國網(wǎng)寧波供電公司 賴靖胤 梁流銘 胡華杰

變壓器套管在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)

國網(wǎng)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(tǒng)中的核心部分，其運行可靠性對整個電力系統(tǒng)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(fā)，因此對變壓器套管絕緣狀態(tài)的監(jiān)測有著極大的意義。基于上述背景，本項目設計一套在線監(jiān)測變壓器套管絕緣性能的測試系統(tǒng)，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(jīng)過控制系統(tǒng)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(jiān)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(jié)構(gòu)，介質(zhì)損耗tgδ及電容量是衡量變壓器套管絕緣性能優(yōu)劣最直接、有效的參數(shù)，在設備的運行過程中準確監(jiān)測變壓器套管介損和電容量的大小尤為重要。因此，該系統(tǒng)采用了嵌入式計算機系統(tǒng)，具備極強的數(shù)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(shù)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(jiān)控器的控制下，對兩路電流信號經(jīng)濾波、放大、采樣等數(shù)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?；緶y量原理如圖1所示。

圖1 測試原理圖

2.硬件部分

該監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設計結(jié)構(gòu)，主要包由傳感器模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、控制系統(tǒng)模塊和通訊模塊四部分構(gòu)成。

2.1 微處理器模塊

DSP 嵌入式微處理器模塊是監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，具備強大的數(shù)據(jù)處理及端口控制功能。絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的信號處理模塊采用目前性能最優(yōu)良的32 位數(shù)字信號處理芯片，TI 公司的TMS320F2812 DSP 芯片，并根據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)的需要。微處理器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。2.2 高精度的電流傳感器模塊

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電流傳感器是監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵部件，直接影響電容型設備介損耗參數(shù)參數(shù)的測量精度。為保證信號取樣的安全性，通常應采用穿芯結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(shù)。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(tǒng)的無源傳感器通常無法保證相位變換誤差的精確度和穩(wěn)定性，難以滿足介損參數(shù)的測量要求。因此，監(jiān)測系統(tǒng)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?qū)﹁F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(tài)。2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

為了能準確的采集電流值，本系統(tǒng)選用片外高度集成CS5522模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，內(nèi)部還集成一個低輸入電流、斬波穩(wěn)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(nèi)還集成了一個電泵驅(qū)動電路來提供負偏置電壓，滿足本系統(tǒng)的精度要求。

2.4 通訊模塊

通訊模塊是監(jiān)測系統(tǒng)的基本部件，本系統(tǒng)采用光纖通信，實時將DSP 控制系統(tǒng)處理的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖傳輸?shù)胶笈_計算機，供數(shù)據(jù)的處理及顯示。

3.軟件部分

3.1 嵌入式系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)主要由按鍵功能處理、A/D 采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲和上位機通信等模塊組成。鍵功能是對系統(tǒng)的“開始”、“停止”、“復位”以及相應參數(shù)的設定；A/D 采集程序用于將傳感器的電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號再傳送到單片機進行分析；數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行SD 卡存儲；上位機通信實現(xiàn)上位機對系統(tǒng)的控制，并將采集的數(shù)據(jù)在后臺實時顯示。整個系統(tǒng)程序運行穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)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(tǒng)應用Microsoft Visual C++6.0 開發(fā)環(huán)境和C++等編程語言設計開發(fā)了上位機操作軟件，通過串口實現(xiàn)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(shù)據(jù)，供后期數(shù)據(jù)的處理分析。

4.數(shù)據(jù)測試與分析

系統(tǒng)安裝完畢后，首先在現(xiàn)場將控制系統(tǒng)送電，待其運行正常后，將上位機系統(tǒng)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(jié)論

該在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測套管絕緣性能，解決了變壓器運行狀態(tài)套管介損和電容量無法測量的難題。運行經(jīng)驗及研究結(jié)果表明，測試電壓的不同以及周圍電磁環(huán)境的差異，盡管會導致在線測試結(jié)果與停電預防性試驗結(jié)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(jié)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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