CN109188053A - 大型变压器铁芯接地电流在线监测系统 - Google Patents

Abstract

大型变压器铁芯接地电流在线监测系统，属于电力系统领域，本发明为解决现有对变电站大型变压器铁芯接地电流的监测方式存在不及时、误差大、器件易损坏、易受外界环境干扰的问题。采用光纤电流传感器对大型变压器铁芯接地电流进行实时监测，监测系统包括主控制器、光纤电流传感器、光纤信号采集电路和NB窄带物联网芯片；光纤电流传感器采集接地电流信号，并且通过光纤信号采集电路将接地电流信号传输至主控制器，主控制器内置A/D转换器，A/D转换器将接地电流信号进行数据处理后，通过NB窄带物联网芯片将数据传输至服务器端，服务器端对数据进行分析处理。本发明用于变压器监测。

Description

大型变压器铁芯接地电流在线监测系统

技术领域

本发明属于电力系统领域。

背景技术

变压器运行时，油箱与带电的绕组之间存在电场，而铁芯处于该电场中。因为电容分布不均匀，场强各异，如果铁芯不可靠接地，则会产生充放电现象，破坏油的绝缘强度和固体绝缘，所以铁芯必须由一点可靠接地，且只允许一点接地。正常运行的变压器，其铁芯接地电流很小，为毫安级，最大不超过100毫安。若铁芯存在两点以上接地情况，则接地点之间便可能形成回路从而产生环流，当两点电位差达到能够击穿二者之间绝缘时，便产生断续火花放电而损坏变压器内部绝缘固件，从而使绝缘油分解，产生可燃性气体，还可能使接地片熔断，烧坏铁芯，导致事故发生。当铁芯出现多点接地故障时，流过变压器铁芯接地线上的电流会大幅度的增加，所以通过监测铁芯引出线上电流值的大小就可以准确并实时地诊断出铁芯多点接地故障。

在变电站中，大型变压器铁芯和夹件基本上都是分别通过套管引出油箱外单独进行接地。电力变压器在正常运行时，绕组四周存在电场，铁芯和夹件等金属构件均处于该电场中，并且具有不同的悬浮电位，为了预防悬浮电位对地进行放电，必须将铁芯及其夹件可靠接地，而且是一点接地。其原因是当有两点以上接地现象时，接地点之间会形成回路产生环流，在变压器正常运行时这种环流产生的电位差会对铁芯进行放电，损坏变压器内部绝缘固件使绝缘油分解，长期运行会到时事故发生，烧毁变压器铁芯及其夹件。

目前市场上监测设备电流采集普遍使用电子式有源电流传感器，在实际应用中对小电流监测达不到预期效果，在变压器内部故障时接地电流会从mA级突变到A级，即使有采样保护电路也会对设备产生影响，加之高压环境及雷电影响，实际应用表明设备使用寿命及稳定性不高，通常还需要人工去现场进行验证，没有达到设备长期稳定运行的监测效果。

目前对变电站大型变压器铁芯接地电流的监测方式分为离线人工监测和在线设备监测两种。人工离线监测采用电流表对铁芯接地电流进行测量，记录数据，人工监测方式不及时，误差大，难以保障设备安全运行。在线设备监测均采用电子有源电流传感器，对铁芯接地电流进行在线监测，由于接地电流会从mA级到A级的变化，导致互感器易损坏，同时也受外界环境的干扰，监测设备会出现误报警现场，监测设备生命周期短，稳定性差。

发明内容

本发明目的是为了解决现有对变电站大型变压器铁芯接地电流的监测方式存在不及时、误差大、器件易损坏、易受外界环境干扰的问题，提供了一种大型变压器铁芯接地电流在线监测系统。

本发明所述大型变压器铁芯接地电流在线监测系统，采用光纤电流传感器对大型变压器铁芯接地电流进行实时监测，监测系统包括主控制器、光纤电流传感器、光纤信号采集电路和NB窄带物联网芯片；光纤电流传感器采集接地电流信号，并且通过光纤信号采集电路将接地电流信号传输至主控制器，主控制器内置A/D转换器，A/D转换器将接地电流信号进行数据处理后，通过NB窄带物联网芯片将数据传输至服务器端，服务器端对数据进行分析处理。

本发明的优点：本发明所采用的电流互感器为无源光纤电流传感器，光纤电流传感器不受交流和直流电流的限制，没有磁滞和磁饱和现象，抗绝缘性高，精度高，测量范围可从mA级到几百A级，测量范围宽，不需要特殊电路保护，能够长期稳定运行。本发明将光纤电流传感器应用到电力系统大型变压器铁芯接地电流监测中，对处于高压环境下的装置稳定长期运行得以保障，提高在电磁场及雷电干扰环境下的监测精度，为电力数据分析提供精准数据，能够及时有效地对电力系统大型变压器铁芯接地电流进行监测，能够及时掌握变压器铁芯的运行状况，及时发现及跟踪变压器的潜在性故障，为大型变压器的稳定工作提供实质性保障。

1、采用光纤电流传感器，保障在大电流冲击下，设备安全稳定运行；

2、特有的光纤信号处理电路，经反复测试、试验对光纤信号线性度、测量精度、测量范围达到最佳效果；

3、采用NB窄带物联网技术，为电力系统设备数据采集及管理开辟全新模式。

附图说明

图1是本发明所述大型变压器铁芯接地电流在线监测系统的原理框图；

图2是本发明所述光纤信号放大电路的电路结构图；

图3是本发明所述低通滤波电路的电路结构图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述大型变压器铁芯接地电流在线监测系统，采用光纤电流传感器对大型变压器铁芯接地电流进行实时监测，监测系统包括主控制器1、光纤电流传感器2、光纤信号采集电路3和NB窄带物联网芯片4；

光纤电流传感器2采集接地电流信号，并且通过光纤信号采集电路3将接地电流信号传输至主控制器1，主控制器1内置A/D转换器，A/D转换器将接地电流信号进行数据处理后，通过NB窄带物联网芯片4将数据传输至服务器端，服务器端对数据进行分析处理。

本实施方式中，主控制器1采用单片机，单片机最小系统电路包括主控制芯片，采用ARM公司的STM32L471芯片，此芯片基于超低功耗的ARM Cortex-M4处理器内核，内置A/D转换器，为产品的稳定性及测量精度提供保障，最小系统外围电路提供A/D输入接口，NB窄带物联网芯片接口。

本实施方式中，NB窄带物联网芯片4为立达尔的NB05-01窄带物联网芯片，此芯片是基于华为海思Boudica芯片组开发的，该芯片组块符合3GPP标准中的频段要求，将NB-IOT应用到变压器铁芯接地电流检测装置中，目的是将所有检测装置与NB-IOT相结合，通过窄带物联网将监测数据进行分析及对设备进行管理。其电路由NB05-01芯片模组U2及外围电路组成，适合电信窄带网络数据传输。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，监测系统还包括开关电源5，开关电源5为监测系统提供电源。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，监测系统还包括功能按键6，通过功能按键6对参数进行设置。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，监测系统还包括LED数码显示器7，LED数码显示器7用于显示数据。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，监测系统还包括实时时钟8，实时时钟8提供时钟源。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式一作进一步说明，光纤信号采集电路3包括前置的光纤信号放大电路和后置的低通滤波电路，光纤信号放大电路将光纤信号放大，并将其转换为电压信号，低通滤波电路对放大后的电压信号进行滤波，获得光纤信号经放大后的直流分量。

具体实施方式七：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，光纤信号放大电路包括光电二极管D101、运算放大器U101、运算放大器U102、电阻R101、电阻R102、电阻R103、电阻R104、电阻R105、电容C101和电容C102；

运算放大器U101的反相输入端同时连接光电二极管D101的阴极和电阻R101的一端，光电二极管D101的阳极接AGND，运算放大器U101的同相输入端接AGND，运算放大器U101的正电源端接+12V，运算放大器U101的负电源端接AGND，运算放大器U101的输出端同时连接电阻R101的另一端、电容C102的一端、电阻R102的一端和运算放大器U102的同相输入端，电容C102的另一端、电阻R102的另一端和电阻R103的一端同时接AGND，电阻R103的另一端同时连接运算放大器U102的反相输入端和电阻R104的一端，运算放大器U102的输出端同时连接电阻R104的另一端、电阻R105的一端和电容C101的一端，运算放大器U102的正电源端接+12V，运算放大器U102的负电源端接AGND，电容C101的另一端接AGND，电阻R105的另一端为MV-SIGNAL端，MV-SIGNAL端为光纤信号放大电路的输出端。

本实施方式中，更改电路参数，光纤信号不受暗电流影响，并将光纤信号转换为电压信号，为后级电路处理做好基础。

具体实施方式八：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式六或七作进一步说明，低通滤波电路包括电阻R106、电阻R107、电阻R108、电阻R109、电阻R110、电阻R111、电阻R112、电阻R113、电容C103、电容C104、电容C105、电容C106、电容C107、运算放大器U103和运算放大器U104；

电容C104的一端和电阻R106的一端相连接为MV-SIGNAL端，电阻R106的另一端同时连接电容C103的一端和运算放大器U103的同相输入端，电容C103的另一端和电阻R107的一端同时接AGND，电阻R107的另一端同时连接运算放大器U103的反相输入端和电阻R108的一端，运算放大器U103的正电源端接+12V，运算放大器U103的负电源端接AGND，运算放大器U103的输出端同时连接电容C104的另一端、电阻R108的另一端和电阻R109的一端，电阻R109的另一端同时连接电阻R110的一端和电容C106的一端，电阻R110的另一端同时连接电容C105的一端和运算放大器U104的同相输入端，电容C105的另一端和电阻R111的一端同时接AGND，电阻R111的另一端同时连接电阻R112的一端和运算放大器U104的反相输入端，运算放大器U104的正电源端接+12V，运算放大器U104的负电源端接AGND，运算放大器U104的输出端同时连接电容C106的另一端、电阻R112的另一端和电阻R113的一端，电阻R113的另一端连接电容C107的一端，电容C107的另一端接AGND，电阻R113和电容C107的连接端为ADC-SIGNAL端，MV-SIGNAL端为低通滤波电路的输入端，ADC-SIGNAL端为低通滤波电路的输出端。

本实施方式中，需要对放大后的电压信号进行滤波处理，提高测量精度，滤波技术是本专业常用的技术手段，但是根据实际情况需要对电路进行多次修改调整，得到最佳效果，本实施方式采用低通滤波器原型，对电路参数进行调整，需要低通滤波器带宽达到对直流影响最小的范围，使其线性度及精度达到要求。得到稳定的信号输入到单片机A/D输入端，单片机对信号进行计算处理。

本发明中，系统采集光纤电流传感器监测的接地电流信号，接地电流大小不能超过100mA，变压器正常运行时接地电流很小，对监测传感器要求较高，通过本发明中的电路处理后，可得到准确稳定的电流值，之所以采用光纤电流传感器是因为现场一旦有事故发生电流值会从几毫安大几百安培增大，一般互感器对精度及保护电路很难处理，不能保障设备正常工作。核心ARM单片机将信号处理后，对接地电流值进行显示，同时将电流数据通过窄带物联网传输至服务器端，由软件对数据进行处理。

Claims (8)

1.大型变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，采用光纤电流传感器对大型变压器铁芯接地电流进行实时监测，监测系统包括主控制器(1)、光纤电流传感器(2)、光纤信号采集电路(3)和NB窄带物联网芯片(4)；

光纤电流传感器(2)采集接地电流信号，并且通过光纤信号采集电路(3)将接地电流信号传输至主控制器(1)，主控制器(1)内置A/D转换器，A/D转换器将接地电流信号进行数据处理后，通过NB窄带物联网芯片(4)将数据传输至服务器端，服务器端对数据进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的大型变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，监测系统还包括开关电源(5)，开关电源(5)为监测系统提供电源。

3.根据权利要求1所述的大型变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，监测系统还包括功能按键(6)，通过功能按键(6)对参数进行设置。

4.根据权利要求1所述的大型变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，监测系统还包括LED数码显示器(7)，LED数码显示器(7)用于显示数据。

5.根据权利要求1所述的大型变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，监测系统还包括实时时钟(8)，实时时钟(8)提供时钟源。

6.根据权利要求1所述的大型变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，光纤信号采集电路(3)包括前置的光纤信号放大电路和后置的低通滤波电路，光纤信号放大电路将光纤信号放大，并将其转换为电压信号，低通滤波电路对放大后的电压信号进行滤波，获得光纤信号经放大后的直流分量。

7.根据权利要求6所述的大型变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，光纤信号放大电路包括光电二极管D101、运算放大器U101、运算放大器U102、电阻R101、电阻R102、电阻R103、电阻R104、电阻R105、电容C101和电容C102；

运算放大器U101的反相输入端同时连接光电二极管D101的阴极和电阻R101的一端，光电二极管D101的阳极接AGND，运算放大器U101的同相输入端接AGND，运算放大器U101的正电源端接+12V，运算放大器U101的负电源端接AGND，运算放大器U101的输出端同时连接电阻R101的另一端、电容C102的一端、电阻R102的一端和运算放大器U102的同相输入端，电容C102的另一端、电阻R102的另一端和电阻R103的一端同时接AGND，电阻R103的另一端同时连接运算放大器U102的反相输入端和电阻R104的一端，运算放大器U102的输出端同时连接电阻R104的另一端、电阻R105的一端和电容C101的一端，运算放大器U102的正电源端接+12V，运算放大器U102的负电源端接AGND，电容C101的另一端接AGND，电阻R105的另一端为MV-SIGNAL端，MV-SIGNAL端为光纤信号放大电路的输出端。

8.根据权利要求6或7所述的大型变压器铁芯接地电流在线监测系统，其特征在于，低通滤波电路包括电阻R106、电阻R107、电阻R108、电阻R109、电阻R110、电阻R111、电阻R112、电阻R113、电容C103、电容C104、电容C105、电容C106、电容C107、运算放大器U103和运算放大器U104；

电容C104的一端和电阻R106的一端相连接为MV-SIGNAL端，电阻R106的另一端同时连接电容C103的一端和运算放大器U103的同相输入端，电容C103的另一端和电阻R107的一端同时接AGND，电阻R107的另一端同时连接运算放大器U103的反相输入端和电阻R108的一端，运算放大器U103的正电源端接+12V，运算放大器U103的负电源端接AGND，运算放大器U103的输出端同时连接电容C104的另一端、电阻R108的另一端和电阻R109的一端，电阻R109的另一端同时连接电阻R110的一端和电容C106的一端，电阻R110的另一端同时连接电容C105的一端和运算放大器U104的同相输入端，电容C105的另一端和电阻R111的一端同时接AGND，电阻R111的另一端同时连接电阻R112的一端和运算放大器U104的反相输入端，运算放大器U104的正电源端接+12V，运算放大器U104的负电源端接AGND，运算放大器U104的输出端同时连接电容C106的另一端、电阻R112的另一端和电阻R113的一端，电阻R113的另一端连接电容C107的一端，电容C107的另一端接AGND，电阻R113和电容C107的连接端为ADC-SIGNAL端，MV-SIGNAL端为低通滤波电路的输入端，ADC-SIGNAL端为低通滤波电路的输出端。