CN203133202U - 变压器直流偏磁在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于变压器在线监测领域，涉及一种智能型变压器直流偏磁在线监测装置。本实用新型是由穿心式霍尔电流传感器设置在装置外壳的外部，滤波电路、电压信号调理电路、档位切换电路以及实时时钟系统、FLASH存储系统和控制器系统设置在装置外壳内的核心板上；显示屏设置在装置外壳上，显示屏和FLASH存储系统连接至控制器系统。本实用新型可以用于变压器中性点接地电流的在线监测，其中监测装置具有变压器中性点接地电流数据实时监测及超限报警功能，报警阈值可以由用户自行定义，当出现异常情况时，装置的显示屏及远方监控的计算机均会发出报警信号，使工作人员能够及时采取处理措施，避免变压器故障的发生，保证电力系统的稳定运行。

Description

变压器直流偏磁在线监测装置

技术领域

本实用新型属于变压器在线监测领域，涉及一种智能型变压器直流偏磁在线监测装置。

背景技术

随着经济的发展，高压直流（HVDC）输电系统在我国正得到越来越广泛的应用。与交流输电系统相比较，直流输电有着造价低、损耗小、耐压高、容量大以及可以实现电力系统非同步联网等特点。为了实现跨区域、远距离和大容量送电，将有更多超高压乃至特高压直流工程建成并投入运行。

但交、直流混合运行的电网结构使得交、直流系统之间的相互影响也越加明显。直流输电系统单极大地或双极不平衡运行时,直流电流将通过接地极注入大地,地中直流电流通过变压器中性点接地线侵入交流系统,对交流系统产生影响,其中最显著的影响就是造成变压器直流偏磁现象。另外，太阳等离子风的动态变化与地磁场相互作用产生的地磁“风暴”会引起地磁感应电流，地磁感应电流也会在中性点接地变压器中产生直流偏磁。

直流电流流经变压器绕组,在变压器铁心内部产生一定的直流磁通,使得励磁电流正负半周明显不对称,磁通发生偏移,产生直流偏磁。直流偏磁会导致变压器励磁电流急剧增加，引起磁回路发生过热和噪声及振动增大。直流偏磁下，变压器噪声的频谱出现明显的奇次波噪声，引起的高振动带来的问题，可能引起变压器内有关部件的松动，进而威胁变压器的安全运行。

因此需要对直流偏磁进行监视，为将来的控制消除提供基础。在有关主变压器的中性点引线上，安装中性点直流电流监测装置，监测因直流输电和太阳磁暴等因素引起的直流电流，以便及时掌握直流偏磁电流的发生和电流值，并为采取限制直流偏磁电流的措施创造必要的条件。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种变压器直流偏磁在线监测装置，其目的是监测因直流输电和太阳磁暴等因素对中性点接地变压器引起的直流偏磁现象的发生状况和电流值，便于掌握直流偏磁现象发生的规律，为采取限制直流偏磁电流的措施创造必要的条件。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

变压器直流偏磁在线监测装置，是由穿心式霍尔电流传感器设置在装置外壳的外部，滤波电路、电压信号调理电路、档位切换电路以及实时时钟系统、FLASH存储系统和控制器系统设置在装置外壳内的核心板上；显示屏设置在装置外壳上，显示屏和FLASH存储系统连接至控制器系统；

其中穿心式霍尔电流传感器通过电缆与装置外壳相连，再通过装置外壳与装置外壳内部的档位切换电路相连接，档位切换电路再连接至滤波电路和电压信号调理电路，然后与实时时钟系统连接至控制器系统。

所述的穿心式霍尔电流传感器通过电缆与装置外壳上的航空插头相连。

所述的控制器系统上还设有数据通信系统。

所述的穿心式霍尔电流传感器为开口安装形式。

所述的档位切换电路的切换量程有三种，分别为100mA-1A、1A-10A和10A-50A。

所述的穿心式霍尔电流传感器是由传感器开口紧固螺杆对两个半块结构的传感器进行紧固连接。

本实用新型的优点及有益效果是：

本实用新型可以用于变压器中性点接地电流的在线监测，其中监测装置具有变压器中性点接地电流数据实时监测及超限报警功能，报警阈值可以由用户自行定义，当出现异常情况时，装置的显示屏及远方监控的计算机均会发出报警信号，使工作人员能够及时采取处理措施，避免变压器故障的发生，保证电力系统的稳定运行。

通过本实用新型技术方案的实施，能够真正实现对变压器中性点接地电流的准确而稳定的实时测量。本实用新型设计方法具有以下创新点：

一、测量方法的创新：

1、本装置是通过采用高精度的可开口安装形式的穿心式霍尔电流传感器套装在变压器中性点接地引线上来测量中性点接地线上的电流信号，此方法能够真实反映变压器中性点接地引线上直流电流的产生情况与数值大小，该装置与变压器没有电气连接，不用拆开中性点接地引线，对变压器的运行不产生任何影响；

2、穿心式霍尔电流传感器输出的电信号直接接入测量装置，通过数字信号处理技术对获得电信号进行分析计算，并将计算结果进行存储和显示。运行人员可以就地查看测量数据和报警信息等。

3、变压器正常工作时，中性点接地电流很小，不同的变压器根据铁芯材料、磁通密度设计取值、变压器结构等不同，允许流经中性点的接地电流也不同，正常工作时为一安培到几安培左右，但是当直流偏磁现象产生时，变压器中性点接地电流就会增大，变成几安培到十几安培，变化范围很大。

本装置还设计了电流量程换挡切换开关，根据电流变化的范围，装置可自动调节合适的档位来测量电流，保证了测量的准确性及测量装置的安全性。本装置电流测量范围最大为50A，测量精度1%，完全满足了不同类型变压器中性点接地电流测量范围及精度的要求。

二、装置结构及安装方式：本装置的测量、显示和存储部分装在一个铸铝材料的装置外壳内，在装置外壳顶盖开设了显示窗口，用于安装显示屏，便于现场观察电流数据，装置外壳部分单独接地，用于屏蔽外界的电磁干扰。

本装置结构设计紧凑，外形美观，在安装方式上，采用通过装置外壳的挂件直接安装在变压器中性点接地引线附近的方式，安装方法简便，安全，便于运行人员安装，使用和维护。

1、装置自带有数据显示功能，将时间信息和实时电流数据显示在显示屏上，方便运行人员巡检时观察。当监测数据越限时，显示屏将显示报警信息提醒巡检人员注意。

2、装置具有数据存储功能，将时间信息和实时电流数据保存在装置自带的FLASH存储系统中，存储的数据掉电不丢失，并且能够连续保存一年以上的测量数据。为后续分析计算变压器中性点接地电流的历史数据，了解中性点接地电流的变化情况提供依据。

3、装置支持RS-232/485通信接口，可实现基于RS485总线的多点监测。采用工业领域通用性好的MODBUS-RTU通信协议，可通过通信协议将监测数据及监测时刻等信息上传到计算机或综合监测单元（IED）。

4、可通过计算机或综合监测单元（IED）对装置参数（如装置地址，波特率，奇偶效验，采样时间间隔，超限报警值，时钟时间等）进行灵活配置，方便装置接入其他在线监测系统，满足不同现场的要求。

5、装置具有与计算机或综合监测单元（IED）进行对时的功能，保证了装置监测时间与设备实际运行时间的准确性与一致性。

6、电磁兼容及保护电路设计。由于变电站现场的电磁环境十分恶劣，高电压和强磁场极易使得该监测设备工作出现异常，因此对该装置的电磁兼容进行了细致设计。通过电磁兼容试验的验证，该装置完全符合国家电网公司对设备电磁兼容方面的标准要求，包括静电放电、电快速瞬变脉冲群、浪涌冲击等，提高了装置工作的安全性和可靠性。

7、本实用新型装置外型美观，操作简单，安装方便，运行稳定，霍尔电流传感器可根据中性点引线形状进行定制，适于不同现场安装使用。

本实用新型具有实时在线监测变压器中性点接地电流、数据存储、就地显示及远传、越限报警、系统对时以及参数配置等功能。随着直流输电的推广，本实用新型的应用越来越广泛，适用于多种不同类型的变压器，为中性点接地变压器的正常运行提供依据和一定的保障，并为分析中性点接地变压器直流偏磁现象的产生规律和数值大小提供数据支持。

附图说明：

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

图1为本实用新型的工作原理示意图；

图2为本实用新型的功能结构框图；

图3为本实用新型的组网结构示意图；

图4为本实用新型的内部结构示意图；

图5为本实用新型的外部结构示意图；

图6为本实用新型的外部立体结构示意图；

图7为本实用新型中穿心式霍尔电流传感器结构示意图。

图中：装置外壳1，航空插头2，核心板3，显示屏4，穿心式霍尔电流传感器5，传感器开口紧固螺杆6。

具体实施方式

本实用新型是一种变压器直流偏磁在线监测装置，如图2所示，图2是本实用新型线监测装置的功能结构框图；又如图4-7所示，图4、图5、图6和图7分别为本实用新型在线监测装置的内部结构示意图、外部结构示意图、外部立体结构示意图和穿心式霍尔电流传感器结构示意图。

本实用新型的在线监测装置包括可开口的穿心式霍尔电流传感器5、滤波电路、档位切换电路、电压信号调理电路以及实时时钟系统、FLASH存储系统、EEPROM存储系统和控制器系统以及显示屏和数据通信系统。

其中监测装置是由安装形式为可开口的穿心式霍尔电流传感器设置在装置外壳1的外部，滤波电路、电压信号调理电路、档位切换电路以及实时时钟系统、FLASH存储系统和控制器系统设置在装置外壳1内部的核心板3上；显示屏4设置在装置外壳1上。显示屏和FLASH存储系统连接至控制器系统；其中穿心式霍尔电流传感器5通过电缆与装置外壳1上的航空插头2相连，航空插头2与装置外壳1内部的档位切换电路相连接，档位切换电路再连接至滤波电路和电压信号调理电路，然后与实时时钟系统连接至控制器系统。所述的控制器系统上还设有数据通信系统。所述的档位切换电路的切换量程有三种，分别为100mA-1A、1A-10A和10A-50A。

另外，装置的供电电缆以及通信电缆通过航空插头2与装置相连，一方面保证了供电和通信可靠，另一方面对装置内部实现了防水防尘保护等。穿心式霍尔电流传感器5是可以开口的，可以在不断开变压器中性点接地引线的情况下将穿心式霍尔电流传感器5套装在变压器中性点接地引线上，安装方便，为了保证穿心式霍尔电流传感器的测量精度，需要使用传感器开口紧固螺杆6对两个半块结构的传感器进行紧固处理。

该在线监测装置具体实施时是将开口的穿心式霍尔电流传感器套装在变压器中性点接地引线上，穿心式霍尔电流传感器输出的二次信号接入装置的测量电路，测量电路由滤波电路、档位切换控制电路和电压信号调理电路构成。测量电路将调理好的模拟信号送入控制器进行计算处理，计算结果显示在显示屏上，并存储在FLASH存储器系统，为后续分析变压器直流偏磁现象的规律提供数据支持。另外，本在线监测装置可以与在线监测综合监测单元（IED）或计算机相连，并通过MODBUS通信协议将测量结果上传，计算机可以通过串口调试助手等串口工具对装置的通信、测量、报警、校准等参数进行配置。

如图3所示，图3为本实用新型的组网结构示意图，底层的多个变压器直流偏磁在线监测装置通过RS-485总线与在线监测IED和在线监测计算机之间实现数据通信，该在线监测装置可以将实时数据和报警信息上传给在线监测IED以及在线监测计算机，同时在线监测IED和在线监测计算机可以读取底层装置的测量数据，并对底层装置进行相关配置。

如图1所示，图1为本实用新型的工作原理示意图，通过将穿心式霍尔电流传感器套装在变压器中性点接地引线上获得变压器直流偏磁电流值，装置对此电流信号进行采集、计算处理以及就地存储和显示，并通过数据通信系统与在线监测IED或者监测计算机进行通信。

本实用新型具体工作过程如下：穿心式霍尔电流传感器将采集到的中性点电流信号送给滤波电路和档位切换电路，调整到合适的量程之后再传递给电压信号调理电路，然后通过控制器的模数转换电路将此信号进行计算处理，得到的计算结果一方面显示在装置的显示屏上，另一方面同实时时钟系统产生的采集时刻一起存入到FLASH存储系统，为后续分析中性点接地电流的变化情况提供依据。装置可以预设中性点接地电流的报警值，当计算结果超过预设报警值时，报警信息一方面在装置本地显示，另一方面远传到后台监控计算机，提醒运行人员采取措施进行处理，预防变压器故障的发生。数据通信系统除了将报警信息通过RS485总线上传给监控计算机或综合监测单元或IED之外，还会将控制器计算得到的实时数据或存储在FLASH中的历史数据上传，并且计算机或IED可通过通信协议对监测装置进行各种参数配置，以满足不同规格变压器的需求。

变压器直流偏磁在线监测方法是，在不改变变压器中性点接地方式的前提下，通过在线监测变压器中性点接地引线上流经的电流，来反映流经变压器绕组的电流，进而反映变压器的直流偏磁程度，具体步骤如下：

（1）在不断开变压器中性点接地引线的前提下，采用可以开口的穿心式霍尔电流传感器套装在变压器中性点接地引线上，来获取流经变压器中性点接地引线的电流信号；

（2）通过穿心式霍尔电流传感器将变压器中性点接地电流信号转变为电压信号；

（3）将电压信号通过滤波电路、调理电路和档位切换电路处理后，送入控制器的模数转换电路进行计算处理，得到数字化的变压器中性点接地电流；

（4）将步骤（3）中的数字信号在装置的显示屏上显示出来，并与预先设定的变压器中性点接地电流允许值进行比较，若大于允许值，显示屏上同时显示报警信号；

（5）在步骤（4）的同时，将电流测量结果和时间保存到装置的FLASH存储器，便于后续分析变压器直流偏磁状况。

（6）通过RS485总线把步骤（3）计算得到的实时数据或历史数据上传到后台监控计算机或综合监测单元或IED，计算机或IED通过通信协议对监测装置进行各种相关参数配置，以满足不同类型变压器的在线监测需求。

其中所述的测量流经变压器中性点接地引线直流电流的方法如下：

$U_1=\frac{I_1}{K}R$

其中，I₁为变压器中性点接地引线上的直流电流；

K为穿心式霍尔电流传感器内置放大系数；

R为穿心式霍尔电流传感器内置采样电阻；

U₁为穿心式霍尔电流传感器采样输出电压信号。

K和R可以通过定制满足不同类型变压器的穿心式霍尔电流传感器取不同的值，满足多方面需要。

其中所述的得到数字化的变压器中性点接地电流，具体实现方法如下：

$U_2=U_1\frac{R_1}{R_2}$

其中，U₂为U₁经过滤波电路、调理电路后放大N倍的电压值，

根据U₂的大小，档位切换电路自动选择不同的量程，N的数值随之变化；

设控制器AD采样电路的参考电压为U_ref，通过调整N的数值来切换不同的量程，确保U₂始终落在[0,U_ref]区间内；

通过AD变换，得到电压U₂数值，通过多次平均处理及反向推导，得到的即是变压器中性点接地电流数值，即

$I_1=\frac{{\mathrm{KR}}_2}{R_{1}R}{U}_2$

本实用新型中所述的档位切换电路可以实现100mA-1A，1A-10A和10A-50A。

在实验室环境下，测量得到的数据如表1所示。

表1实验室测量数据

一次施加电流源（A）	装置显示结果（A）	装置显示时间
			0.50	0.50	2012-9-1610:08
1.00	1.01	2012-9-1610:10
			2.00	1.99	2012-9-1610:12
5.00	5.03	2012-9-1610:14
			8.00	7.95	2012-9-1610:16
10.00	9.97	2012-9-1610:18
			15.00	15.12	2012-9-1610:20

Claims (6)

1.变压器直流偏磁在线监测装置，其特征在于：

穿心式霍尔电流传感器（5）设置在装置外壳（1）的外部，滤波电路、电压信号调理电路、档位切换电路以及实时时钟系统、FLASH存储系统和控制器系统设置在装置外壳（1）内的核心板（3）上；显示屏（4）设置在装置外壳（1）上，显示屏和FLASH存储系统连接至控制器系统；

其中穿心式霍尔电流传感器通过电缆与装置外壳（1）相连，再通过装置外壳（1）与装置外壳（1）内部的档位切换电路相连接，档位切换电路再连接至滤波电路和电压信号调理电路，然后与实时时钟系统连接至控制器系统。

2.根据权利要求1所述的变压器直流偏磁在线监测装置，其特征在于：所述的穿心式霍尔电流传感器（5）通过电缆与装置外壳（1）上的航空插头（2）相连。

3.根据权利要求1所述的变压器直流偏磁在线监测装置，其特征在于：所述的控制器系统上还设有数据通信系统。

4.根据权利要求1所述的变压器直流偏磁在线监测装置，其特征在于：所述的穿心式霍尔电流传感器（5）为开口安装形式。

5.根据权利要求1所述的变压器直流偏磁在线监测装置，其特征在于：所述的档位切换电路的切换量程有三种，分别为100mA-1A、1A-10A和10A-50A。

6.根据权利要求1所述的变压器直流偏磁在线监测装置，其特征在于：所述的穿心式霍尔电流传感器（5）是由传感器开口紧固螺杆（6）对两个半块结构的传感器进行紧固连接。

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