新型變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

梅　凡，金　劍，孫　進(jìn)，徐友剛，沈　偉

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海　201799)

新型變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

梅凡，金劍，孫進(jìn)，徐友剛，沈偉

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海201799)

摘要：針對(duì)目前變壓器鐵芯接地電流檢測(cè)精度低、時(shí)效差的問題，設(shè)計(jì)了一種新型變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置。采用高精度穿心式電流互感器及時(shí)獲取真實(shí)鐵芯接地電流信號(hào)，結(jié)合軟硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與通信技術(shù)，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器鐵芯電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、越限報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢功能。目前，該裝置已經(jīng)在上海青浦地區(qū)部分變電站投入使用，運(yùn)行效果良好,表明該裝置具有可行性與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：變壓器；鐵芯接地電流；在線監(jiān)測(cè)

電力系統(tǒng)中變壓器安全運(yùn)行時(shí)，要求鐵芯必須有且只有一點(diǎn)可靠接地，一旦形成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地時(shí)，接地點(diǎn)就會(huì)形成閉合回路，造成環(huán)流，引起變壓器局部過熱，造成絕緣性能降低，將嚴(yán)重威脅變壓器和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)外主要通過測(cè)量變壓器鐵芯接地電流大小的方法來(lái)判斷變壓器鐵芯接地情況，正常運(yùn)行時(shí)鐵芯接地電流大小為毫安級(jí)，當(dāng)達(dá)到100mA及以上時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行跟蹤處理。

現(xiàn)階段，電力工作人員主要通過使用鉗形電流表測(cè)量變壓器鐵芯接地引出線電流的方法來(lái)反映鐵芯接地電流，這容易受現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾影響，測(cè)量精度和時(shí)效性都比較差；而且浪費(fèi)人力物力，對(duì)于某些無(wú)人值班的變電站做不到實(shí)時(shí)的測(cè)量，存在安全隱患。這種方法不能對(duì)變壓器的運(yùn)行狀況做出全面、準(zhǔn)確的判斷。本文研究開發(fā)出一種新型變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置，用來(lái)解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法中的很難保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和時(shí)效性的問題以及定期巡檢無(wú)法保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵芯多點(diǎn)接地故障的問題。目前，該裝置已經(jīng)在青浦地區(qū)部分變電站投入使用，運(yùn)行結(jié)果良好，電力工作人員能夠順利快速的完成對(duì)變壓器鐵芯電流日常的在線監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，保證了變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1在線監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置主要由變壓器鐵芯電流采集系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)構(gòu)成，裝置總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　裝置總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，需要對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件部分分別設(shè)計(jì)：選取合適的泄露電流互感器的類型，采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件電路的設(shè)計(jì)和相關(guān)元器件的選取，軟件程序設(shè)計(jì)。形成一套微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，完成人機(jī)互動(dòng)功能。采用GSM通信技術(shù)方案，設(shè)計(jì)通信協(xié)議，并且進(jìn)行大量的階段性測(cè)試工作。考慮到運(yùn)行維護(hù)的實(shí)際需求和變壓器鐵芯接地電流的在線監(jiān)測(cè)與告警，預(yù)留接口，后期可以擴(kuò)展為區(qū)域性的變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)接功能。

1.1硬件設(shè)計(jì)

變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置由穿心式電流互感器、信號(hào)采集與處理電路、通信及顯示接口等組成，其組成如圖2所示。

圖2　在線監(jiān)測(cè)裝置工作原理圖

在線監(jiān)測(cè)裝置與變壓器鐵芯接地引下線沒有任何電氣連接，不影響變壓器的運(yùn)行。裝置采用STM32F405RGT6控制器，基于高性能ARMCortex-M4 32位內(nèi)核，能在高達(dá)168MHz的頻率下運(yùn)行支持所有ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型，具備高速嵌入式存儲(chǔ)器。

變壓器鐵芯接地電流通過穿心式電流互感器隔離變換為小信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換、濾波與放大等調(diào)理電路；由模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號(hào)，微處理器經(jīng)過數(shù)字濾波與運(yùn)算獲得鐵芯接地電流。本地顯示接口顯示實(shí)時(shí)鐵芯接地電流值，可設(shè)置報(bào)警限值，裝置可通過隔離RS485/CAN/GSM通信接口與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等后臺(tái)實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)功能。

同時(shí)，裝置具有限流電阻投切控制單元接口，當(dāng)電流超過設(shè)定限值時(shí)自動(dòng)逐檔投入限流電阻(4檔阻值)以降低接地電流作為應(yīng)急措施，電流低于限值時(shí)自動(dòng)切除限流電阻。

1.2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)要求監(jiān)測(cè)裝置除工作外都處于休眠狀態(tài)，當(dāng)收到喚醒命令時(shí)，會(huì)立即從休眠狀態(tài)喚醒，通過短時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，完成接地電流采集，當(dāng)發(fā)送成功后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，這不僅節(jié)能而且延長(zhǎng)裝置使用周期。

監(jiān)測(cè)裝置的軟件驅(qū)動(dòng)程序主要是由C語(yǔ)言編寫，具有可讀性強(qiáng)，良好的模塊化思想以及易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、計(jì)算；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示以及通信等功能，程序主流程圖如圖3所示。

圖3　軟件設(shè)計(jì)總流程圖

1.3通信方案設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)裝置支持GSM通信技術(shù)，GSM短信息服務(wù)(SMS，shortMessageService)作為GSM網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)，是最為簡(jiǎn)單和方便的數(shù)據(jù)通信方式，運(yùn)行成熟穩(wěn)定、成本低廉。

變壓器鐵芯接地電流的在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警功能通過人機(jī)互動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，就地裝置和后臺(tái)監(jiān)控裝置將測(cè)量數(shù)值以短信形式發(fā)送到工作人員手機(jī)，通過設(shè)定不同的限值、預(yù)警值，當(dāng)監(jiān)測(cè)裝置判斷多點(diǎn)接地存在時(shí)，測(cè)量值穩(wěn)定且大于300mA后，向工作人員手機(jī)發(fā)出告警短信，提示工作人員變壓器發(fā)生鐵芯接地，應(yīng)盡快處理；測(cè)量值穩(wěn)定且大于100mA后，向工作人員手機(jī)發(fā)出提示短信，提醒工作人員應(yīng)進(jìn)行預(yù)防性跟蹤試驗(yàn)，盡快找出接地電流變大的原因。

2在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用

變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置可適應(yīng)各種環(huán)境條件下對(duì)變壓器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，裝置可配置為接入變電設(shè)備綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、獨(dú)立GSM短信實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、或兩者結(jié)合應(yīng)用。功能示意圖如圖4所示。

圖4　在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用示意圖

為了有效地抑制電磁干擾、準(zhǔn)確獲取接地電流信息以及承受電力系統(tǒng)頻繁操作所帶來(lái)的過電壓沖擊影響，設(shè)計(jì)出一套浪涌保護(hù)電路系統(tǒng)，對(duì)電流信號(hào)采集測(cè)量電路合電源電路等接口進(jìn)行了過電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，有效提高了監(jiān)測(cè)裝置抗浪涌的保護(hù)能力。通過各種有效措施，增強(qiáng)了裝置的抗干擾能力和可靠性。

首先在實(shí)驗(yàn)室按照整套監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案對(duì)其進(jìn)行軟硬件的聯(lián)機(jī)調(diào)試，不斷修改和優(yōu)化，調(diào)試相關(guān)流程，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種情況進(jìn)行測(cè)試。包括變壓器鐵芯電流在正常范圍內(nèi)、超過預(yù)警值、超過報(bào)警值的測(cè)量；在線監(jiān)測(cè)裝置LED數(shù)碼顯示的電流值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差；預(yù)警報(bào)警和短信周期性自動(dòng)發(fā)送等功能均通過驗(yàn)收。

采集端穿心式電流互感器直接安裝至鐵芯接地引出線的合適位置，現(xiàn)場(chǎng)安裝監(jiān)測(cè)裝置情況如圖5所示。

圖5　采集端現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

監(jiān)測(cè)裝置本體現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖6所示。

圖6　在線監(jiān)測(cè)裝置本體現(xiàn)場(chǎng)安裝

目前，本套變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置已經(jīng)在青浦地區(qū)35kV袁家變電站2號(hào)主變壓器上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和應(yīng)用，完成變壓器鐵芯接地電流的實(shí)時(shí)采集與顯示，歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、越限自動(dòng)報(bào)警、采樣周期短信發(fā)送、報(bào)警閾值和通信參數(shù)可設(shè)置等功能。該套監(jiān)測(cè)裝置操作簡(jiǎn)單，使用方便，運(yùn)用靈活，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的技術(shù)和期望要求。下一階段，根據(jù)該裝置應(yīng)用效果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求將進(jìn)一步推廣在更多的變電站中使用，實(shí)現(xiàn)主變檢修狀態(tài)的重要依據(jù)。

3結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)的新型變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)裝置工作穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度高，還具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、越限自動(dòng)報(bào)警、采樣周期短信發(fā)送、報(bào)警閾值和通信參數(shù)可設(shè)置等功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]方浩. 基于STM32的鐵芯接地電流無(wú)線在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J]. 無(wú)線互聯(lián)科技,2015(3):21-22.

[2]徐康寧, 張科峻. 變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電力安全技術(shù),2014(9):64-67.

[3]楊俊, 林瑋, 向冬冬,等. 變壓器在線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)優(yōu)選研究[J]. 電工電氣,2014(10):44-47.

YANGJun,LINWei,XIANGDong-dong,etal.PreferredSelectionStudyonTransformerOnlineMontoringEquipment[J].ElectrotechnicsElectric, 2014(10):44-47.

[4]葉啟明. 變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置[J]. 電氣時(shí)空,2010(4):24-25.

(本文編輯：趙艷粉)

Design and Application of a New Type of Online Monitoring Device for Transformer Core Earthing Current

MEI Fan, JIN Jian, SUN Jin, XU You-gang, SHEN Wei

(QingpuPowerSupplyCompany,SMEPC,Shanghai201799,China)

Abstract:In view of the current problem of the low detection precision and low efficiency, this paper presents a new type of on-line monitoring device of transformer core earthing current. By using high precision straight-through current transformer to get the real signal of transformer core earthing current in time, combined with the software and hardware circuit system design and communication technology, the device has realized the functions of real-time monitoring of transformer core earthing current, core earthing current limit alarm, and data storage and query. At present, the device has been applied in some transformer substations in Qingpu District of Shanghai, and works well, which indicates that the device is feasible and practical.

Key words:transformer; core earthing current; online monitoring

DOI：10.11973/dlyny201603011

作者簡(jiǎn)介：梅凡(1987)，男，碩士，工程師，從事供電企業(yè)變電檢修、電氣試驗(yàn)工作。

中圖分類號(hào)：TM41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1256(2016)03-0311-03

收稿日期：2016-02-23