电力变压器铁芯接地电流在线监测系统研究

2017-09-03胡文保侯云海韩峰波陈恩泽

科技与创新 2017年16期

关键词：程控限流铁芯

胡文保，侯云海，韩峰波，陈恩泽

（长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春130012）

电力变压器铁芯接地电流在线监测系统研究

胡文保，侯云海，韩峰波，陈恩泽

（长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春130012）

设计了一种变压器接地电流在线监测系统，用PGA205芯片设计程控放大器，使接地电流的精度得到进一步的提高，范围进一步扩大；用数字滤波器代替传统的RC滤波器，不仅可以快速、准确地提取信号的工频分量，还可以充分滤掉干扰信号。一旦接地电流超过额定值，该系统能够自动投入限流电阻来保护变压器，并且通过GPRS远程通信把实时电流信息发送至远程后台，方便电力工作人员远程监控，实现了变压器铁芯多点接地故障的早发现、早保护、早处理。

变压器；电流；在线监测；滤波器

电力变压器是电压变换、电能分配和传输的关键设备，同时也是故障率较高的环节，确保变压器的正常运行对人民生活、国家安全、社会稳定具有重大意义。

变压器正常运行时，油箱与带电的绕组之间存在电场，而铁芯处于该电场中。因为电容分布不均匀，场强各异，如果铁芯不可靠接地，则会产生充放电现象，破坏油的绝缘强度和固体绝缘，所以铁芯必须有一点可靠接地，且只允许一点接地。国标规定铁芯接地电流不能超过0.1 A[1]。虽然现在检测铁芯接地电流的方法很多，但是由于准确性低，实际效果不理想，铁芯接地电流的在线实时监测是预防和及时发现铁芯多点接地故障的最简单、最直接方法。

1 系统工作原理

变压器铁芯多点接地的时候，故障电流比变压器正常运行时候的电流大很多，最大电流可以达到几十安培，将会造成铁芯内部发热甚至烧毁。因此，如果能够实时在线监测接地电流，当电流过大时，能够及时在接地线上串入电阻，我们就可以暂时有效地解决这个问题。同时，通过通讯手段把变压器的运行情况传递给工作人员，他们根据情况及时采取相应的措施。

按照上述原理，设计出了一套安全、可靠、精度高而且能够在线监测铁芯接地电流的系统，原理图如图1所示。

2 系统硬件设计

电流传感器采集电流信号，经过信号调理电路的放大滤波之后，模数转换，然后在DSP上显示接地电流的数值，通过GPRS模块把数据发送给上位机，便于工作人员实时查看。限流电阻单元是否投入到电路中，是根据实时电流和设定电流比较之后来判断的。监测装置硬件结构如图2所示。

2.1 信号采集

图1 铁芯接地电流在线监测原理图

图2 监测装置硬件结构

本系统选用泄漏电流传感器来采集铁芯接地电流，它采用有源零磁通设计原理，能够采集“mA”级电流信号，并且具有很强的抗干扰能力和抑制温飘的特性。电流信号取样的时候不能改变原设备的运行接线状态，所以使用电流传感器作为信号提取单元提取信号时应该安装在变压器铁芯外。

2.2 程控放大器设计

由于变压器铁芯多点接地时的电流和正常运行时的电流相比，变化范围很大，一般的A/D采集芯片很难实现这么大范围的信号采集。这里运用PGA205来设计程控放大器。PGA205不仅便宜而且用途广泛，是一种可编程增益放大器芯片，但是一个PGA205芯片的放大倍数有限，很难满足本文的信号采集要求。因此本文将3个PGA205芯片串联，如图3所示，通过对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数达到512倍，很好地满足本系统的信号采集要求。

图3 程控放大器的设计原理图

2.3 信号调理

2.3.1 铁芯接地电流计算方法[2]

本系统铁芯接地电流基于谐波分析法来计算，从离散的采样信号中通过离散傅立叶变换的方法检测出信号的基波成分，包括信号的幅值和相角，同时使用三角函数的正交性，排除谐波和噪声的干扰，从而尽可能达到更高的精确度。包含有高次谐波及噪声信号，连续信号X（t）表示为：

其中，n＝0对应信号的直流分量，n＝1对应基波信号，n＝k则对应k次谐波。根据三角函数的正交性，得：

信号各次谐波的幅值为：

积分离散化得到离散信号，表示为：

2.3.2 滤波器的选择

由于现场采集到的接地电流模拟信号很微弱而且有很多高次谐波，所以在模数转换之前需要对模拟信号进行放大和滤波处理。若是采用普通的运算放大器和RC组成的滤波器，不但元件多，参数调节复杂，而且杂散电容也会在很大程度上影响滤波器特性[3]。本系统利用MCU自身的资源，实现数据的数字滤波，不仅能降低硬件的复杂度，减小电路体积，还能削弱周围环境带来的干扰，提高电路性能，准确地提取信号的工频分量。本文采用切比雪夫II型低通数字滤波器，它在通带内单调，并且在阻带内是等波纹的，相位响应比切比雪夫I型低通数字滤波器更加线性。

2.4 A/D转换单元

本系统采用ADS1120芯片，它是一种高速、低功耗、低噪声、精密的16位用于小信号传感器的A/D转换器。不仅可以以2 000次/s采样数据速率来执行转换，而且在单周期内相对比较稳定。它内部的GPA提供高达128 V/V的增益，可以和PGA205配合来设计程控放大器。

2.5 限流电阻单元

当接地电流超过100 mA时，继电器触点K断开，同时根据电流大小来选择闭合触点K1、K2、K3。电阻R是一直并联在电路中的，对电路起到了很好的保护作用。图4为限流电阻单元。

图4 限流电阻单元

2.6 DSP芯片的选取

CPU选用IT公司推出的高性能、低功耗TMS320F28335处理器。它是TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器，主频高达150 MHz，具备I2C、SPI、eCAN、ePWM等总线接口，它价格低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据和程序存储量大，A/D转换更加快速/精确，可以很好地满足本系统的要求。

2.7 报警功能

本系统有报警功能，当主机判断多点接地存在时，采样值稳定且超过200 mA后，发出提示信号，提醒工作人员应尽快采取措施处理；采样值稳定且超过100 mA后，发出提示信号，提醒工作人员应该进行预防性跟踪试验，尽快找出电流异常的原因[4]。

2.8 远程数据通信

本文采用北京接麦通信器材有限公司生产的GPRS模块G300。G300是兼容短信和GPRS通信方式的数传模块，CPU采用32位高性能Cortex-M3核的ARM处理器，具有快速数据交换和逻辑处理能力，短信和GPRS 2种信道可以同时工作，GPRS数据一次可收发1 200字节，支持大数据包（2M字节）缓存收发功能。