CN107449954A - 电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法。该装置由安装在变压器铁心接地引线上的变压器铁心接地电流全息传感与抗干扰信号转换器、量程分段回环控制高分辨率采样信号适配器和开放式高速全息采集与全息分析装置及其多功能通信接口组成，对铁心接地电流进行全息传感、全息采样、全息关联和全息分析，为全面、准确、实时捕获并分析变压器铁心接地电流中所蕴含的各种信息，检测与诊断变压器铁心多点接地、磁路过饱和、紧固件松动等故障提供技术方案。并为检测变压器（特别是低压绕组和铁心中）局部放电以及与变压器相连设备（断路器、隔离刀闸、发电机）的异常操作提供一种新的技术手段。

Description

电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法

技术领域

本发明属于电力设备在线监测领域，特别涉及变压器铁心接地电流在线监测与异常检测、诊断及报警。

背景技术

电力变压器的可靠性直接关系到电力系统的安全与稳定，高电压大容量变压器一旦发生事故，会造成大面积停电，而且维修费用高、周期长，经济损失巨大。

正常条件下变压器铁心分别通过引线单点接地，接地电流很小，一般为毫安级工频电流。当出现多点接地故障时，接地电流会明显上升，使铁心发热，危及变压器安全运行。按照DLT573-2010电力变压器检修导则要求，当铁心的接地电流达到或超过100mA的时候，就必须采取相应措施进行处理，因此很多电力变压器安装了铁心接地电流在线监测系统，检测多点接地故障。

在现有技术中，如专利申请号为CN 201010297146.9申请公告号为CN 102004182A的发明专利公开了一种变压器铁心接地电流在线监测系统及其实现方法，该系统对采集到的信号采用傅里叶变换（FFT）算法进行分析计算，得到接地电流信号中的工频信号有效值和各次谐波有效值，并以此为依据来确定变压器铁心有没有出现多点接地。此系统只计算了接地电流中的工频成分和各次谐波成分，并不能采集并提取接地电流信号中的高频脉冲信号，无法关联变压器的运行状态、运行工况、运行环境及与其相连设备的运行状态、操作事件、异常事件进行关联分析，不能全面的检测与诊断主变的健康状况。

本项目发明人通过理论分析与应用实践发现变压器铁心接地电流中汇集了丰富的信息。除了铁心多点接地故障外，其它一些故障（如铁心紧固件松动、磁路过饱和）也会导致铁心接地电流发生异常变化。另外，局部放电、发电机启励或断路器操作（闭合或断开）或隔离刀闸操作（闭合或断开）所产生的瞬时电磁冲击、大气雷电等高频信号也会耦合到铁心接地电流中。这些信息对检测和诊断变压器故障、评估变压器健康状况具有重要的参考价值。但目前还未见监测与分析这些信息的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于避免现有电力变压器铁心接地电流在线监测系统中存在的不足而提供一种电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法，为全面、准确、实时捕获并分析变压器铁心接地电流中所蕴含的各种信息，检测与诊断变压器铁心多点接地、磁路过饱和、紧固件松动等故障提供技术方案。并为检测变压器（特别是低压绕组和铁心中）局部放电以及与变压器相连设备（断路器、隔离刀闸、发电机）的异常操作提供一种新的技术手段。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：

本发明提供一种电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法，由安装在变压器铁心接地引线上的变压器铁心接地电流全息传感与抗干扰信号转换器、量程分段回环控制高分辨率采样信号适配器和开放式高速全息采集与全息分析装置及其多功能通信接口组成，对铁心接地电流进行全息传感、全息采样、全息关联和全息分析，及时、可靠的检测出变压器异常或故障，实现电力变压器铁心接地电流的全息在线监测。

所述全息传感：通过满量程为0.5mA~10A（有效值）、响应频带为10Hz~200KHz的电流互感器对变压器铁心接地电流进行非接触式传感，拾取全部信息。并经与电流互感器一体化的抗干扰信号转换器，将信号高保真转化为4mA~20mA(分别对应于10A时的低峰和高峰)信号，提高信号的抗干扰能力。

所述全息采样：采用分辨率为12bits、采样率达每秒1兆的模拟量到数字量转换器进行连续不间断信号采样，保证采集到接地电流信号中的传感器频带范围内的全部瞬时与稳态信息。同时，量程分段回环控制高分辨率采样信号适配器将满量程分为两档：[0.5mA，110mA]和[90mA，10A]，保证接地电流在[0.5mA，110mA]范围内时，采样分辨率能达到0.1mA。两档间的切换由全息采集与全息分析装置根据采集到的数值通过一位数字输出（DO）信号进行控制：系统启动时DO=0，即在[0.5mA，110mA]档，如果在该档测量到接地电流有效值高达110mA，全息采集与全息分析装置让DO=1，切换到[90mA，10A]档，如果在该档测量到接地电流有效值低至90mA，全息采集与全息分析装置让DO=0，切换到[0.5mA，110mA]档。

所述全息关联：全息采集与全息分析装置通过多功能通讯接口与电站通讯网络上的有关数值化装置相连，获取变压器的运行状态、运行工况、运行环境信息及与变压器相连设备的运行状态、操作事件、异常事件信息，并采用时间同步、工况同步、事件同步的方法，将各方面的信息关联起来（即全息关联），以提高故障检测准确性和故障诊断定位水平。

所述多功能通讯接口所连接的电站通讯网络包括工业以太网或现场总线（如CAN总线、Profibus总线）或串行通讯（如RS485、RS422）。

所述有关数字化装置包括：电站计算机监控系统；变压器局部放电在线监测装置；油中溶解气体在线监测装置；套管介质损耗在线监测装置；变压器直流偏磁在线监测装置；以及与变压器相连设备的在线监测装置，如发电机局放在线监测装置、避雷器在线监测装置。

所述全息分析包括以下步骤：

（1）全频段内时域关联分析；

（2）低频段内频域关联分析；

（3）高频段内脉冲关联分析。

所述全频段内时域关联分析：每个工频周期对原始采样数据进行快速时域分析：搜索接地电流波形中的峰值点和低谷点并记录相应时刻，统计波峰和波谷次数以及幅值分布，计算接地电流综合有效值，并关联变压器运行工况、环境信息和相应的历史记录，自动感知信号特征的变化；并对原始采样数据以10kS/s的采样率进行二次采样，生成低频段[10Hz,500Hz]分析样本数据，对原始采样数据进行截至频率为1kHz的低通滤波，生成高频段[1kHz,200kHz]分析样本数据。

所述低频段内频域关联分析：每5个工频周期进行一次低频段分析，对二次采样后的数据采用快速傅里叶变换算法计算接地工频及各次谐波电流的有效值。不仅能准确地获得变压器在稳态运行过程中接地工频其谐波电流的大小，而且能实时反映变压器在动态运行过程中接地工频及其谐波电流的瞬时变化特征。在此基础上，检测变压器铁心接地工频及其谐波电流的异常变化，关联变压器运行工况和环境因素，诊断异常变化的原因：多点接地、铁心紧固件松动、磁路过饱和。

所述低频段内频域关联分析：每个工频周期进行一次高频段分析，对高通滤波后的数据采用基于小波分析的专家检视方法，提取高频信号中的脉冲并计算其特征（脉冲幅值、持续时间、上升时间、下降时间、振荡次数）；结合专家知识库中预存的脉冲知识，并关联与变压器相连断路器和刀闸的操作信息、发电机和线路运行状态信息以及天气信息，对脉冲信号进行识别与归类：断路器操作冲击脉冲、隔离刀闸操作冲击脉冲、可控硅动作脉冲、雷电感应脉冲、雷电冲击脉冲、局部放电脉冲、导体开裂或断裂电弧脉冲。不仅能够测量局部放电和电弧等平稳信号的幅值和次数，并能捕获如非准同期并网、甩负荷等断路器和隔离刀闸异常操作和雷电所带来的有害瞬时冲击的大小。

与现有技术相比，本发明具有以下优点。

（1）提高了故障检测覆盖率。

本项发明充分利用了铁心接地电流中耦合的多种信号，提高了变压器铁心接地电流在线监测装置的故障检测覆盖率。

通过高实时性计算铁心接地工频及其谐波电流，获得其在变压器运行工况变化过程中的主要瞬变特征，并与变压器运行工况信息关联 ，不仅能检测多点接地故障，而且能反映铁心紧固件松动、磁路过饱和故障。

同时，通过高频信号采集与分析，实现对变压器（特别是低压绕组和铁心内）局部放电以及电弧的故障检测，通过连续不间断采样与分析，实现对变压器有害电磁冲击的捕获。

（2）提高了故障检测可靠性和故障诊断水平。

本项发明通过全面分析铁心接地电流信号的时域和频域特征，并全方位关联变压器其它状态信息、工况信息和环境信息以及与变压器相连设备的运行状态、操作事件、异常事件，提高了故障检测的可靠性，实现了故障诊断。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明方法流程示意图。

图中：1—变压器，2—主变接地电流全息传感与抗干扰信号转换器，3—屏蔽信号线，4—量程分段回环控制高分辨率采样信号适配器， 5—全息采集与全息分析装置，6—多功能通讯接口，7—电站通讯网络。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

如图1所示，电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置，包括主变接地电流全息传感与抗干扰信号转换器2，屏蔽信号线3，量程分段回环控制高分别率采样信号适配器4，全息采集与全息分析装置5，显示器6以及电站通讯网络7；其中全息采集与全息分析装置由A/D采集卡，通讯卡，工控机构成。主变接地电流全息传感与抗干扰信号转换器2安装在主变铁心接地引线上，转换器2输出端经屏蔽信号线3连接到量程分段回环控制高分辨率采样信号适配器4的输入端；信号适配器4的输出端与DO控制端口，经屏蔽信号线3连接到全息采集与全息分析装置5内的的A/D采集卡上，全息采集与全息分析装置5通过多功能通讯接口6与电站通讯网络7相连。

在本发明的一个实施例中，电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置由如下部分组成。

（1）主变接地电流全息传感与抗干扰信号转换器采用的是武汉海泰电力科技有限公司生产的CECM-3S型接地电流传感器（接地电流测量范围：工频电流0.5mA~10A，变比为1000:1，最大允许冲击电流1000A×1秒；检测频带为：10Hz~200KHz），通过该接地传感器可以将铁心接地引线上的一次电流信号转换为可以测量的二次电流信号。为提高信号传输的抗干扰能力，该传感器内前置信号放大器，将信号转化为4mA~20mA的标准电流信号输出。

（2）量程分段回环控制高分辨率采样信号适配器采用的是武汉海泰电力科技有限公司生产的CECM-3B型信号调理器。该调理器可以根据实际接地电流大小，在 [0.5mA，110mA] 和 [90mA，10A]两量程间进行自适应切换，以保证接地电流在[0.5mA，110mA]之间时，采样分辨率能达到0.1mA。两档间的切换由全息采集与全息分析装置根据采集到的数值通过一位数字信号输出（DO）信号进行控制：系统启动时DO=0，即在[0.5mA，110mA]档，如果在该档测量到接地电流有效值高达110mA，全息采集与全息分析装置让DO=1，切换到[90mA，10A]档，如果在该档测量到接地电流有效值低至90mA，全息采集与全息分析装置让DO=0，切换到[0.5mA，110mA]档。

（3）A/D采集卡采用台湾研华的PCI1714（采样率为1MS/s～30MS/s，分辨率为12bits），全息采集与全息分析装置采用的是台湾研华的UNO系列（无风扇、无转动部件，抗干扰能力强、可靠性高、免维护、可扩展性强）工业控制计算机（以下简称工控机）。通讯卡采用的是北京华控技术有限责任公司生产的HK-CAN30B。

如图1、2所示，在本发明的一个实施例中，通过以下步骤实现电力变压器铁心的全息在线监测。

（1）主变接地电流全息传感与抗干扰信号转换器将变压器铁心接地电流耦合转换为二次侧电流信号，并转化为4~20mA的标准电流信号，通过信号屏蔽线传输到量程分段回环控制高分辨率采样信号适配器进行DO控制放大，转化为采集卡可以采集的电压信号，最后通过屏蔽信号线传输到分辨率为12bits，采样率为1MS/s的A/D采集卡，进行高速连续采集转化为工控机可以处理的数字信号。

（2）工控机通过多网口与电站通讯网络上的有关数值化装置相连，包括：电站计算机监控系统；变压器局部放电在线监测装置；油中溶解气体在线监测装置；套管介质损耗在线监测装置；变压器直流偏磁在线监测装置；发电机局放在线监测装置、避雷器在线监测装置；获取变压器的运行状态、运行工况、运行环境信息及与变压器相连设备的运行状态、操作事件、异常事件信息，并采用时间同步、工况同步、事件同步的方法，将各方面的信息关联起来（即全息关联）。

（3）工控机通过专用分析软件对接地电流进行分析，包括以下步骤。

1）每个工频周期对原始采样数据进行快速时域分析：搜索接地电流波形中的峰值点和低谷点并记录相应时刻，统计波峰和波谷次数以及幅值分布，计算接地电流综合有效值，并关联变压器运行工况、环境信息和相应的历史记录，自动感知信号特征的变化；并对原始采样数据以10kS/s的采样率进行二次采样，生成低频段[10Hz,500Hz]分析样本数据，对原始采样数据进行截至频率为1kHz的低通滤波，生成高频段[1kHz,200kHz]分析样本数据。

2）每5个工频周期进行一次低频段分析，对二次采样后的数据采用快速傅里叶变换算法计算接地工频及各次谐波电流的有效值。不仅能准确地获得变压器在稳态运行过程中接地工频其谐波电流的大小，而且能实时反映变压器在动态运行过程中接地工频及其谐波电流的瞬时变化特征。在此基础上，检测变压器铁心接地工频及其谐波电流的异常变化，关联变压器运行工况和环境因素，诊断异常变化的原因：多点接地、铁心紧固件松动、磁路过饱和。

3）每个工频周期进行一次高频段分析，对高通滤波后的数据采用基于小波分析的专家检视方法，提取高频信号中的脉冲并计算其特征（脉冲幅值、持续时间、上升时间、下降时间、振荡次数）；结合专家知识库中预存的脉冲知识，并关联与变压器相连断路器和刀闸的操作信息、发电机和线路运行状态信息以及天气信息，对脉冲信号进行识别与归类：断路器操作冲击脉冲、隔离刀闸操作冲击脉冲、可控硅动作脉冲、雷电感应脉冲、雷电冲击脉冲、局部放电脉冲、导体开裂或断裂电弧脉冲。不仅能够测量局部放电和电弧等平稳信号的幅值和次数，并能捕获如非准同期并网、甩负荷等断路器和隔离刀闸异常操作和雷电所带来的有害瞬时冲击的大小。

本发明不仅能够全面、准确测量接地电流中耦合的各种信号，而且能够关联变压器的运行状态、运行工况、运行环境及与其相连设备的运行状态、操作事件、异常事件信息，及时、可靠地检测变压器异常，为诊断变压器故障、评估变压器健康状况提供依据。

本发明可以广泛应用于电力变压器铁心接地电流在线监测。

以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以限定本发明的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。

Claims (9)

1.电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法，其特征在于：由安装在变压器铁心接地引线上的变压器铁心接地电流全息传感与抗干扰信号转换器、量程分段回环控制高分辨率采样信号适配器和开放式高速全息采集与全息分析装置及其多功能通信接口组成，对铁心接地电流进行全息传感、全息采样、全息关联和全息分析，及时、可靠的检测出变压器异常或故障，实现电力变压器铁心接地电流的全息在线监测。

2.根据权利要求1所述电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法，其特征在于，所述的全息传感：通过满量程有效值为0.5mA~10A、响应频带为10Hz~200KHz的电流互感器对变压器铁心接地电流进行非接触式传感，拾取全部信息，并经与电流互感器一体化的抗干扰信号转换器，将信号高保真转化为4mA~20mA标准电流信号，提高信号的抗干扰能力。

3.据权利要求1所述电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法，其特征在于，所述全息采样：采用分辨率为12bits、采样率达每秒1兆的模拟量到数字量转换器进行连续不间断信号采样，保证采集到接地电流信号中的传感器频带范围内的全部瞬时与稳态信息；同时，量程分段回环控制高分辨率采样信号适配器将满量程分为[0.5mA，110mA]和[90mA，10A]两档，保证接地电流在[0.5mA，110mA]范围内时，采样分辨率能达到0.1mA。

4.根据权利要求3所述电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法，其特征在于：两档量程间的切换由全息采集与全息分析装置根据采集到的数值通过一位数字输出（DO）信号进行控制；系统启动时输出DO=0，即在[0.5mA，110mA]档，如果在该档测量到接地电流有效值高达110mA，全息采集与全息分析装置输出DO=1，切换到[90mA，10A]档，如果在该档测量到接地电流有效值低至90mA，全息采集与全息分析装置输出DO=0，切换到[0.5mA，110mA]档。

5.根据权利要求1所述电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法，其特征在于，所述全息关联：全息采集与全息分析装置通过多功能通讯接口与电站通讯网络上的有关数值化装置相连，获取变压器的运行状态、运行工况、运行环境信息及与变压器相连设备的运行状态、操作事件、异常事件信息，并采用时间同步、工况同步、事件同步的方法，将各方面的信息关联起来，以提高故障检测准确性和故障诊断定位水平。

6.根据权利要求1所述电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法，其特征在于，所述全息分析包括以下步骤：

（1）全频段内时域关联分析；

（2）低频段内频域关联分析；

（3）高频段内脉冲关联分析。

7.根据权利要求6所述电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法，其特征在于，所述全频段内时域关联分析：搜索接地电流波形中的峰值点和低谷点并记录相应时刻，统计波峰和波谷次数以及幅值分布，计算接地电流综合有效值，并关联变压器运行工况、环境信息和相应的历史记录，自动感知信号特征的变化；并对原始采样数据以10kS/s的采样率进行二次采样，生成低频段[10Hz,500Hz]分析样本数据，对原始采样数据进行截至频率为1kHz的低通滤波，生成高频段[1kHz,200kHz]分析样本数据。

8.根据权利要求6所述电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法，其特征在于，所述低频段内频域关联分析：对二次采样后的数据采用快速傅里叶变换算法计算接地工频及各次谐波电流的有效值；准确获取变压器在稳态运行过程中接地工频及其谐波电流大小，实时反映变压器在动态运行过程中接地工频及其谐波电流的瞬时变化特征，关联变压器运行工况和环境因素，诊断异常变化的原因。

9.根据权利要求6所述电力变压器铁心接地电流全息在线监测装置及方法，其特征在于，所述高频段内脉冲关联分析：对高通滤波后的数据采用基于小波分析的专家检视方法，提取高频信号中的脉冲及其特征信息（脉冲幅值、持续时间、上升时间、下降时间、振荡次数）；结合专家知识库中预存的脉冲知识，并关联与变压器相连断路器和刀闸的操作信息、发电机和线路运行状态信息以及天气信息，对脉冲信号进行识别与归类，测量局部放电和电弧放电平稳信号的幅值和次数，捕获变压器遭受的有害瞬时冲击的大小。