CN102279311A - 配电变压器中线电流在线检测与总损耗确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电变压器中线电流在线检测与总损耗确定的方法，本方法利用四个精密钳形电流互感器分别检测三相电流和中线电流，利用快速傅里叶变换得到各次谐波分量，计算出基波电流后，根据各个电流计算出铁损、铜损、中线线路损耗和变压器接地电流损耗，从而得到变压器的总损耗。本发明能有效地监测并采集变压器的电信号，经过DSP高速中央处理器数字滤波，提高了抗干扰能力，能在线实时、快速、准确的对变压器的中线电流及其引起的损耗进行测量，为变压器安全稳定运行提供必要的依据。
Description
技术领域
本发明属于电力系统领域，特别涉及一种配电变压器中线电流在线检测及总损耗确定方法。
背景技术
电力系统运行中，中线电流的存在，会给变压器造成更多的能量损耗。过大的中线电流，造成了电能的巨大浪费；同时还会发出热量，引起变压器升温，导致绝缘油分解等化学反应，减小变压器的使用寿命；持续过大的中线电流还可能造成中线熔断，从而导致电器被烧毁，严重时甚至引发火灾事故。目前，对变压器中线电流检测方法主要有电磁式电流互感器测量、电子式电流互感器测量和光电式电流互感器测量。
（1）电磁式测量。电磁式电流测量当中是最常用的测量方法，一次线圈通常都串联在电路中，一次线圈的电流完全取决于被测电路的负荷电流。电磁式测量互感器的二次侧开路后，二次侧电流的去磁磁通消失，一次电流将全部变成励磁电流。此时互感器铁心饱和，可能产生上千伏的电压，产生高热，甚至可能爆炸，因此电磁式测量二次侧开路是相当危险的。此外，电磁式设备维护量大，安装检修不方便。
（2）电子式测量。电子式测量是一种较新的电流互感器，利用电磁感应原理的Rogowski线圈的混合式测量方法。电子式测量使用光纤以太网或光纤串行接口输出数据，一次侧和二次侧利用光信号联系，解决了二次侧开路的问题，提高了二次侧的安全性。电子式测量设备在运行时，检测装置难以获得一个稳定的电源，无论是利用CT取电、利用电容分压器取电、激光供能、太阳能供电、蓄电池供电，都使得电子式测量更加复杂、设备要求更高，而且电子式测量造价昂贵，目前的技术条件下难以推广。
（3）光电式测量。光电式测量利用光在磁场中传播时会发生偏振现象，通过检测光发生偏振的情况来判断电流产生的磁场强度，从而测得电流的大小。但是光纤传感器的超光度二极管SLD激光光源和偏振光监测设备对精度和检测环境要求相当高，且用于光电式的仪器设备昂贵，不适合推广。
配电变压器通常都有到10KV和0.4KV的电压，而且有很大的电流通过，普通的电流测量装置很难直接测量，最好采取无线方式进行远距离在线监测装置。目前国内正针对中线电流的研究还处在初步阶段，还没有一种成形的配电变压器中线电流的在线监测装置。因此，研究一种适合的配电变压器的远距离中线电流在线监测与损耗确定方法显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种配电变压器中线电流在线监测与总损耗确定方法，它可以有效地对配电变压器中线电流进行在线测量，并能通过移动分析仪实时显示由中线电流引起的损耗，能更好地反映中线电流的真实信息。
为了实现上述目的，本发明采用的方法包括如下步骤：
（1）信号采集：用第一精密钳形电流互感器、第二精密钳形电流互感器、第三精密钳形电流互感器和第四精密钳形电流互感器分别采集A相线电流信号IA、B相线电流信号IB、C相线电流信号IC和中线电流信号IN；
（2）信号处理：将三相电流信号IA、IB、IC和中线电流信号IN分别转换成可以被DSP中央处理器转换的（0-3V）直流电压信号，经过放大和低通滤波后经A/D转换成数字信号，DSP中央处理器对该信号进行数字滤波，然后进行FFT快速傅里叶变换，计算出三相电流和中线电流的基波和各次谐波的电流含量；
基波电流大小的计算公式如下：
式中：I表示A相线电流信号Ia、B相线电流信号Ib、C相线电流信号Ic或中线电流信号In，T表示周期；
（3）损耗的计算：损耗包括由中线电流IN引起的铁损、铜损、中线线路损耗和变压器接地电流损耗，
a、铁损的确定 计算公式为：
式中：PC表示磁滞损失，Pw表示涡流损失，C1表示由硅钢片材料特性所决定的系数，Bm表示交变磁通的最大磁密，f表示频率，V 表示铁磁材料总体积，C2决定于硅钢片材料性质的系数，t表示硅钢片的厚度，
表示硅钢片的电阻率；
b、铜损的确定 计算公式为：
式中：Ia表示A相线电流信号，Ib表示B相线电流信号，Ic表示C相线电流信号，R1表示变压器单个绕组的直流电阻；
c、中线线路损耗的确定 计算公式为：
式中：
表示中线线路损耗，
表示中线电流，
表示中线线路电阻，
表示20℃时中线线的电阻，
表示中线线路的附加温度电阻，表示中线线路的附加电阻；
d、变压器接地电流损耗的确定 计算公式为：
式中：
表示变压器接地电流损耗，表示中性点到地的电流，表示中性点到地的电阻，
表示中性点到零电位的电位差；
（4）总损耗的计算：总损耗即是铁损、铜损、中线线路损耗和变压器接地电流损耗的代数和。
一种配电变压器中线电流在线检测与总损耗确定装置，包括第一精密钳形电流互感器、第二精密钳形电流互感器、第三精密钳形电流互感器、第四精密钳形电流互感器、其特征在于：它还包括配电变压器中线电流监测与损耗检测仪、STR-30微功耗无线发送模块、STR-30微功耗无线接收模块和手持式移动终端；
其中所述第一精密钳形电流互感器、第二精密钳形电流互感器、第三精密钳形电流互感器和第四精密钳形电流互感器分别钳住A相线、B相线、C相线和中线，采集A相线电流信号IA、B相线电流信号IB、C相线电流信号IC和中线电流信号IN，所述配电变压器中线电流监测与损耗检测仪将IA、IB、IC和IN分别转换成可以被DSP中央处理器转换的（0-3V）直流电压信号，经过放大和低通滤波后经A/D转换成数字信号，DSP中央处理器对该信号进行数字滤波，然后进行FFT快速傅里叶变换，同时计算出变压器损耗；
所述第一精密钳形电流互感器、第二精密钳形电流互感器、第三精密钳形电流互感器和第四精密钳形电流互感器采集的交流电信号经过配电变压器中线电流监测与损耗检测仪处理后，由STR-30微功耗无线发送模块发送到STR-30微功耗无线接收模块，STR-30微功耗无线接收模块接收数据后输入手持式移动终端。
所述配电变压器中线电流监测与损耗检测仪包括多电源电路、串口通讯电路、信号处理电路、DSP中央处理器、复位电路、CPLD扩展，其中信号处理电路与DSP中央处理器连接，DSP中央处理器与串口通讯电路、CPLD扩展和复位电路连接，多电源电路分别与信号处理电路、DSP中央处理器、串口通讯电路连接。
所述STR-30微功耗无线发送模块和STR-30微功耗无线接收模块之间的无线通讯采用ISM频段。
本发明能有效地监测并采集变压器的电信号，经过DSP高速中央处理器数字滤波，提高了抗干扰能力，能在线实时、快速、准确的对变压器的中线电流及其引起的损耗进行测量，为变压器安全稳定运行提供必要的依据。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。
图1是本发明的实施例的系统结构框图，
图2是本发明配电变压器中线电流监测与损耗检测仪结构图，
图3是本发明的软件流程图；
图1中：21-第一精密钳形电流互感器、22-第二精密钳形电流互感器、23-第三精密钳形电流互感器、24-第四精密钳形电流互感器、25-配电变压器中线电流监测与损耗检测仪、26-STR-30微功耗无线发送模块、27-STR-30微功耗无线接收模块、28-手持式移动终端；
图2中：41-多电源电路、42-串口通讯电路、43-信号处理电路、44-复位电路、45-CPLD扩展。
具体实施方式
下面结合附图给出的一个非限定性的实施例，对本发明作进一步的说明。
一种配电变压器中线电流在线检测与总损耗确定方法具体包括如下步骤：
（1）信号采集：用第一精密钳形电流互感器21、第二精密钳形电流互感器22、第三精密钳形电流互感器23和第四精密钳形电流互感器24分别采集A相线电流信号IA、B相线电流信号IB、C相线电流信号IC和中线电流信号IN。
（2）信号处理：将三相电流信号IA、IB、IC和中线电流信号IN分别转换成可以被DSP中央处理器转换的（0-3V）直流电压信号，经过放大和低通滤波后经A/D转换成数字信号，DSP中央处理器对该信号进行数字滤波，然后进行FFT快速傅里叶变换，计算出三相电流和中线电流的基波和各次谐波的电流含量；
基波电流大小的计算公式如下：
式中：I表示A相线电流信号Ia、B相线电流信号Ib、C相线电流信号Ic或中线电流信号In，T表示周期。
（3）损耗的计算：损耗包括由中线电流IN引起的铁损、铜损、中线线路损耗和变压器接地电流损耗，
a、铁损的确定 计算公式为：
式中：PC表示磁滞损失，Pw表示涡流损失，C1表示由硅钢片材料特性所决定的系数，Bm表示交变磁通的最大磁密，f表示频率，V 表示铁磁材料总体积，C2决定于硅钢片材料性质的系数，t表示硅钢片的厚度，
表示硅钢片的电阻率。
b、铜损的确定 在三相平衡，且无谐波的情况下，理论上中线电流的大小应为零，此时三相平衡，三相绕组总损耗（kw）可计算为：
。
当变压器三相不平衡时，中线电流的大小不为零，此时三相绕组的总损耗可计算为：
。
则由中线电流引起的铜损的计算公式为：
式中：Ia表示A相线电流信号，Ib表示B相线电流信号，Ic表示C相线电流信号，R1表示变压器单个绕组的直流电阻。
c、中线线路损耗的确定 计算公式为：
式中：表示中线线路损耗，
表示中线电流，
表示中线线路电阻，
表示20℃时中线线的电阻，
表示中线线路的附加温度电阻，表示中线线路的附加电阻。
d、变压器接地电流损耗的确定 计算公式为：
式中：
表示变压器接地电流损耗，
表示中性点到地的电流，
表示中性点到地的电阻，
表示中性点到零电位的电位差。
（4）总损耗的计算：总损耗即是铁损、铜损、中线线路损耗和变压器接地电流损耗的代数和。
上述配电变压器中线电流在线检测与总损耗确定方法需要与配电变压器中线电流在线检测与总损耗确定装置相配合使用。
参见图1，一种配电变压器中线电流在线检测与总损耗确定装置，包括第一精密钳形电流互感器21、第二精密钳形电流互感器22、第三精密钳形电流互感器23、第四精密钳形电流互感器24、配电变压器中线电流监测与损耗检测仪25、STR-30微功耗无线发送模块26、STR-30微功耗无线接收模块27和手持式移动终端28，其中所述第一精密钳形电流互感器21、第二精密钳形电流互感器22、第三精密钳形电流互感器23和第四精密钳形电流互感器24分别钳住A相线、B相线、C相线和中线，采集A相线电流信号IA、B相线电流信号IB、C相线电流信号IC和中线电流信号IN，所述配电变压器中线电流监测与损耗检测仪25将IA、IB、IC和IN分别转换成可以被DSP中央处理器转换的（0-3V）直流电压信号，经过放大和低通滤波后经A/D转换成数字信号，DSP中央处理器对该信号进行数字滤波，然后进行FFT快速傅里叶变换，同时计算出变压器损耗。
所述第一精密钳形电流互感器21、第二精密钳形电流互感器22、第三精密钳形电流互感器23和第四精密钳形电流互感器24采集的交流电信号经过配电变压器中线电流监测与损耗检测仪25处理后，由STR-30微功耗无线发送模块26发送到STR-30微功耗无线接收模块27，STR-30微功耗无线接收模块27接收数据后输入手持式移动终端28。
参见图2，所述配电变压器中线电流监测与损耗检测仪25包括多电源电路41、串口通讯电路42、信号处理电路43、DSP中央处理器、复位电路44、CPLD扩展45，其中信号处理电路43与DSP中央处理器连接，DSP中央处理器与串口通讯电路42、CPLD扩展45和复位电路44连接，多电源电路41分别与信号处理电路43、DSP中央处理器、串口通讯电路42连接。
本实施例采用4个日本日置HIOKI公司制造的精密钳形电流互感器9661，电流互感器由电磁感器将电流信号变换成电压信号，再送给配电变压器中线电流监测与损耗检测仪25，信号从中线电流监测仪25的接口电路出来，进入由美国MAX公司生产的 LM358双运放构成的放大和滤波电路，可以滤除直流干扰信号和高频电磁噪声信号，同时，有LM358构成的电压抬升电路将采集的交流电信号提升为正电压，供A/D转换时符合0-3V的电压输入要求，并通过限幅保护电路进行限制，使得输出电压低于5V，防止芯片因为输入电压过高而烧坏。检测仪的A/D模数变换采用DSP芯片的16位高精度A/D转换，由美国TI公司制造的TMS320F2812芯片可以同时对多路进行A/D转换，将数字化后通过相应的算法进行对中线电流和损耗进行计算。然后，可以通过上海桑搏STR-30低功耗无线模块将监测信息传输给手持式设备，通过集成在手持设备中的软件，对变压器中线电流及损耗进行显示和存储。
本实例采用某变压器型号为S11-M、容量为200KVA的变压器，低压额定电流303.8A，低压侧直流电阻A相为0.029230欧姆，B相为0.029170欧姆，C相位0.029310欧姆，空载损耗500W。实例变压器负载纯阻性负载，无谐波电流。对此变压器进行了三次测量，测量结果如下表：
表1 变压器测量数据分析
配电变压器的损耗主要包括由铁损、铜损，而在三相不平衡时除了增加了附加的铁损和铜损外，还有中线线路损耗，以及变压器接地电流引起的损耗。计算得排队变压器损耗测量数据如下表。
表2 配电变压器损耗
通过以上数据表可以看出，本发明提供的配电变压器中线电流监测与损耗确定方法的测量结果，它可以有效地对配电变压器中线电流进行在线测量，通过智能监测模块提高测量精度，并能通过分析仪实时显示由中线电流引起的附加损耗，能更好地快速反映配电变压器中线电流的真实信息。
Claims (4)
1.一种配电变压器中线电流在线检测与总损耗确定方法，包括如下步骤：
（1）信号采集：用第一精密钳形电流互感器（21）、第二精密钳形电流互感器（22）、第三精密钳形电流互感器（23）和第四精密钳形电流互感器（24）分别采集A相线电流信号IA、B相线电流信号IB、C相线电流信号IC和中线电流信号IN；
（2）信号处理：将三相电流信号IA、IB、IC和中线电流信号IN分别转换成可以被DSP中央处理器转换的（0-3V）直流电压信号，经过放大和低通滤波后经A/D转换成数字信号，DSP中央处理器对该信号进行数字滤波，然后进行FFT快速傅里叶变换，计算出三相电流和中线电流的基波和各次谐波的电流含量；
基波电流大小的计算公式如下：
式中：I表示A相线电流信号Ia、B相线电流信号Ib、C相线电流信号Ic或中线电流信号In，T表示周期；
（3）损耗的计算：损耗包括由中线电流IN引起的铁损、铜损、中线线路损耗和变压器接地电流损耗，
a、铁损的确定 计算公式为：
式中：PC表示磁滞损失，Pw表示涡流损失，C1表示由硅钢片材料特性所决定的系数，Bm表示交变磁通的最大磁密，f表示频率，V 表示铁磁材料总体积，C2决定于硅钢片材料性质的系数，t表示硅钢片的厚度，
表示硅钢片的电阻率；
b、铜损的确定 计算公式为：
式中：Ia表示A相线电流信号，Ib表示B相线电流信号，Ic表示C相线电流信号，R1表示变压器单个绕组的直流电阻；
c、中线线路损耗的确定 计算公式为：
式中：表示中线线路损耗，表示中线电流，
表示中线线路电阻，
表示20℃时中线线的电阻，
表示中线线路的附加温度电阻，
表示中线线路的附加电阻；
d、变压器接地电流损耗的确定 计算公式为：
式中：
表示变压器接地电流损耗，
表示中性点到地的电流，
表示中性点到地的电阻，表示中性点到零电位的电位差；
（4）总损耗的计算：总损耗即是铁损、铜损、中线线路损耗和变压器接地电流损耗的代数和。
2.一种配电变压器中线电流在线检测与总损耗确定装置，包括第一精密钳形电流互感器（21）、第二精密钳形电流互感器（22）、第三精密钳形电流互感器（23）、第四精密钳形电流互感器（24）、其特征在于：它还包括配电变压器中线电流监测与损耗检测仪（25）、STR-30微功耗无线发送模块（26）、STR-30微功耗无线接收模块（27）和手持式移动终端（28），
其中所述第一精密钳形电流互感器（21）、第二精密钳形电流互感器（22）、第三精密钳形电流互感器（23）和第四精密钳形电流互感器（24）分别钳住A相线、B相线、C相线和中线，采集A相线电流信号IA、B相线电流信号IB、C相线电流信号IC和中线电流信号IN，所述配电变压器中线电流监测与损耗检测仪（25）将IA、IB、IC和IN分别转换成可以被DSP中央处理器转换的（0-3V）直流电压信号，经过放大和低通滤波后经A/D转换成数字信号，DSP中央处理器对该信号进行数字滤波，然后进行FFT快速傅里叶变换，同时计算出变压器损耗；
所述第一精密钳形电流互感器（21）、第二精密钳形电流互感器（22）、第三精密钳形电流互感器（23）和第四精密钳形电流互感器（24）采集的交流电信号经过配电变压器中线电流监测与损耗检测仪（25）处理后，由STR-30微功耗无线发送模块（26）发送到STR-30微功耗无线接收模块（27），STR-30微功耗无线接收模块（27）接收数据后输入手持式移动终端（28）。
3.根据权利要求2所述配电变压器中线电流在线检测与总损耗确定装置，其特征在于：所述配电变压器中线电流监测与损耗检测仪（25）包括多电源电路（41）、串口通讯电路（42）、信号处理电路（43）、DSP中央处理器、复位电路（44）、CPLD扩展（45），其中信号处理电路（43）与DSP中央处理器连接，DSP中央处理器与串口通讯电路（42）、CPLD扩展（45）和复位电路（44）连接，多电源电路（41）分别与信号处理电路（43）、DSP中央处理器、串口通讯电路（42）连接。
4.根据权利要求2所述配电变压器中线电流在线检测与总损耗确定装置，其特征在于：所述STR-30微功耗无线发送模块（26）和STR-30微功耗无线接收模块（27）之间的无线通讯采用ISM频段。
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