電力變壓器鐵芯接地電流在線監測系統研究

胡文保，侯云海，韓峰波，陳恩澤

（長春工業大學電氣與電子工程學院，吉林長春130012）

電力變壓器鐵芯接地電流在線監測系統研究

胡文保，侯云海，韓峰波，陳恩澤

（長春工業大學電氣與電子工程學院，吉林長春130012）

設計了一種變壓器接地電流在線監測系統，用PGA205芯片設計程控放大器，使接地電流的精度得到進一步的提高，范圍進一步擴大；用數字濾波器代替傳統的RC濾波器，不僅可以快速、準確地提取信號的工頻分量，還可以充分濾掉干擾信號。一旦接地電流超過額定值，該系統能夠自動投入限流電阻來保護變壓器，并且通過GPRS遠程通信把實時電流信息發送至遠程后臺，方便電力工作人員遠程監控，實現了變壓器鐵芯多點接地故障的早發現、早保護、早處理。

變壓器；電流；在線監測；濾波器

電力變壓器是電壓變換、電能分配和傳輸的關鍵設備，同時也是故障率較高的環節，確保變壓器的正常運行對人民生活、國家安全、社會穩定具有重大意義。

變壓器正常運行時，油箱與帶電的繞組之間存在電場，而鐵芯處于該電場中。因為電容分布不均勻，場強各異，如果鐵芯不可靠接地，則會產生充放電現象，破壞油的絕緣強度和固體絕緣，所以鐵芯必須有一點可靠接地，且只允許一點接地。國標規定鐵芯接地電流不能超過0.1 A[1]。雖然現在檢測鐵芯接地電流的方法很多，但是由于準確性低，實際效果不理想，鐵芯接地電流的在線實時監測是預防和及時發現鐵芯多點接地故障的最簡單、最直接方法。

1 系統工作原理

變壓器鐵芯多點接地的時候，故障電流比變壓器正常運行時候的電流大很多，最大電流可以達到幾十安培，將會造成鐵芯內部發熱甚至燒毀。因此，如果能夠實時在線監測接地電流，當電流過大時，能夠及時在接地線上串入電阻，我們就可以暫時有效地解決這個問題。同時，通過通訊手段把變壓器的運行情況傳遞給工作人員，他們根據情況及時采取相應的措施。

按照上述原理，設計出了一套安全、可靠、精度高而且能夠在線監測鐵芯接地電流的系統，原理圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

電流傳感器采集電流信號，經過信號調理電路的放大濾波之后，模數轉換，然后在DSP上顯示接地電流的數值，通過GPRS模塊把數據發送給上位機，便于工作人員實時查看。限流電阻單元是否投入到電路中，是根據實時電流和設定電流比較之后來判斷的。監測裝置硬件結構如圖2所示。

2.1 信號采集

圖1 鐵芯接地電流在線監測原理圖

圖2 監測裝置硬件結構

本系統選用泄漏電流傳感器來采集鐵芯接地電流，它采用有源零磁通設計原理，能夠采集“mA”級電流信號，并且具有很強的抗干擾能力和抑制溫飄的特性。電流信號取樣的時候不能改變原設備的運行接線狀態，所以使用電流傳感器作為信號提取單元提取信號時應該安裝在變壓器鐵芯外。

2.2 程控放大器設計

由于變壓器鐵芯多點接地時的電流和正常運行時的電流相比，變化范圍很大，一般的A/D采集芯片很難實現這么大范圍的信號采集。這里運用PGA205來設計程控放大器。PGA205不僅便宜而且用途廣泛，是一種可編程增益放大器芯片，但是一個PGA205芯片的放大倍數有限，很難滿足本文的信號采集要求。因此本文將3個PGA205芯片串聯，如圖3所示，通過對A0、A1、A2、A3、A4、A5地址端口的控制，可以使程控放大器的最大放大倍數達到512倍，很好地滿足本系統的信號采集要求。

圖3 程控放大器的設計原理圖

2.3 信號調理

2.3.1 鐵芯接地電流計算方法[2]

本系統鐵芯接地電流基于諧波分析法來計算，從離散的采樣信號中通過離散傅立葉變換的方法檢測出信號的基波成分，包括信號的幅值和相角，同時使用三角函數的正交性，排除諧波和噪聲的干擾，從而盡可能達到更高的精確度。包含有高次諧波及噪聲信號，連續信號X（t）表示為：

其中，n＝0對應信號的直流分量，n＝1對應基波信號，n＝k則對應k次諧波。根據三角函數的正交性，得：

信號各次諧波的幅值為：

積分離散化得到離散信號，表示為：

2.3.2 濾波器的選擇

由于現場采集到的接地電流模擬信號很微弱而且有很多高次諧波，所以在模數轉換之前需要對模擬信號進行放大和濾波處理。若是采用普通的運算放大器和RC組成的濾波器，不但元件多，參數調節復雜，而且雜散電容也會在很大程度上影響濾波器特性[3]。本系統利用MCU自身的資源，實現數據的數字濾波，不僅能降低硬件的復雜度，減小電路體積，還能削弱周圍環境帶來的干擾，提高電路性能，準確地提取信號的工頻分量。本文采用切比雪夫II型低通數字濾波器，它在通帶內單調，并且在阻帶內是等波紋的，相位響應比切比雪夫I型低通數字濾波器更加線性。

2.4 A/D轉換單元

本系統采用ADS1120芯片，它是一種高速、低功耗、低噪聲、精密的16位用于小信號傳感器的A/D轉換器。不僅可以以2 000次/s采樣數據速率來執行轉換，而且在單周期內相對比較穩定。它內部的GPA提供高達128 V/V的增益，可以和PGA205配合來設計程控放大器。

2.5 限流電阻單元

當接地電流超過100 mA時，繼電器觸點K斷開，同時根據電流大小來選擇閉合觸點K1、K2、K3。電阻R是一直并聯在電路中的，對電路起到了很好的保護作用。圖4為限流電阻單元。

圖4 限流電阻單元

2.6 DSP芯片的選取

CPU選用IT公司推出的高性能、低功耗TMS320F28335處理器。它是TI公司的一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器，主頻高達150 MHz，具備I2C、SPI、eCAN、ePWM等總線接口，它價格低，功耗小，性能高，外設集成度高，數據和程序存儲量大，A/D轉換更加快速/精確，可以很好地滿足本系統的要求。

2.7 報警功能

本系統有報警功能，當主機判斷多點接地存在時，采樣值穩定且超過200 mA后，發出提示信號，提醒工作人員應盡快采取措施處理；采樣值穩定且超過100 mA后，發出提示信號，提醒工作人員應該進行預防性跟蹤試驗，盡快找出電流異常的原因[4]。

2.8 遠程數據通信

本文采用北京接麥通信器材有限公司生產的GPRS模塊G300。G300是兼容短信和GPRS通信方式的數傳模塊，CPU采用32位高性能Cortex-M3核的ARM處理器，具有快速數據交換和邏輯處理能力，短信和GPRS 2種信道可以同時工作，GPRS數據一次可收發1 200字節，支持大數據包（2M字節）緩存收發功能。

3 系統軟件設計

本系統按照之前設定的采樣間隔對接地電流采樣，通過G300模塊將采樣值發送到遠程后臺。通過后臺指令可以更改采樣間隔，遠程后臺和現場裝置都可以顯示接地電流的數值。后臺系統具有接地電流數據的查詢、存儲功能，為了觀察電流的變化趨勢，還可以繪制圖表[5]。

4 結束語

該系統通過對程控放大器的特殊設計和使用切比雪夫II型低通數字濾波器，來對接地電流進行預處理，保證了數據采集的準確性。通過GPRS模塊進行數據傳輸，提高了變壓器運維工作人員的工作效率。

［1］張華，楊成，朱濤，等.電力變壓器現場運行與維護［M］.北京：中國電力出版社，2015.

［2］康鑫.變壓器鐵芯電流監測裝置的開發與應用［D］.保定：華北電力大學，2014.

［3］黃俊.變壓器鐵芯漏電在線監測傳感器系統的研究［J］.儀表技術與傳感器，2017（1）.

［4］李元安，尹國慧，張玉清.變壓器鐵芯接地電流在線監測及控制系統設計［J］.科技創新導報，2013（27）.

［5］王海鷗，白金泉.基于GPRS的變壓器鐵芯電流在線監測系統［J］.農村電氣化，2016（9）.

〔編輯：劉曉芳〕

TM712

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.037

2095－6835（2017）16－0037－03

胡文保（1990—）男，碩士研究生，研究方向為電力變換與節能技術。