CN103576030A - 一种变压器在线监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力设备在线监测技术领域中的一种变压器在线监测传感器。包括环形铁芯、副边线圈、测量电阻、补偿线圈、磁通测量传感器、补偿电路和信号处理模块；变压器套管末屏引出线垂直穿过环形铁芯中心，环形铁芯设置用于放置磁通测量传感器的凹槽，副边线圈的输入端与补偿线圈的输出端相连，副边线圈的输出端与大地之间并联测量电阻，磁通测量传感器置于凹槽中且与补偿电路相连，补偿电路与补偿线圈的输入端相连，信号处理模块并联在测量电阻两端。本发明能够测得准确的故障信号，并可以同时在线监测多种故障信号，且无需改动一次接线，提高了在线监测的安全可靠性和设备安装维护的效率。

Description

一种变压器在线监测传感器

技术领域

本发明属于电力设备在线监测技术领域，尤其涉及一种变压器在线监测传感器。

背景技术

随着社会经济的发展，电能作为现代社会的主要能源，与人民的生活和生产建设的关系愈加密切。伴随着超高压和特高压输变电技术的迅速发展，电力设备容量及数量大幅增加，电力网规模逐步扩大。现代电力系统的运行在保证合格供电质量的同时，还要保证稳定可靠的发供电能力。电力变压器是电力系统中最重要的设备之一，提高电力变压器的运行可靠性显得尤为重要。对变压器进行在线监测可以及时的发现变压器故障，进行事故预警，从而避免造成重大事故，大大提高电力变压器的可靠性，也能为变压器故障后检修提供主要的参考信息，节省检修成本，对整个电力工业而言具有重大的意义。

变压器在线监测系统中信号采样是整个系统的基础，传感器是信号采样的关键环节。传感器是在线监测系统的关键器件。目前变压器在线监测系统中被测信号不同，所采用的传感器形式不同。在监测变压器状态时，一般需要安装多个传感器，维护和安装效率不高。与此同时，在采集一些信号的过程中需要采用的分压器直接接到一次回路上，因而现场改动大，施工困难，并且分压器本身的故障也会对变压器的可靠性带来诸多不利影响。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种变压器在线监测传感器，用于解决现有的变压器在线监测系统存在的不做。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种变压器在线监测传感器，安装在变压器套管末屏引出线上，其特征是所述传感器包括罗氏线圈电流测量模块、零磁通补偿模块和信号处理模块；

所述罗氏线圈电流测量模块包括环形铁芯、盘绕在环形铁芯上的副边线圈和测量电阻；

所述零磁通补偿模块包括盘绕在环形铁芯上的补偿线圈、磁通测量传感器和补偿电路；

所述变压器套管末屏引出线垂直穿过环形铁芯中心；

所述环形铁芯设置用于放置磁通测量传感器的凹槽；

所述副边线圈的输入端与补偿线圈的输出端相连，副边线圈的输出端与大地之间并联测量电阻；

所述磁通测量传感器置于凹槽中，且磁通测量传感器与补偿电路相连；

所述补偿电路与补偿线圈的输入端相连；

所述信号处理模块并联在测量电阻两端；

所述罗氏线圈电流测量模块用于感应变压器套管末屏引出线上的电流；

所述磁通测量传感器用于测量环形铁芯中的磁通，并将测量的磁通转换为电压信号发送至补偿电路；

所述补偿电路用于将所述电压信号转换为电流信号，再根据所述电流信号产生反馈电流并将所述反馈电流输出到补偿线圈；

所述信号处理模块用于采集测量电阻两端的电压，根据测量电阻两端的电压得到变压器套管末屏引出线上的感应电流，再根据所述感应电流判断变压器发生的故障类型。

所述补偿电路包括顺序相连的第一放大电路和反馈电路；

所述第一放大电路与磁通测量传感器相连，用于接收电压信号并对所述电压信号进行放大处理；

所述反馈电路与补偿线圈的输出端相连，用于接收放大的电压信号，并将所述放大的电压信号转换为电流信号，再根据所述电流信号产生反馈电流，然后将所述反馈电流输出到补偿线圈。

所述零磁通补偿模块还包括供电电路，所述供电电路分别与磁通测量传感器、第一放大电路和反馈电路相连，用于为磁通测量传感器、第一放大电路和反馈电路供电。

所述信号处理模块包括顺序相连的第二放大电路、移相电路、滤波电路和电压电流转换电路；

所述第二放大电路并联在测量电阻的两端，用于采集测量电阻两端的电压并对采集的电压进行放大处理；

所述移相电路用于对放大后的采集电压进行相位平移；

所述滤波电路用于对相位平移后的采集电压进行滤波，去除干扰信号；

所述电压电流转换电路用于将滤波后的采集电压转换为电流。

所述测量电阻与副边线圈之间串联前置运算放大器。

本发明能够测得准确的故障信号，并可以同时在线监测多种故障信号，且无需改动一次接线，提高了在线监测的安全可靠性和设备安装维护的效率。

附图说明

图1是本发明提供的变压器在线监测传感器结构图；

图2是变压器套管末屏引出线与罗氏线圈电流测量模块的环形铁芯的位置关系图；

图3是罗氏线圈原理图；

图4是零磁通补偿模块结构图；

图5是信号处理模块结构图；

图6是等幅移相电路图；

图7是电压电流转换电路图；

图8是前置运算放大器电路图；

图中，1-环形铁芯，2-副边线圈，3-测量电阻，4-补偿线圈，5-磁通测量传感器，6-补偿电路，7-变压器套管末屏引出线，8-凹槽，9-变压器套管，10-母线。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的变压器在线监测传感器结构图。如图1所示，本发明提供的变压器在线监测传感器包括罗氏线圈电流测量模块、零磁通补偿模块和信号处理模块。其中，罗氏线圈电流测量模块包括环形铁芯1、盘绕在环形铁芯上的副边线圈2和测量电阻3。零磁通补偿模块包括盘绕在环形铁芯上的补偿线圈4、磁通测量传感器5和补偿电路6。变压器在线监测传感器安装在变压器套管末屏引出线上，图2是变压器套管末屏引出线与罗氏线圈电流测量模块的环形铁芯的位置关系图，如图2所示，变压器套管末屏引出线7垂直穿过环形铁芯1的中心。

如图1所示，环形铁芯1设置用于放置磁通测量传感器5的凹槽8，副边线圈2的输入端与补偿线圈4的输出端相连，副边线圈2的输出端与大地之间并联测量电阻3。磁通测量传感器5置于凹槽8中，且磁通测量传感器5与补偿电路6相连，补偿电路6与补偿线圈4的输入端相连。信号处理模块并联在测量电阻3的两端。

本发明中，罗氏线圈电流测量模块通过副边线圈2感应变压器套管末屏引出线上的电流。磁通测量传感器5用于测量环形铁芯1中的磁通，并将测量的磁通转换为电压信号发送至补偿电路，补偿电路6用于将电压信号转换为电流信号，再根据电流信号产生使环形铁芯中的磁通接近于零的反馈电流，然后将反馈电流输出到补偿线圈。信号处理模块用于采集测量电阻3两端的电压，根据测量电阻3两端的电压得到变压器套管末屏引出线上的感应电流，再根据感应电流判断变压器是否发生故障以及发生的故障是过电压故障、局部放电故障还是变压器套管介质损耗故障。

罗氏线圈的基本原理在于：任何一个随时间变化的电流在其周围会产生一个随时间变化的磁场，如果将环形线圈包围在被测电流的导体周围，则磁场将在线圈的两出线端间感应一个电压，如果在环形线圈两端接一个小阻值的信号电阻R_L，由线圈自感L和R_L会形成积分电路，在信号电阻R_L上就可得到与被测电流成正比的电压U₂。这就是内积分型的罗氏线圈，其原理图如图3所示，系统的电压电流方程为：

$\left\{\begin{array}{c}M\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}=u_2+L\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Ri}}_2\\ i_2=C_0\frac{{\mathrm{du}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{u_2}{R_L}\end{array}\right.$

其中，M为线圈互感，i₁为一次侧输入电流，u₂为二次侧输出电压，L为线圈电感，i₂为二次侧输出电流，R为线圈内阻，C₀为杂散电容。

系统的传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{u_2\left(s\right)}{i_1\left(s\right)}=\frac{\mathrm{Ms}}{{\mathrm{LC}}_0{s}^2+(\frac{L}{R_L}+{\mathrm{RC}}_0)s+(\frac{R}{R_L}+1)}$

通过以上罗氏线圈的原理可知，当有电流I_n流过变压器套管末屏引出线时，本发明提供的罗氏线圈电流测量模块的副边线圈会产生感应电流I_m。然而，单独使用罗氏线圈感应变压器套管末屏引出线的电流I_n会产生误差。这是因为，当电流I_n经过变压器套管末屏引出线时，由于磁通效应，会产生磁通的交变励磁电流，该交变励磁电流会导致测量的感应电流出现误差。而当激磁电流（交变励磁电流）等于零时，即是所谓的“零磁通”状态，此时罗氏线圈电流测量模块的输出保持良好的线性度，比差和角差为零，可以消除误差。但这是一种理想的情况，当激磁电流等于零时，环形铁芯中的磁通为零，一二次侧无法实现信号的耦合，罗氏线圈电流测量模块不能进行感应工作。但如果正确选择补偿方法，可将铁芯中的磁通降到极低的近似“零磁通”的状态，从而使罗氏线圈电流测量模块达到非常高的精度满足在线监测的需求。

为此，本发明提供了零磁通补偿模块，它包括盘绕在环形铁芯上的补偿线圈、磁通测量传感器和补偿电路。其中，磁通测量传感器采用霍尔传感器，它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。流入激励电流端的电流I越大、作用在霍尔元件薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。磁场方向相反，霍尔电势的方向也随之改变，因此霍尔传感器能用于测量静态磁场或交变磁场。

零磁通补偿模块采用磁平衡原理，即当有电流I_n流过变压器套管末屏引出线时，在环形铁芯处所产生的磁场可以通过一个次级线圈（补偿线圈）中的电流所产生的磁场进行补偿，从而使环形铁芯处于零磁通的工作状态。而补偿线圈中的电流值可以根据安培定律确定。根据安培定律，流过导体的电流会在该导体周围产生一个磁场，这个磁场可以用一个高导磁率的磁路来测量。绕在磁路的N匝绕圈（补偿线圈），如果通以1/N的反向电流，就可以消除原边电流所产生的磁场。本发明通过沿磁路安装的霍尔传感器，来检测铁芯间隙中的磁通。如果磁通不为零，霍尔传感器就会有（原、副边磁通不平衡的偏差）电压信号输出，该信号在补偿电路中经高增益放大器放大后，可以确定原边电流（即变压器套管末屏引出线上的电流），再根据安培定律，由补偿电路输出用于调节磁通的反馈电流。该反馈电流流经补偿线圈，用以抵消原、副边安匝数不平衡所产生的偏差，在环形铁芯中始终保持反馈电流所产生的磁通能够抵消原边电流所产生的磁通，从而使环形铁芯处于近似零磁通状态。

图4是零磁通补偿模块结构图，如图4所示，本发明提供的零磁通补偿模块的补偿电路可以包括顺序相连的第一放大电路和反馈电路。第一放大电路与磁通测量传感器相连，用于接收电压信号并对电压信号进行放大处理。反馈电路与补偿线圈的输出端相连，用于接收放大的电压信号，并将放大的电压信号转换为电流信号，再根据电流信号产生使环形铁芯处于近似零磁通状态的反馈电流，然后将反馈电流输出到补偿线圈。进一步，为了确保零磁通补偿模块的有效工作，零磁通补偿模块还可以包括供电电路，供电电路分别与磁通测量传感器、第一放大电路和反馈电路相连，用于为磁通测量传感器、第一放大电路和反馈电路供电。

由于采用了近似零磁通的处理技术，因此副边线圈感应电流已经消除了激磁电流导致的误差，非常接近于流过变压器套管末屏引出线的真实电流。由于测量电阻并联在副边线圈输出端和大地之间，因此可以通过测量电阻两端的电压恢复出副边线圈感应电流。图5是信号处理模块结构图，如图5所示，本发明提供的信号处理模块包括顺序相连的第二放大电路、移相电路、滤波电路和电压电流转换电路。第二放大电路并联在测量电阻的两端，用于采集测量电阻两端的电压并对采集的电压进行放大处理，移相电路用于对放大后的采集电压进行相位平移，滤波电路用于对相位平移后的采集电压进行滤波，去除干扰信号，电压电流转换电路用于将滤波后的采集电压转换为电流。

第二放大电路采用单片放大器AD620，其成本低、精度高、功耗低、工作频带宽、使用简单，仅用一个外接电阻设置增益，增益范围为1～1000。

本发明采用等幅移相电路，其电路图如图6所示。图6中，当R₁=R_f时，幅频特性为：A_v=1，相频特性为：

$\mathrm{\Φ}=\left\{\begin{array}{c}\arctan \frac{2\mathrm{RX}}{R^2-X^2}(0\≤R\≤X)\\ -\mathrm{\π}+\arctan \frac{2\mathrm{RX}}{R^2-X^2}(R\≥X)\end{array}\right.$

适当选择R，C值，可使Φ在0～-150°之间变化，如将两个相同结构的等幅移相器串联，通过调节可变电阻的值，可使Φ在0～-270°之间变化。通过加入移相器，可改变U₁的相角，调节输出电流的相位。采用四阶切比雪夫带通滤波器，其中心频率为50Hz，带宽20Hz。

图7是电压电流转换电路图，如图7所示，本发明采用由两个跨导运放（OTA）构成的对温度不敏感的U/I转换电路。

经过电压电流转换电路获得的电流信号，接近于变压器套管末屏引出线的真实电流。由于在变压器无故障正常工作的时候，末屏电流只有50Hz的泄漏电流，因此发生故障时会有相应的故障信号，通过对该电流的波形、频率和幅值的分析，可以确定变压器发生的故障是过电压故障、局部放电故障还是变压器套管介质损耗故障。比如，套管的泄漏电流频率为50Hz用于监测套管的介质损耗角，变压器局部放电在套管末屏上所产生的电脉冲一般为数千赫兹至数百千赫兹或至多数兆赫兹，过电压信号的频段则高于局部放电信号。

本发明的测量电阻与副边线圈之间还可以串联前置运算放大器。图8是前置运算放大器电路图，图8中，前置运算放大器用于对罗氏线圈测得的信号进行误差补偿。通过运算放大器降低输入阻抗和信号放大的特性，可以有效增加二次边（副边线圈）输出的安匝数，在降低负载阻抗的同时实现高灵敏度。

本发明采用罗氏线圈电流测量模块和零磁通技术在变压器套管末屏的引出线上对局部放电信号、过电压信号和泄漏电流信号同时进行采集，采用信号处理模块得到准确且不失真的一次侧故障信号波形，并可用于对故障类型的判断。该传感器的优势在于，其工作不需要改动一次接线，提高了在线监测的安全可靠性，一个综合传感器可以同时在线监测三种故障信号，提高了在线监测和设备安装维护的效率。信号处理模块用于对传感器的输出的信号进行处理，输出经过处理后可用于故障诊断的数据信号。本发明不仅能够实时在线监测变压器的工作状态，同时也为电力系统的设备事故原因分析提供可靠数据，而且该传感器具有体积小、功耗低、成本低、响应速度快、硬件结构简单，工作可靠等优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种变压器在线监测传感器，安装在变压器套管末屏引出线上，其特征是所述传感器包括罗氏线圈电流测量模块、零磁通补偿模块和信号处理模块；

所述罗氏线圈电流测量模块包括环形铁芯、盘绕在环形铁芯上的副边线圈和测量电阻；

所述零磁通补偿模块包括盘绕在环形铁芯上的补偿线圈、磁通测量传感器和补偿电路；

所述变压器套管末屏引出线垂直穿过环形铁芯中心；

所述环形铁芯设置用于放置磁通测量传感器的凹槽；

所述副边线圈的输入端与补偿线圈的输出端相连，副边线圈的输出端与大地之间并联测量电阻；

所述磁通测量传感器置于凹槽中，且磁通测量传感器与补偿电路相连；

所述补偿电路与补偿线圈的输入端相连；

所述信号处理模块并联在测量电阻两端；

所述罗氏线圈电流测量模块用于感应变压器套管末屏引出线上的电流；

所述磁通测量传感器用于测量环形铁芯中的磁通，并将测量的磁通转换为电压信号发送至补偿电路；

所述补偿电路用于将所述电压信号转换为电流信号，再根据所述电流信号产生反馈电流并将所述反馈电流输出到补偿线圈；

所述信号处理模块用于采集测量电阻两端的电压，根据测量电阻两端的电压得到变压器套管末屏引出线上的感应电流，再根据所述感应电流判断变压器发生的故障类型。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征是所述补偿电路包括顺序相连的第一放大电路和反馈电路；

所述第一放大电路与磁通测量传感器相连，用于接收电压信号并对所述电压信号进行放大处理；

所述反馈电路与补偿线圈的输出端相连，用于接收放大的电压信号，并将所述放大的电压信号转换为电流信号，再根据所述电流信号产生反馈电流，然后将所述反馈电流输出到补偿线圈。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征是所述零磁通补偿模块还包括供电电路，所述供电电路分别与磁通测量传感器、第一放大电路和反馈电路相连，用于为磁通测量传感器、第一放大电路和反馈电路供电。

4.根据权利要求1、2或3所述的传感器，其特征是所述信号处理模块包括顺序相连的第二放大电路、移相电路、滤波电路和电压电流转换电路；

所述第二放大电路并联在测量电阻的两端，用于采集测量电阻两端的电压并对采集的电压进行放大处理；

所述移相电路用于对放大后的采集电压进行相位平移；

所述滤波电路用于对相位平移后的采集电压进行滤波，去除干扰信号；

所述电压电流转换电路用于将滤波后的采集电压转换为电流。

5.根据权利要求4所述的传感器，其特征是所述测量电阻与副边线圈之间串联前置运算放大器。

Images