新型變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置的設計和應用

梅　凡，金　劍，孫　進，徐友剛，沈　偉

(國網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測裝置的設計和應用

梅凡，金劍，孫進，徐友剛，沈偉

(國網上海市電力公司青浦供電公司，上海201799)

摘要：針對目前變壓器鐵芯接地電流檢測精度低、時效差的問題，設計了一種新型變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置。采用高精度穿心式電流互感器及時獲取真實鐵芯接地電流信號，結合軟硬件電路系統設計與通信技術，該裝置能夠實現變壓器鐵芯電流實時監測、越限報警、數據存儲和查詢功能。目前，該裝置已經在上海青浦地區部分變電站投入使用，運行效果良好,表明該裝置具有可行性與實用性。

關鍵詞：變壓器；鐵芯接地電流；在線監測

電力系統中變壓器安全運行時，要求鐵芯必須有且只有一點可靠接地，一旦形成兩點或多點接地時，接地點就會形成閉合回路，造成環流，引起變壓器局部過熱，造成絕緣性能降低，將嚴重威脅變壓器和電力系統的安全運行。目前，國內外主要通過測量變壓器鐵芯接地電流大小的方法來判斷變壓器鐵芯接地情況，正常運行時鐵芯接地電流大小為毫安級，當達到100mA及以上時，需要對其進行跟蹤處理。

現階段，電力工作人員主要通過使用鉗形電流表測量變壓器鐵芯接地引出線電流的方法來反映鐵芯接地電流，這容易受現場強電磁干擾影響，測量精度和時效性都比較差；而且浪費人力物力，對于某些無人值班的變電站做不到實時的測量，存在安全隱患。這種方法不能對變壓器的運行狀況做出全面、準確的判斷。本文研究開發出一種新型變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置，用來解決傳統監測方法中的很難保證測量數據的精度和時效性的問題以及定期巡檢無法保證及時發現鐵芯多點接地故障的問題。目前，該裝置已經在青浦地區部分變電站投入使用，運行結果良好，電力工作人員能夠順利快速的完成對變壓器鐵芯電流日常的在線監測、現場維護，保證了變壓器安全穩定運行。

1在線監測裝置結構設計

變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置主要由變壓器鐵芯電流采集系統、監測系統以及通信系統構成，裝置總體設計架構如圖1所示。

圖1　裝置總體設計架構

根據設計方案，需要對系統的硬件和軟件部分分別設計：選取合適的泄露電流互感器的類型，采用模塊化設計，硬件電路的設計和相關元器件的選取，軟件程序設計。形成一套微機監控系統，完成人機互動功能。采用GSM通信技術方案，設計通信協議，并且進行大量的階段性測試工作。考慮到運行維護的實際需求和變壓器鐵芯接地電流的在線監測與告警，預留接口，后期可以擴展為區域性的變電站監測系統，實現與現有的監測系統對接功能。

1.1硬件設計

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

圖2　在線監測裝置工作原理圖

在線監測裝置與變壓器鐵芯接地引下線沒有任何電氣連接，不影響變壓器的運行。裝置采用STM32F405RGT6控制器，基于高性能ARMCortex-M4 32位內核，能在高達168MHz的頻率下運行支持所有ARM單精度數據處理指令和數據類型，具備高速嵌入式存儲器。

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，經信號轉換、濾波與放大等調理電路；由模數轉換器變換為數字信號，微處理器經過數字濾波與運算獲得鐵芯接地電流。本地顯示接口顯示實時鐵芯接地電流值，可設置報警限值，裝置可通過隔離RS485/CAN/GSM通信接口與狀態監測系統等后臺實時通信，實現人機互動功能。

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

1.2軟件設計

軟件設計要求監測裝置除工作外都處于休眠狀態，當收到喚醒命令時，會立即從休眠狀態喚醒，通過短時的運行狀態，完成接地電流采集，當發送成功后再次進入休眠狀態，這不僅節能而且延長裝置使用周期。

監測裝置的軟件驅動程序主要是由C語言編寫，具有可讀性強，良好的模塊化思想以及易維護等優點。主要實現信號的采集、計算；實時數據的存儲、顯示以及通信等功能，程序主流程圖如圖3所示。

圖3　軟件設計總流程圖

1.3通信方案設計

本監測裝置支持GSM通信技術，GSM短信息服務(SMS，shortMessageService)作為GSM網絡的一種基本業務，是最為簡單和方便的數據通信方式，運行成熟穩定、成本低廉。

變壓器鐵芯接地電流的在線監測與預警功能通過人機互動來實現，就地裝置和后臺監控裝置將測量數值以短信形式發送到工作人員手機，通過設定不同的限值、預警值，當監測裝置判斷多點接地存在時，測量值穩定且大于300mA后，向工作人員手機發出告警短信，提示工作人員變壓器發生鐵芯接地，應盡快處理；測量值穩定且大于100mA后，向工作人員手機發出提示短信，提醒工作人員應進行預防性跟蹤試驗，盡快找出接地電流變大的原因。

2在線監測裝置應用

變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置可適應各種環境條件下對變壓器進行監測，根據不同的應用需求，裝置可配置為接入變電設備綜合狀態監測系統、獨立GSM短信實現監測、或兩者結合應用。功能示意圖如圖4所示。

圖4　在線監測裝置應用示意圖

為了有效地抑制電磁干擾、準確獲取接地電流信息以及承受電力系統頻繁操作所帶來的過電壓沖擊影響，設計出一套浪涌保護電路系統，對電流信號采集測量電路合電源電路等接口進行了過電壓保護電路的設計，有效提高了監測裝置抗浪涌的保護能力。通過各種有效措施，增強了裝置的抗干擾能力和可靠性。

首先在實驗室按照整套監測裝置設計方案對其進行軟硬件的聯機調試，不斷修改和優化，調試相關流程，并在實驗室內模擬生產現場的各種情況進行測試。包括變壓器鐵芯電流在正常范圍內、超過預警值、超過報警值的測量；在線監測裝置LED數碼顯示的電流值與標準值的誤差；預警報警和短信周期性自動發送等功能均通過驗收。

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，現場安裝監測裝置情況如圖5所示。

圖5　采集端現場安裝示意圖

監測裝置本體現場安裝情況如圖6所示。

圖6　在線監測裝置本體現場安裝

目前，本套變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置已經在青浦地區35kV袁家變電站2號主變壓器上進行了現場測試和應用，完成變壓器鐵芯接地電流的實時采集與顯示，歷史數據存儲、越限自動報警、采樣周期短信發送、報警閾值和通信參數可設置等功能。該套監測裝置操作簡單，使用方便，運用靈活，實現了預期的技術和期望要求。下一階段，根據該裝置應用效果和現場實際需求將進一步推廣在更多的變電站中使用，實現主變檢修狀態的重要依據。

3結語

本文設計并開發的新型變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置在現場實際應用中，監測裝置工作穩定可靠，測量精度高，還具有數據存儲、越限自動報警、采樣周期短信發送、報警閾值和通信參數可設置等功能。

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(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

作者簡介：梅凡(1987)，男，碩士，工程師，從事供電企業變電檢修、電氣試驗工作。

中圖分類號：TM41

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0311-03

收稿日期：2016-02-23