基于Labview變壓器鐵芯接地故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)＊

陳明忠

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210031）

基于Labview變壓器鐵芯接地故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)＊

陳明忠

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210031）

摘要：介紹了一種實(shí)時(shí)在線變壓器鐵芯接地故障的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時(shí)檢測(cè)變壓器鐵芯工頻泄漏電流幅值和泄漏電流的高頻放電脈沖次數(shù)，由二者比較識(shí)別變壓器鐵芯接地狀況。本系統(tǒng)安裝在南京地鐵某主變壓器上并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)測(cè)量范圍廣、靈敏度高、抗干擾強(qiáng)、與現(xiàn)有測(cè)控系統(tǒng)易于集成對(duì)接，可做為判斷變壓器鐵芯是否存在多點(diǎn)接地的有效方法。

關(guān)鍵詞：變壓器鐵芯；接地電流；在線監(jiān)測(cè)；安全

1　引言

變電站電力變壓器是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，常被視為電網(wǎng)的“心臟”，它的正常運(yùn)行是電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保證。變壓器和電抗器的鐵芯以及夾件在繞組電場(chǎng)作用下形成非均勻分布的電荷積累，從而形成不同的懸浮電位差。當(dāng)懸浮電壓達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)放電。為消除這放電現(xiàn)象，通常將鐵芯和夾件做單點(diǎn)可靠接地，使其在變壓器運(yùn)行中始終保持接地電位。如果變壓器鐵芯出現(xiàn)多點(diǎn)接地，會(huì)在鐵芯內(nèi)形成短接回路，短接回路所包括面積中的磁通或漏磁通將在回路內(nèi)產(chǎn)生很大的環(huán)流，而且接點(diǎn)越多，環(huán)流越大，嚴(yán)重危及變壓器的安全運(yùn)行。

對(duì)于大型電力變壓器和電抗器故障有多方面的原因，并且變壓器的故障類(lèi)型也有多種。有關(guān)文獻(xiàn)表明［1、2］，因變壓器鐵芯問(wèn)題造成的故障比例較高，而鐵芯故障主要是鐵芯多點(diǎn)接地故障。電力變壓器在正常運(yùn)行時(shí)，如果鐵芯由于某種原因在其它位置出現(xiàn)另一點(diǎn)（或多點(diǎn)）接地，接地點(diǎn)間形成閉合環(huán)電流回路。環(huán)電流造成鐵芯局部短路過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鐵芯局部燒損，引起變壓器局部過(guò)熱，致使絕緣油氣化分解嚴(yán)重，導(dǎo)致瓦斯保護(hù)頻繁動(dòng)作，嚴(yán)重影響變壓器正常運(yùn)行。變壓器鐵芯多點(diǎn)接地形成的環(huán)電流一般由50Hz的工頻分量和高頻脈沖分量構(gòu)成。檢修班組慣用的檢測(cè)方法是人工用鉗形電流表測(cè)量變壓器鐵芯接地下引線的電流，根據(jù)電流的大小和變化來(lái)分析判斷變壓器鐵芯是否存在多點(diǎn)接地情況。這樣僅能測(cè)量到接地電流中的工頻成分，且誤差較大，效率低、周期長(zhǎng)、效果差，還不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，無(wú)法滿足大型重要電力變壓器安全運(yùn)行的要求。

根據(jù)南京地下鐵道有限公司主變壓器（2臺(tái)25MVA油浸風(fēng)冷）運(yùn)行的實(shí)際情況，在不改變變壓器本體結(jié)構(gòu)情況下，采用單匝穿心式微電流傳感器、信號(hào)調(diào)理、MCU采集控制器，設(shè)計(jì)安裝了變壓器鐵芯接地多點(diǎn)接地故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)通過(guò)高精度接地泄漏電流傳感器采集變壓器鐵芯及固定件的泄漏電流，由泄漏電流頻譜分布情況［3－5］，判斷當(dāng)前變壓器鐵芯是否存在鐵芯多點(diǎn)接地，實(shí)現(xiàn)對(duì)主變壓器進(jìn)行全面直觀的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行狀態(tài)控制。

2　系統(tǒng)方案

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用內(nèi)含Cortex-M3 100 DMIPS處理器的LM3S9B92開(kāi)發(fā)板，該開(kāi)發(fā)板功能完善，板上已裝好了1個(gè)USB-COM，1個(gè)USB-HOST，1個(gè)USBHOST，SD卡接口，LCD接口和上傳所需網(wǎng)線接口，符合開(kāi)發(fā)系統(tǒng)設(shè)備的需求，其硬件資源如圖1所示。

圖1　變壓器鐵芯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)

如圖2所示為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理。其中，數(shù)據(jù)采集調(diào)理單元將采集的信號(hào)處理成適合的信號(hào)送入Cortex-M3芯片所帶AD轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行濾波和信號(hào)與故障特征值的對(duì)比。本系統(tǒng)通過(guò)DAC1020和運(yùn)放OP07的結(jié)合實(shí)現(xiàn)可編程放大增益，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，采用直流12V供電電壓，采用雙層PCB板進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

泄漏電流傳感器采用夾緊銅排的固定方式，不改變?cè)到y(tǒng)任何結(jié)構(gòu)，使用金屬（不銹鋼）金屬模具外殼用以減少外部磁場(chǎng)對(duì)泄漏電流采集精度的影響。泄漏電流傳感器采用的是有源零磁通設(shè)計(jì)原理，不僅能夠滿足毫安級(jí)電流信號(hào)采集，而且具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能有效抑制溫度飄移。

傳統(tǒng)的傳感器由于存在溫漂缺陷，使用一段時(shí)間后若不進(jìn)行校驗(yàn)就會(huì)產(chǎn)生與實(shí)際泄露電流同一數(shù)量等級(jí)的誤差，使得測(cè)量精度下降，不利于在強(qiáng)電磁環(huán)境下長(zhǎng)期測(cè)量。基于以上考慮，本系統(tǒng)所使用的泄露電流傳感器采用零磁通補(bǔ)償?shù)脑恚捎玫聡?guó)專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)小信號(hào)傳感器，其精度能夠達(dá)到微安級(jí)，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，傳感器安裝位置如圖3所示。

圖3　檢測(cè)鐵芯電流的傳感器

泄漏電流傳感器安裝在變壓器鐵芯、電抗器的鐵芯和夾件的接地排上，監(jiān)測(cè)鐵芯和夾件的泄漏電流。而傳輸數(shù)據(jù)的屏蔽雙紋線一端連接數(shù)據(jù)采集柜，另一端與傳感器本體連接。傳輸數(shù)據(jù)的屏蔽雙紋線抗干擾能力強(qiáng)，最遠(yuǎn)可傳輸2km，可覆蓋整個(gè)變電站，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該軟件采用方便靈活的模塊化分層設(shè)計(jì)，能夠增加變壓器其它狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量，比如油溫、微水、環(huán)境信息和振動(dòng)等，確保系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、兼容性和擴(kuò)展性。能夠監(jiān)測(cè)整個(gè)企業(yè)供配電系統(tǒng)所有變壓器（后臺(tái)軟件一次性投入，再增加變電站鐵芯接地監(jiān)測(cè)時(shí)只需增加采集終端即可），可達(dá)到用戶所有變壓器集中監(jiān)控的效果［5］。

軟件采用快速傅立葉算法計(jì)算鐵芯泄漏電流的頻譜分布，并統(tǒng)計(jì)每分鐘內(nèi)大于30mA及100mA時(shí)的放電脈沖次數(shù)，脈沖頻次參數(shù)表征了鐵芯絕緣介質(zhì)對(duì)大地的間歇性放電的缺陷。這種缺陷無(wú)法通過(guò)電流的工頻有效值大小來(lái)反映，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段無(wú)法監(jiān)測(cè)到。

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用Labview進(jìn)行程序設(shè)計(jì)［6、7］，Labview與其它計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言有顯著區(qū)別。其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而Labview使用的是圖形化編輯語(yǔ)言編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。該語(yǔ)言的特點(diǎn)在于可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和信息處理的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，可以編制出功能強(qiáng)大的監(jiān)控測(cè)量“軟儀器”。系統(tǒng)中上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)如圖4所示的功能界面。

3　抗干擾設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)所述現(xiàn)場(chǎng)干擾源相對(duì)集中在200kHz以上較高的背景頻率［8~9］，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在硬件上除了采用抗干擾傳感器和隔離運(yùn)放以外，系統(tǒng)回路中還存在幅值20mV、頻率500kHz的紋波。如果采用普通的運(yùn)算放大器或者RC組成的濾波器，不僅元件較多，參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜，并且雜散電容會(huì)大大影響濾波器特性。利用MCU自身的資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波，能夠準(zhǔn)確地提取信號(hào)的工頻分量。這樣就避免了周?chē)h(huán)境帶來(lái)的干擾，同時(shí)也降低了硬件的復(fù)雜度，可有效減小電路體積，提高電路性能。

系統(tǒng)在軟件上采用IIR數(shù)字濾波器，把浮點(diǎn)型系數(shù)轉(zhuǎn)換成16位整型格式，可以大大提高M(jìn)CU的計(jì)算速度，同時(shí)把濾波器系數(shù)存到SRAM區(qū)，方便計(jì)算時(shí)提取系數(shù)數(shù)據(jù)，利用采樣時(shí)間間隔完成IIR數(shù)字濾波器計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了高頻背景電磁噪音的濾除，提高了在線監(jiān)測(cè)接地電流的靈敏度和可靠性。根據(jù)濾波后工頻信號(hào)的有效值和高頻脈沖放電次數(shù)的變化，作為判斷變壓器鐵芯是否存在多點(diǎn)接地故障的依據(jù)。

圖4　鐵芯電流在線監(jiān)測(cè)的程序界面

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于Labview的變壓器鐵芯多點(diǎn)接地故障在線監(jiān)測(cè)裝置。該裝置對(duì)鐵芯泄漏電流進(jìn)行頻譜計(jì)算與分析，根據(jù)鐵芯泄漏電流的工頻有效值與高頻放電脈沖數(shù)判斷變壓器是否存在鐵芯多點(diǎn)接地故障。裝置選用Cortex-M3處理器，由RS485串口與上位機(jī)連接，實(shí)時(shí)計(jì)算并分析鐵芯接地電流，較好地實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的精度和在線監(jiān)測(cè)。同時(shí)利用數(shù)字濾波器濾掉變壓器周?chē)h(huán)境帶來(lái)的干擾信號(hào)，準(zhǔn)確識(shí)別變壓器鐵芯接地狀況通過(guò)泄漏電流脈沖頻次數(shù)。該系統(tǒng)目前安裝在南京地下鐵道有限公司的某主變電所內(nèi)，運(yùn)行狀況穩(wěn)定良好。根據(jù)變電所運(yùn)行的實(shí)際情況，裝置的整定值為：鐵芯電流工頻報(bào)警限值為35mA，每分鐘內(nèi)大于30mA及160mA時(shí)的放電脈沖報(bào)警次數(shù)為750次。根據(jù)最近的一次變壓器“四比值法”的分析結(jié)論，表明該裝置是有效的、實(shí)用的，且精確度高，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TM41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005—7277（2015）06—0047—03

基金項(xiàng)目：＊江蘇“青藍(lán)工程”基金（RL13002）資助

作者簡(jiǎn)介：

陳明忠（1974－），男，研究生學(xué)歷，南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡姎饣F道高壓電氣設(shè)備智能檢測(cè)與控制。

收稿日期：2015－04－30

Transformer iron core grounding fault on－line monitoring system based on Labview

CHEN Ming－zhong
（Nanjing Railway Vocational and Technical College，Nanjing 210031，China）

Abstract：A transformer core grounding fault on－line monitoring system based on Labview is introduced.The

system can detect the working－frequency leakage current amplitude of the transformer iron core，in the meanwhile，the system can detect the high－frequency discharge pulse number of the leakage current，and by comparison to identify the transformer iro n core grounding conditions.The system is installed on a main transformer of Nanjing Metro and conducted the on－site testing.The testing results show that the system has many advantages such as wide measuring range，high sensitivity，strong anti－interference，easy integration etc.，and can be used as a effective measure to judge whether the transformer iron core exists multi points grounded.

Key words：transformer iron core；grounding current；on－line monitoring；safety