電力變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

胡文保，侯云海，韓峰波，陳恩澤

（長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長春130012）

電力變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

胡文保，侯云海，韓峰波，陳恩澤

（長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長春130012）

設(shè)計了一種變壓器接地電流在線監(jiān)測系統(tǒng)，用PGA205芯片設(shè)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(shù)字濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的RC濾波器，不僅可以快速、準(zhǔn)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(tǒng)能夠自動投入限流電阻來保護變壓器，并且通過GPRS遠(yuǎn)程通信把實時電流信息發(fā)送至遠(yuǎn)程后臺，方便電力工作人員遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)了變壓器鐵芯多點接地故障的早發(fā)現(xiàn)、早保護、早處理。

變壓器；電流；在線監(jiān)測；濾波器

電力變壓器是電壓變換、電能分配和傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，同時也是故障率較高的環(huán)節(jié)，確保變壓器的正常運行對人民生活、國家安全、社會穩(wěn)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(chǎn)生充放電現(xiàn)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(biāo)規(guī)定鐵芯接地電流不能超過0.1 A[1]。雖然現(xiàn)在檢測鐵芯接地電流的方法很多，但是由于準(zhǔn)確性低，實際效果不理想，鐵芯接地電流的在線實時監(jiān)測是預(yù)防和及時發(fā)現(xiàn)鐵芯多點接地故障的最簡單、最直接方法。

1 系統(tǒng)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(nèi)部發(fā)熱甚至燒毀。因此，如果能夠?qū)崟r在線監(jiān)測接地電流，當(dāng)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(jù)情況及時采取相應(yīng)的措施。

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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

電流傳感器采集電流信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路的放大濾波之后，模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后在DSP上顯示接地電流的數(shù)值，通過GPRS模塊把數(shù)據(jù)發(fā)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(jù)實時電流和設(shè)定電流比較之后來判斷的。監(jiān)測裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 信號采集

圖1 鐵芯接地電流在線監(jiān)測原理圖

圖2 監(jiān)測裝置硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)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(shè)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(shè)備的運行接線狀態(tài)，所以使用電流傳感器作為信號提取單元提取信號時應(yīng)該安裝在變壓器鐵芯外。

2.2 程控放大器設(shè)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(xiàn)這么大范圍的信號采集。這里運用PGA205來設(shè)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(shù)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(lián)，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(shù)達到512倍，很好地滿足本系統(tǒng)的信號采集要求。

圖3 程控放大器的設(shè)計原理圖

2.3 信號調(diào)理

2.3.1 鐵芯接地電流計算方法[2]

本系統(tǒng)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(shù)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(xù)信號X（t）表示為：

其中，n＝0對應(yīng)信號的直流分量，n＝1對應(yīng)基波信號，n＝k則對應(yīng)k次諧波。根據(jù)三角函數(shù)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(xiàn)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(shù)轉(zhuǎn)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(shù)調(diào)節(jié)復(fù)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(tǒng)利用MCU自身的資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波，不僅能降低硬件的復(fù)雜度，減小電路體積，還能削弱周圍環(huán)境帶來的干擾，提高電路性能，準(zhǔn)確地提取信號的工頻分量。本文采用切比雪夫II型低通數(shù)字濾波器，它在通帶內(nèi)單調(diào)，并且在阻帶內(nèi)是等波紋的，相位響應(yīng)比切比雪夫I型低通數(shù)字濾波器更加線性。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換單元

本系統(tǒng)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(zhuǎn)換器。不僅可以以2 000次/s采樣數(shù)據(jù)速率來執(zhí)行轉(zhuǎn)換，而且在單周期內(nèi)相對比較穩(wěn)定。它內(nèi)部的GPA提供高達128 V/V的增益，可以和PGA205配合來設(shè)計程控放大器。

2.5 限流電阻單元

當(dāng)接地電流超過100 mA時，繼電器觸點K斷開，同時根據(jù)電流大小來選擇閉合觸點K1、K2、K3。電阻R是一直并聯(lián)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(shè)集成度高，數(shù)據(jù)和程序存儲量大，A/D轉(zhuǎn)換更加快速/精確，可以很好地滿足本系統(tǒng)的要求。

2.7 報警功能

本系統(tǒng)有報警功能，當(dāng)主機判斷多點接地存在時，采樣值穩(wěn)定且超過200 mA后，發(fā)出提示信號，提醒工作人員應(yīng)盡快采取措施處理；采樣值穩(wěn)定且超過100 mA后，發(fā)出提示信號，提醒工作人員應(yīng)該進行預(yù)防性跟蹤試驗，盡快找出電流異常的原因[4]。

2.8 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信

本文采用北京接麥通信器材有限公司生產(chǎn)的GPRS模塊G300。G300是兼容短信和GPRS通信方式的數(shù)傳模塊，CPU采用32位高性能Cortex-M3核的ARM處理器，具有快速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)一次可收發(fā)1 200字節(jié)，支持大數(shù)據(jù)包（2M字節(jié)）緩存收發(fā)功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)按照之前設(shè)定的采樣間隔對接地電流采樣，通過G300模塊將采樣值發(fā)送到遠(yuǎn)程后臺。通過后臺指令可以更改采樣間隔，遠(yuǎn)程后臺和現(xiàn)場裝置都可以顯示接地電流的數(shù)值。后臺系統(tǒng)具有接地電流數(shù)據(jù)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(jié)束語

該系統(tǒng)通過對程控放大器的特殊設(shè)計和使用切比雪夫II型低通數(shù)字濾波器，來對接地電流進行預(yù)處理，保證了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。通過GPRS模塊進行數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jiān)測裝置的開發(fā)與應(yīng)用［D］.保定：華北電力大學(xué)，2014.

［3］黃俊.變壓器鐵芯漏電在線監(jiān)測傳感器系統(tǒng)的研究［J］.儀表技術(shù)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(jiān)測及控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013（27）.

［5］王海鷗，白金泉.基于GPRS的變壓器鐵芯電流在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.農(nóng)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(jié)能技術(shù)。