数，铜导线取235，铝导线取225。
（2）检查所有分接头的电压比，与制造厂铭牌数据相比应无明显差别，且应符合电压比的规律。
（3）检查变压器的三相接线组别和单相变压器引出线的极性；必须与设计要求及铭牌上的标记和外壳上的符号相符。
（4）测量与铁芯绝缘的各紧固件（连片可拆开者）及铁芯（有外引接地线的）绝缘电阻，应符合下列规定：
1）进行器身检查的变压器，应测量可接触到的穿心螺栓、轭铁夹件及绑扎钢带对铁轭、铁心、油箱及绕组压环的绝缘电阻。当轭铁梁及穿心螺栓一端与铁心连接时，应将连接片断开后进行试验。
2）不进行器身检查的变压器或进行器身检查的变压器，所有安装工作结束后应进行铁心和夹件（有外引接地线的）的绝缘电阻测量。
3）铁心必须为一点接地；对变压器上专用的铁心接地线引出套管时，应在注油前测量其对外壳的绝缘电阻。
4）采用2500V兆欧表测量，持续时间为1min，应无闪络及击穿现象。
（5）测量绕组连同套管的绝缘电阻、吸收比或极化指数，应符合下列规定：
1）绝缘电阻值不低于产品出厂试验值的70%。
2）当测量温度与产品出厂试验时的温度不符合时，可按表1换算到同一温度时的数值进行比较。
注：表中K为实测温度减去20℃的绝对值；测量温度以上层油温为准。
当测量绝缘电阻的温度差不是表1中所列数值时，其换算系数A可用线性插入法确定，也可按下述公式计算：
A=1.5K/10
校正到20℃时的绝缘电阻值可用下述公式计算：
当实测温度为20℃以上时：
R20=ARt
当实测温度为20℃以下时：
R20=Rt/A
式中R20为校正到20℃时的绝缘电阻值（MΩ）；Rt是在测量温度下的绝缘电阻值（MΩ）。
（6）绕组连同套管的交流耐压试验，应符合表2规定。
针对以上变压器交接试验标准要求，根据实际应用环境进行的试验项目，特设计模拟变压器及模拟测试设备进行要求的试验项目，试验项目测试满足以上技术标准要求。
3.关键技术及难点
装置研发的主要内容是对配电变压器的模拟，根据实际应用测试设备的步骤及方法，装置根据设定项目制定的相应测试分析项。
（1）本项目的关键技术一是解决了实际耐压试验危险性较高的问题。二是解决了直流电阻按照变压器容量的不同从毫欧级到欧姆级线性变化等多种量级模拟的问题。三是解决了变比测试无法加载真实电压的问题。四是解决了多状态变压器特性的模拟。
（2）技术难点：配电变压器内部的改进以及变压器参数设定智能化、多样化的实现路径是装置研发与设计的主要技术难点。
三、装置研究内容和实施方案
1.研究内容
（1）需求研究。主要研究配电变压器检修、试验培训的现状和发展趋势，国家和行业相关标准，现有装置的技术与性能特点，以确定装置研发的差异化方向，最后编制需求分析报告和装置功能性能规格书。
（2）硬件平台方案研究。根据需求分析报告和装置功能性能规格书的要求，设计满足上述报告和功能性能要求的硬件平台技术方案，包括技术方案、机械结构、主要器件选择等。
（3）软件平台方案研究。根据需求分析报告和装置功能、性能规格书的要求，设计满足上述报告和功能性能要求的软件平台技术方案，包括软件架构、操作系统选择、编程工具选择、功能模块划分等。
（4）模拟变压器测试仪器配置和测量算法方案研究。研究我国配电变压器交接试验的应用需求，并根据该需求确定装置设计的测试应用方案，以及对应的模拟变压器的技术参数和测试数据标准，设计模拟变压器测试项目功能模块，制定各个测试项目的技术参数要求。在上述工作的基础上，设计整体软件实现方案，包括逻辑图与流程图。
2.技术实施方案
（1）总体方案。通过对配电变压器交接试验项目需求和技术条件研究，确定装置的总体方案及原则如下：
1）变压器外形设计方案。采用标准10kV配电变压器外壳，去掉铁芯及线圈，保留高低压接线柱、调压分接开关、油位指示器等变压器部件，在变压器一侧对变压器外壳进行改进，改进后的外壳采用开门式设计，方便测试部件的安装及维护工作。
2）测试仪器外观设计方案。根据配电变压器交接试验项目需要用到的测试项目对变压器装置进行改进，在配电变压器内部增加各测试功能模块，配置必要的测试电路，以实现原测试仪器应实现的测量功能。
3）采用高速工业CPU设计。为提高性能和可靠性，所有测试仪器及模拟变压器装置均需采用高速CPU设计。模拟变压器各功能部件采用高可靠性整理元器件设计，以提高管理性能以及兼容性与扩展性。
4）装置抗干扰设计。装置结构采用全密封设计；印刷电路板设计选用静电放电保护（ESD）的芯片以及快速瞬变电压抑制器件，采用表面安装技术（SMT）及多层印制板，全部选用工业级芯片，以满足装置体积、可靠性以及电磁兼容能力等要求。
（2）硬件方案。组成系统装置的主要设备有：模拟变压器装置、摇表、直流电阻测试仪、容量测试仪、耐压仪、变比测试仪等设备。
模拟变压器设计：模拟变压器采用真实10kV配电变压器外壳，内部去掉变压器铁芯及线圈，针对变压器测试试验项目设计不同模拟功能部件，如安装绝缘耐压模拟部件、吸收比及极化指数模拟部件、直流电阻模拟部件、容量测试模拟部件等，模拟部件输入信号分别接到变压器A、B、C三相高压接线端子和a、b、c、n低压接线端子及地线上，各模拟部件间通过继电器控制断开和接入到各接线端子。
1）绝缘耐压模拟部件。配电变压器故障模拟智能实训装置绝缘模拟部件，通过软件设定改进变压器高低压接线端子之间以及与变压器接地线之间的电阻值，实现配电变压器绝缘电阻故障的设定和模拟，模拟绝缘电阻在0Ω到500MΩ之间，模拟绝缘电阻设定细度为20MΩ，并能模拟变压器断线功能，即变压器接线端子间绝缘电阻为∞。
配电变压器耐压模拟：通过改进耐压测试仪器及模拟变压器实现，模拟耐压仪可以按照正常方式进行接线、升压，但是加载到变压器上的电压并不是实际输出的几千伏高压，而是30V低压，同时通过计算机设定实现变压器放电声音模拟，以达到真实的试验效果。
2）吸收比及极化指数模拟部件。根据电容具备充放电的特性，在绝缘实验电阻回路中串入耐压及容量大的电容器，通过电容器充放电的曲线特性，模拟不同时间点的绝缘电阻值，即实现吸收比及极化指数的模拟功能。
3）直流电阻模拟部件。直流电阻模拟通过在变压器一次侧接入0～30Ω不同组合形式的电阻值，模拟一次侧直流电阻，在变压器低压侧（二次侧）接入0～0.021Ω不同组合方式的电阻值，模拟二次侧直流电阻，各电阻档位设定及控制通过计算机控制实现，并能模拟故障状态下组合电阻值。
4）容量测试模拟部件。配电变压器容量测试模拟部件通过计算机控制在一次侧接入7～80Ω不同组合电阻值，并能模拟不平衡条件下的各项电阻值。
5）变比测试模拟部件。配电变压器变比模拟根据变比测试仪的特性，模拟部件通过测试一次侧接入的电压值及相位过零点，在二次侧产生设定比例的电压及相位角，模拟变比功能，模拟部件通过检测励磁调节开关的接入点位置，产生不同变比条件下的二次电压值。
（3）软件方案。系统软件设计采用模块化设计，主控制计算机实现总体控制和设定，主控制计算机通过无线通讯方式实现与模拟变压器的数据交换。
模拟变压器各模拟功能模块需根据接收到的计算机设定命令，做出判断，确定工作模块内容及设定项目，供学员通过测试仪器进行实际测量。
通过主控制计算机可以实现各模拟模块项目的设定，可以根据测试的需要设定不同的变压器故障。
（4）通信方案。根据方案设计的可靠性及现场运行环境的需要，同时由于真实现场接线只有电源线和测试线，没有独立的变压器与模拟模块的通讯线，为了和真实现场保持一致，特选择无线通讯方式，为了实现多设备间的互通，需采用无线组网方式实现。
3.装置研究步骤及开发方法
装置的研究与开发需要进行计算机程序设计、硬件电路设计和单片机控制程序设计，同时装置研发需采用理论分析和试验验证法进行设计：
（1）前期先进行市场调研与分析，论证项目设计的可行性和必要性。
（2）与相关电力培训机构专家和电力生产一线技术人员进行沟通，进行实训内容及可行性研究，确定装置研发实施方案，重点解决技术难点问题。
（3）对设计功能模块进行相应试验验证，对各模拟模块方案进行设计验证。
（4）设计产品软硬件；并试制样机。
（5）对设计产品进行功能调试，确定测试指标。
（6）进行指标检定和功能检定。
装置研发技术路线框图如图1所示。
四、预期目标和成果形式及创新点
通过装置的研究与开发工作，系统分析了实现配电变压器预防性和特性试验的模拟测试以及对应的技能培训，创新性地引入了多型号配电变压器电气特性和电气参数的模拟技术，研究了现有试验条件下根据不同型号配电变压器及测试试验设备的操作，加强对相关配电变压器运行和检修人员的技术技能培训。装置的主要技术创新点为配电变压器试验数据传输无线化、参数设定智能化、数据模拟多样化的设计。
参考文献：
[1]国家电网公司生产技能人员职业能力培训专用教材[M].北京：中国电力出版社，2011.
[2]职业技能鉴定指导书——变压器检修[M].北京：中国电力出版社，
关键词：新建；大型医院；防雷工程
中分类号：TU895文献标识码：A文章编号：1671-2064（2017）10-0178-02
1认真了解项目概况
创晟嘉康中心医院东院一期工程处于东经111°29′59″，北纬27°12′59″。场地内最高标高270.00m，最低处（不含水面）226.10m（邵大道接口处），在约9.3公顷用地内，地形起伏很大，沟坎颇多，山体多为岩石。
项目包含有医疗综合楼、科研教学及培训中心楼，学生及职工宿舍、高压氧舱等。
医疗综合楼地下一层，地上包括门急诊医技部和三栋高层病房楼，为一类高层建筑。其中妇儿专科病房楼（13层）、肿瘤专科病房楼（13层）、综合病房楼（15层）和门急诊医技部（裙楼5层，不含设备净化层）。建筑占地面积为18189.80m2，建筑总建筑面积为151287.80m2，其中地上建筑面积：门急诊医技部面积为49682.00m2，妇儿专科病房楼面积20330.20m2，肿瘤专科病房楼面积20330.20m2，综合病房楼面积为23175.20m2，地下建筑面积为37770.20m2（地下室包括人防医疗救护工程面积1756.91m2）。住院总病床数为1627床，其中普通住院病床1425床，PICU59床，NICU73床，CCU19床，神经ICU31床，EICU20床。该楼耐久年限为50年，耐火等级为一级，屋面防水等级为Ⅰ级，地下室防水等级一级。抗震设防烈度为6度，结构形式为框架-剪力墙结构。
科研教学及培训中心楼包括一栋4层高的多层建筑和一栋9层高的高层建筑，多层部分建筑高度为18.45米，高层部分总建筑高度为36.45米，为二类高层建筑。建筑总占地面积2824.27m2，地上总建筑面积13196.48m2。该楼耐久年限为50年，耐火等级为一级，屋面防水等级为Ⅰ级。抗震设防烈度为6度，结构形式为框架结构。
学生及职工宿舍地上10层，总建筑高度38.10米，为二类高层建筑。建筑占地面积730.80m2，总建筑面积7308.00m2。该楼耐火等级为二级，屋面防水等级为II级，抗震设防烈度为6度，结构形式为框架结构。楼内共有408个床位。
高压氧舱地上1层，地下1层，总建筑高度6.3米，为单层建筑。建筑占地521.64m2，总建筑面积895.8m2，含地下建筑面积374.20m2。该楼耐火等级为二级，结构形式为框架结构。
2实地堪察周边环境、地质条件，测量土壤电阻率
项目在邵阳市东南部，北侧是邵阳市主要城市干道--邵阳大道和山林；东临平康路，是民房和洼地，东北角有一座加油站和社会停车场；西侧紧邻屏丰路，南侧为医院的后期规划用地。本工程场地地质分布为9层，从上至下依次为：素填土、耕植土、三迭系下统大治组强风化薄层至中厚层灰岩夹薄层钙质页岩及泥灰岩、中风化薄层至中厚层灰岩夹薄层钙质页岩及泥灰岩、微风化薄层至中厚层灰岩夹薄层钙质页岩及泥灰岩、二叠系上统大隆组强风化硅质灰岩夹硅质页局部夹细砂岩、中风化硅质灰岩夹硅质页局部夹细砂岩、微风化硅质灰岩夹硅质页局部夹细砂岩。
2014年6月21日在项目所在地现场采集土壤电阻率数据，采集当日天气阴。结合地质勘测报告，得出项目所在地在区域地表0m～地下-30m处土壤层的平均土壤电阻率为131.4Ω・m。
3详细了解配变电所及发电机房、低压配电、弱电布线系统
3.1本项目配变电所及发电机房
（1）在地下一层设总配变电所一座，高低压电缆下进下出（消防负荷低压电缆下进上出，沿电缆梯架敷设）沿电缆沟敷设。消防设备采用矿物绝缘电缆与一般设备电缆分开敷设。设置1600kVA干式变压器3台（1TM～3TM）及630kVA干式变压器1台（4TM）（医技设备专用）。1TM～3TM变压器设一段应急母线段，带消防负荷、保障负荷，当正常市电都失去时，经过自动转换开关接到柴油发电机组给应急段供电。
（2）在地下一层设1#分变电所一座，设置1250kVA干式变压器2台（5TM、6TM）。5TM、6TM两段低压母线用母联开关联络。另设一段应急母线段，带消防负荷、保障负荷，当正常市电都失去时，经过自动转换开关接到柴油发电机组给应急段供电。
（3）在地下一层设2#分变电所一座，设置1000kVA干式变压器1台（7TM），为中央空调附属水泵等设备专用变压器，中央空调2台主机由10kV高压电源直接供电。
（4）在科研教学及培训中心楼一层设3#分变电所一座，设置800kVA干式变压器2台（8TM、9TM），8TM、9TM两段低压母线用母联开关联络。
（5）柴油发电机房：在地下一层靠外墙且邻近1#分变电所位置设置柴油发电机房一座，配套设置1m3日用油箱间及控制室。采用机械进风和自然排风。机房隔墙及进出风和排烟应采取降噪消声、防震等措施。在使用过程中还应定期维护保养。柴油发电机组专为应急母线段供电，在失去市政电源情况下15s内自启动且投入使用。
（6）高压柜采用10kV金属铠装封闭中置式开关柜。10kV真空断路器的分断能力为25kA，在10kV馈线柜内设氧化锌避雷器，以防操作过电压，断路器配弹簧储能操作机构，操作电源为直流220V，选用密闭式免维护铅酸蓄电池、容量为65Ah的直流电源柜，作为直流操作、继电保护和中央信号电源。10kV系统采用单母线分段的结线方式，两段母线之间设联络开关，平时两路电源同时供电，分列运行，互为备用。母联断路器手动投入。低压220/380V系统主进断路器电源失电检测及跳闸方式采用断电延时电压型继电器检测后控制分励脱扣电路跳闸；母联开关设置备用自投（BZT）及手动合闸控制，复电后自动复归，倒闸方式为瞬时断电方式；当低压侧主进开关因过载及短路跳闸时，不允许自动关合母联开关。设电气闭锁，保证两主进及母联开关三者不能同时合闸运行。
3.2本项目低压配电
（1）低压配电采用放射式与树干式相结合的方式，对于单台容量较大的负荷或重要负荷如：空调机房、净化空调、中心供应、负压吸引机、空压机、生活水泵、消防水泵、手术部、ICU等设备采用放射式专线供电，其电源均直接引自低压母线段。
（2）消防风机、消防泵、消防电梯、应急照明等消防负荷采用双电源供电并在末端自动切换，且其中一路引自急母线段。
（3）一般医疗插座用电、照明等负荷采用树干式与放射式相结合的供电方式。
（4）负压吸引、空压机设备、急诊、病理科、检验科、手术部、ICU、产科、生活水泵等均采用双路电源供电并设切换开关，且其中一路引自应急母线段。
（5）按裙楼及塔楼分别设强电竖井，内设有照明总配电箱、医疗插座总配电箱、应急照明箱、公共走道双切箱、空调负荷配电箱。
（6）手术部手术室及ICU采用放射式的供电方式，双电源互投，设置专用配电箱。
（7）非消防负荷的电动机容量超过45kW及以上的采用软启动。
（8）部分层抢救室由双层电源切换箱供电。
（9）电开水器旁设隔离开关箱，电源引自竖井医疗动力总线。
（10）所有双电源末端切换装置均为自投自复型（延时60S）。
（11）按防火分区设置应急照明箱，同层应急照明箱环联供电。
3.3本项目弱电设计
消防控制室设在医疗综合楼地下一层，为整个医院火灾自动报警系统、安全技术防范系统、广播系统的控制中心。科研教学及培训中心楼四层设计算机中心，作为整个医院的数据中心。医疗综合楼四层设信息机房，作为整个医院的数据冗余机房。妇儿专科病房楼、肿瘤专科病房楼、综合病房楼和学生及职工宿舍楼每层各设置1个弱电竖井，医疗综合楼的裙房门急诊医技部每层设置4个弱电竖井，科研教学及培训中心楼每层设置2个弱电竖井。医院电话、网络、电视信号主干光缆由屏丰路医院附近的市政通信交接箱穿管埋地引来，经室外管网引至科研教学及培训中心楼计算机中心的核心设备间。医院医疗综合楼的门急诊医技部、妇儿专科病房楼、肿瘤专科病房楼、综合病房楼、学生及职工宿舍楼、高压氧舱、液氧站、门卫岗亭的通讯电缆由计算机中心引来。
4如何做好新建大型医院防雷工程
（1）本项目按二类防雷建筑设计，防直接雷击的各项措施一定要严格按规范要求做到位。
（2）本项目的配电设备多，必须安装好相应的各类电源电涌保护器，并做好接地。
（3）本项目火灾自动报警系统、安全技术防范系统、广播系统、信息网络系统、信息引导及系统、电子巡查管理系统、信息化应用系统等电子系统很多，布线一定要严格按照电子信息系统线缆与电力线缆及与其他管线间距的要求，合理布线。装好相应的各类信号电涌保护器。
（4）经实地测量及分析计算，该地的土壤电阻率为131.4Ω・m，适宜基础接地的安装，但对降低接地电阻值不太有利，必要时须采取降阻措施，确保接地装置的电阻小于1Ω。
（5）对设有总配变电所一座、分变电所二座和柴油发电机房并配套设置了1m3日用油箱间的医疗综合楼的地下室一层，除按要求做好接地外，对于预防雷电感应的各个细节都不能忽视。
（6）对于科研教学及培训中心楼计算机中心的核心设备间、综合医疗楼门急诊医技部四层的信息机房及防磁扰能力要求较高的医疗设备间，要增加相应的屏蔽措施。