胡文保，侯云海，韓峰波，陳恩澤

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

電力變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

胡文保，侯云海，韓峰波，陳恩澤

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

設(shè)計(jì)了一種變壓器接地電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用PGA205芯片設(shè)計(jì)程控放大器，使接地電流的精度得到進(jìn)一步的提高，范圍進(jìn)一步擴(kuò)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(hào)的工頻分量，還可以充分濾掉干擾信號(hào)。一旦接地電流超過(guò)額定值，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)投入限流電阻來(lái)保護(hù)變壓器，并且通過(guò)GPRS遠(yuǎn)程通信把實(shí)時(shí)電流信息發(fā)送至遠(yuǎn)程后臺(tái)，方便電力工作人員遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了變壓器鐵芯多點(diǎn)接地故障的早發(fā)現(xiàn)、早保護(hù)、早處理。

變壓器；電流；在線監(jiān)測(cè)；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(shí)也是故障率較高的環(huán)節(jié)，確保變壓器的正常運(yùn)行對(duì)人民生活、國(guó)家安全、社會(huì)穩(wěn)定具有重大意義。

變壓器正常運(yùn)行時(shí)，油箱與帶電的繞組之間存在電場(chǎng)，而鐵芯處于該電場(chǎng)中。因?yàn)殡娙莘植疾痪鶆?，?chǎng)強(qiáng)各異，如果鐵芯不可靠接地，則會(huì)產(chǎn)生充放電現(xiàn)象，破壞油的絕緣強(qiáng)度和固體絕緣，所以鐵芯必須有一點(diǎn)可靠接地，且只允許一點(diǎn)接地。國(guó)標(biāo)規(guī)定鐵芯接地電流不能超過(guò)0.1 A[1]。雖然現(xiàn)在檢測(cè)鐵芯接地電流的方法很多，但是由于準(zhǔn)確性低，實(shí)際效果不理想，鐵芯接地電流的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是預(yù)防和及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵芯多點(diǎn)接地故障的最簡(jiǎn)單、最直接方法。

1 系統(tǒng)工作原理

變壓器鐵芯多點(diǎn)接地的時(shí)候，故障電流比變壓器正常運(yùn)行時(shí)候的電流大很多，最大電流可以達(dá)到幾十安培，將會(huì)造成鐵芯內(nèi)部發(fā)熱甚至燒毀。因此，如果能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)接地電流，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，能夠及時(shí)在接地線上串入電阻，我們就可以暫時(shí)有效地解決這個(gè)問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)通訊手段把變壓器的運(yùn)行情況傳遞給工作人員，他們根據(jù)情況及時(shí)采取相應(yīng)的措施。

按照上述原理，設(shè)計(jì)出了一套安全、可靠、精度高而且能夠在線監(jiān)測(cè)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(jì)

電流傳感器采集電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)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(guò)GPRS模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，便于工作人員實(shí)時(shí)查看。限流電阻單元是否投入到電路中，是根據(jù)實(shí)時(shí)電流和設(shè)定電流比較之后來(lái)判斷的。監(jiān)測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 信號(hào)采集

圖1 鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)原理圖

圖2 監(jiān)測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)選用泄漏電流傳感器來(lái)采集鐵芯接地電流，它采用有源零磁通設(shè)計(jì)原理，能夠采集“mA”級(jí)電流信號(hào)，并且具有很強(qiáng)的抗干擾能力和抑制溫飄的特性。電流信號(hào)取樣的時(shí)候不能改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行接線狀態(tài)，所以使用電流傳感器作為信號(hào)提取單元提取信號(hào)時(shí)應(yīng)該安裝在變壓器鐵芯外。

2.2 程控放大器設(shè)計(jì)

由于變壓器鐵芯多點(diǎn)接地時(shí)的電流和正常運(yùn)行時(shí)的電流相比，變化范圍很大，一般的A/D采集芯片很難實(shí)現(xiàn)這么大范圍的信號(hào)采集。這里運(yùn)用PGA205來(lái)設(shè)計(jì)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(gè)PGA205芯片的放大倍數(shù)有限，很難滿足本文的信號(hào)采集要求。因此本文將3個(gè)PGA205芯片串聯(lián)，如圖3所示，通過(guò)對(duì)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(dá)到512倍，很好地滿足本系統(tǒng)的信號(hào)采集要求。

圖3 程控放大器的設(shè)計(jì)原理圖

2.3 信號(hào)調(diào)理

2.3.1 鐵芯接地電流計(jì)算方法[2]

本系統(tǒng)鐵芯接地電流基于諧波分析法來(lái)計(jì)算，從離散的采樣信號(hào)中通過(guò)離散傅立葉變換的方法檢測(cè)出信號(hào)的基波成分，包括信號(hào)的幅值和相角，同時(shí)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(dá)到更高的精確度。包含有高次諧波及噪聲信號(hào)，連續(xù)信號(hào)X（t）表示為：

其中，n＝0對(duì)應(yīng)信號(hào)的直流分量，n＝1對(duì)應(yīng)基波信號(hào)，n＝k則對(duì)應(yīng)k次諧波。根據(jù)三角函數(shù)的正交性，得：

信號(hào)各次諧波的幅值為：

積分離散化得到離散信號(hào)，表示為：

2.3.2 濾波器的選擇

由于現(xiàn)場(chǎng)采集到的接地電流模擬信號(hào)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(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理。若是采用普通的運(yùn)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(huì)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(shí)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(lái)的干擾，提高電路性能，準(zhǔn)確地提取信號(hào)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(hào)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(lái)執(zhí)行轉(zhuǎn)換，而且在單周期內(nèi)相對(duì)比較穩(wěn)定。它內(nèi)部的GPA提供高達(dá)128 V/V的增益，可以和PGA205配合來(lái)設(shè)計(jì)程控放大器。

2.5 限流電阻單元

當(dāng)接地電流超過(guò)100 mA時(shí)，繼電器觸點(diǎn)K斷開，同時(shí)根據(jù)電流大小來(lái)選擇閉合觸點(diǎn)K1、K2、K3。電阻R是一直并聯(lián)在電路中的，對(duì)電路起到了很好的保護(hù)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(diǎn)DSP控制器，主頻高達(dá)150 MHz，具備I2C、SPI、eCAN、ePWM等總線接口，它價(jià)格低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)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(bào)警功能

本系統(tǒng)有報(bào)警功能，當(dāng)主機(jī)判斷多點(diǎn)接地存在時(shí)，采樣值穩(wěn)定且超過(guò)200 mA后，發(fā)出提示信號(hào)，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(guò)100 mA后，發(fā)出提示信號(hào)，提醒工作人員應(yīng)該進(jìn)行預(yù)防性跟蹤試驗(yàn)，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(shí)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(jì)

本系統(tǒng)按照之前設(shè)定的采樣間隔對(duì)接地電流采樣，通過(guò)G300模塊將采樣值發(fā)送到遠(yuǎn)程后臺(tái)。通過(guò)后臺(tái)指令可以更改采樣間隔，遠(yuǎn)程后臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)裝置都可以顯示接地電流的數(shù)值。后臺(tái)系統(tǒng)具有接地電流數(shù)據(jù)的查詢、存儲(chǔ)功能，為了觀察電流的變化趨勢(shì)，還可以繪制圖表[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)程控放大器的特殊設(shè)計(jì)和使用切比雪夫II型低通數(shù)字濾波器，來(lái)對(duì)接地電流進(jìn)行預(yù)處理，保證了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。通過(guò)GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了變壓器運(yùn)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(chǎng)運(yùn)行與維護(hù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2015.

［2］康鑫.變壓器鐵芯電流監(jiān)測(cè)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(cè)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(guó)慧，張玉清.變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，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(cè)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?yàn)殡娏ψ儞Q與節(jié)能技術(shù)。