CN105699836A - 一种检测变压器铁芯接地电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明检测变压器铁芯接地电流的方法包括：在变压器铁心接地线上装设穿心式电流互感器；连接穿心式电流互感器和PCB板；信号采集与处理模块处理信号；数模转换电路处理信号；微处理器单元处理信号得到变压器铁芯接地电流实时数值信号；微处理器单元向通信模块和/或显示接口模块传送信号；通信模块处理信号并传送给外部后台监控端，显示接口模块处理信号并传送给液晶显示屏和/或装置状态指示灯等步骤。本发明采用穿心式电流互感器采集变压器铁芯接地线泄漏电流信号，采用全封闭抗干扰检测装置本体与电流互感器分体设计的方案，采用无线通信接口传递数据，具有检测数据准确可靠，测量操作简单方便的特点。

Description

一种检测变压器铁芯接地电流的方法

技术领域

本发明涉及电力设备接地电流的检测方法，特别涉及一种检测变压器铁芯接地电流的方法，属于电力设备检测领域。

背景技术

随着用户对供电可靠性的要求越来越高，电网的安全稳定运行也越来越重要。电力变压器是电网的“心脏”。确保变压器的正常运行，及早发现事故征兆，从而进行针对性的抢修,把事故所造成的各种损失控制到最低限度，关系到电网企业的社会综合效益和经济效益。目前国家正在大力发展智能化电网，而变压器铁芯的在线监测系统是构成智能化电网中比较重要的组成部分，通过对铁芯接地电流的在线监测，能够准确判断铁芯的工作状况，从而有的放矢在铁芯出现故障前及时进行维护，不仅有效的提高了供电的可靠性，还尽可能的降低了电力系统的运行费用，对保障电力变压器的安全运行具有十分重要的意义。因此，我们应加强变压器铁芯多点接地故障检测。努力做到及时发现，及时处理，以确保变压器的安全可靠运行，最大限度地预防变压器铁芯故障的发生。

电力变压器正常运行时，绕组周围会产生电场，而铁心和夹件等金属处于电场中，若铁心没有可靠接地，上面就会不断积累电荷，达到一定程度时，就会产生放电现象，损坏绝缘。因此，变压器的铁心必须有一点可靠接地，如果由于某些原因或者故障，产生了多于一个的接地点，则会在铁心内形成短接的闭合回路，接地引线上就会产生环流。一方面，会造成铁心局部短路发热，接地片熔断，甚至烧坏铁心，绝缘油分解；另一方面，造成变压器局部过热，可能产生放电性故障。在运行过程中，为了判断铁心是否存在多点接地故障，可以通过测量铁心外接地线中的电流来判断。目前，采用统一的大口径钳形电流表，定期赶到现场进行人工测量。这样的测量方式有以下缺点：第一，需要人工现场测量，费力费时，当遇到故障时，会耽误一定的抢修时间。第二，测量过程中，安全距离小的变压器测量铁心电流不方便，而且同一测量点有时会出现几次测量数据不同的情况。第三，钳形电流表的不能适应铁心接地引下线的形状变化(目前接地引下线有扁铜排和圆形)，所以会造成数据不准确和不稳定。另外，现有的监测电流装置在实际使用中还面临着各种外部的干扰因素，而且安装维护也不方便。

发明内容

本发明检测变压器铁芯接地电流的方法公开了新的方案，采用穿心式电流互感器采集泄漏电流信号，采用设置在全封闭防电磁干扰壳体内的监测装置本体与壳体外电流互感器分离设置的方案，提高了测量数据的精度和准确性，采用无线通信接口传递数据，改善了现场检测带来的困难，解决了现有检测方法检测数据受环境因素干扰而不准确以及检测操作难度大的问题。

本发明检测变压器铁芯接地电流的方法包括步骤：⑴将设有封闭合金外壳的穿心式电流互感器固定套设在变压器铁心接地线上形成可接通检测信号状态；⑵采用双屏蔽电缆将步骤⑴中穿心式电流互感器检测到的电流信号传送给设在全封闭防电磁干扰壳体内的PCB板的信号采集与处理模块；⑶信号采集与处理模块将接收到的信号经过内部的信号转换电路、滤波电路和信号放大电路处理后传送给数模转换电路；⑷数模转换电路将接收到的信号进行数模转换后传送给微处理器单元；⑸微处理器单元将接收到的信号进行数字滤波与运算后得到变压器铁芯接地电流实时数值信号；⑹微处理器单元将得到的变压器铁芯接地电流实时数值信号传送给通信模块和/或显示接口模块；⑺通信模块将接收到的信号经过处理后传送给外部后台监控端，显示接口模块将接收到的信号经过处理后传送给设在步骤⑵中全封闭防电磁干扰壳体外部表面上的液晶显示屏和/或装置状态指示灯示出。

本发明检测变压器铁芯接地电流的方法采用穿心式电流互感器采集变压器铁芯接地线泄漏电流信号，采用全封闭抗干扰检测装置本体与电流互感器分体设计的方案，采用无线通信接口传递数据，具有检测数据准确可靠，测量操作简单方便的特点。

附图说明

图1是本发明方法电流数据采集加工存储显示流程示意图。

图2是本发明方法检测信息通信流程示意图。

具体实施方式

以下对本发明作进一步说明。

本发明检测变压器铁芯接地电流的方法包括步骤：

⑴将设有封闭合金外壳的穿心式电流互感器固定套设在变压器铁心接地线上形成可接通检测信号状态。本方案采用的穿心式泄漏电流传感器测量精度高，而且自身的抗干扰能力也很强。为了提高穿心式电流互感器本身的安全性能，本方案的穿心式电流互感器设在封闭的合金外壳内，屏蔽外部电磁干扰，穿心式电流互感器输出端设有过压保护器，保证输出端的稳态电压，穿心式电流互感器输出端通过双屏蔽电缆与监测装置本体电连接，抑制差模干扰。为了进一步提高测量数据的准确性，本方案还采取了以下措施，即①通过釆用金属屏蔽线，可靠实现有效接地；②提高传感器的输出电压和信噪比。

⑵采用双屏蔽电缆将步骤⑴中穿心式电流互感器检测到的电流信号传送给设在全封闭防电磁干扰壳体内的PCB板的信号采集与处理模块。本方案采用的全封闭防电磁干扰壳体，具有良好的防腐、防风、防尘和防电磁干扰的功能，能够给内部的电气设备提供良好的运行环境，避免其受到外部恶劣环境的影响。本方案采用的监测装置本体(PCB板)与电流互感器分体设计模型，这种设计方式有效改善了各电气设备独立运行的环境，同时使得监测装置本体可以根据现场情况灵活选取合适的安装位置。上述方案述及的安全防护方案提高了测量数据的精度和准确度，在实际应用中产生了良好的效果。

在现实环境中，变压器运行的电磁环境是十分恶劣的，铁芯接地电流信号很容易被淹没在强大的电磁干扰中，监测系统性能往往因此而达不到满足实用化的要求。电磁干扰可以通过各种线路入侵系统，也可以通过电磁场的形式直接从外部干扰系统。为此，需要提高抗干扰能力。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和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。具体如下。

①PCB设计部分

1)通过划分各自区域，让模拟电路和数字电路彼此分开。

2)留好地线结构空间，特别是接地线。

3)最短距离连线。

②电源、地线设计

1)地线设计：设置地线网格。

2)电源设计：模拟电路、数字电路各自独立供电。

3)产品地线设计：在主线路板上数字电路、模拟电路和大功率开关电路都有独立的地线及地线引出端。

③布线设计

1)相邻层的信号线垂直布线以防止信号线间的千扰。

2)为减少地线阻抗，加宽电源线和地线。

3)为减少噪声阻抗，信号线尽量靠近地线。

4)地线尽量加粗，注意较细的地线。

④软件抗干扰

1)指令冗余法：在每段程序中插入几个空操作指令，保护后续指令能够完整被执行。

2)软件陷讲法：利用未使用的空单元去跳转指令填满，设立成为软件“陷讲”，强迫将抓取的程序指向某个特定的地址，从而使系统恢复正常运行。

3)软件“看门狗”(WATCHDOG)法：若系统受干扰而失控达到一定的时间后，产生溢出信号，使系统复位从而自动恢复正常运行。

4)绝对跳转法：使用绝对跳转指令，使各转移分支均能回到显示程序。

以上方案均可以通过配套的系统实现，其中涉及的电气设备、电路、模块以及电子元器件在没有特别提及的情况下都可以根据具体的实际需要选择本领域通用的方案，也可以根据需要采用特别设计的方案，以实现相应的功能。

⑶信号采集与处理模块将接收到的信号经过内部的信号转换电路、滤波电路和信号放大电路处理后传送给数模转换电路。本方案选用的运放芯片是AD8512ARZ。它是一款双路精密JFET放大器，具有低失调电压、低输入偏置电流、低输入电压噪声和低输入电流噪声特性。低失调、低噪声和极低输入偏置电流这些特性相结合，使其特别适合高阻抗传感器放大以及采用分流的精密电流测量。直流精度、低噪声和快速建立时间特性相结合，则使医疗仪器、电子测量和自动测试设备可以获得优异的精度。即使容性负载相当大，AD8512ARZ也能保持快速建立性能。不同于许多旧式JFET放大器，当输入电压超过最大共模电压范围时，AD8512ARZ不会发生输出反相。AD8512ARZ在容性负载下仍提供快速压摆率和极高稳定性，因此非常适合高性能滤波器使用。低输入偏置电流、低失调和低噪声特性使光二极管放大器电路具有较宽的动态范围。低噪声、低失真、高输出电流和出色的速度使AD8512ARZ成为音频应用的绝佳选择。

⑷数模转换电路将接收到的信号进行数模转换后传送给微处理器单元。本方案根据实际装置工作的需要，选取了AD7606BSTZ作为模数转换的功能芯片。该芯片是16位、多通道同步采样模数数据采集系统(DAS)。器件内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC、灵活的数字滤波器、2.5V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。该芯片采用5V单电源供电，可以处理±10V和±5V真双极性输入信号，同时所有通道均能以高达200kSPS的吞吐速率采样。输入箝位保护电路可以耐受最高达±16.5V的电压。无论以何种采样频率工作，AD7606BSTZ的模拟输入阻抗均为1MΩ。它采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，因此无需驱动运算放大器和外部双极性电源。AD7606BSTZ抗混叠滤波器的3dB截止频率为22kHz，当采样速率为200ksps时，它具有40dB抗混叠抑制特性。灵活的数字滤波器采用引脚驱动，可以改善信噪比(SNR)，并降低3dB带宽。

⑸微处理器单元将接收到的信号进行数字滤波与运算后得到变压器铁芯接地电流实时数值信号。控制器是整个测控系统的核心，其主要任务是完成系统的数据读取计算、各电路的协调和管理、处理人机接口控制、开关量输出的控制以及与现场监测设备的通讯等。本方案选用的控制器型号是STM32F405RGT6。STM32F405RGT6控制器是基于高性能ARMCortex-M432位内核的一款控制器，能在高达168MHz的频率下运行。该内核采用浮点单元单精度，支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型。它还实现了一套完整的DSP指令和内存保护单元，从而提高应用程序的安全性。STM32F405RGT6控制器采用高速嵌入式存储器，闪存高达1M字节，高达192字节的SRAM，最多4KB的备份SRAM，并连接到两个广泛的增强型I/O和外设APB总线，AHB总线和32位多AHB总线矩阵。STM32F405RGT6控制器具有3个12位ADC，两个DAC，低功耗RTC，12个通用16位定时器，包括两个PWM定时器，电机控制，2个通用32位定时器。真随机数生成器。还配备了标准和高级通信接口。STM32F405RGT6控制器的工作温度范围是-40℃到105℃，可以给1.8到3.6V的电源供电。一套全面的省电模式允许低功耗设计应用程序。因此，本方案采用C8051F005单片机做为铁芯接地电流在线监测装置的控制器完全满足性能和设计要求。

⑹微处理器单元将得到的变压器铁芯接地电流实时数值信号传送给通信模块和/或显示接口模块。此时，如果检测到异常信号，微处理器单元根据检测得到的异常信号启动报警模块向外部通信端发送报警信号。如果异常信号超过预警限，报警模块通过通信端口上传报警信号，进一步，如果超过预警限的异常信号超过报警限，报警模块通过通信端口触发外部声光报警设备开始工作。

当异常信号超过报警限，报警模块同时启动限流电阻投切控制模块向被检测电路中串联限流电阻来减小变压器铁芯接地电流。当出现故障时，变压器铁芯的接地点由一点增加到两个或者两个以上，流经铁芯的电流就会急剧增人，如不及时排除将对变压器铁芯造成严重损害，这时需要对变压器进行检修以排除故障,但变压器的检修受供电计划、检修计划等诸多因素的影响而无法立即进行，在这种情况下，一般采用串连电阻以减小接地电流值，使运行和检修人员有时间对故障的原因和严重程度进行评估，如果确实需要停机检修，可以在调度调整设备运行方式，备品备件准备及变压器厂家人员到厂前使设备处于运行状态，减少停电给电网和用户带来的损失，提高供电可靠性。以上方案具体是可以采用限流电阻投切控制装置，限流电阻投切控制装置包括限流电阻投切控制模块和限流电阻电路，限流电阻电路包括一组串联的限流电阻，上述一组串联的限流电阻上游电路设有组接入开关，上述一组串联的限流电阻中各限流电阻的两端接有分接入开关，限流电阻投切控制模块与微处理器单元信号连接，限流电阻投切控制模块根据收到的限流指令依次逐步开启组接入开关、分接入开关将限流电阻接入电路，具体是当电流超过设定限值时自动逐挡投入限流电阻以降低接地电流作为应急措施，当电流低于限值时自动切除限流电阻。

为了满足电力设备在各种复杂恶劣的环境中可持续正常工作的实际要求，在设备断电和遭受各种外部干扰出现异常运行状态的情况下及时调整设备的运行状态，挽救因故障丢失或失真的运行数据，本方案还可以通过PCB板上的非易失存储模块实时备份设定时间段内的系统数据，内部非易失存储模块断电备份系统数据，当设备发生短时间断电故障时，内部非易失存储模块内存储的断电前正常的数据可以为恢复供电后的数据传送和加工提供数据来源。进一步，本方案还可以通过PCB板上的数据诊断和恢复模块，数据诊断和恢复模块根据监测得到的异常信号发出报警信号后将装置恢复到正常状态，所需要的数据可以从上述内部非易失存储模块内调取，即系统运行异常时自动启动自诊断恢复模块，自诊断恢复模块通过报警模块上传报警信号和/或触发外部声光报警设备开始工作，自诊断恢复模块根据非易失存储模块内的数据恢复系统正常工作。

为了方便监控端对检测程序进行实时管理和调整，本方案还可以通过外部后台监控端通过通信端口实时查询非易失存储模块内的数据内容，外部后台监控端通过通信端口实时修改和/或设定报警阈值。

以上涉及的电路、模块以及电子元器件均可以采用本领域通用的方案，也可以根据实际需要采用特别设计的方案。

⑺通信模块将接收到的信号经过处理后传送给外部后台监控端，显示接口模块将接收到的信号经过处理后传送给设在步骤⑵中全封闭防电磁干扰壳体外部表面上的液晶显示屏和/或装置状态指示灯示出。本方案的通信模块可以采用有线和无线两种通信模式，即微处理器单元将得到的变压器铁芯接地电流实时数值信号传送给RS485通信模块或CAN通信模块，RS485通信模块或CAN通信模块将接收到的信号经过处理后传送给外部后台监控端；或者微处理器单元将得到的变压器铁芯接地电流实时数值信号传送给GSM通信模块或GPRS通信模块，GSM通信模块或GPRS通信模块将接收到的信号经过处理后传送给外部后台监控端。为了适应各种环境条件的变化，根据不同的应用需求，装置可配置为接入变电设备综合状态检测系统、对立GSM短信实现检测或两者结合应用，即微处理器单元将得到的变压器铁芯接地电流实时数值信号同时传送给RS485通信模块或CAN通信模块，RS485通信模块或CAN通信模块将接收到的信号经过处理后传送给变压器综合监测单元，变压器综合监测单元通过Ethernet设备或DL/T860设备传送给外部后台监控端或站控层设备，其运行原理如图2所示。利用无线电通信技术，工作人员可以通过后台或者手机短信的方式定时或者实时了解查询铁芯电流的数值，也可以通过短信灵活自主地对发送数据的周期以及预警报警值等短信设置属性进行修改。

GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)通讯作为移动通讯的一种主干网络，经过多年的发展，GSM移动公网已经成为社会上应用最为广泛的一种通信资源。GSM短信息服务SMS(shortMessageService)作为GSM网络的一种基本业务，是最为简单和方便的数据通讯方式，运行非常成熟稳定、成本低廉，已经进入到各个领域，成为企业和行业应用密不可分的一部分。本项目将首先支持GSM短信功能，当接地电流越限时向运维人员发送告警信息。

GPRS(GeneralPacketRadioService)通用分组无线服务技术的简称，是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，以封包(Packet)式来传输，可以按使用流量计费，费用较低，传输速率可达56Kbps甚至114Kbps。可作为实时监测、查询的支撑技术。

本方案检测变压器铁芯接地电流的方法采用特制电流互感器、高精度模拟电路及先进的数字信号处理技术，测量范围宽(1mA～30A)，精度高(±1％)，抗干扰性能好，检测数据准确可靠。采用多种通信接口，可配置接入电气设备综合监测系统，也可独立配置为通过GSM短信实现监测，应用配置灵活。采用装置本体(PCB板)与电流互感器分体设计的方案，专用的夹具使电流互感器可灵活安装到铁芯接地引下线上，装置本体可根据现场情况灵活安装到不同位置，而且装置具备完善的自检功能，可及时判断装置的状态并告警，具有在不影响变压器运行的情况下对所有部件包括传感器(旁路铁芯接地引下线)进行安装和维护的特点。采用穿心式电流互感器，不破坏接地引下线，对变压器的安全运行无任何影响，所有元件均采用工业化标准生产，具有良好的抗电磁冲击及温度突变能力，装置采用全密封设计，具备防腐、防风、防尘、防电磁干扰等功能，能适应户外恶劣运行环境，具有安全可靠的特点。基于以上特点，本方案检测变压器铁芯接地电流的方法相比现有的检测方法具备突出的实质性特点和显著的进步。

本方案检测变压器铁芯接地电流的方法具有以下特点：⑴实时监测变压器铁芯接地电流，并将其进行实时本地显示；⑵铁芯接地电流越限预警和报警。电流超过预警限值时主动通过通信接口上传数据，超过报警限值时装置本地发光报警并通过通信报警；⑶可接入状态监测系统后台或独立运行通过短信定期发送数据给运维管理人员，且在手机端具有主动查询功能，并能通过短信灵活自主地对发送数据的周期以及预警报警值等短信设置属性进行修改。因此，本方案解决了以往的传统检测方法中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多点接地故障的问题。通过穿心式互感器对铁芯电流的实时测量与采集，提高了测量的精度，避免了人工测量的误差，同时节省了人力物力和时间，减少了工作量。将测量的铁芯电流值实时显示出来，供巡视人员参考分析，判断设备的运行状态。利用无线电通信技术，工作人员可以通过后台或者手机短信的方式定时或者实时了解查询铁芯电流的数值。该装置具有越限预警和报警功能，能够使工作人员第一时间得到铁芯电流越限的预警或报警信息，从而及时采取相应的措施消除缺陷，避免故障范围过大严重性增强，保障电力变压器的可靠运行，有效提高供电可靠性。

Claims (10)

1.一种检测变压器铁芯接地电流的方法，其特征是包括步骤：

⑴将设有封闭合金外壳的穿心式电流互感器固定套设在变压器铁心接地线上形成可接通检测信号状态；

⑵采用双屏蔽电缆将步骤⑴中穿心式电流互感器检测到的电流信号传送给设在全封闭防电磁干扰壳体内的PCB板的信号采集与处理模块；

⑶信号采集与处理模块将接收到的信号经过内部的信号转换电路、滤波电路和信号放大电路处理后传送给数模转换电路；

⑷数模转换电路将接收到的信号进行数模转换后传送给微处理器单元；

⑸微处理器单元将接收到的信号进行数字滤波与运算后得到变压器铁芯接地电流实时数值信号；

⑹微处理器单元将得到的变压器铁芯接地电流实时数值信号传送给通信模块和/或显示接口模块；

⑺通信模块将接收到的信号经过处理后传送给外部后台监控端，显示接口模块将接收到的信号经过处理后传送给设在步骤⑵中全封闭防电磁干扰壳体外部表面上的液晶显示屏和/或装置状态指示灯示出。

2.根据权利要求1所述检测变压器铁芯接地电流的方法，其特征在于，在步骤⑹中，微处理器单元根据检测得到的异常信号启动报警模块向外部通信端发送报警信号。

3.根据权利要求2所述检测变压器铁芯接地电流的方法，其特征在于，异常信号超过预警限，报警模块通过通信端口上传报警信号，超过预警限的异常信号超过报警限，报警模块通过通信端口触发外部声光报警设备开始工作。

4.根据权利要求3所述检测变压器铁芯接地电流的方法，其特征在于，异常信号超过报警限，报警模块同时启动限流电阻投切控制模块向被检测电路中串联限流电阻来减小变压器铁芯接地电流。

5.根据权利要求2所述检测变压器铁芯接地电流的方法，其特征在于，通过PCB板上的非易失存储模块实时备份设定时间段内的系统数据。

6.根据权利要求5所述检测变压器铁芯接地电流的方法，其特征在于，系统运行异常时自动启动自诊断恢复模块，自诊断恢复模块通过报警模块上传报警信号和/或触发外部声光报警设备开始工作，自诊断恢复模块根据非易失存储模块内的数据恢复系统正常工作。

7.根据权利要求6所述检测变压器铁芯接地电流的方法，其特征在于，外部后台监控端通过通信端口实时查询非易失存储模块内的数据内容，外部后台监控端通过通信端口实时修改和/或设定报警阈值。

8.根据权利要求1所述检测变压器铁芯接地电流的方法，其特征在于，在步骤⑹～⑺中，微处理器单元将得到的变压器铁芯接地电流实时数值信号传送给RS485通信模块或CAN通信模块，RS485通信模块或CAN通信模块将接收到的信号经过处理后传送给外部后台监控端。

9.根据权利要求1所述检测变压器铁芯接地电流的方法，其特征在于，在步骤⑹～⑺中，微处理器单元将得到的变压器铁芯接地电流实时数值信号传送给GSM通信模块或GPRS通信模块，GSM通信模块或GPRS通信模块将接收到的信号经过处理后传送给外部后台监控端。

10.根据权利要求9所述检测变压器铁芯接地电流的方法，其特征在于，在步骤⑹～⑺中，微处理器单元将得到的变压器铁芯接地电流实时数值信号同时传送给RS485通信模块或CAN通信模块，RS485通信模块或CAN通信模块将接收到的信号经过处理后传送给变压器综合监测单元，变压器综合监测单元通过Ethernet设备或DL/T860设备传送给外部后台监控端或站控层设备。