变压器铁芯接地电流在线监测及控制系统设计

变压器铁芯接地电流在线监测及控制系统设计摘要：针对目前变压器铁芯接地电流检测精度、时效差的问题，研制了一种功能完善的监测及控制装置。该文阐述了该装置的硬、软件设计情况并做了详细说明。现场实验结果表明该装置可以实现对铁芯接地电流实时在线监测，能够判断出铁芯接地电流的变化，在发生变压器铁芯多点接地故障时，迅速做出处理，防止事故扩大。目前，该装置已投入使用，运行情况良好。

关键词：变压器铁芯接地电流在线监测限流电阻光纤目前，现场人员惯用的检测手段是采用钳形电流表测铁芯外引接地套管的接地下引线电流，这种方法易受强电磁环境干扰，会出现同一测量点几次测量值差别迥异的情况，而且不能保证在第一时间发现铁芯两点接地，检测精度和时效性都存在一定的问题，从而不能对变压器的健康状况做出全面、精确的判断。通过研制变压器接地电流在线监测及控制装置，将泄漏电流传感器夹装在铁芯接地线上，精确地采集接地电流，采用先进数字信号处理、分析和计算，实现铁芯接地电流实时监测，接地故障自动录波、分析判断、故障报警、趋势预测等功能。对变压器状态进行在线评估、预警和风险分析，从而达到防患于未然的目的。当泄漏电流超过300mA时，发出报警信号，根据泄漏电流的大小分析投入多大的串联电阻，将变压器泄漏电流降低到规定值以内，确保变压器不会在两点接地时长时间运行。

1 工作原理

整个装置由上位机和下位机组成。下位机安装在现场，完成铁芯电流信号的提取，数字化处理、监测参数的显示、历史数据的自动保存和显示，下位机将最新数据自动保存到存储器中或通过通信线路上传给上位机，上位机获得了下位机上传的数据后可以进行波形显示，历史数据的分析以及初步的故障诊断等，上位机和下位机之间通过现有强大的光纤进行数据交换。监控装置由信号采集和处理单元、A/D 转换单元、DSP、开关量输出、限流电阻单元、显示单元、通信接口等组成。直流电流互感器完成对泄漏电流模拟量的采集，经A/D转换后，通过SPI接口传到DSP；由DSP发出控制命令，实现对模拟开关的控制；设置通信接口模块，通过该模块可完成软件系统的调试、维护及程序的在线更新。

(1)信号采集、处理：该监测系统在采集监测信号时不改变设备的运行状态。铁芯电流正常和故障时的数值差别较大，通过测量回路中串入量程不同的两个电流互感器，分别精确监测正常运行情况下的弱接地电流（微安级）和铁芯发生多点接地后出现的大接地电流（可达几十安），保证测量精度。通过屏蔽电缆传输采集到的电流量，采用傅里叶算法，DSP将经变换后离散的采样值计算出电流基波幅值，进行各种分析和处理，提高采集、运算精度。

(2)DSP芯片：CPU选用了TI公司推出的32位定点高性能低功耗TMS320F2812处理器，主频最高150MHz。该芯片采用了四级流

水线操作，指令执行速度快；内部模块丰富(具有SPI，SCI，CAN模块)；外部I/O口多。可满足本系统的精度和实时性要求。

(3)时钟日历芯片、EEPROM：实时时钟日历芯片提供给主机当前的准确时间，每隔60秒系统将采集到的电流幅值存入以当前日期命名的文件，并记录采集电流的时间。每24小时记录一个文件,可用按时间来查阅的电流趋势图。EEPROM存储芯片存储所有电流互感器的信息，包括电流互感器的编号、是否故障、变压器编号、变压器是否投入以及系统参数和故障日志等。

(4)液晶显示：液晶显示采用WEINVIEW MT500系列的7.7 英寸屏，RISC嵌入式CPU。将复杂的人机接口操作任务交给人机，这样人机与主机之间的通讯量将大大缩小，最多几百个字节。

(5)报警功能：装置设有报警继电器，通过设定不同的定值来发出不同的信号。当主机判断多点接地存在时，采样值稳定且超过300mA后，发出告警信号，提示工作人员变压器发生铁芯接地，应尽快处理；采样值稳定且超过100mA后，发出提示信号，提醒工作人员应进行预防性跟踪试验，尽快找出接地电流变大的原因。在发信号时，报出变压器的编号、相别。硬件抗干扰设计

设计包括以下部分：（1）高、低压数值系统采用光耦隔离设计；数字电路、模拟电路及功率电路分开布置。（2）在电源入口适当位置增加去耦电容，减少电源地线的公共阻抗。采用不同的电源分别对数

字电路、模拟电路单独供电，避免通过地线形成回路，同时保证系统一点接地。（3）采用屏蔽双绞线电缆传输弱电信号，并且屏蔽层单端接地。（4）设置看门狗(WDT)，在软件运行出错或死循环时使自动使系统复位。

2 系统功能

(1)可以查阅同一设备的不同时间数据查阅、同类设备的数据和历史告警数据进行波形查阅、表格查阅、曲线查阅；(1)实时显示被监测设备的工作状态和运行参数；(3)实时监测设备状态，被监测设备出现异常自动发出报警信号，运行人员在上位机上可以打印告警信息（告警内容、类型、时间）；(4)可设定接地电流报警限值及限流电阻的投切方式；(5)对采集到的各类数据进行统计，用曲线和柱状图表示。

3 样机调试

电流互感器首先进行零偏校正，然后进行满量程输出幅度调整。利用可调稳压源、交流电阻箱和标准交流毫安表串联构成回路，搭建一个实验平台，通过调节电阻来改变电流大小，用设计完成后的装置，进行测试。实验使用高精度钳形电流表作为测量和校准的标准表，其采样速率2次/s，分辨率10uA，测量精度70%RH以下。利用升流器升流检测系统报警情况，在100mA时，装置即发出报警信号，在300mA时，限流电阻自动投入，将电流降到要求以下，满足在线监

测的实时性要求，并且能够有效地避免变压器在铁芯接地电流超标的情况下长期运行。

4 结语

调试成功后，该装置于2012年8月安装在500kV沂蒙变电站试运行，装置运行情况稳定。由于该系统具有完备的组网功能，检修公司计划将来推广运用后进行组网，将有关监测信息实时上传，为试验人员提供数据支持，为判断和处理故障提供科学依据，作为状态检修的重要依据。

参考文献

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