电力变压器铁芯接地电流在线监测系统研究

2023-05-17云南电网有限责任公司红河供电局罗开鹏张琼华段志龙

电力设备管理 2023年3期

云南电网有限责任公司红河供电局罗开鹏张琼华段志龙

1 引言

电力变压器是电压变换、电能分配与传递的重要装置，也是故障发生率较高的部分，变压器正常的运行直接关系到人民生活、国家安全和社会稳定。当变压器在正常工作时，油箱与带电的绕组有一个磁场，而铁芯处在这个磁场中。由于变压器内部电容不均匀分布，磁场大小各异，若铁芯接地出现问题，会出现放电的情况，从而影响到坏油的绝缘强度和固体绝缘[1]。因此，铁芯需要稳定的接地线，并且仅有一个接地线。根据国家标准要求，铁芯接地电流不得大于0.1A。目前已有多种方法来测量铁芯接地电流，但精度较差，并不能保证实际效果。因而对铁芯接地电流进行在线监控，可以有效的防止并及时地发现铁芯多点接地故障。

2 电力变压器在线监测的目的

变压器作为电网的主要部件，价格非常昂贵，安全、可靠地运行直接关系到电网的供电可靠性和系统的正常运转。但是，由于变压器经常会出现故障，对电网的安全运行产生了严重的影响，而且对电网企业及使用者都会带来较大的经济损失。所以，对电力变压器的工作状况进行实时的在线监控是非常必要的。在电网运行过程中，在线监测技术将发挥巨大的优势，使设备的利用率得到保证，可以减少零件备件库存，降低零件更换与维护成本。有针对性地进行维护，可以改善维护工作的质量，保证运行更加安全稳定，能够反馈给生产厂家更为全面、精确的设备质量资讯，从而改善产品的质量等。

3 变压器铁芯接地理论分析

3.1 铁芯可靠接地的必要性

国内现在大中型变压器使用一套管将铁芯引到油箱外侧，进行接地处理，并且整个操作中只有一个点进行接地。变压器绕组周围会有磁场存在，在磁场中夹件或者铁芯等金属零件所处的位置并不相同，但是所受到的磁场影响效果是一致的。所以，铁芯电位与夹件电位是不相同的，当出现多个铁芯接地情况，两个接地点与铁芯在回路中会出现闭合回路，形成循环电流。电流逐渐从微安增至安培，可以高达数十安培，铁芯有发热情况，从而导致变压器的铁芯短路，甚至有可能出现铁芯的局部烧毁，导致铁芯硅钢片损坏。根据相关数据显示，多个铁芯接地引起的意外事件在所有的变压器故障中排名第三。采用高阻计测量变压器内部铁芯两端的电阻进行测试，得出的直流电阻是非常低的。当多个铁芯接地时，在油箱中会产生低阻回路，此情况下切断磁场，从而引起环流。

3.2 变压器铁芯的正常接地方式

变压器夹件是否需要接地取决于特殊的构造，而高电压等级的变压器的固定部件和大型的金属构件则应与其连接。高电压等级的变压器的铁芯接地问题，铁芯可以用夹件和油箱连接，也可以用套管来接地面，方便对铁芯的接地电流在线监控。通常，功率小于50000kVA 的变压器接地方式是由一根铜导线将其同一侧的两个导线连在一块，从而实现接地。本方法在变压器内进行，无须经套管抽出油箱，但应将连接上、下扼的接地片置于芯体的相同一侧，而对接地板的插入位置也有很严格的要求。

3.3 常见铁芯多点接地类型与原因

很多因素导致了铁芯多点接地，从制造到施工，只要其中的一个环节出现的失误，就会导致多个铁芯的接地。具体原因：一是变压器在实际的运输中，考虑到变压器有较多的引线，结构也是比较复杂的，体积较大，首先会将其拆分为多个零件，然后在现场进行组装。在输送过程中，变压器会发生偏移，必须用定位销对油箱顶盖固定，若安装完毕后未将其卸下或翻转，则会产生铁芯多点接地情况。二是在变压器制造时，因技术上的问题，造成了铁扼螺杆不满足规定要求，如果铁扼螺杆的套管太大，则会在变压器的内部与线圈铁扼片接触，从而产生新的接地点。三是在变压器的实际装配中，若不做好防水处理，雨水和大雪之后，可能会有水渗入到变压器中。在潮湿的条件下，铁芯会出现新的接地点。四是在变压器的实际操作中，由于有外来物质进入油浸变压器油箱，使得铁芯叠片和油箱体相连接，形成了一个新的接头点。

4 系统工作原理

当一个变压器的多个铁芯接地，其短路电流与正常运行下的变压器电流高出很多，可以超过数十个安培，使铁芯内部出现发热情况，甚至有烧毁情况。若能对接地电流进行在线监控，在出现大电流的情况下，将电阻器插入到接地线中，可以临时解决这种问题。同时，将电力系统的工作状态及时的传达给工作人员，工作人员根据实际情况，及时做出反应。根据以上理论，研制了一套具有高精度、安全可靠的在线监控装置，铁芯接地电流在线监测原理如图1所示。

图1 铁芯接地电流在线监测原理

5 系统硬件设计

本电流感应器收集到的电流，由信号处理电路进行放大、过滤，再由模数将其输出到DSP 中，由GPRS将所得数据上传给主机，方便操作人员进行即时查询。通过对实际的电流与设置的电流进行对比，可以判定限流电阻器装置有没有被放入线路。监测装置硬件结构如图2所示。

图2 监测装置硬件结构

5.1 信号采集

本电路采用了一种泄漏电流传感器收集铁芯接地电流信息，以有源零磁通设计为基础，可以实现“mA”的电流信号的收集，同时还具有很好的抗干扰性和抑制温飘性能[2]。当采用电流采样时，不能对原有装置的工作线路进行调整，因此当采用电流传感器进行信号抽取时，必须将其置于变压器核心之外。

5.2 程控放大器设计

在变压器铁芯多点接地情况下，变压器的电压波动幅度较大，常规A/D 采集卡难以完成如此大的数据处理。采用PGA205 实现了程序控制的电路，PGA205作为可编程放大器芯片，成本较低，应用范围广，但是PGA205的放大倍率受到限制，难以实现更多信号的采集。由此设计3块PGA205的电路，并对A0、A1、A2、A3、A4、A5 地址接口进行详细的分析，使放大倍率高达512倍，满足本设计中对信号的收集需求。程控放大器的设计原理如图2所示。

图3 程控放大器的设计原理

5.3 信号调理

5.3.1 铁芯接地电流计算方法

系统芯接地电流是在谐波分析的基础上计算的，从离散采样信号读出基波分量，使用的是离散傅里叶变换的方法，包括信号的振幅和相位角，并采用三角函数的正交消除干谐波和噪声干扰，实现较大精度。高阶谐波和噪声信号为式（1）：

式（1）中：n=0，与该信号的DC成分相一致，n=1对应于该基本波形，n=k与K谐波对应。由该三角函数的正交得到式（2）：

信号谐波的幅数值是式（3）：

积分离散化到离散信号的过程为式（4）：

5.3.2 滤波器的选择

现场采集的地面电流的模拟值较低，存在的高次谐波比较多，因此在进行模数转前必须进行放大、过滤。如果使用常规的运放和RC构成的滤波电路，不仅器件数量多，参数调整也比较烦琐，同时还会对滤波性能产生较大的干扰。本方案充分发挥MCU的功能，对MCU的资源进行数字滤波，可以减少硬件的复杂性、缩小电路的容量，还可以减少外界的影响，从而改善电路的工频分量。在此基础上，选用了切比雪夫II型低通数字滤波器，该滤波电路在同频段中具有等波纹，相位响应优于切比雪夫I型低通滤波电路。

5.4 A/D转换单元

本设计使用了ADS1120芯片，该电路具有16位的A/D 变换电路，具有低功耗、低噪声、精度高等优点，不但可以每秒20000次的取样速度，并且在一个循环中比较稳定，内置GPA 与PGA205 相结合，可以实现对程序控制的放大。

5.5 限流电阻单元

在接地电流大于100mA的情况下，在开关接触K1，K2，K3取决所述的电流的幅值而被选定。电阻器R始终与线路平行，具有良好的防护功能。限流电阻单元如图4所示，是电流限制装置。

图4 限流电阻单元

5.6 DSP芯片的选取

CPU选择TMS320F28335，具有高性能、低功耗。TI公司中的TMS320C28X浮点DSP芯片，主频率达到150MHz，具有I2C、SPI、eCAN、ePWM等多种总线，具有较高的成本、较低的功率消耗、功能强、外部设备集成性较强、较大的存储容量、A/D变换速度/精度等特点能够很好地适应本体系的需求。