電力變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局 羅開鵬 張瓊?cè)A 段志龍

1 引言

電力變壓器是電壓變換、電能分配與傳遞的重要裝置，也是故障發(fā)生率較高的部分，變壓器正常的運(yùn)行直接關(guān)系到人民生活、國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定。當(dāng)變壓器在正常工作時(shí)，油箱與帶電的繞組有一個(gè)磁場(chǎng)，而鐵芯處在這個(gè)磁場(chǎng)中。由于變壓器內(nèi)部電容不均勻分布，磁場(chǎng)大小各異，若鐵芯接地出現(xiàn)問題，會(huì)出現(xiàn)放電的情況，從而影響到壞油的絕緣強(qiáng)度和固體絕緣[1]。因此，鐵芯需要穩(wěn)定的接地線，并且僅有一個(gè)接地線。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，鐵芯接地電流不得大于0.1A。目前已有多種方法來測(cè)量鐵芯接地電流，但精度較差，并不能保證實(shí)際效果。因而對(duì)鐵芯接地電流進(jìn)行在線監(jiān)控，可以有效的防止并及時(shí)地發(fā)現(xiàn)鐵芯多點(diǎn)接地故障。

2 電力變壓器在線監(jiān)測(cè)的目的

變壓器作為電網(wǎng)的主要部件，價(jià)格非常昂貴，安全、可靠地運(yùn)行直接關(guān)系到電網(wǎng)的供電可靠性和系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，由于變壓器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，而且對(duì)電網(wǎng)企業(yè)及使用者都會(huì)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，對(duì)電力變壓器的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線監(jiān)控是非常必要的。在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)將發(fā)揮巨大的優(yōu)勢(shì)，使設(shè)備的利用率得到保證，可以減少零件備件庫存，降低零件更換與維護(hù)成本。有針對(duì)性地進(jìn)行維護(hù)，可以改善維護(hù)工作的質(zhì)量，保證運(yùn)行更加安全穩(wěn)定，能夠反饋給生產(chǎn)廠家更為全面、精確的設(shè)備質(zhì)量資訊，從而改善產(chǎn)品的質(zhì)量等。

3 變壓器鐵芯接地理論分析

3.1 鐵芯可靠接地的必要性

國(guó)內(nèi)現(xiàn)在大中型變壓器使用一套管將鐵芯引到油箱外側(cè)，進(jìn)行接地處理，并且整個(gè)操作中只有一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行接地。變壓器繞組周圍會(huì)有磁場(chǎng)存在，在磁場(chǎng)中夾件或者鐵芯等金屬零件所處的位置并不相同，但是所受到的磁場(chǎng)影響效果是一致的。所以，鐵芯電位與夾件電位是不相同的，當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)鐵芯接地情況，兩個(gè)接地點(diǎn)與鐵芯在回路中會(huì)出現(xiàn)閉合回路，形成循環(huán)電流。電流逐漸從微安增至安培，可以高達(dá)數(shù)十安培，鐵芯有發(fā)熱情況，從而導(dǎo)致變壓器的鐵芯短路，甚至有可能出現(xiàn)鐵芯的局部燒毀，導(dǎo)致鐵芯硅鋼片損壞。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，多個(gè)鐵芯接地引起的意外事件在所有的變壓器故障中排名第三。采用高阻計(jì)測(cè)量變壓器內(nèi)部鐵芯兩端的電阻進(jìn)行測(cè)試，得出的直流電阻是非常低的。當(dāng)多個(gè)鐵芯接地時(shí)，在油箱中會(huì)產(chǎn)生低阻回路，此情況下切斷磁場(chǎng)，從而引起環(huán)流。

3.2 變壓器鐵芯的正常接地方式

變壓器夾件是否需要接地取決于特殊的構(gòu)造，而高電壓等級(jí)的變壓器的固定部件和大型的金屬構(gòu)件則應(yīng)與其連接。高電壓等級(jí)的變壓器的鐵芯接地問題，鐵芯可以用夾件和油箱連接，也可以用套管來接地面，方便對(duì)鐵芯的接地電流在線監(jiān)控。通常，功率小于50000kVA 的變壓器接地方式是由一根銅導(dǎo)線將其同一側(cè)的兩個(gè)導(dǎo)線連在一塊，從而實(shí)現(xiàn)接地。本方法在變壓器內(nèi)進(jìn)行，無須經(jīng)套管抽出油箱，但應(yīng)將連接上、下扼的接地片置于芯體的相同一側(cè)，而對(duì)接地板的插入位置也有很嚴(yán)格的要求。

3.3 常見鐵芯多點(diǎn)接地類型與原因

很多因素導(dǎo)致了鐵芯多點(diǎn)接地，從制造到施工，只要其中的一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的失誤，就會(huì)導(dǎo)致多個(gè)鐵芯的接地。具體原因：一是變壓器在實(shí)際的運(yùn)輸中，考慮到變壓器有較多的引線，結(jié)構(gòu)也是比較復(fù)雜的，體積較大，首先會(huì)將其拆分為多個(gè)零件，然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。在輸送過程中，變壓器會(huì)發(fā)生偏移，必須用定位銷對(duì)油箱頂蓋固定，若安裝完畢后未將其卸下或翻轉(zhuǎn)，則會(huì)產(chǎn)生鐵芯多點(diǎn)接地情況。二是在變壓器制造時(shí)，因技術(shù)上的問題，造成了鐵扼螺桿不滿足規(guī)定要求，如果鐵扼螺桿的套管太大，則會(huì)在變壓器的內(nèi)部與線圈鐵扼片接觸，從而產(chǎn)生新的接地點(diǎn)。三是在變壓器的實(shí)際裝配中，若不做好防水處理，雨水和大雪之后，可能會(huì)有水滲入到變壓器中。在潮濕的條件下，鐵芯會(huì)出現(xiàn)新的接地點(diǎn)。四是在變壓器的實(shí)際操作中，由于有外來物質(zhì)進(jìn)入油浸變壓器油箱，使得鐵芯疊片和油箱體相連接，形成了一個(gè)新的接頭點(diǎn)。

4 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)一個(gè)變壓器的多個(gè)鐵芯接地，其短路電流與正常運(yùn)行下的變壓器電流高出很多，可以超過數(shù)十個(gè)安培，使鐵芯內(nèi)部出現(xiàn)發(fā)熱情況，甚至有燒毀情況。若能對(duì)接地電流進(jìn)行在線監(jiān)控，在出現(xiàn)大電流的情況下，將電阻器插入到接地線中，可以臨時(shí)解決這種問題。同時(shí)，將電力系統(tǒng)的工作狀態(tài)及時(shí)的傳達(dá)給工作人員，工作人員根據(jù)實(shí)際情況，及時(shí)做出反應(yīng)。根據(jù)以上理論，研制了一套具有高精度、安全可靠的在線監(jiān)控裝置，鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)原理如圖1所示。

圖1 鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)原理

5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本電流感應(yīng)器收集到的電流，由信號(hào)處理電路進(jìn)行放大、過濾，再由模數(shù)將其輸出到DSP 中，由GPRS將所得數(shù)據(jù)上傳給主機(jī)，方便操作人員進(jìn)行即時(shí)查詢。通過對(duì)實(shí)際的電流與設(shè)置的電流進(jìn)行對(duì)比，可以判定限流電阻器裝置有沒有被放入線路。監(jiān)測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)

5.1 信號(hào)采集

本電路采用了一種泄漏電流傳感器收集鐵芯接地電流信息，以有源零磁通設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)“mA”的電流信號(hào)的收集，同時(shí)還具有很好的抗干擾性和抑制溫飄性能[2]。當(dāng)采用電流采樣時(shí)，不能對(duì)原有裝置的工作線路進(jìn)行調(diào)整，因此當(dāng)采用電流傳感器進(jìn)行信號(hào)抽取時(shí)，必須將其置于變壓器核心之外。

5.2 程控放大器設(shè)計(jì)

在變壓器鐵芯多點(diǎn)接地情況下，變壓器的電壓波動(dòng)幅度較大，常規(guī)A/D 采集卡難以完成如此大的數(shù)據(jù)處理。采用PGA205 實(shí)現(xiàn)了程序控制的電路，PGA205作為可編程放大器芯片，成本較低，應(yīng)用范圍廣，但是PGA205的放大倍率受到限制，難以實(shí)現(xiàn)更多信號(hào)的采集。由此設(shè)計(jì)3塊PGA205的電路，并對(duì)A0、A1、A2、A3、A4、A5 地址接口進(jìn)行詳細(xì)的分析，使放大倍率高達(dá)512倍，滿足本設(shè)計(jì)中對(duì)信號(hào)的收集需求。程控放大器的設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖3 程控放大器的設(shè)計(jì)原理

5.3 信號(hào)調(diào)理

5.3.1 鐵芯接地電流計(jì)算方法

系統(tǒng)芯接地電流是在諧波分析的基礎(chǔ)上計(jì)算的，從離散采樣信號(hào)讀出基波分量，使用的是離散傅里葉變換的方法，包括信號(hào)的振幅和相位角，并采用三角函數(shù)的正交消除干諧波和噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)較大精度。高階諧波和噪聲信號(hào)為式（1）：

式（1）中：n=0，與該信號(hào)的DC成分相一致，n=1對(duì)應(yīng)于該基本波形，n=k與K諧波對(duì)應(yīng)。由該三角函數(shù)的正交得到式（2）：

信號(hào)諧波的幅數(shù)值是式（3）：

積分離散化到離散信號(hào)的過程為式（4）：

5.3.2 濾波器的選擇

現(xiàn)場(chǎng)采集的地面電流的模擬值較低，存在的高次諧波比較多，因此在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)前必須進(jìn)行放大、過濾。如果使用常規(guī)的運(yùn)放和RC構(gòu)成的濾波電路，不僅器件數(shù)量多，參數(shù)調(diào)整也比較煩瑣，同時(shí)還會(huì)對(duì)濾波性能產(chǎn)生較大的干擾。本方案充分發(fā)揮MCU的功能，對(duì)MCU的資源進(jìn)行數(shù)字濾波，可以減少硬件的復(fù)雜性、縮小電路的容量，還可以減少外界的影響，從而改善電路的工頻分量。在此基礎(chǔ)上，選用了切比雪夫II型低通數(shù)字濾波器，該濾波電路在同頻段中具有等波紋，相位響應(yīng)優(yōu)于切比雪夫I型低通濾波電路。

5.4 A/D轉(zhuǎn)換單元

本設(shè)計(jì)使用了ADS1120芯片，該電路具有16位的A/D 變換電路，具有低功耗、低噪聲、精度高等優(yōu)點(diǎn)，不但可以每秒20000次的取樣速度，并且在一個(gè)循環(huán)中比較穩(wěn)定，內(nèi)置GPA 與PGA205 相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)程序控制的放大。

5.5 限流電阻單元

在接地電流大于100mA的情況下，在開關(guān)接觸K1，K2，K3取決所述的電流的幅值而被選定。電阻器R始終與線路平行，具有良好的防護(hù)功能。限流電阻單元如圖4所示，是電流限制裝置。

圖4 限流電阻單元

5.6 DSP芯片的選取

CPU選擇TMS320F28335，具有高性能、低功耗。TI公司中的TMS320C28X浮點(diǎn)DSP芯片，主頻率達(dá)到150MHz，具有I2C、SPI、eCAN、ePWM等多種總線，具有較高的成本、較低的功率消耗、功能強(qiáng)、外部設(shè)備集成性較強(qiáng)、較大的存儲(chǔ)容量、A/D變換速度/精度等特點(diǎn)能夠很好地適應(yīng)本體系的需求。

5.7 報(bào)警功能

本設(shè)備具有預(yù)警的作用，在主設(shè)備判定有多個(gè)接地的情況下，當(dāng)數(shù)值達(dá)到200mA以上時(shí)，會(huì)有警告訊息，提醒員工迅速采取相應(yīng)的措施。當(dāng)取樣數(shù)值達(dá)到100mA以上時(shí)，會(huì)有一個(gè)警告訊號(hào)，提醒員工進(jìn)行預(yù)防追蹤測(cè)試，以盡早發(fā)現(xiàn)電流異常。

5.8 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信

GPRS 模組G300 是一款與手機(jī)短消息、GPRS通信技術(shù)相結(jié)合的數(shù)傳模組，CPU 為32 位的Cortex-M3核心，具備高速數(shù)據(jù)傳輸和邏輯運(yùn)算的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)SMS、GPRS 兩個(gè)通道并行工作，GPRS 數(shù)據(jù)一次傳輸1200 個(gè)字節(jié)，支持高速數(shù)據(jù)分組（2M）高速緩沖傳輸和接收[3]。

6 系統(tǒng)軟件開發(fā)

根據(jù)預(yù)先設(shè)置的取樣時(shí)間，G300將取樣數(shù)據(jù)傳送至后臺(tái)。采用背景指示改變?nèi)訒r(shí)間，使遠(yuǎn)端背景和就地設(shè)備均能夠?qū)崟r(shí)顯示出地面電壓。背景數(shù)據(jù)查詢與存儲(chǔ)功能，可以繪出曲線圖，記錄當(dāng)前的電流動(dòng)態(tài)[4]。

7 結(jié)語

采用專用的程序控制放大器、切比雪夫II型低通濾波電路，實(shí)現(xiàn)了接地電流的信號(hào)進(jìn)行預(yù)置，以確保數(shù)據(jù)的精確獲取。采用GPRS 模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳送，顯著地改善了設(shè)備維護(hù)工作效率。