基于互联网思维的变压器铁芯接地电流在线监测系统应用

基于互联网思维的变压器铁芯接地电流
在线监测系统应用
摘要：介绍了一种基于互联网思维的变压器铁芯接地电流在线监测系统。

该系统能够实现对变压器铁芯接地电流的实时监控；支持就地显示、数据存储、报警节点输出；支持数据无线传输、数据上传云服务器、历史数据查看、电流曲线等；支持手机APP查看；
关键词：互联网；变压器；铁芯接地电流；在线监测
引言
电力变压器是电力系统中最重要的电气设备，运行中一旦出现故障，将会对电力系统造成严重的后果。

电力变压器正常运行时，铁芯及夹件必须有一点可靠接地。

若没有接地，则铁芯及夹件对地的悬浮电压，会造成铁芯及夹件对地断续性击穿放电，铁芯及夹件一点接地后消除了形成铁芯悬浮电位的可能。

但当铁芯及夹件出现两点以上接地时，铁芯及夹件间的不均匀电位就会在接地点之间形成环流，并造成铁芯及夹件多点接地发热故障。

变压器的铁芯接地故障会造成铁芯局部过热，严重时，铁芯局部温升增加，轻瓦斯动作，甚至将会造成重瓦斯动作而跳闸的事故。

烧熔的局部铁芯形成铁芯片间的短路故障，使铁损变大，严重影响变压器的性能和正常工作，以至必须更换铁芯硅钢片加以修复。

目前判断变压器铁芯是否存在多点接地主要有三种方法：
(1)钳形电流表定期监测铁芯接地电流的电气法；
(2) 测量铁芯对地绝缘电阻法；
(3) 监测变压器绝缘油特征气体的气相色谱分析；
以上方法存在的不足是不能及时发现铁芯多点接地故障，一旦发生故障，
也不能及时采取相应措施。

因此，对变压器铁芯接地电流的实时在线监测是十分必要的。

最近几年，物联网，大数据，云平台的概念被频繁的提及，智能家居、智慧交通、智能物流，还有近几年比较火的共享单车等等、物联网的思维对我们今后的生活起着很重要的作用，将变电站设备联网也正是体现的这种趋势！
1 系统设计原理
变压器铁芯多点接地时的电流会远大于单点接地的电流，正常情况下，变压器铁芯接地电流在10mA以内，根据《QDGW1894-2013变压器铁芯接地电流在线监测装置技术规范》，变压器铁芯接地电流不应超过0.1A。

因此，使用在线监测装置，能够及时发现铁芯多点接地的故障。

系统的设计原理如下图1所示：
图1 原理框图
本系统由铁芯接地装置、后台显示系统、配以手机APP应用组成；铁芯接地装置也可以单独使用，可以通过RS485通讯或者4~20mA输出的方式与IED或者其他信息采集装置连接，再通过其他装置接到后台。

2 设计与实现
2.1铁芯接地电流监测装置硬件设计
变压器铁芯接地电流监测装置由信号采集单元、A/D转换单元、CPU、开关量
输出、4~20mA输出单元、GPRS单元、通讯单元等组成；
2.1.1信号采集
该监测系统在采集监测信号时不改变设备的运行状态，因此将电流信号的取
样点选择在变压器铁芯外接地线处，选择电流传感器获取信号。

只是对接地线中
的工频信号感兴趣，对传感器采样频率要求不太高；正常情况下铁芯接地电流
很小为毫安级，相应对传感器的灵敏度要求较高。

根据《QDGW1894-2013变压器铁芯接地电流在线监测装置技术规范》，铁芯
接地电流的测量范围为5mA到10A，采样的精度为±%3或者±1mA取两者最大值。

测量电流范围大，精度高；为了保证测量的精度我们采用1000:1的零磁通互感器，它能在0~10A范围内保证良好的线性与精度。

2.1.2信号处理
铁芯接地电流为电流信号，我们需要将电流信号转化成电压信号，再通过AD
芯片进行采样。

测量的范围为0~10000mA，选用1000:1的零磁通互感器，AD芯片的采样范
围为±10V，电流的范围过大，为了保证采样精度，因此需要进行2级放大。

变压器在正常工作时流过其铁芯接地线上的电流很微弱，而现场的噪声干扰
却非常严重，那么传感器获得的电流信号包括了许多高次谐波，所以在对信号进
行模数转换之前，必须滤除，在输入端采用了一阶低通滤波处理
二级运放电路采用AD627运放实现，放大后通过一个跟随电路，跟随电路的
作用是可以增强电路的驱动能力。

2.1.3输出模块
通过继电器输出模块电路，把越限报警节点输出；为了便于接入电厂的DCS
系统，把铁芯接地电流的全电流通过4~20mA模拟量方式输出。

2.1.4GPRS模块
由于物联网技术以及GPRS网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的建网费用和维护费用。

同时，它对用户的数量没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大、维护费用高的缺点。

在电力系统中，它在自动抄表、远程高压线路监测、变电所内的高压断路器开断状态及加热系统等方面都有很大的应用价值。

本在线监测系统与服务器之间的通信是由GPRS实现，服务器的IP 地址既可以是公网或者也可以是用户自有IP（固定IP）。

此模块可以实现客户通过云端数据在APP中随时随地查看变压器铁芯接地电流大小、历史曲线和变化趋势，并在数据超限时自动发告警短信到相关客户手机上，实现故障预警及时通知功能。

2.2 软件设计
软件实现的流程图如图2所示：
图2：软件实现流程图
3 应用案例及效果
2018年3月28日，国投江西某电厂1号主变铁芯接地电流在线监测装置发
出告警短信发至检修人员手机上，显示铁芯接地电流达1079mA。

检修人员现场使
用钳形电流表测试结果为1058mA。

并对主变铁芯引下线进行外观检查，未发现铁
芯引下线碰触设备接地等绝缘异常现象。

2018年4月5日，该主变铁芯接地电流在线监测装置告警信号消失，接地电
流显示值为1.636mA。

2018年4月12日，该主变铁芯在线装置再次告警，接地
电流显示为1182mA。

当日使用钳形表测得电流1172mA，与在线监测装置检测值
很接近。

并且查看主变本体油气在线监测数据，没有明显特征气体异常。

电力行业标准DL/596-1996《电力设备预防性试验规程》和国家能源局《防
止电力生产发生事故的二十五项重点要求》中对油浸式电力变压器运行中的铁芯
接地电流要求一般不应大于100mA。

根据这两项标准的要求， l号主变铁芯接地
电流显然过大，存在着铁芯多点接地故障的可能性。

铁芯多点接地故障的危害是
导致铁芯局部过热，铁芯过热会促使绝缘油分解，其分解产物主要是C2H4和CH4
等故障气体。

该主变出现铁芯接地电流异常后，特征气体含量也没有出现明显增长，由此
判断该变压器铁芯并没出现异常过热，或是过热不严重且因故障时间较短使得油
中故障气体含量变化不明显。

决定保持重点监测铁芯接地电流变化趋势和变压器
油气在线监测数据，到检修期间进行重点检查，排查原因。

4 结论
有关资料表明，因铁芯问题造成的故障比例占变压器各类故障的第三位，而
铁芯问题主要是铁芯多点接地故障，通过变压器铁芯接地电流在线监测技术可以
实时监测接地电流变化趋势，并通过先进的物联网技术及时把监测数据和告警信
息传送给相关技术工程师，对变压器早期故障做出及时反映，做到早发现早排查，避免变压器故障扩大和转化，引起更大的电网安全事故。

作者简介
赵煜伟男 1977年出生，电气助理工程师，就职于国电承德热电有限公
司生产技术部，长期从事电气技术管理工作。

公司地址：河北省承德市双滦区滦
河发电厂 067102
刘季伟：助理工程师，生产技术部节能主管，从事节能管理工作，工作单位：国电承德热电有限公司；单位地址：河北省承德市双滦区国电滦河发电厂；邮政
编码：067102
参考文献
[1]许星帅. 《电力变压器铁芯多点接地故障及技术解决对策研
究》. 《中国科技纵横》2016年第02期
[2]石果明.《电力变压器铁芯多点接地故障分析与处理》。