CN103163364A - 变压器铁芯/夹件接地电流无线监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于变压器在线监测领域，尤其涉及一种基于无线通信的变压器铁芯/夹件接地电流监测装置及其监测方法。本发明是由穿心式电流互感器、装置工作电路板设置在壳体内；壳体上部连接外壳顶盖，外壳顶盖上设有显示屏；显示屏连接至控制器；外接无线通信模块天线从壳体引出。本发明可以进行数据实时监测，具有电流超限报警，数据信息存储，系统对时，参数配置等功能，可及时发现故障隐患，减少或代替运行人员的巡检工作。广泛适用于变压器、电抗器等电气设备的铁芯/夹件接地电流的在线监测。

Description

变压器铁芯/夹件接地电流无线监测装置及其监测方法

技术领域

本发明属于变压器在线监测领域，尤其涉及一种基于无线通信的变压器铁芯/夹件接地电流无线监测装置及其监测方法。

背景技术

电力变压器是电力系统中关键的设备之一，也是电力设备中故障率较高的环节，它的正常运行是电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证。电力变压器正常运行时，铁芯/夹件必须有且仅有一点可靠接地，一旦铁芯/夹件两点或多点接地时，在铁芯/夹件内部会产生环流，引起局部过热，严重时会造成铁芯/夹件局部烧损，甚至使接地片熔断，导致铁芯/夹件电位悬浮，产生放电性故障，严重威胁变压器及电网的可靠运行。

变压器正常运行时，铁芯/夹件接地电流为毫安级，当铁芯/夹件发生多点接地故障时，铁芯/夹件接地电流会明显增加。根据实际运行数据表明，在正常情况下，变压器的铁芯/夹件接地电流只有几毫安～几十毫安，按照规程要求，当铁芯/夹件接地电流达到100毫安的时候，就必须采取相应措施进行处理。

目前运行人员检测铁芯/夹件接地电流的手段主要采用钳形电流表对铁芯/夹件接地引出线的电流数据进行测量，但现场电磁干扰大，很难保证钳形电流表测量数据的精度和准确性，而且定期巡检无法保证及时发现铁芯/夹件多点接地故障。

发明内容

针对上述变压器铁芯/夹件接地电流测量中存在的问题，本发明提供一种基于无线通信的变压器铁芯/夹件接地电流无线监测装置及其监测方法，其目的是解决以往的监测运行状态中的变压器铁芯/夹件接地状态方法中存在的很难保证测量数据的精度和准确性的问题，以及定期巡检无法保证及时发现铁芯/夹件多点接地故障的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

变压器铁芯/夹件接地电流无线监测装置，包括控制器、实时时钟系统、电压信号调理电路、档位切换控制电路、电流电压转换电路和穿心式电流互感器和无线通信模块；所述穿心式电流互感器连接至电流电压转换电路，电流电压转换电路连接至档位切换控制电路，档位切换控制电路连接至电压信号调理电路，电压信号调理电路、实时时钟系统、FLASH存储器电路、E2PROM存储器电路和无线通信模块连接至控制器。

还包括显示屏；显示屏连接至控制器。

所述的控制器上还连接有数据无线通信模块。

所述的控制器、实时时钟系统、FLASH存储器电路、E2PROM存储器电路、电压信号调理电路、档位切换控制电路、电流电压转换电路、穿心式电流互感器和无线通信模块均设置在壳体内，外接无线通信模块天线从壳体引出，显示屏设置在外壳顶盖上。

所述的穿心式电流互感器的变比为1000:1；档位切换控制电路的切换的量程为0-100mA和100mA-10A。

变压器铁芯/夹件接地电流无线监测方法,包括以下步骤：

（1）将穿心式电流互感器套装在变压器铁芯/夹件接地线上获取一次铁芯/夹件接地电流信号；

（2）利用穿心式电流互感器将采集的一次电流信号转换为二次电流信号，并将该二次电流信号转换成电压信号；

（3）将电压信号通过档位切换放大处理后，再经过电压信号调理电路后送入控制器自带的AD电路中进行计算处理；并同预先设置的报警阈值进行比对，当信号出现异常时，控制器控制显示屏显示报警信号；

（4）将步骤（3）中计算处理的信号一方面通过显示屏显示，另一方面将测量结果及测量时刻存入FLASH存储器，测量结果及测量时刻还可以由本发明所述的装置通过无线通信方式传输给监控计算机或综合监测单元（IED），为以后分析铁芯/夹件接地电流工作状况提供依据。

所述的装置通过无线通信方式将步骤（3）中的实时数据或历史数据传输到监控计算机或综合监测单元（IED），计算机或IED通过通信协议对监测装置进行各种参数配置，以满足不同现场的需求。

所述的装置通过内置的穿心式电流互感器将变压器铁芯/夹件接地线上的一次信号转化为二次电流信号，二次电流信号通过装置的信号处理电路后，送入装置控制器进行计算处理，其计算方法如下：

I₁为变压器接地一次电流值，通过1000:1变比的穿心式电流互感器后所得二次电流值为I₂，

即 $I_2=\frac{I_1}{1000}$

经过电流电压转换电路后，电压U₁=I₂R

U₁经过电压信号调理电路后，电压被放大为U₁*K

其中

根据量程不同,R₂及K值将随之变化

通过电压调理电路中的一个直流叠加电路后，输入到控制器AD口的电压为U₁*K+U_dc

0≤U₁*K+U_dc≤U_ref

U_ref为AD基准电压

当U₁*K+U_dc≥U_ref时，即超过当前量程范围时，处理器将调节K值大小，以满足0≤U₁*K+U_dc≤U_ref的条件；

进入AD的电压基波有效值通过傅里叶变换算法求得；

得到电压基波有效值，通过多次平均处理及反向推导，得到的即是变压器铁芯/夹件接地电流有效值。

装置控制器计算处理后的信号一方面通过显示屏显示，另一方面将测量结果及测量时刻存入FLASH存储器，同时，测量结果及测量时刻还可以通过无线通信方式传输给监控计算机或综合监测单元（IED）。

本发明的优点及效果是：

本发明可以实时监测变压器铁芯/夹件接地电流数据的实时变化情况，并且具有电流超限报警，数据信息存储，系统对时，参数灵活配置等多种功能，既可以及时发现变压器铁芯/夹件多点接地故障隐患，还可以减少甚至代替运行人员对变压器铁芯/夹件接地电流运行状况的巡检工作。因此，对变压器铁芯/夹件接地电流进行在线监测是非常有意义而且有必要地一项工作。

本发明能够准确稳定的实时监测变压器铁芯/夹件接地电流的变化情况，从而监测运行状态中变压器铁芯/夹件接地的状态，为变压器运行状况评估依据。本发明可以广泛适用于变压器、电抗器等电气设备的铁芯/夹件/夹件接地电流的在线监测。

本发明装置可以用于变压器铁芯/夹件接地电流和夹件电流的监测。本在线监测装置包括安装在变压器本体的铁芯/夹件接地电流引出线，该接地电流引出线穿过穿心式电流互感器后与变压器接地端连接，穿心式电流互感器的二次感应信号接入在线监测装置的测量电路，测量电路是由电流电压转换电路、档位切换控制电路和电压信号调理电路构成，测量电路与控制器相连，控制器将测量电路的模拟信号进行计算处理后，通过装置自带的显示屏显示最终测量数据，并将该测量数据存储在装置自带的存储装置中，为分析变压器铁芯/夹件接地电流运行状态提供数据保障，本装置可以通过无线通信方式与综合监测单元（IED）或计算机进行数据通信，并采用MODBUS通信协议，计算机可以通过连接的无线通信模块对装置的通信、测量、报警、校准等参数进行配置。

本监测装置具有铁芯/夹件接地电流数据实时监测及超限报警功能，报警值可以由用户自行定义，当出现异常情况时，装置的显示屏及远方监控的计算机均会发出报警信号，使工作人员能够及时采取处理措施，避免变压器故障的发生，保证电力系统的稳定运行。

通过本发明技术方案的实施，能够真正对变压器铁芯/夹件接地电流的准确而稳定的实时测量。本发明设计方法具有以下创新点：

1、测量方法的创新：

（1）本装置是通过采用高精度穿心式电流互感器套装在变压器铁芯/夹件接地线上的方法获取铁芯/夹件接地电流信号，该方法获取的电流信号能够真实反映铁芯/夹件接地电流的变化情况，并且与变压器没有电气连接，对变压器的运行不产生任何影响；

（2）电流互感器二次获得的信号直接接入测量装置，测量装置通过数字信号处理技术对电流信号进行分析计算，并显示，存储测量数据在装置中。方便运行人员在就地观察数据及调取，分析变压器铁芯/夹件接地电流历史数据。

（3）变压器正常工作时，铁芯/夹件接地电流大小在几十毫安范围，但是一旦出现铁芯/夹件两点或多点接地等异常现象时，铁芯/夹件接地电流可达到数安培，变化范围很大，为了保证测量的准确性及测量装置的安全性，本装置设计了电流量程换挡功能，根据电话变化的范围，装置可自动调节合适的档位来测量电流。本装置电流测量范围最大为10A，测量精度小于1%，完全满足了铁芯/夹件接地电流测量范围及精度的要求。

2、装置结构及安装方式：本发明的铁芯/夹件接地电流在线监测装置，电流互感器和测量装置装在一个外壳内，外壳采用铸铝材料，在外壳顶盖开设了显示窗口，用于观察电流数据，外壳单独接地，用于屏蔽外界的电磁干扰。

3、装置自带有数据显示功能，将时间信息和实时电流数据显示在显示屏上，方便运行人员巡检时观察。当监测数据越限时，显示屏将显示报警信息提醒巡检人员注意。

4、装置具有数据存储功能，将时间信息和实时电流数据保存在装置自带的FLASH存储器中，存储数据掉电不丢失，并且能连续保存一年以上的测量数据。为分析铁芯/夹件接地电流历史数据，了解铁芯/夹件接地电流变化情况提供依据。

5、装置采用无线通信接口，采用工业领域通用性好的MODBUS-RTU通信协议，可通过通信协议将监测数据及监测时刻等信息上传到计算机或综合监测单元（IED）。

6、可通过计算机或综合监测单元（IED）对装置参数（如装置地址，波特率，奇偶效验，采样时间间隔，超限报警值，时钟时间等）进行灵活配置，方便装置接入其他在线监测系统，满足不同现场的要求。

7、装置具有与计算机或综合监测单元（IED）进行对时功能，保证了装置监测时间与设备实际运行时间的准确性与一致性。

8、抗电磁干扰及浪涌保护电路的设计。由于监测现场处于高电压，强磁场环境，对电子设备产生的电磁干扰容易导致监测装置工作不正常，为此，专门从硬件和软件采取措施，提高了装置的抗干扰能力。同时为了承受电力系统频繁操作所带来的过电压冲击，装置还设计了可靠的浪涌保护电路，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，有效的提高了监测装置抗浪涌的保护能力。

9、本发明装置结构设计紧凑，外形美观，在安装方式上，采用通过装置外壳的挂件直接安装在变压器本体的方式，操作简单，安装方法简便，安全，便于运行人员安装、使用和维护，非常适于现场安装使用。

附图说明

图1是本发明装置的工作原理示意图；

图2是本发明装置的硬件结构框图；

图3是本发明的组网结构示意图。

图4是本发明装置的内部结构示意图；

图5是本发明装置的外部结构示意图；

图6是本发明装置的外部立体结构示意图。

图7是本发明装置的电流信号采样电路原理图。

图中：穿心式电流互感器1，装置工作电路板2，无线通信模块天线3，显示屏4，壳体5，外壳顶盖6。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

具体实施方式

如图1所示，本发明为一种基于无线通信的变压器铁芯/夹件接地电流无线监测装置及其监测方法，所述的装置是由穿心式电流互感器1、装置电路板2在壳体5内；壳体5上部连接外壳顶盖6，外壳顶盖6上设有显示屏4；所述装置工作电路板2上设有控制器、实时时钟系统、电压信号调理电路、档位切换控制电路、电流电压转换电路、FLASH存储器电路、E2PROM存储器电路及无线通信模块；所述穿心式电流互感器1连接至电流电压转换电路，电流电压转换电路连接至档位切换控制电路，档位切换控制电路连接至电压信号调理电路，电压信号调理电路、实时时钟系统、FLASH存储器电路、E2PROM存储器电路和无线通信模块连接至控制器；显示屏4连接至控制器；外接无线通信模块天线3从壳体5引出。

本发明所述的穿心式电流互感器1的变比为1000:1；档位切换控制电路的切换量程为0-100mA和100mA-10A。在本实例中选用穿心式电流互感器1作为一次电流采集装置，型号为：CT-X-3，二次电流采集采用两种量程：1:0-100mA，2:100mA-10A。当接地电流大小不同时，采用量程自动切换电路对不同量程的电流进行测量，从而保证数据的准确性。

变压器铁芯/夹件接地电流无线监测方法,包括以下步骤：

（1）将穿心式电流互感器套装在变压器铁芯/夹件接地线上获取一次铁芯/夹件接地电流信号；

（2）利用穿心式电流互感器将采集的一次电流信号转换为二次电流信号，并将该二次电流信号转换成电压信号；

（3）将电压信号通过档位切换放大处理后，再经过电压信号调理电路后送入控制器自带的AD电路中进行计算处理；并同预先设置的报警阈值进行比对，当信号出现异常时，控制器控制显示屏显示报警信号；

（4）将步骤（3）中计算处理的信号一方面通过显示屏显示，另一方面将测量结果及测量时刻存入FLASH存储器，还可以通过数据无线通信模块与监控计算机或综合监测单元（IED）进行无线通信，为以后分析铁芯/夹件接地电流工作状况提供依据。

监测装置通过无线通信方式将上述步骤（3）中的实时测量数据或历史数据传输到监控计算机或综合监测单元（IED），计算机或IED通过通信协议对监测装置进行各种参数配置，以满足不同现场的需求。

如图2所示，本发明在使用的时候，将变压器本体的铁芯/夹件接地电流引出线穿过发明装置的穿心式电流互感器1后与变压器接地端连接，就是说将穿心式电流互感器1套装在变压器铁芯/夹件接地线上获取一次铁芯/夹件接地电流信号；

穿心式电流互感器1将变压器铁芯/夹件接地电流信号耦合到二次线圈后转换为二次电流信号，并将该二次电流信号经电流电压转换电路转换成电压信号，该电压信号经过档位自动切换控制电路的放大处理后，经过电压信号调理电路后送入控制器自带的AD电路中进行计算处理，并同预先设定的报警阈值进行比对，如果测量结果异常，控制器则控制显示屏4显示报警信号，而经过控制器计算后的结果以及测量时刻的时间，可通过装置自带的显示屏4进行显示，该时间由实时时钟系统提供，同时将测量结果及测量时刻的时间存入FLASH存储器，作为信息备份数据，为以后分析铁芯/夹件接地电流工作状况提供依据。另外，还可以利用数据无线通信模块将实时数据或历史数据传输到监控计算机或综合监测单元（IED），并且监控计算机或IED可通过通信协议对监测装置进行各种参数配置，以满足不同现场的需求。当本发明检测到变压器铁芯/夹件接地电流超出规定范围时，整个变压器铁芯/夹件接地电流在线监测装置及监控计算机将发出报警信号，提醒运行人员采取措施进行处理，防止变压器故障的发生。

该发明中测量变压器铁芯/夹件接地电流的方法如下：

如图7所示，假设I₁为铁芯/夹件接地一次电流值，通过1000:1变比的穿心式电流互感器后所得二次电流值为I₂。

即 $I_2=\frac{I_1}{1000}$

经过电流-电压转换电路后，U₁=I₂R

U₁经过放大电路后，电压被放大为U₁*K

其中

（根据量程不同,R₂及K值将随之变化）

通过一个直流叠加电路后，输入到AD口的电压为U₁*K+U_dc

0≤U₁*K+U_dc≤U_ref

U_ref为AD基准电压

当U₁*K+U_dc≥U_ref时，即超过当前量程范围时，处理器将调节K值大小，以满足0≤U₁*K+U_dc≤U_ref的条件。

进入AD的电压基波有效值通过傅里叶变换算法求得。

得到电压基波有效值，通过多次平均处理及反向推导，算得的即是变压器铁芯/夹件接地电流有效值。以下一组数据为实验室测量得到数据，详见表1。

表1：实验室测量数据

采样时间	测试电流源（mA）	装置测量结果(mA)
			2012-8-20 9:00	1.0mA	0.99mA
2012-8-20 9:05	10.0mA	9.98mA
			2012-8-20 9:10	50.0mA	49.50mA
2012-8-20 9:15	110.0mA	109.3mA
			2012-8-20 9:20	210.0mA	208.0mA
2012-8-20 9:25	500.0mA	495.5mA

Claims (6)

1.变压器铁芯/夹件接地电流无线监测装置，其特征在于：穿心式电流互感器（1）、装置工作电路板（2）设置在壳体（5）内；壳体（5）上部连接外壳顶盖（6），外壳顶盖（6）上设有显示屏（4）；

所述装置工作电路板（2）上设有控制器、实时时钟系统、电压信号调理电路、档位切换控制电路、电流电压转换电路、FLASH存储器电路、E2PROM存储器电路及无线通信模块；所述穿心式电流互感器（1）连接至电流电压转换电路，电流电压转换电路连接至档位切换控制电路，档位切换控制电路连接至电压信号调理电路，电压信号调理电路、实时时钟系统、FLASH存储器电路、E2PROM存储器电路和无线通信模块连接至控制器；显示屏（4）连接至控制器；外接无线通信模块天线（3）从壳体（5）引出。

2.根据权利要求1所述的变压器铁芯/夹件接地电流无线监测装置，其特征在于：所述的控制器上还连接有数据无线通信模块。

3.根据权利要求1所述的变压器铁芯/夹件接地电流无线监测装置，其特征在于：所述的穿心式电流互感器（1）的变比为1000:1；档位切换控制电路的切换的量程为0-100mA和100mA-10A。

4.变压器铁芯/夹件接地电流无线监测方法,其特征在于：包括以下步骤：

（1）将穿心式电流互感器套装在变压器铁芯/夹件接地线上获取一次铁芯/夹件接地电流信号；

（2）利用穿心式电流互感器将采集的一次电流信号转换为二次电流信号，并将该二次电流信号转换成电压信号；

（3）将电压信号通过档位切换放大处理后，再经过电压信号调理电路后送入控制器自带的AD电路中进行计算处理；并同预先设置的报警阈值进行比对，当信号出现异常时，控制器控制显示屏显示报警信号；

（4）将步骤（3）中计算处理的信号一方面通过显示屏显示，另一方面将测量结果及测量时刻存入FLASH存储器，测量结果及测量时刻还可以由装置通过无线通信方式传输给监控计算机或综合监测单元（IED），为以后分析铁芯/夹件接地电流工作状况提供依据。

5.根据权利要求4所述的变压器铁芯/夹件接地电流无线监测方法，其特征在于：所述的装置通过无线通信方式将步骤（3）中的实时数据或历史数据传输到监控计算机或综合监测单元（IED），计算机或IED通过通信协议对装置进行各种参数配置，以满足不同现场的需求。

6.根据权利要求4所述的变压器铁芯/夹件接地电流无线监测方法，其特征在于：所述的装置通过内置的穿心式电流互感器将变压器铁芯/夹件接地线上的一次信号转化为二次电流信号，二次电流信号通过装置的信号处理电路后，送入装置控制器进行计算处理，其计算方法如下：

I₁为变压器接地一次电流值，通过1000:1变比的穿心式电流互感器后所得二次电流值为I₂，

即 $I_2=\frac{I_1}{1000}$

经过电流电压转换电路后，电压U₁=I₂R

U₁经过电压信号调理电路后，电压被放大为U₁*K，

其中

根据量程不同,R₂及K值将随之变化

通过电压调理电路中的一个直流叠加电路后，输入到控制器AD口的电压为U₁*K+U_dc

0≤U₁*K+U_dc≤U_ref

U_ref为AD基准电压

当U₁*K+U_dc≥U_ref时，即超过当前量程范围时，处理器将调节K值大小，以满足0≤U₁*K+U_dc≤U_ref的条件；

进入AD的电压基波有效值通过傅里叶变换算法求得；

得到电压基波有效值，通过多次平均处理及反向推导，得到的即是变压器铁芯/夹件接地电流有效值。

装置控制器计算处理后的信号一方面通过显示屏显示，另一方面将测量结果及测量时刻存入FLASH存储器，同时，测量结果及测量时刻还可以通过无线通信方式传输给监控计算机或综合监测单元（IED）。

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