新型变压器铁芯接地电流在线监测装置的设计和应用

梅　凡，金　剑，孙　进，徐友刚，沈　伟

(国网上海市电力公司青浦供电公司，上海　201799)

新型变压器铁芯接地电流在线监测装置的设计和应用

梅凡，金剑，孙进，徐友刚，沈伟

(国网上海市电力公司青浦供电公司，上海201799)

摘要：针对目前变压器铁芯接地电流检测精度低、时效差的问题，设计了一种新型变压器铁芯接地电流在线监测装置。采用高精度穿心式电流互感器及时获取真实铁芯接地电流信号，结合软硬件电路系统设计与通信技术，该装置能够实现变压器铁芯电流实时监测、越限报警、数据存储和查询功能。目前，该装置已经在上海青浦地区部分变电站投入使用，运行效果良好,表明该装置具有可行性与实用性。

关键词：变压器；铁芯接地电流；在线监测

电力系统中变压器安全运行时，要求铁芯必须有且只有一点可靠接地，一旦形成两点或多点接地时，接地点就会形成闭合回路，造成环流，引起变压器局部过热，造成绝缘性能降低，将严重威胁变压器和电力系统的安全运行。目前，国内外主要通过测量变压器铁芯接地电流大小的方法来判断变压器铁芯接地情况，正常运行时铁芯接地电流大小为毫安级，当达到100mA及以上时，需要对其进行跟踪处理。

现阶段，电力工作人员主要通过使用钳形电流表测量变压器铁芯接地引出线电流的方法来反映铁芯接地电流，这容易受现场强电磁干扰影响，测量精度和时效性都比较差；而且浪费人力物力，对于某些无人值班的变电站做不到实时的测量，存在安全隐患。这种方法不能对变压器的运行状况做出全面、准确的判断。本文研究开发出一种新型变压器铁芯接地电流在线监测装置，用来解决传统监测方法中的很难保证测量数据的精度和时效性的问题以及定期巡检无法保证及时发现铁芯多点接地故障的问题。目前，该装置已经在青浦地区部分变电站投入使用，运行结果良好，电力工作人员能够顺利快速的完成对变压器铁芯电流日常的在线监测、现场维护，保证了变压器安全稳定运行。

1在线监测装置结构设计

变压器铁芯接地电流在线监测装置主要由变压器铁芯电流采集系统、监测系统以及通信系统构成，装置总体设计架构如图1所示。

图1　装置总体设计架构

根据设计方案，需要对系统的硬件和软件部分分别设计：选取合适的泄露电流互感器的类型，采用模块化设计，硬件电路的设计和相关元器件的选取，软件程序设计。形成一套微机监控系统，完成人机互动功能。采用GSM通信技术方案，设计通信协议，并且进行大量的阶段性测试工作。考虑到运行维护的实际需求和变压器铁芯接地电流的在线监测与告警，预留接口，后期可以扩展为区域性的变电站监测系统，实现与现有的监测系统对接功能。

1.1硬件设计

变压器铁芯接地电流在线监测装置由穿心式电流互感器、信号采集与处理电路、通信及显示接口等组成，其组成如图2所示。

图2　在线监测装置工作原理图

在线监测装置与变压器铁芯接地引下线没有任何电气连接，不影响变压器的运行。装置采用STM32F405RGT6控制器，基于高性能ARMCortex-M4 32位内核，能在高达168MHz的频率下运行支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型，具备高速嵌入式存储器。

变压器铁芯接地电流通过穿心式电流互感器隔离变换为小信号，经信号转换、滤波与放大等调理电路；由模数转换器变换为数字信号，微处理器经过数字滤波与运算获得铁芯接地电流。本地显示接口显示实时铁芯接地电流值，可设置报警限值，装置可通过隔离RS485/CAN/GSM通信接口与状态监测系统等后台实时通信，实现人机互动功能。

同时，装置具有限流电阻投切控制单元接口，当电流超过设定限值时自动逐档投入限流电阻(4档阻值)以降低接地电流作为应急措施，电流低于限值时自动切除限流电阻。

1.2软件设计

软件设计要求监测装置除工作外都处于休眠状态，当收到唤醒命令时，会立即从休眠状态唤醒，通过短时的运行状态，完成接地电流采集，当发送成功后再次进入休眠状态，这不仅节能而且延长装置使用周期。

监测装置的软件驱动程序主要是由C语言编写，具有可读性强，良好的模块化思想以及易维护等优点。主要实现信号的采集、计算；实时数据的存储、显示以及通信等功能，程序主流程图如图3所示。

图3　软件设计总流程图

1.3通信方案设计

本监测装置支持GSM通信技术，GSM短信息服务(SMS，shortMessageService)作为GSM网络的一种基本业务，是最为简单和方便的数据通信方式，运行成熟稳定、成本低廉。

变压器铁芯接地电流的在线监测与预警功能通过人机互动来实现，就地装置和后台监控装置将测量数值以短信形式发送到工作人员手机，通过设定不同的限值、预警值，当监测装置判断多点接地存在时，测量值稳定且大于300mA后，向工作人员手机发出告警短信，提示工作人员变压器发生铁芯接地，应尽快处理；测量值稳定且大于100mA后，向工作人员手机发出提示短信，提醒工作人员应进行预防性跟踪试验，尽快找出接地电流变大的原因。

2在线监测装置应用

变压器铁芯接地电流在线监测装置可适应各种环境条件下对变压器进行监测，根据不同的应用需求，装置可配置为接入变电设备综合状态监测系统、独立GSM短信实现监测、或两者结合应用。功能示意图如图4所示。

图4　在线监测装置应用示意图

为了有效地抑制电磁干扰、准确获取接地电流信息以及承受电力系统频繁操作所带来的过电压冲击影响，设计出一套浪涌保护电路系统，对电流信号采集测量电路合电源电路等接口进行了过电压保护电路的设计，有效提高了监测装置抗浪涌的保护能力。通过各种有效措施，增强了装置的抗干扰能力和可靠性。

首先在实验室按照整套监测装置设计方案对其进行软硬件的联机调试，不断修改和优化，调试相关流程，并在实验室内模拟生产现场的各种情况进行测试。包括变压器铁芯电流在正常范围内、超过预警值、超过报警值的测量；在线监测装置LED数码显示的电流值与标准值的误差；预警报警和短信周期性自动发送等功能均通过验收。

采集端穿心式电流互感器直接安装至铁芯接地引出线的合适位置，现场安装监测装置情况如图5所示。

图5　采集端现场安装示意图

监测装置本体现场安装情况如图6所示。

图6　在线监测装置本体现场安装

目前，本套变压器铁芯接地电流在线监测装置已经在青浦地区35kV袁家变电站2号主变压器上进行了现场测试和应用，完成变压器铁芯接地电流的实时采集与显示，历史数据存储、越限自动报警、采样周期短信发送、报警阈值和通信参数可设置等功能。该套监测装置操作简单，使用方便，运用灵活，实现了预期的技术和期望要求。下一阶段，根据该装置应用效果和现场实际需求将进一步推广在更多的变电站中使用，实现主变检修状态的重要依据。

3结语

本文设计并开发的新型变压器铁芯接地电流在线监测装置在现场实际应用中，监测装置工作稳定可靠，测量精度高，还具有数据存储、越限自动报警、采样周期短信发送、报警阈值和通信参数可设置等功能。

参考文献：

[1]方浩. 基于STM32的铁芯接地电流无线在线监测装置设计[J]. 无线互联科技,2015(3):21-22.

[2]徐康宁, 张科峻. 变压器在线监测技术的发展趋势[J]. 电力安全技术,2014(9):64-67.

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YANGJun,LINWei,XIANGDong-dong,etal.PreferredSelectionStudyonTransformerOnlineMontoringEquipment[J].ElectrotechnicsElectric, 2014(10):44-47.

[4]叶启明. 变压器铁芯接地电流在线监测装置[J]. 电气时空,2010(4):24-25.

(本文编辑：赵艳粉)

Design and Application of a New Type of Online Monitoring Device for Transformer Core Earthing Current

MEI Fan, JIN Jian, SUN Jin, XU You-gang, SHEN Wei

(QingpuPowerSupplyCompany,SMEPC,Shanghai201799,China)

Abstract:In view of the current problem of the low detection precision and low efficiency, this paper presents a new type of on-line monitoring device of transformer core earthing current. By using high precision straight-through current transformer to get the real signal of transformer core earthing current in time, combined with the software and hardware circuit system design and communication technology, the device has realized the functions of real-time monitoring of transformer core earthing current, core earthing current limit alarm, and data storage and query. At present, the device has been applied in some transformer substations in Qingpu District of Shanghai, and works well, which indicates that the device is feasible and practical.

Key words:transformer; core earthing current; online monitoring

DOI：10.11973/dlyny201603011

作者简介：梅凡(1987)，男，硕士，工程师，从事供电企业变电检修、电气试验工作。

中图分类号：TM41

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)03-0311-03

收稿日期：2016-02-23