CN115811035A - 变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取装置及方法，属于变压器铁心多点接地治理技术领域；解决了现有的变压器铁心接地电阻测量或监测中存在的限流效果差且无法实现最优限流效果的问题；变压器铁心顶部的铁心引出线经套管后穿过电流互感器的一次线圈与第一电磁继电器串接，第一电磁继电器的输出端与数字式可调阻抗器相连；第一电磁继电器、数字式可调阻抗器串联的回路上并联有电压传感器；第一电磁继电器的输入端并接有第二电磁继电器的输入端，第二电磁继电器的输出端连接有混频电压输出单元；电流互感器的二次线圈、电压传感器的二次端分别经滤波单元相连、AD转换单元后接入DSP处理器；本发明应用于变压器。

Description

变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取装置及方法

技术领域

本发明提供了一种变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取装置及方法，属于变压器铁心多点接地治理技术领域。

背景技术

变压器是电力系统最重要的设备之一，其运行状态直接关系到电力系统的安全稳定。变压器铁心必须一点接地否则会产生悬浮电位，而变压器铁心一旦发生多点接地，便形成闭合回路，在主漏磁电磁感应下，产生环流，有时可达数十安培甚至上百安培，运行时易导致变压器损坏，引发停电事件，造成重大经济损失。

针对发生变压器铁心多点接地故障，传统治理方法通常是通过吊心检修或者临时人工串接电阻处理，吊心检修存在影响供电可靠性、给变压器内部带来受潮隐患等问题。变压器发生多点接地后，其接地电流会随接地点、电压波动等动态变化，而传统采用临时串接电阻存在限流效果差，且无法与不同变压器不同部位、不同特征的接地故障相适应等问题，无法满足变压器现场实际运行需求。

中国专利申请CN103558451B公开了一种双电流互感器在线监测变压器夹件多点接地电流控制装置，通过监测接地电流大小来控制晶闸管开断，实现限流阻抗自动投切到达限流目的。但此方法针对不同规格变压器夹件多点接地限流阻抗选取未做说明，在限流响应时间、限流后阻抗压降等方面未做考虑，无法实现最优限流效果。

中国专利申请CN101572181B公开了一种变压器铁心接地电阻带电测量安装装置及方法，通过人工调节可变电阻记录电阻压降以及接地电流获取变压器铁心接地特性曲线图，按照国家电网公司变压器维护规程要求，确定铁心接地电流值所需达到的数值，通过铁心接地特性曲线确定对应电压值，从而得到对应的限流电阻。但此方法在确定限流电阻后须将可变电阻插件更换为适宜于长期工作所需的短路电阻，限流所需时间长，且采用纯电阻限流对接地电流高次谐波成分限流效果差。

中国专利申请CN111624511A公开了一种变压器铁芯的接地电流在线监测装置及在线监测控制方法，通过投切限流电阻单元实现限流目的。但此方法选取固定的限流电阻无法与不同规格变压器、不同部位、不同特征的接地故障相适应，且采用纯电阻限流对接地电流高次谐波成分限流效果差。

发明内容

本发明为了解决现有的变压器铁心接地电阻测量或监测中存在的限流效果差且无法实现最优限流效果的问题，提出了一种变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取装置，包括由硅钢片叠置而成的变压器铁心，所述变压器铁心顶部设置有铁心引出线，所述铁心引出线经套管后穿过电流互感器的一次线圈与第一电磁继电器串接，所述第一电磁继电器的输出端与数字式可调阻抗器相连，所述数字式可调阻抗器的输出端接地；

所述第一电磁继电器、数字式可调阻抗器串联的回路上并联有电压传感器；

所述第一电磁继电器的输入端并接有第二电磁继电器的输入端，所述第二电磁继电器的输出端连接有混频电压输出单元；

所述电流互感器的二次线圈、电压传感器的二次端分别与滤波单元相连，经过滤波处理后与AD转换单元相连，所述AD转换单元、第一电磁继电器的控制端、第二电磁继电器的控制端、数字式可调阻抗器的控制端分别通过导线与DSP处理器相连。

所述DSP处理器还通过导线分别与报警器、LED显示单元、存储单元相连，所述DSP处理器通过无线通信模块与移动终端通信。

所述第一电磁继电器为常闭状态，所述第二电磁继电器为常开状态。

所述DSP处理器内置有变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取的计算机程序，所述电流传感器将监测的变压器铁心接地电流数据经过滤波单元和AD转换单元后传输至DSP处理器，所述电压传感器将监测到的数字式可调阻抗器两侧的压降传输至DSP处理器，所述DSP处理器记录并绘制铁心接地电流随负荷变化曲线图，在相同负荷下，当铁心接地电流有效值变化超过50%时，DSP处理器通过移动终端向运维人员发出报警信号，然后通过粒子群优化算法计算最优限流阻抗。

一种变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取方法，采用变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取装置，包括如下步骤：

第一步：电流互感器将实时监测到的变压器铁心接地电流经滤波单元滤波后传输至DSP处理器，记录并绘制铁心接地电流随负荷变化曲线图，在相同负荷下，当变压器铁心接地电流有效值变化超过50%时，DSP处理器发出报警信号，并开始最优限流阻抗选取计算流程；

第二步：对变压器铁心接地电流进行预处理：采用卡尔曼滤波算法去噪并进行多项式拟合，然后采用傅里叶级数将去噪后的变压器铁心接地电流转换分解为各次谐波；

第三步：闭合第二电磁继电器，断开第一电磁继电器，接入混频电压输出单元，DSP处理器控制混频电压输出单元输出各次谐波电压，直至使回路中变压器铁心接地各次谐波电流补偿为0，记录当前输出电压波形u(t)，控制混频电压输出单元输出2u(t)，记录当前变压器铁心接地电流i(t)，计算由变压器铁心多点接地形成的硅钢片和接地引下线环路阻抗，然后闭合第一电磁继电器，断开第二电磁继电器；

第四步：根据变压器铁心多点接地形成的硅钢片和接地引下线环路阻抗以及接地电流各次谐波参数确定选取变压器铁心多点接地最优限流阻抗的约束条件以及目标函数；

第五步：基于粒子群优化算法最优限流阻抗计算：自动选取多个满足约束条件的粒子，进行迭代计算，DSP处理器将每次迭代结果传输至数字式可调阻抗器，监测电压传感器值即限流阻抗压降变化趋势，当限流阻抗压降趋于稳定最小值时，选取当前限流阻抗迭代值为最优限流阻抗，并停止迭代；

第六步：串接最优限流阻抗后实时监测电压传感器值是否发生波动，若连续多次波动系数大于设定值，重复第四、五步，计算并更新最优限流阻抗。

所述第四步中变压器铁心多点接地最优限流阻抗的约束条件的计算公式如下：

；

上式中：I_RMS表示变压器铁心多点接地限流电阻，i_j表示各次电流谐波幅值，j为谐波次数，R₁表示铁心硅钢片和接地引下线回路电阻，R₂表示串接限流电阻，L₁表示铁心硅钢片和接地引下线回路电感，L₂表示串接限流电感，τ表示时间常数，i_j(t)表示各次电流谐波函数。

所述第四步中变压器铁心多点接地最优限流阻抗的目标函数的计算公式如下：

；

上式中：U_RMS(Z₂)表示限流阻抗压降，F表示目标函数，i_j表示各次电流谐波幅值，j为谐波次数，R₁表示铁心硅钢片和接地引下线回路电阻，R₂表示串接限流电阻，L₁表示铁心硅钢片和接地引下线回路电感，L₂表示串接限流电感。

所述第五步中基于粒子群优化算法最优限流阻抗计算的迭代计算公式如下：

；

上式中：

表示第k+1次迭代粒子i飞行速度矢量的第d维分量，

表示第k+1次迭代粒子i位置矢量的第d维分量，id表示粒子i的第d维分量，k表示迭代次数，p_id表示当前粒子i个体在d维历史最优位置，p_gd表示当前所有粒子群整体在d维最优位置，K₀为最长飞行时间，iter为当前进化代数，t为比例系数，ω为惯性系数，c₁和c₂为学习因子，r₁与r₂为在[0，1]之间的随机参数。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取装置及方法通过实时监测变压器铁心多点接地电流并进行处理，绘制了变压器铁心接地电流随负荷变化曲线图，当监测到变压器铁心多点接地电流异常时，DSP处理器首先基于反向全补偿方法计算环路阻抗，从而确定选取最优阻抗约束条件及目标函数，接着采用粒子群优化算法确定最优限流阻抗，实现了铁心多点接地故障快速动态限流效果。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为采用本发明的方法进行变压器铁心多点接地最优限流阻抗选取迭代的过程图；

图4为采用反向全补偿法计算由铁心多点接地产生的硅钢片和接地引下线环路阻抗等效电路图；

图中：1为变压器铁心、2为铁心引出线、3为电流互感器、4为第一电磁继电器、5为数字式可调阻抗器、6为电压传感器、7为第二电磁继电器、8为混频电压输出单元、9为滤波单元、10为AD转换单元、11为DSP处理器、12为报警器、13为LED显示单元、14为移动终端、15为存储单元。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出了一种变压器铁心多点接地最优限流阻抗选取装置，包括由硅钢片叠置而成的变压器铁心1，变压器铁心1顶部设置有铁心引出线2，铁心引出线2经套管后穿过电流互感器3的一次线圈与第一电磁继电器4串接，第一电磁继电器4的输出端与数字式可调阻抗器5相连，数字式可调阻抗器5的输出端接地，数字式可调阻抗器5的初始状态阻抗为0，电压传感器6与第一电磁继电器4、数字式可调阻抗器5的串联回路并联，第一电磁继电器4的输入端与第二电磁继电器7的输入端相连，第二电磁继电器7的输出端与混频电压输出单元8连接。电流互感器3的二次线圈和电压传感器6的二次端与滤波单元9连接，经过滤波处理后与AD转换单元10连接，AD转换单元10的输出端、第一电磁继电器4的控制端、第二电磁继电器7的控制端以及数字式可调阻抗器5的控制端均与DSP处理器11连接。DSP处理器11同时还与后台设置的报警器12、LED显示单元13、存储单元15连接。DSP处理器11还通过无线通信模块与移动终端14通信。

其中电流互感器3实时监测变压器铁心接地电流并经LC滤波单元滤波后传输至DSP处理器11，DSP处理器11采用卡尔曼滤波对变压器铁心接地电流去噪处理后，进行多项式拟合形成函数f(t)，并采用傅里叶级数转换分解为各次谐波（1，3，5，7，9，11）。电压传感器6用于监测作为限流阻抗的数字式可调阻抗器5两侧压降并将监测数据传输至DSP处理器11，DSP处理器11记录并绘制变压器铁心接地电流随负荷变化曲线图，在相同负荷下，当变压器铁心接地电流有效值变化超过50%时，DSP处理器11通过移动终端14向运维人员发出报警信号。

本发明中采用的傅里叶级数转换公式如下：

（1）；

上式中：T为函数f(t)的周期，

为n次谐波相位，a₀为函数f(t)的傅里叶常数项，a_n和b_n为函数f(t)的傅里叶系数，ω₁为函数f(t)的角频率。

如图2所示为本发明提出的一种变压器铁心多点接地最优限流阻抗选取方法的流程图，具体包括以下步骤：

第一步：实时监测变压器铁心接地电流经LC滤波单元滤波后传输至DSP处理器11，记录并绘制变压器铁心接地电流随负荷变化曲线图，在相同负荷下，当变压器铁心接地电流有效值变化超过50%时，DSP处理器11发出报警信号，并开始最优限流阻抗选取计算流程。

第二步：对变压器铁心接地电流进行预处理即采用卡尔曼滤波算法去噪并进行多项式拟合，然后采用傅里叶级数转换分解为各次谐波（1，3，5，7，9，11）。

第三步：闭合第二电磁继电器7，断开第一电磁继电器4，接入混频电压输出单元8，DSP处理器11控制混频电压输出单元8输出各次谐波电压，直至使回路中变压器铁心接地各次谐波电流补偿为0，记录当前输出电压波形u(t)，控制混频电压输出单元8输出2u(t)，记录当前变压器铁心接地电流i(t)，计算由变压器铁心多点接地形成的硅钢片和接地引下线环路阻抗，并闭合第一电磁继电器4，断开第二电磁继电器7。

第四步：根据变压器铁心多点接地形成的硅钢片和接地引下线环路阻抗以及接地电流各次谐波等参数确定选取变压器铁心多点接地最优限流阻抗的约束条件以及目标函数。

第五步：基于粒子群优化算法最优限流阻抗计算，系统自动选取200个满足约束条件的粒子，进行迭代计算。DSP处理器11将每次迭代结果传输至数字式可调阻抗器5，监测电压传感器值即限流阻抗压降变化趋势，当限流阻抗压降趋于稳定最小值时即连续20次监测数据波动系数α低于1%，选取当前限流阻抗迭代值为最优限流阻抗，并停止迭代。

第六步：串接最优限流阻抗后实时监测电压传感器值是否发生波动，若连续20次波动系数α大于10%，重复步骤四、五，重新计算并更新最优限流阻抗从而实现动态限流。

图3所示为采用本发明的方法进行变压器铁心多点接地最优限流阻抗选取迭代的过程图，选取变压器铁心多点接地最优限流阻抗计算过程中每次迭代的电阻、电抗值以及每次迭代电压传感器监测到限流阻抗压降值。

图4为采用反向全补偿法计算由铁心多点接地产生的硅钢片和接地引下线环路阻抗等效电路图，由于变压器铁心多点接地硅钢片和接地引下线构成了一个闭合环路，在悬浮电压的作用下产生铁心接地电流，首先采用混频电压输出单元8补偿回路中的变压器铁心接地电流，此时混频电压输出单元8输出的电压等于悬浮电压，然后控制混频电压输出单元8输出2倍的悬浮电压，并记录对应的接地电流波形，根据欧姆定律从而得到环路中硅钢片和接地引下线阻抗。根据公式（2）计算由变压器铁心多点接地形成的硅钢片和接地引下线环路阻抗：

（2）。

本发明中选取最优限流阻抗须满足如公式3所示的约束条件：①限流后变压器铁心接地电流总有效值不大于0.1A；②为保证快速限流，要求串接阻抗后响应时间低于1s，时间常数设置为小于0.5s；③为了提高限流阻抗利用率，限流后要求高次谐波（3，5，7，9，11高次谐波）幅值I_m<0.01A。为了保证人身和设备安全，保证铁心保持较低电位，目标函数选取限流阻抗压降最小值如公式4所示。

（3）；

上式中：I_RMS表示变压器铁心多点接地限流电阻，i_j表示各次电流谐波幅值，j为谐波次数，R₁表示铁心硅钢片和接地引下线回路电阻，R₂表示串接限流电阻，L₁表示铁心硅钢片和接地引下线回路电感，L₂表示串接限流电感，τ表示时间常数，i_j(t)表示各次电流谐波函数。

（4）；

上式中：U_RMS(Z₂)表示限流阻抗压降，F表示目标函数，i_j表示各次电流谐波幅值，j为谐波次数，R₁表示铁心硅钢片和接地引下线回路电阻，R₂表示串接限流电阻，L₁表示铁心硅钢片和接地引下线回路电感，L₂表示串接限流电感。

本发明采用的基于粒子群优化算法最优限流阻抗计算的迭代计算如公式5所示：

（5）；

上式中：

表示第k+1次迭代粒子i飞行速度矢量的第d维分量，

表示第k+1次迭代粒子i位置矢量的第d维分量，id表示粒子i的第d维分量，k表示迭代次数，p_id表示当前粒子i个体在d维历史最优位置（即目标函数最小值），p_gd表示当前所有粒子群整体在d维最优位置（即目标函数最小值），K₀为最长飞行时间，iter为当前进化代数，t为比例系数，ω为惯性系数，c₁和c₂为学习因子，r₁与r₂为在[0，1]之间的随机参数。

本发明方法中第六步中连续20次监测的电压传感器值的均值

及波动系数α的计算公式如下：

（6）；

上式中：u_i（i=1,2,3...20）为连续20次电压传感器监测数据。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取装置，其特征在于：包括由硅钢片叠置而成的变压器铁心，所述变压器铁心顶部设置有铁心引出线，所述铁心引出线经套管后穿过电流互感器的一次线圈与第一电磁继电器串接，所述第一电磁继电器的输出端与数字式可调阻抗器相连，所述数字式可调阻抗器的输出端接地；

所述第一电磁继电器、数字式可调阻抗器串联的回路上并联有电压传感器；

所述第一电磁继电器的输入端并接有第二电磁继电器的输入端，所述第二电磁继电器的输出端连接有混频电压输出单元；

所述电流互感器的二次线圈、电压传感器的二次端分别与滤波单元相连，经过滤波处理后与AD转换单元相连，所述AD转换单元、第一电磁继电器的控制端、第二电磁继电器的控制端、数字式可调阻抗器的控制端分别通过导线与DSP处理器相连。

2.根据权利要求1所述的一种变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取装置，其特征在于：所述DSP处理器还通过导线分别与报警器、LED显示单元、存储单元相连，所述DSP处理器通过无线通信模块与移动终端通信。

3.根据权利要求2所述的一种变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取装置，其特征在于：所述第一电磁继电器为常闭状态，所述第二电磁继电器为常开状态。

4.根据权利要求3所述的一种变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取装置，其特征在于：所述DSP处理器内置有变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取的计算机程序，所述电流传感器将监测的变压器铁心接地电流数据经过滤波单元和AD转换单元后传输至DSP处理器，所述电压传感器将监测到的数字式可调阻抗器两侧的压降传输至DSP处理器，所述DSP处理器记录并绘制铁心接地电流随负荷变化曲线图，在相同负荷下，当铁心接地电流有效值变化超过50%时，DSP处理器通过移动终端向运维人员发出报警信号，然后通过粒子群优化算法计算最优限流阻抗。

5.一种变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取方法，采用如权利要求3-4任一项所述的变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取装置，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：电流互感器将实时监测到的变压器铁心接地电流经滤波单元滤波后传输至DSP处理器，记录并绘制铁心接地电流随负荷变化曲线图，在相同负荷下，当变压器铁心接地电流有效值变化超过50%时，DSP处理器发出报警信号，并开始最优限流阻抗选取计算流程；

第二步：对变压器铁心接地电流进行预处理：采用卡尔曼滤波算法去噪并进行多项式拟合，然后采用傅里叶级数将去噪后的变压器铁心接地电流转换分解为各次谐波；

第三步：闭合第二电磁继电器，断开第一电磁继电器，接入混频电压输出单元，DSP处理器控制混频电压输出单元输出各次谐波电压，直至使回路中变压器铁心接地各次谐波电流补偿为0，记录当前输出电压波形u(t)，控制混频电压输出单元输出2u(t)，记录当前变压器铁心接地电流i(t)，计算由变压器铁心多点接地形成的硅钢片和接地引下线环路阻抗，然后闭合第一电磁继电器，断开第二电磁继电器；

第四步：根据变压器铁心多点接地形成的硅钢片和接地引下线环路阻抗以及接地电流各次谐波参数确定选取变压器铁心多点接地最优限流阻抗的约束条件以及目标函数；

第五步：基于粒子群优化算法最优限流阻抗计算：自动选取多个满足约束条件的粒子，进行迭代计算，DSP处理器将每次迭代结果传输至数字式可调阻抗器，监测电压传感器值即限流阻抗压降变化趋势，当限流阻抗压降趋于稳定最小值时，选取当前限流阻抗迭代值为最优限流阻抗，并停止迭代；

第六步：串接最优限流阻抗后实时监测电压传感器值是否发生波动，若连续多次波动系数大于设定值，重复第四、五步，计算并更新最优限流阻抗。

6.根据权利要求5所述的一种变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取方法，其特征在于：所述第四步中变压器铁心多点接地最优限流阻抗的约束条件的计算公式如下：

；

上式中：I_RMS表示变压器铁心多点接地限流电阻，i_j表示各次电流谐波幅值，j为谐波次数，R₁表示铁心硅钢片和接地引下线回路电阻，R₂表示串接限流电阻，L₁表示铁心硅钢片和接地引下线回路电感，L₂表示串接限流电感，τ表示时间常数，i_j(t)表示各次电流谐波函数，

表示频率为50Hz的角频率。

7.根据权利要求5所述的一种变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取方法，其特征在于：所述第四步中变压器铁心多点接地最优限流阻抗的目标函数的计算公式如下：

；

上式中：U_RMS(Z₂)表示限流阻抗压降，F表示目标函数，i_j表示各次电流谐波幅值，j为谐波次数，R₁表示铁心硅钢片和接地引下线回路电阻，R₂表示串接限流电阻，L₁表示铁心硅钢片和接地引下线回路电感，L₂表示串接限流电感，

表示频率为50Hz的角频率。

8.根据权利要求5所述的一种变压器铁心多点接地电流最优限流阻抗选取方法，其特征在于：所述第五步中基于粒子群优化算法最优限流阻抗计算的迭代计算公式如下：

；

上式中：

表示第k+1次迭代粒子i飞行速度矢量的第d维分量，

表示第k+1次迭代粒子i位置矢量的第d维分量，id表示粒子i的第d维分量，k表示迭代次数，p_id表示当前粒子i个体在d维历史最优位置，p_gd表示当前所有粒子群整体在d维最优位置，K₀为最长飞行时间，iter为当前进化代数，t为比例系数，ω为惯性系数，c₁和c₂为学习因子，r₁与r₂为在[0，1]之间的随机参数。

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