云南電網(wǎng)有限責任公司紅河供電局 羅開鵬 張瓊華 段志龍

1 引言

電力變壓器是電壓變換、電能分配與傳遞的重要裝置，也是故障發(fā)生率較高的部分，變壓器正常的運行直接關系到人民生活、國家安全和社會穩(wěn)定。當變壓器在正常工作時，油箱與帶電的繞組有一個磁場，而鐵芯處在這個磁場中。由于變壓器內(nèi)部電容不均勻分布，磁場大小各異，若鐵芯接地出現(xiàn)問題，會出現(xiàn)放電的情況，從而影響到壞油的絕緣強度和固體絕緣[1]。因此，鐵芯需要穩(wěn)定的接地線，并且僅有一個接地線。根據(jù)國家標準要求，鐵芯接地電流不得大于0.1A。目前已有多種方法來測量鐵芯接地電流，但精度較差，并不能保證實際效果。因而對鐵芯接地電流進行在線監(jiān)控，可以有效的防止并及時地發(fā)現(xiàn)鐵芯多點接地故障。

2 電力變壓器在線監(jiān)測的目的

變壓器作為電網(wǎng)的主要部件，價格非常昂貴，安全、可靠地運行直接關系到電網(wǎng)的供電可靠性和系統(tǒng)的正常運轉。但是，由于變壓器經(jīng)常會出現(xiàn)故障，對電網(wǎng)的安全運行產(chǎn)生了嚴重的影響，而且對電網(wǎng)企業(yè)及使用者都會帶來較大的經(jīng)濟損失。所以，對電力變壓器的工作狀況進行實時的在線監(jiān)控是非常必要的。在電網(wǎng)運行過程中，在線監(jiān)測技術將發(fā)揮巨大的優(yōu)勢，使設備的利用率得到保證，可以減少零件備件庫存，降低零件更換與維護成本。有針對性地進行維護，可以改善維護工作的質(zhì)量，保證運行更加安全穩(wěn)定，能夠反饋給生產(chǎn)廠家更為全面、精確的設備質(zhì)量資訊，從而改善產(chǎn)品的質(zhì)量等。

3 變壓器鐵芯接地理論分析

3.1 鐵芯可靠接地的必要性

國內(nèi)現(xiàn)在大中型變壓器使用一套管將鐵芯引到油箱外側，進行接地處理，并且整個操作中只有一個點進行接地。變壓器繞組周圍會有磁場存在，在磁場中夾件或者鐵芯等金屬零件所處的位置并不相同，但是所受到的磁場影響效果是一致的。所以，鐵芯電位與夾件電位是不相同的，當出現(xiàn)多個鐵芯接地情況，兩個接地點與鐵芯在回路中會出現(xiàn)閉合回路，形成循環(huán)電流。電流逐漸從微安增至安培，可以高達數(shù)十安培，鐵芯有發(fā)熱情況，從而導致變壓器的鐵芯短路，甚至有可能出現(xiàn)鐵芯的局部燒毀，導致鐵芯硅鋼片損壞。根據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，多個鐵芯接地引起的意外事件在所有的變壓器故障中排名第三。采用高阻計測量變壓器內(nèi)部鐵芯兩端的電阻進行測試，得出的直流電阻是非常低的。當多個鐵芯接地時，在油箱中會產(chǎn)生低阻回路，此情況下切斷磁場，從而引起環(huán)流。

3.2 變壓器鐵芯的正常接地方式

變壓器夾件是否需要接地取決于特殊的構造，而高電壓等級的變壓器的固定部件和大型的金屬構件則應與其連接。高電壓等級的變壓器的鐵芯接地問題，鐵芯可以用夾件和油箱連接，也可以用套管來接地面，方便對鐵芯的接地電流在線監(jiān)控。通常，功率小于50000kVA 的變壓器接地方式是由一根銅導線將其同一側的兩個導線連在一塊，從而實現(xiàn)接地。本方法在變壓器內(nèi)進行，無須經(jīng)套管抽出油箱，但應將連接上、下扼的接地片置于芯體的相同一側，而對接地板的插入位置也有很嚴格的要求。

3.3 常見鐵芯多點接地類型與原因

很多因素導致了鐵芯多點接地，從制造到施工，只要其中的一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)的失誤，就會導致多個鐵芯的接地。具體原因：一是變壓器在實際的運輸中，考慮到變壓器有較多的引線，結構也是比較復雜的，體積較大，首先會將其拆分為多個零件，然后在現(xiàn)場進行組裝。在輸送過程中，變壓器會發(fā)生偏移，必須用定位銷對油箱頂蓋固定，若安裝完畢后未將其卸下或翻轉，則會產(chǎn)生鐵芯多點接地情況。二是在變壓器制造時，因技術上的問題，造成了鐵扼螺桿不滿足規(guī)定要求，如果鐵扼螺桿的套管太大，則會在變壓器的內(nèi)部與線圈鐵扼片接觸，從而產(chǎn)生新的接地點。三是在變壓器的實際裝配中，若不做好防水處理，雨水和大雪之后，可能會有水滲入到變壓器中。在潮濕的條件下，鐵芯會出現(xiàn)新的接地點。四是在變壓器的實際操作中，由于有外來物質(zhì)進入油浸變壓器油箱，使得鐵芯疊片和油箱體相連接，形成了一個新的接頭點。

4 系統(tǒng)工作原理

當一個變壓器的多個鐵芯接地，其短路電流與正常運行下的變壓器電流高出很多，可以超過數(shù)十個安培，使鐵芯內(nèi)部出現(xiàn)發(fā)熱情況，甚至有燒毀情況。若能對接地電流進行在線監(jiān)控，在出現(xiàn)大電流的情況下，將電阻器插入到接地線中，可以臨時解決這種問題。同時，將電力系統(tǒng)的工作狀態(tài)及時的傳達給工作人員，工作人員根據(jù)實際情況，及時做出反應。根據(jù)以上理論，研制了一套具有高精度、安全可靠的在線監(jiān)控裝置，鐵芯接地電流在線監(jiān)測原理如圖1所示。

圖1 鐵芯接地電流在線監(jiān)測原理

5 系統(tǒng)硬件設計

本電流感應器收集到的電流，由信號處理電路進行放大、過濾，再由模數(shù)將其輸出到DSP 中，由GPRS將所得數(shù)據(jù)上傳給主機，方便操作人員進行即時查詢。通過對實際的電流與設置的電流進行對比，可以判定限流電阻器裝置有沒有被放入線路。監(jiān)測裝置硬件結構如圖2所示。

圖2 監(jiān)測裝置硬件結構

5.1 信號采集

本電路采用了一種泄漏電流傳感器收集鐵芯接地電流信息，以有源零磁通設計為基礎，可以實現(xiàn)“mA”的電流信號的收集，同時還具有很好的抗干擾性和抑制溫飄性能[2]。當采用電流采樣時，不能對原有裝置的工作線路進行調(diào)整，因此當采用電流傳感器進行信號抽取時，必須將其置于變壓器核心之外。

5.2 程控放大器設計

在變壓器鐵芯多點接地情況下，變壓器的電壓波動幅度較大，常規(guī)A/D 采集卡難以完成如此大的數(shù)據(jù)處理。采用PGA205 實現(xiàn)了程序控制的電路，PGA205作為可編程放大器芯片，成本較低，應用范圍廣，但是PGA205的放大倍率受到限制，難以實現(xiàn)更多信號的采集。由此設計3塊PGA205的電路，并對A0、A1、A2、A3、A4、A5 地址接口進行詳細的分析，使放大倍率高達512倍，滿足本設計中對信號的收集需求。程控放大器的設計原理如圖2所示。

圖3 程控放大器的設計原理

5.3 信號調(diào)理

5.3.1 鐵芯接地電流計算方法

系統(tǒng)芯接地電流是在諧波分析的基礎上計算的，從離散采樣信號讀出基波分量，使用的是離散傅里葉變換的方法，包括信號的振幅和相位角，并采用三角函數(shù)的正交消除干諧波和噪聲干擾，實現(xiàn)較大精度。高階諧波和噪聲信號為式（1）：

式（1）中：n=0，與該信號的DC成分相一致，n=1對應于該基本波形，n=k與K諧波對應。由該三角函數(shù)的正交得到式（2）：

信號諧波的幅數(shù)值是式（3）：

積分離散化到離散信號的過程為式（4）：

5.3.2 濾波器的選擇

現(xiàn)場采集的地面電流的模擬值較低，存在的高次諧波比較多，因此在進行模數(shù)轉前必須進行放大、過濾。如果使用常規(guī)的運放和RC構成的濾波電路，不僅器件數(shù)量多，參數(shù)調(diào)整也比較煩瑣，同時還會對濾波性能產(chǎn)生較大的干擾。本方案充分發(fā)揮MCU的功能，對MCU的資源進行數(shù)字濾波，可以減少硬件的復雜性、縮小電路的容量，還可以減少外界的影響，從而改善電路的工頻分量。在此基礎上，選用了切比雪夫II型低通數(shù)字濾波器，該濾波電路在同頻段中具有等波紋，相位響應優(yōu)于切比雪夫I型低通濾波電路。

5.4 A/D轉換單元

本設計使用了ADS1120芯片，該電路具有16位的A/D 變換電路，具有低功耗、低噪聲、精度高等優(yōu)點，不但可以每秒20000次的取樣速度，并且在一個循環(huán)中比較穩(wěn)定，內(nèi)置GPA 與PGA205 相結合，可以實現(xiàn)對程序控制的放大。

5.5 限流電阻單元

在接地電流大于100mA的情況下，在開關接觸K1，K2，K3取決所述的電流的幅值而被選定。電阻器R始終與線路平行，具有良好的防護功能。限流電阻單元如圖4所示，是電流限制裝置。

圖4 限流電阻單元

5.6 DSP芯片的選取

CPU選擇TMS320F28335，具有高性能、低功耗。TI公司中的TMS320C28X浮點DSP芯片，主頻率達到150MHz，具有I2C、SPI、eCAN、ePWM等多種總線，具有較高的成本、較低的功率消耗、功能強、外部設備集成性較強、較大的存儲容量、A/D變換速度/精度等特點能夠很好地適應本體系的需求。

5.7 報警功能

本設備具有預警的作用，在主設備判定有多個接地的情況下，當數(shù)值達到200mA以上時，會有警告訊息，提醒員工迅速采取相應的措施。當取樣數(shù)值達到100mA以上時，會有一個警告訊號，提醒員工進行預防追蹤測試，以盡早發(fā)現(xiàn)電流異常。

5.8 遠程數(shù)據(jù)通信

GPRS 模組G300 是一款與手機短消息、GPRS通信技術相結合的數(shù)傳模組，CPU 為32 位的Cortex-M3核心，具備高速數(shù)據(jù)傳輸和邏輯運算的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)SMS、GPRS 兩個通道并行工作，GPRS 數(shù)據(jù)一次傳輸1200 個字節(jié)，支持高速數(shù)據(jù)分組（2M）高速緩沖傳輸和接收[3]。

6 系統(tǒng)軟件開發(fā)

根據(jù)預先設置的取樣時間，G300將取樣數(shù)據(jù)傳送至后臺。采用背景指示改變?nèi)訒r間，使遠端背景和就地設備均能夠?qū)崟r顯示出地面電壓。背景數(shù)據(jù)查詢與存儲功能，可以繪出曲線圖，記錄當前的電流動態(tài)[4]。

7 結語

采用專用的程序控制放大器、切比雪夫II型低通濾波電路，實現(xiàn)了接地電流的信號進行預置，以確保數(shù)據(jù)的精確獲取。采用GPRS 模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳送，顯著地改善了設備維護工作效率。