變壓器套管在線監測系統的設計與開發

國網寧波供電公司 賴靖胤 梁流銘 胡華杰

變壓器套管在線監測系統的設計與開發

國網寧波供電公司 賴靖胤 梁流銘 胡華杰

電力變壓器是電力系統中的核心部分，其運行可靠性對整個電力系統的運行有著至關重要的作用。而變壓器套管有是電力變壓器的一個核心部件，近年來由于變壓器套管絕緣故障造成的事故頻發，因此對變壓器套管絕緣狀態的監測有著極大的意義。基于上述背景，本項目設計一套在線監測變壓器套管絕緣性能的測試系統，通過高精度電流傳感器采集變壓器套管末屏及同相母線電壓互感器N 端電流信號，經過控制系統分析處理，計算出變壓器套管的相對介損及電容量，進而達到變壓器無需停電即可實時監測套管的絕緣性能的目的，具有較高技術先進性和較好的實用性。

變壓器；套管；相對介損；微處理器

1.工作原理

變壓器套管通常采用電容屏均壓方式的絕緣結構，介質損耗tgδ及電容量是衡量變壓器套管絕緣性能優劣最直接、有效的參數，在設備的運行過程中準確監測變壓器套管介損和電容量的大小尤為重要。因此，該系統采用了嵌入式計算機系統，具備極強的數學運算功能，并且專門設計和使用了一種以快速傅里葉變換為核心的純數學方法，來準確求取兩個電流信號基波分量的相位差。即從同相母線PT 的N端采集電流信號In 作為基準電流，從變壓器套管末屏采集電流信號Ix。在中央監控器的控制下，對兩路電流信號經濾波、放大、采樣等數字處理，利用諧波分析法分別提取其基波分量，計算出其相位差和幅度比，從而獲得被試套管和參考設備的相對介損差值和電容量比值。基本測量原理如圖1所示。

圖1 測試原理圖

2.硬件部分

該監測系統采用模塊化設計結構，主要包由傳感器模塊、數模轉換模塊、控制系統模塊和通訊模塊四部分構成。

2.1 微處理器模塊

DSP 嵌入式微處理器模塊是監測系統的核心部件，具備強大的數據處理及端口控制功能。絕緣監測系統的信號處理模塊采用目前性能最優良的32 位數字信號處理芯片，TI 公司的TMS320F2812 DSP 芯片，并根據其特點精心設計了DSP 核心及外圍電路，對2812的功能進行了充分的擴展并預留相應的功能擴展接口，可以滿足絕緣監測系統的需要。微處理器硬件系統結構如圖2所示。2.2 高精度的電流傳感器模塊

圖2 硬件系統結構圖

電流傳感器是監測系統的關鍵部件，直接影響電容型設備介損耗參數參數的測量精度。為保證信號取樣的安全性，通常應采用穿芯結構的零磁通電流傳感器。

零磁通電流傳感器的工作原理可用下式表示：I1W1+ I2W2= I0W1，其中激磁磁勢I0W1 的存在是造成傳感器誤差的主要原因。降低鐵芯激磁磁勢的傳統方法是采用截面較大、磁路較短的高導磁鐵芯，并適當增加二次線圈的匝數。由于變壓器套管末屏電流通常為毫安級信號，傳感器的激磁阻抗很小，而且又必須采用穿芯取樣方式，故傳統的無源傳感器通常無法保證相位變換誤差的精確度和穩定性，難以滿足介損參數的測量要求。因此，監測系統采用了先進的自動補償式電流傳感器，除了選用起始導磁率較高、損耗較小的坡莫合金作鐵芯處，還采用了獨特的深度負反饋補償技術，能夠對鐵芯的激磁磁勢進行全自動補償，保持鐵芯工作在理想的零磁通狀態。2.3 數模轉換模塊

為了能準確的采集電流值，本系統選用片外高度集成CS5522模數轉換器（A/D）,它采用電荷平衡技術達到24-bit 的性能。本A/ D 有八個通道可以同時采集八組數據，內部還集成一個低輸入電流、斬波穩定儀表放大器和一個可編程增益放大器，為了應用于低基準熱電偶，芯片內還集成了一個電泵驅動電路來提供負偏置電壓，滿足本系統的精度要求。

2.4 通訊模塊

通訊模塊是監測系統的基本部件，本系統采用光纖通信，實時將DSP 控制系統處理的數字信號轉換為光信號，通過光纖傳輸到后臺計算機，供數據的處理及顯示。

3.軟件部分

3.1 嵌入式系統設計

本系統主要由按鍵功能處理、A/D 采集、數據顯示、數據存儲和上位機通信等模塊組成。鍵功能是對系統的“開始”、“停止”、“復位”以及相應參數的設定；A/D 采集程序用于將傳感器的電流信號轉換為數字信號再傳送到單片機進行分析；數據存儲是將采集的電流值、單片機處理分析的相對介損及電容量數據進行SD 卡存儲；上位機通信實現上位機對系統的控制，并將采集的數據在后臺實時顯示。整個系統程序運行穩定可靠、結構簡單。主程序流程圖如圖3所示：3.2 上位機模塊

圖3 主程序流程圖

系統應用Microsoft Visual C++6.0 開發環境和C++等編程語言設計開發了上位機操作軟件，通過串口實現與上位機的實時通信。通過該軟件可以選擇串口的接入以及實時的顯示，同時該軟件可以提取SD 卡中保存的數據，供后期數據的處理分析。

4.數據測試與分析

系統安裝完畢后，首先在現場將控制系統送電，待其運行正常后，將上位機系統啟動，在上位機界面就會顯示變壓器套管相對介損Tanδ(Ix-In)、電容量比值Cx/ Cn 及PT 最近例行試驗電容量Cn。其計算公式為：

Tanδ=Tanδ(Ix-In)Cx=(Cx：Cn）×Cn

5.結論

該在線監測系統可以實時監測套管絕緣性能，解決了變壓器運行狀態套管介損和電容量無法測量的難題。運行經驗及研究結果表明，測試電壓的不同以及周圍電磁環境的差異，盡管會導致在線測試結果與停電預防性試驗結果之間有一定的誤差，但如果能夠獲得真實可靠的在線測試結果，仍可通過縱向或橫向比較的方式判斷出運行設備的絕緣狀況。

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