变压器铁芯漏电在线监测传感系统的研究

变压器铁芯漏电在线监测传感系统的研究
黄俊
【摘要】This paper introduced a real-time and online monitoring system of the transformer core grounding current , with reasonable design of program-controlled amplifier , improving the range and precision of the measurement of core grounding ing digital filter to extract power frequency signal of the grounding current and filter out interference signal caused by the environment around the transformer ,can accurately identify the transformer core grounding status .The collection datas of the system are processed and then sent to the system server .The power enterprises can get comprehensive ,intuitive and real-time mo-nitoring of the condition and operation status of transformer with the server terminal .This system has a wide range of measure-ment,high sensitivity,anti-interference and so on,and provides the working conditions of the transformer .%介绍了一种实时在线监测变压器铁芯漏电流的传感监测系统.该系统通过合理设计程控放大器,提高了测量铁芯接地电流的范围和精度.提取接地电流的工频信号后,采用数字滤波滤掉变压器周围环境带来的干扰信号,能够准确识别变压器铁芯接地状况.系统所采集的数据经过处理后再传给系统的服务器.服务器上相应程序对数据进行处理后利用服务器终端帮助电力企业实现对变压器,电抗器铁芯的绝缘状态及运行状况进行全面、直观和实时的监控.初步测试表明:该系统具有测量范围广、灵敏度高、抗干扰性强等特点.
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2017(000)001
【总页数】5页(P101-104,109)
【关键词】接地电流;电流检测传感器;接地状况;数字滤波
【作者】黄俊
【作者单位】中南大学电气工程学院,湖南长沙 410083;湖南铁道职业技术学院,湖南株洲 412001
【正文语种】中文
【中图分类】TP334.3
变电站电力变压器是电力系统中的关键设备，它的正常运行是电力系统安全、稳定、可靠、经济运行的重要保证。

变压器和电抗器的铁芯以及夹件在绕组的电场作用下，会形成电荷积累从而形成不同的悬浮电压，当悬浮电压达到一定程度时就会放电[1-2]。

为了消除这种现象，铁芯和夹件必须可靠接地，使其在变压器运行中始终
保持接地电位。

如果变压器铁芯出现多点接地，将会在铁芯内形成短接回路，短接回路所包括面积中的磁通或漏磁通将会在回路内产生很大的环流，而且接点越多，短接回路越多，环流越大，同样会严重危及变压器的安全运行。

因此电力变压器正常运行时，必须保证铁芯有且只有一点可靠接地[3-4]。

在大型高压电气设备电力变压器中，对于铁芯接地故障，惯用的检测方法是用钳形电流表测量变压器铁芯接地下引线的电流。

这种测试方法需要人为检测并且测量误差大，而且对一些电压等级低的电站不能完全检测，为变电站电气设备的运行留下了安全隐患[5]。

现今检测铁芯多点接地现象的方法步骤多、操作复杂，在强电磁
环境干扰下区分微弱的接地故障电流有相当的难度，且不能在线分析，检测的精度
和时效性都存在缺陷[6-7]。

本文针对以上相关技术问题，在不改变变压器本体结构情况下，利用单匝穿心式微电流传感器采集变压器及电抗器的铁芯及固定件的泄漏电流，通过泄漏电流变化情况分析，判断当前变压器或电抗器的运行状态，并且可以进一步结合已有的变压器油色谱分析数据判断变压器泄漏电流变化的原因，从而实现对变压器、电抗器铁芯进行全面、直观、实时监测和状态检修。

系统由泄漏电流采集装置、串口联网服务器、路由器和系统服务器组成。

其中泄漏电流采集装置由泄漏电流传感器，数据采集柜，采集柜显示仪表构成[8]。

其工作流程如图1所示。

铁芯接地电流在线监测要满足以下要求：必须保证进入设备的信号真实可靠，同时应保证新加的提取信号的设备最小限度的改变变压器的运行接线方式；作为一种在电流大变化范围内工作的设备，应有较好的量程自动切换及保护电路；设备应可以稳定可靠地工作，抗电磁干扰；能够实时监测接地电流的大小，并能够上传数据到服务器，发生故障时，有就地声光报警系统。

根据上述要求，应用监测铁芯接地线中电流的方法设计了一套铁芯接地在线监测系统，系统结构图如图2所示。

2.1 程控放大器设计
变压器铁芯正常接地时，因无电流回路形成。

接地线上电流很小；当存在多点接地时，铁芯主磁通周围相当于有短路匝存在，匝内流过的环流，一般可达几十A。

铁芯接地电流变化范围较大，导致传感器输出电压范围广。

普通的A/D采集芯片不能够全范围采集，信号调理单元根据信号的大小自动调节放大增益参数，实现较好的量程自动转换功能。

本文通过DAC1020和运放OP07实现可编程放大增益，增益可调节范围-20～40 dB。

当变压器正常运行工作状态时，由于铁芯接地电流较小，放大器增益调节到30 dB，此时信号调理单元输出电压有效值1.5 V左右；
当变压器发生多点接地故障时，接地电流较大，根据接地电流大小，自动调节电压增益，使调理的信号有效值仍在1.5 V左右。

电路图如图3所示。

传感器输出的信号接入到VREF，MCU通过控制DAC1020的A1～A10可以改变Vout：
式中：如果An是高电平,An=1；如果An是低电平,An=0。

最后Vout输出信号接一级40 dB的放大，此时信号调理单元Vo输出的表达式为MCU根据采集信号的大小调节A1～A10，可以控制Vo的输出范围。

当A1～
A10都为高电平时，Vo=100×Vin，其中Vin为输入信号的大小；当A1～A9为
低电平，A10为高电平时，Vo=Vin×10/1 024.通过合理调节A1～A10，使其满
足后续采集单元。

2.2 信号处理单元电路
信号采集处理控制单元是在线监测铁芯接地电流的核心，要时刻采集调理单元传输过来的信号，根据信号的大小自动调节程控放大器的增益倍数，形成一个闭环控制，防止信号在放大过程中发生饱和失真，如图4所示。

如果发生故障，通过声光报
警系统，及时通知工作人员对变压器本体进行深一步检测。

根据相关文献所述现场干扰相对集中在200 kHz以上的较高频率，设计采用的隔
离运放也会产生幅值20 mV，频率500 kHz的纹波，如果采用普通的运算放大器或者RC组成的滤波器，元件较多，参数调节复杂，并且杂散电容会大大影响滤波器特性。

利用MCU自身的资源，实现数据的数字滤波，能够准确的提取信号的工频分量。

这样就避免了周围环境带来的干扰，同时也降低了硬件的复杂度，可有效减小电路体积，提高电路性能。

设计采用切比雪夫型IIR带通数字滤波器。

利用其等纹波逼近法，主要考虑带通到阻带内给定的衰减值所需要的过渡带下，在滤波器阶数不同时通带内具有幅值相同的纹波。

设计一个10阶的切比雪夫带通滤波器，其采样率3.2 kHz，其通带频率30～70 Hz,通带衰减1 dB，阻带衰减40 dB。

设
计的滤波器满足本文设计需求，设计的带通滤波器仿真结果如图5所示。

从图5
中可以得出，该数字滤波器具有良好的滤波功能，提取采集信号中的工频信号，滤掉环境引起谐波干扰。

2.3 传感器电路设计
泄漏电流传感器采用夹紧铜牌的固定方式不破坏原系统任何结构，金属模具的采用显著减少外部磁场对泄漏电流采集精度的影响。

泄漏电流传感器采用有源零磁通设计原理，不仅能够满足mA级电流信号的采集，而且具有很强的抗干扰能力并能
抑制温飘。

传统的传感器由于存在温漂缺陷，使用一段时间后若不进行校验就会产生与实际泄漏电流同一数量等级的误差，使得测量精度下降，不利于在强电磁环境下长期测量。

基于以上考虑，本系统所使用的泄漏电流传感器采用零磁通补偿的原理，它的精度能够达到μA级，而且具有极强的抗干扰能力。

泄漏电流传感器安装在变压器铁芯、电抗器的铁芯和夹件的接地排上，监测铁芯和夹件的泄漏电流。

而传输数据的屏蔽双纹线一端连接数据采集柜，另一端与传感器本体连接。

传输数据的屏蔽双纹线抗干扰能力强，最远可传输2 km，可覆盖整个变电站。

3.1 上位机软件设计
该软件采用方便灵活的模块化分层设计，能够接入变压器其他状态监测的设备，比如油温、微水、环境信息和振动等，确保系统的安全性、稳定性、兼容性和扩展性。

能够监测整个电网(全市乃至全省)的所有变压器(后台软件一次性投入，再增加变
电站铁芯接地监测时只需增加采集终端即可)，可达到一个地区所有变压器集中监
控的效果。

软件增加了泄漏电流脉冲频次的监测，实时统计每min内大于30 mA及100 mA 时的放电脉冲次数，脉冲频次参数表征了铁芯绝缘介质对大地的间歇性放电的缺陷。

这种缺陷无法通过电流的绝对值大小来反映，也是传统的监测系统无法监测到的情况。

上位机软件设计采用LabVIEW进行设计。

其设计流程图6所示，软件的程序截图如图7所示。

上位机可以实现数据的存储，分析和数据的多种查看方式等。

该系统运行一段时间之后，通过趋势分析，可以判断变压器铁芯接地状况，发现一些潜在的设备故障情况，为电气设备维护人员提供检修依据。

3.2 下位机软件设计
本系统下位机以Cortex-M3为平台，做μC/OS-II系统开发，来实现本监测系统所需功能。

μC/OS-Ⅱ包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信和同步等基本功能，最小内核可编译至2 KB，同时μC/OS-Ⅱ具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良以及可扩展性强等特点，又因为μC/OS-Ⅱ具有可移植性，可裁剪性以及大多数函数调用和服务的执行时间具有可确定性，所以，μC/OS-Ⅱ操作系统被广泛应用于微处理器、微控制器和数字信号处理器。

本文中将μC/OS-Ⅱ操作系统移植到Cortex-M3芯片，上位机或者键盘设置好采集参数之后，下位机系统会进行数据采集，滤波以及数据上传，当数据与故障类型相匹配时，就会进行实地报警并上传故障信息。

图8为下位机程序流程图。

4.1 传感器的特性测试电路与调理电路
变压器铁芯接地电流间接的反应了变压器多点铁芯接地故障，其主频为50 Hz工频，在相对较长的时间内不会突变，可以视为稳态信号，其幅值由于设备的容量、电压等级和尺寸的不同而从几μA到几百mA不等。

传感器特性测试电路见图9，其中信号发生器的幅值是0.01 mA～6 A可调；频率是10 Hz～2 MHz可调。

本文所设计的传感器是测量接地电流工频，所以将频率固定在50 Hz，测试传感器的输入输出特性和数据处理单元的调理能力，数据处理电路如图10所示。

4.2 测试数据与结果分析
测量结果如图11所示。

从图11中可以看到传感器和调理电路具有良好线性度，能够达到测量精度要求。

本文设计了一种实用性强、适用性广、抗干扰的变压器铁芯多点接地在线装置。

通过采用闭环控制程控放大器，使其测量接地电流范围广、精度高，利用数字滤波器能够准确提取接地电流有用信号——工频电流。

选用Cortex-M3处理器，通过RS485串口与上位机连接，实时监测铁芯接地电流，较好实现本系统的精度和在线监测。

(1)通过合理设计程控放大器，提高了测量铁芯接地电流的范围和精度。

(2)利用数字滤波器提取接地电流的工频信号，滤掉变压器周围环境带来的干扰信号，能够准确识别变压器铁芯接地状况。

(3)通过泄漏电流脉冲频次的监测，实时统计每min内大于30 mA及100 mA时的放电脉冲次数，脉冲频次参数表征了铁芯绝缘介质对大地的间歇性放电的缺陷。

这是传统的监测系统无法监测到的。

(4)采用Cortex-M3芯片进行系统的构建增强了系统的实时性处理能力(比如故障的自动识别和报警)，增强设备的环境适应能力(如体积小，易安装)，可明显提高电力系统设备的安全性能。

【相关文献】
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