变压器铁心及夹件接地电流在线监测装置_王兵.pdf

第 24 卷 第 6 期 2023 年 6 月 电 气 技 术 Electrical Engineering Vol.24 No.6Jun.2023 变压器铁心及夹件接地电流在线监测装置 王 兵 陈益萍 徐华生 梁开任（广西电网有限责任公司玉林供电局，广西 玉林 537000）摘要 电力变压器是电能运输与电力变换的重要设备，变压器是否正常工作影响着电网的安全运行。电力变压器运行时出现多点接地故障或局部放电故障都会危害电网的运行安全。因此，本文设计一种变压器故障信息融合监测装置，通过监测变压器铁心及夹件接地线上的工频电流及高频脉冲电流信号，分析电力变压器是否发生故障，并判断故障类型。装置可将监测的电流信息进行本地显示和短信预警等，实现对变压器多点接地故障和局部放电故障的双重监测预警，保证电网的安全运行。关键词：变压器铁心及夹件；接地电流；在线监测 Online monitoring device for transformer core and clamps grounding current WANG Bing CHEN Yiping XU Huasheng LIANG Kairen(Yulin Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co.,Ltd,Yulin,Guangxi 537000)Abstract Power transformer is an important equipment for electric energy transportation and power conversion.Its operation affects the safe operation of power grid.The multi-point grounding fault and partial discharge fault of power transformer harm the safety of power grid.Therefore,a transformer fault information fusion monitoring device is designed in this paper.Through monitoring the power frequency current and high frequency pulse current signal of the transformer core and the ground line of the clamp,it is analyzed that whether the power transformer has a fault and what kind of fault is.The device can monitor the current information for local display and SMS early warning,thus realizing the transformer multi-point grounding fault and partial discharge fault double monitoring and early warning and ensuring the safe operation of the power grid.Keywords：transformer core and clamps;grounding current;online monitoring 0 引言 电力变压器是电力系统中的关键设备，在运行时需要保证可靠一点接地，如果发生铁心及夹件多点接地，变压器内部就会形成回路，从而产生环流，导致设备发热，甚至会导致变压器局部烧毁。国标规定铁心接地电流不能超过 100mA，当超过 100mA时需对变压器进行跟踪处理。正常运行的变压器铁心及夹件为单点可靠接地，其示意图如图 1 所示。目前，通常使用三种方法检测变压器铁心的多点接地故障，即绝缘电阻法、气相色谱分析法，以及钳形表测量法1。绝缘电阻法即先将铁心接地线断开，然后测量内部电阻值，若所测电阻很小则说 图 1 变压器铁心及夹件单点接地示意图 明铁心出现多点接地故障；此方法会影响变压器的正常运行。气相色谱分析法即通过检测变压器绝缘油中气体的含量是否超标来判断变压器是否出现故障，此方法不能直接判断是否发生多点接地故障。钳形表测量法即工作人员使用钳形电流表定期检测铁心接地线中的电流大小并判断是否超过 100mA，70 电 气 技 术 第 24 卷 第 6 期 此方法人工成本较高且无法第一时间发现变压器的接地故障。在运行过程中，变压器的绝缘部件承受的电场强度大，变压器内部薄弱处极易出现局部放电，导致变压器绝缘材料损耗严重，甚至发展为热击穿故障，对变压器的安全运行造成严重影响。因此，要对变压器的局部放电信号进行实时监测和预警。变压器在发生局部放电故障时会产生一系列的现象，可作为判断变压器是否发生局部放电故障的依据。目前，主要使用脉冲电流法、超声波法和油中色谱分析法来对变压器局部放电故障进行监测，其中脉冲电流法在现场应用更多。当变压器发生局部放电时，变压器铁心的接地线中会产生高频脉冲电流信号，使用电流传感器采集接地线中的高频脉冲电流信号并对其进行处理后可获得视在放电量等信息，通过这些信息工作人员可掌握变压器的局部放电情况。本文设计变压器铁心及夹件接地电流在线监测装置，可在线监测变压器铁心及夹件接地线上的工频电流和高频脉冲电流信号，通过分析即可判断出变压器是否发生故障，并对故障类型进行诊断，确保工作人员能采取准确的应对措施。1 工作原理 从理论上来说，变压器铁心及夹件单点可靠接地时，带电绕组对铁心及金属构件所产生的寄生电容电流几乎为零，但是在实际运行中，各绕组间电容难以完全相等、三相电流相位也不完全对称，接地线通常会出现几毫安的不对称电流。在变压器铁心多点接地后会产生一个或多个电磁回路，根据接地点位置的不同，交链磁通有所不同，导致接地回路的电压和电流不同2-3。铁心接地点之间形成的闭合回路受电磁感应的影响，通过铁心的磁通会产生电压，其大小与接地两点之间的距离有关，接地点间的距离越大，穿过铁心的磁通量越大，电压就越高，此时两个测量点之间存在电位差，就会在回路中产生电流。变压器铁心及夹件多点接地示意图如图 2 所示。变压器内部发生局部放电故障时会瞬间产生高频脉冲电流信号。这两种故障形成的电流信息均在变压器铁心接地线上有所体现。本文设计的变压器铁心及夹件接地电流在线监测装置通过电流传感器对变压器铁心接地线上的电流信号进行实时监测，通过电流互感器采集接地线数据，经信号预处理单元及模数转换（analog to 图 2 变压器铁心及夹件多点接地示意图 digital,A-D）后输入处理器进行数据分析。当检测到工频电流信号超过 100mA 时，说明变压器发生多点接地故障。通过监测高频脉冲电流信号并从中提取视在放电量等电流信息，对局部放电信息做出诊断，以便运行维护人员准确掌握变压器局部放电情况。将接地点监测到的电流数据在液晶模块进行本地实时显示，并在发生故障时将报警信息发送给工作人员，从而保证变压器稳定可靠运行。2 硬件设计 本文所设计装置通过电流互感器采集接地电流，所采集信号经放大滤波后再由模数转换器（analog to digital converter,ADC）获得数字信号，经处理器对数字信号进行识别，提取出工频电流幅值和高频脉冲电流信号的视在放电量等信息，其中采集到的电流数据使用 STM32 内部的直接内存访问（direct memory access,DMA）传输方式，数据通过总线直接传输至内存。液晶模块显示当前的电流值、视在放电量及时间等信息。如果监测到的电流值超过 100mA，装置会通过 4G 模块向工作人员发送短信报警，单片机通过串口通信的方式使用 AT 指令对 4G 模块进行配置。故障信息储存在带电可擦可编程只读存储器（electrically erasable programmable read only memory,EEPROM）数据存储模块中，EEPROM 通过 I2C（inter-intergrated circuit）总线与单片机连接。装置通过 RS 485 通信接口与状态监测系统实时通信，其硬件电路结构框图如图 3 所示。2.1 信号采集单元 变压器铁心及夹件接地线的正常运行电流为几毫安至几十毫安，而发生多点接地故障时，电流会突增至几安培。局部放电产生的高频脉冲信号很弱，其频率范围为 10kHz30MHz，现场的电磁干扰信号会对局部放电信号造成严重影响。因此，本文装置使用的电流互感器的铁心材料为坡莫合金，其外壳有双层屏蔽层，可以忽略外界磁场的影响，在电 2023 年 6 月 王 兵等 变压器铁心及夹件接地电流在线监测装置 71 图 3 装置硬件电路结构框图 流变化范围较大的情况下仍能保持优良的线性度，并且具有足够宽的工作频带及抗干扰能力，可以对高频电流信号进行采集，能够满足本文装置对测量的准确性、稳定性要求。2.2 信号预处理单元 变压器在正常运行时的接地电流很小，所以应对电流互感器采集到的电流信号进行放大，本文装置采用由 LM258D 芯片组成的同相比例运算电路将电流信号转换为电压信号。利用线性激励叠加原理，通过外加基准电压与上拉电阻实现分压，进行整体叠加调制，使双极性的电压信号（3.53.5V）转换为满足单片机 A-D 采样要求的单极性电压（03.3V）4-5。然后经由 LM258D 芯片构成的电压跟随器，其特点为输入值等于输出值，具有隔离、缓冲、增强带负载能力的作用。电压跟随器后紧跟一阶 RC无源低通滤波器，对高频干扰信号进行滤除，提高输入信号的信噪比，降低高频干扰。信号预处理电路如图 4 所示。图 4 信号预处理电路 2.3 液晶显示单元 本文装置采用 HGO1601601 系列的液晶模块，该模块具有抗干扰能力强、工作功耗低的特点。液晶显示模块设置有多个窗口，其中包括桌面窗口、菜单窗口、参数显示及参数设置窗口等。桌面窗口实时显示采集到的接地电流值，并显示变压器接地故障状态。菜单窗口包括遥信显示、遥测显示、定值设置、网络配置、报警记录、命令控制选项，可配合按键来查看这些参数，并对系统定值做出修改，方便工作人员对变压器的运行安全进行维护。2.4 数据远程通信单元 本装置使用 WHLTE7S1GN 通信模块，可使用串口设备通过长期演进技术（long term evolution,LTE）Cat-1 和通用分组无线业务（general packet radio service,GPRS）网络相互传输数据，使用其模块自带的 AT 指令进行设置，即可实现远程数据通信。该模块可覆盖现有运营商的 4G 网络，稳定性高，每路链接支持 20 条数据缓存，每条数据最大 4KB。4G 模块下行速率最高可以达到 7.5Mbit/s，上行速率最高可以达到 1Mbit/s，适合该装置传输数据。本文装置在程序中对该模块进行短信透传模式配置，并将工作人员的手机号存储其中。装置通过该模块将采集到的电流信息发送给工作人员，方便工作人员实时查看。在发生多点接地故障或者监测到发生局部放电故障时，可发送报警短信提示工作人员进行维护工作。通信模块原理如图 5 所示。图 5 通信模块原理 2.5 模数转换单元 模数转换器的作用是将模拟量转换为数字量，并将数字量传输给处理器进行数据处理。本文装置72 电 气 技 术 第 24 卷 第 6 期 使用 STM32 处理器自带的 A-D 转换芯片，供电电压要求在 2.43.6V 之间，芯片使用逐次逼近方式进行模拟量到数字量的转换6-7。芯片有 19 个多路复用通道，其中 16 个通道用来采集外部信号，2 个通道用于采集内部信号。使用 STM32 片上 ADC，转换速度快、准确度高且 12 位有效位，采样分辨率可以达到 1/4096，能够满足装置对