CN101387676B - 大型变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统 - Google Patents
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Abstract
一种大型变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统，其特点是：它包括现场监测控制电路、远程计算机、保护电路和变压器的铁心及夹件，监测控制电路包括主机电路分别与量程变换电路、键盘显示驱动电路、时钟电路、无线通讯收发电路、驱动控制电路连接，传感器电路与量程变换电路连接，变压器铁心及夹件引出线与传感器电路连接，驱动控制电路与保护电路连接，无线通讯收发电路与远程计算机连接，远程计算机与保护电路连接。能够对变压器铁心、夹件故障参数进行实时监测，并对现场监测的数据、波形进行计算、分析，判断变压器内部故障点位置，实现铁心及夹件绝缘的故障诊断，并实现现场或远程报警，具有保护功能，提高变压器安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及监测与控制技术领域，是一种大型变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统
背景技术
目前，对变压器铁心及夹件的监测还没有一个有效的监测手段。变压器铁心绝缘在线监测装置是铁心正常时的一点接地或发生多点接地故障时，是利用铁心引出线的接地电流，经取样后进行监测的。大型变压器铁心通过外壳小套管引出变压器箱体接地。对于变压器铁心，为消除铁心产生悬浮电位造成对地放电，变压器铁心要保持一点接地。为防止铁心硅钢片间的短路形成环流造成故障，不允许多点接地。正常情况下铁心接地电流只有毫安级，但当铁心发生多点接地故障时，该接地点的电流可增大为数安培到数十安培以上，严重时总烃成分明显增大，油中产生气体量的增加甚至造成气体继电器的动作；为了能及时发现铁心多点接地故障，以便采取相应的措施，应对变压器铁心接地电流进行监测。该项目的应用对提高变压器安全运行和自动化管理水平具有积极的作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种监测数据准确、预防性好、能抑制故障的扩张，确保变压器安全运行的大型变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统。
解决其技术问题所采取的技术方案是，将现有技术的单元电路进行创造性有机的优化组合、改进和连接，提出一种大型变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统，其特征是：它包括现场监测控制电路10、远程计算机12、保护电路11和变压器的铁心及夹件9，所述的监测控制电路10包括主机电路1分别与量程变换电路7、键盘显示驱动电路2、时钟电路3、无线通讯收发电路5、驱动控制电路4相连接，传感器电路6的输出端与量程变换电路7的输入端相连接，在不改变变压器原有接线方式的条件下，变压器的铁心及夹件9的引出线与现场监测控制电路10的传感器电路6的输入端相连接，现场监测控制电路10的驱动控制电路4输出端与保护电路11输入端相连接，无线通讯收发电路5与远程计算机12通过无线信号连接，远程计算机12与保护电路11通过无线信号连接。
所述的主机电路1包括单片机芯片IC1，晶振Y1、电容C15～C18、电阻R28～R30和接口插座J1相连接。
所述的传感器电路6包括结构相同的两个回路，其一为变压器铁心泄漏电流传感器的铁芯T11、T12、电阻R1、R2、R23、电容C1、运算放大器IC15、IC16、电阻R52～R57、电容C25、C26、稳压管DZ1、DZ2、一次线圈N11、二次线圈N12、补偿线圈N13、检测线圈N14相连接；其二为变压器夹件泄漏电流传感器的铁芯T21、T22、电阻R12、R13、R24、电容C4、运算放大器IC17、IC18、电阻R58～R63、电容C27、C28、稳压管DZ6、DZ7、一次线圈N21、二次线圈N22、补偿线圈N23、检测线圈N24相连接。
所述的量程变换电路7包括结构相同的两个回路，其一运算放大器IC10、IC11、转换开关IC9、电阻R3～R11、稳压管DZ3、DZ4、二极管D1～D4、电容C2、C3相连接，其二运算放大器IC13、IC14、转换开关IC12、电阻R14～R22、稳压管DZ8、DZ9、二极管D5～D8、电容C5、C6相连接。
所述的键盘显示驱动电路2包括显示驱动芯片IC8、晶振Y2、电容C20～C24、数码管LED、按键S1～S4、电阻R33～R46、指示灯LED1～LED6相连接。
所述的时钟电路3包括时钟芯片IC6、二极管D9、D10、电阻R31、R32、电容C19、电池BATTERY相连接。
所述的无线通讯收发电路5包括数据通讯收发芯片IC7、电阻R47～R51、SIM卡座、三极管B1、指示灯XD相连接。
所述的驱动控制电路4包括驱动控制芯片IC5分别与反相器IC4-1、IC4-2、IC4-3、IC4-4、继电器Q1、Q2、Q3、Q4相连接。
所述保护电路11包括功率控制开关K1～K4、电阻R64～R66相连接。
本发明大型变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统，由于能够对变压器铁心及夹件等外围设备的绝缘故障进行时实监测与保护，满足了国家电网公司《电力设备预防性试验规程》的要求，同时也提高了变电站的自动化管理水平；本发明具有监测数据准确、预防性好、能抑制故障的扩张，确保变压器安全运行，变压器的使用寿命长，节能降耗效果显著，推广应用前景广泛等优点。
附图说明
图1是本发明的连接结构方框图。
图2是现场监测控制电路10部分电路原理示意图。
图3是现场监测控制电路10另一部分电路原理示意图。
图4是现场监测控制电路10的无线通讯收发电路5原理示意图。
图5是保护电路11原理示意图。
图中：1主机电路，2键盘显示驱动电路，3时钟电路，4驱动控制电路，5无线通讯收发电路，6传感器电路，7量程变换电路，8电源电路，9变压器的铁心及夹件，10现场监测控制电路，11保护电路，12远程计算机。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本发明作进一步描述。
参照图1，大型变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统，其特征是：它包括现场监测控制电路10、远程计算机12、保护电路11和变压器的铁心及夹件9，所述的监测控制电路10包括主机电路1分别与量程变换电路7、键盘显示驱动电路2、时钟电路3、无线通讯收发电路5、驱动控制电路4相连接，传感器电路6的输出端与量程变换电路7的输入端相连接，在不改变变压器原有接线方式的条件下，变压器的铁心及夹件9的引出线与现场监测控制电路10的传感器电路6的输入端相连接，现场监测控制电路10的驱动控制电路4输出端与保护电路11输入端相连接，无线通讯收发电路5与远程计算机12通过无线信号连接，远程计算机12与保护电路11通过无线信号连接。变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统对变压器铁心及夹件等外围设备的泄漏电流及故障时电位变化实施控制和保护。变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统的远程计算机12通过无线通讯收发电路5与现场监测控制电路10的主机电路1交换数据，现场监测控制电路10监测数据可在现场实时显示和传送到远程计算机12进行显示，同时通过保护电路11对变压器进行保护控制。
参照图1～图4，所述的监测控制电路10包括主机电路1分别与量程变换电路7、键盘显示驱动电路2、时钟电路3、无线通讯收发电路5、驱动控制电路4相连接，传感器电路6的输出端与量程变换电路7的输入端相连接，电源电路8为上述电路供电。在不改变变压器原有接线方式的条件下，变压器的铁心及夹件9的引出线与现场监测控制电路10的传感器电路6的输入端相连接，现场监测控制电路10的驱动控制电路4输出端与保护电路11输入端相连接，无线通讯收发电路5与远程计算机12通过无线信号连接，远程计算机12与保护电路11通过无线信号连接。
所述的主机电路1包括单片机芯片IC1，晶振Y1、电容C15～C18、电阻R28～R30和接口插座J1相连接。完成现场监测控制电路10的数据运算、数据处理、控制逻辑、功能扩展的功能。单片机芯片IC1采用型号为C8051F020的8位单片机。单片机芯片IC1的引脚XTAL1和XTAL2接于11.0592MHz的片外晶振Y1两端，电容C17、C18均为30pf。片外晶振Y1和电容C17、C18组成振荡器，提供系统的工作频率，电阻R28、R29、电容C15、C16组成复位电路。
所述的传感器电路6包括结构相同的两个回路，其一为变压器铁心泄漏电流传感器的铁芯T11、T12、电阻R1、R2、R23、电容C1、运算放大器IC15、IC16、电阻R52～R57、电容C25、C26、稳压管DZ1、DZ2、一次线圈N11、二次线圈N12、补偿线圈N13、检测线圈N14相连接；其二为变压器夹件泄漏电流传感器的铁芯T21、T22、电阻R12、R13、R24、电容C4、运算放大器IC17、IC18、电阻R58～R63、电容C27、C28、稳压管DZ6、DZ7、一次线圈N21、二次线圈N22、补偿线圈N23、检测线圈N24相连接。传感器均采用磁动势零磁通传感器。
对于磁特性和尺寸相同的铁心T11和T12，若没有补偿励磁绕组N13，则两个铁心的磁特性状态完全相同，负荷所需能量由铁心和励磁绕组共同提供，如果补偿回路串接外加补偿电动势，则补偿绕组产生补偿电流，铁心磁动势重新平衡，负荷所需能量由铁心和励磁电流联合提供，使铁心的工作点发生变化。调整外加补偿电动势，可使二次负荷全部由铁心T12承担，使铁心T11中达到零磁通，从而实现电流的高准确度采集。其中IC15、电阻R52～R55和电容C25、C26相连接，获取N14的电压，构成相位误差补偿电路，IC16与电阻R56、R57相连接，提供线圈N13的励磁电流进行补偿。
所述的量程变换电路7包括结构相同的两个回路，其一运算放大器IC10、IC11、转换开关IC9、电阻R3～R11、稳压管DZ3、DZ4、二极管D1～D4、电容C2、C3相连接，其二运算放大器IC13、IC14、转换开关IC12、电阻R14～R22、稳压管DZ8、DZ9、二极管D5～D8、电容C5、C6相连接。转换开关为IC9、IC12为转换开关CD4051，主机电路1的单片机IC1的管脚P4.0、P4.1、P4.2、P1.0、P1.1、P1.2分别连接到转换开关芯片IC9的管脚11、10、9、转换开关芯片IC12的管脚11、10、9，根据当前测量电流的大小，改变转换开关芯片IC9、转换开关芯片IC12的导通通道，调整运算放大器的比例系数，完成电流的准确测量。
所述的键盘显示驱动电路2包括显示驱动芯片IC8、晶振Y2、电容C20～C24、数码管LED、按键S1～S4、电阻R33～R46、指示灯LED1～LED6相连接。显示驱动芯片IC8的型号为ZLG7290。显示驱动芯片IC8采用ZLG7290作为LED数码管的驱动电路，需外加上拉电阻R43、R44、R45和晶振Y2，内含位和段驱动电路及动态扫描控制电路。由显示驱动芯片IC8的3脚、4脚、5脚、6脚、12脚13脚21脚22脚分别控制数码管LED的8个位，显示驱动芯片IC8的23、24、1、2、7、8、9、10脚分别接LED数码管的A、B、C、D、E、F、G对应的7个段和小数点DP。显示驱动芯片IC8的19、20、14脚接主机电路1的单片机芯片IC1的P3.1、P03.2、P3.3口，按照时钟脉冲P3.3的时序，通过数据线P3.2将控制字及监测数据送入显示驱动芯片IC8的20脚。按键S1～S4分别与主机电路1单片机IC1的管脚P3.4、P3.5、P3.6、P3.7相连，读取键盘信息，进行菜单管理，翻阅参数和写入定值，按键S1～S4又与电阻R33～R36连接，起限流作用。发光二极管LED1～LED6分别作为现场监测控制电路10的运行指示、数据接收指示、数据发送指示、故障报警指示及故障类型指示，电阻R37～R42作为各指示灯的限流电阻，主机电路1的单片机IC1的管脚P2.0～P2.5作为指示灯的控制线。
所述的时钟电路3包括时钟芯片IC6、二极管D9、D10、电阻R31、R32、电容C19、电池BATTERY相连接。所述的时钟电路3为现场监测装置提供存放历史数据的年、月、日、时刻，由时钟芯片IC6的管脚2、管脚13分别与主机电路1的单片机IC1的P2.6、P2.7相连接，按照时钟脉冲P2.6的时序，通过数据线P2.7对时钟芯片IC6写控制信息及读取时间数据，时钟芯片IC6的管脚2、管脚13连接上拉电阻R31、R32，时钟芯片IC6的管脚6通过二极管D9与电池BATTERY连接，作为时钟芯片IC6的后备电源。时钟芯片IC6的型号为RX-8025。
所述的无线通讯收发电路5包括数据通讯收发芯片IC7、电阻R47～R51、SIM卡座、三极管B1、指示灯XD相连接。
无线通讯收发电路5为现场监测数据与远程计算机12进行数据交换，数据通讯收发芯片IC7与电阻R47～R51、天线、SIM卡座、三极管B1、指示灯XD连接组成，数据通讯收发芯片IC7的管脚11、60、59、58、57、55连接3.7V电源，数据通讯收发芯片IC7的管脚6、30、34、52分别连接电阻R47、R48、R49、R50，作为数据通讯收发芯片IC7的启动信号等作用，数据通讯收发芯片IC7的天线连接脚连接天线，数据通讯收发芯片IC7的管脚50、40、9、7、5、3分别连接SIM卡座的管脚4、8、1、7、2、3，三极管B1连接电阻R51、R50和运行指示灯XD。
数据通讯收发芯片IC7采用法国生产的Wacome Q2406A芯片，完成无线通讯的各种功能，通过移动服务中心进行信息收发的应用服务，数据经过Internet无线公网进行传送，其中服务中心完成信息的存储和转发功能，无线通讯网络为一点到多点的远程无线双向通信和监测控制系统。
所述的驱动控制电路4包括驱动控制芯片IC5分别与反相器IC4-1、IC4-2、IC4-3、IC4-4、继电器Q1、Q2、Q3、Q4相连接。驱动控制芯片IC5的型号为ULN2003，反相器IC4-1、IC4-2、IC4-3和IC4-4的型号为74LS04。主机电路1的单片机芯片IC1发出的控制命令分别由引脚P1.3～P1.6完成，主机电路1的单片机芯片IC1的引脚P1.3～P1.6分别接反相器IC9-1、IC4-2、IC4-3和IC4-4的9脚、5脚、3脚和13脚，反相器IC4-1、IC4-2、IC4-3和IC4-4的输出8脚、6脚、4脚、12脚连接驱动控制芯片IC5的5脚、4脚、3脚、2脚，继电器Q1、Q2、Q3、Q4分别接驱动控制芯片IC5的12～15脚，ULN2003为达林顿结构的驱动电路，没有控制命令时主机电路1的单片机芯片IC1的引脚P1.3～P1.6为高电平，其中某一位变为低电平时驱动相对应的继电器动作。
所述的电源电路8包括稳压芯片IC2、IC3、电阻R25、R26、电感L1、电容C8～C14、稳压二极管DZ11连接，为主机电路1、显示驱动电路2、时钟电路3、驱动控制电路4、无线通讯收发电路5、传感器电路6、量程变换电路7供电。稳压芯片IC2的型号为AS117，稳压芯片IC3的型号为LM2596-ADJ。稳压芯片IC3经滤波后提供3.7V电压供给Wecome Q2406A，稳压芯片IC2经滤波后提供3.3V电压供给CPU和各芯片。
现场监测控制电路10的主机电路1、驱动控制电路4、时钟电路3、无线通讯收发电路5、量程变换电路7、电源电路8装在一块电路板上；键盘显示驱动电路2装在第二块电路板上；传感器电路6装在第三块电路板上。三块板之间分别通过电缆进行连接。
参照图5，所述保护电路11，现场监测控制电路10控制输出与保护电路11通过电缆连接，保护电路11包括功率控制开关K1～K4、电阻R64～R66连接。铁心电流正常时，K1、K2、K3、K4都处于闭合状态，总的限流电阻为0Ω，若电流超标，则将K1打开，此时相当于R64～R66三支路电阻并联，若仍超标，则依次打开K2、K3、K4，直到将铁心电流限制在100mA以下。当不稳定的多点接地故障消失后，则需要减小限流电阻，此时，退电阻与投电阻的过程相反，方法是依次将K4、K3、K2、K1闭合。总之控制系统投入的限流电阻既要将电流限制在0.1A以下，又要保证回路中串入的电阻最小。采用上述控制方法的优点在于控制的稳定性好，控制程序的编写较简单，不会出现多次开合继电器而不能将电流控制在合理范围之内的问题。
本发明的所涉及的电子元器件均为市售产品。
本发明大型变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统的远程计算机软件程序可根据具体应用场合的目标监测与控制的需要，依据自动控制技术和计算机数据处理技术编制，软件程序编制是本领域技术人员所熟悉的技术。远程计算机软件程序完成变压器铁心、夹件故障参数的远程实时监测，并对现场监测的数据、波形进行计算、分析，判断变压器内部故障点位置，实现铁心及夹件绝缘的故障诊断。
本发明大型变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统的样机经过在长春超高压局包家500kV变电站18个月的运行，运行结果表明，本发明满足了国家电网公司《电力设备预防性试验规程》的要求，同时提高了变电站的自动化管理水平；本发明监测、分析数据准确，预防性好，及时避免了多起变压器恶性事故的发生，确保了变压器安全运行，延长了变压器的使用寿命，具有广泛的推广应用前景。
Claims (3)
1.一种大型变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统，它包括现场监测控制电路(10)、远程计算机(12)、保护电路(11)和变压器的铁心及夹件(9)，所述的监测控制电路(10)包括主机电路(1)分别与量程变换电路(7)、键盘显示驱动电路(2)、时钟电路(3)、无线通讯收发电路(5)、驱动控制电路(4)相连接，传感器电路(6)的输出端与量程变换电路(7)的输入端相连接，在不改变变压器原有接线方式的条件下，变压器的铁心及夹件(9)的引出线与现场监测控制电路(10)的传感器电路(6)的输入端相连接，现场监测控制电路(10)的驱动控制电路(4)输出端与保护电路(11)输入端相连接，无线通讯收发电路(5)与远程计算机(12)通过无线信号连接，远程计算机(12)与保护电路(11)通过无线信号连接，其特征是：所述的传感器电路(6)包括结构相同的两个回路，其一为变压器铁心泄漏电流传感器的铁芯T11、T12、电阻R1、R2、R23、电容C1、运算放大器IC15、IC16、电阻R52～R57、电容C25、C26、稳压管DZ1、DZ2、一次线圈N11、二次线圈N12、补偿线圈N13、检测线圈N14相连接；其二为变压器夹件泄漏电流传感器的铁芯T21、T22、电阻R12、R13、R24、电容C4、运算放大器IC17、IC18、电阻R58～R63、电容C27、C28、稳压管DZ6、DZ7、一次线圈N21、二次线圈N22、补偿线圈N23、检测线圈N24相连接。
2.根据权利要求1所述的大型变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统，其特征是：所述的量程变换电路(7)包括结构相同的两个回路，其一运算放大器IC10、IC11、转换开关IC9、电阻R3～R11、稳压管DZ3、DZ4、二极管D1～D4、电容C2、C3相连接，其二运算放大器IC13、IC14、转换开关IC12、电阻R14～R22、稳压管DZ8、DZ9、二极管D5～D8、电容C5、C6相连接。
3.根据权利要求1所述的大型变压器铁心及夹件绝缘故障在线监测与保护系统，其特征是：所述的无线通讯收发电路(5)包括数据通讯收发芯片IC7、电阻R47～R51、SIM卡座、三极管B1、指示灯XD相连接。
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