CN203759086U - 一种铁芯接地电流在线监控设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种铁芯接地电流在线监控设备，包括信号采集单元，信号采集单元包括：带磁隙线圈，用于零磁通平衡和提供取样空间；磁传感器，设于带磁隙线圈的磁隙位置，通过感应磁隙位置的磁场而获得感应电压信号；差动运算放大器，用于将感应电压信号转换成单端电压信号；电压电流转换单元，用于将单端电压信号转换成电流信号，并将电流信号输入带磁隙线圈的绕组内；取压电阻，串联在带磁隙线圈的绕组与地之间，用以获得电阻电压信号；低噪声运算放大器一端与取压电阻远离接地的一端连接，另一端与信号处理单元连接，用于放大电阻电压信号获得采样电压信号以及提供阻抗转换。该铁芯接地电流在线监控设备测量精度高，而且制作方便、成本低。

Description

一种铁芯接地电流在线监控设备

技术领域

本实用新型属于测控领域,具体涉及一种铁芯接地电流在线监控设备。

背景技术

电力变压器是电力系统中重要的电气设备之一,为了防止电力变压器在运行中出现故障，通常将变压器的铁芯单点接地。在正常情况下，接地电流为几毫安到几十毫安之间。然而，若铁芯出现多点接地故障，将出现几十安培的电流流过铁芯，导致铁芯局部过热，影响电网的正常供电。

目前，检测电力变压器铁芯接地电流主要有三种方式：其一，利用钳形电流表定期测量铁芯接地线路中的电流；其二，测量变压器铁芯对地绝缘电阻法；其三，监测变压器绝缘油特征气体的气相色谱分析法。这三种方式均不能及时发现变压器铁芯多点接地故障，当然也不能及时采取相应的补救措施。

为此，中国专利CN101038306A公开了一种电力变压器铁芯接地电流在线监测装置及过流限制装置，其虽然能够实时监测变压器铁芯的接地电流，但仍然存在以下不足：

第一，由于所测铁芯接地电流动态范围较大，采用两个电流互感器分别监测小电流和大电流，增加了监测电路的复杂性，也增加了成本。

第二，限流电阻网络不能避免最小电流和次级小电流间的反复切换（虽然通过软件可以减少反复次数）。

第三，使用DSP对信号进行分析和处理的算法只能得到当前工频电流的大小，而无法实现电流多次谐波的分析。

第四，无法实现远程参数设置和实时报警。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就是针对铁芯接地电流监控过程中存在的上述缺陷，提供一种铁芯接地电流在线监控设备，其测量精度高，而且方便制作、成本低。

为此，本实用新型提供一种铁芯接地电流在线监控设备，包括：

信号采集单元，用于获得铁芯接地电流大小对应的采样电压信号；

信号处理单元，用于对所述采样电压信号进行处理；

采样分析单元，用于获得所述采样电压信号中基波和谐波的有效值和峰值，并获得所述采样信号的有效值和峰值；

处理器，根据所述采样电压信号的有效值和峰值计算所述铁芯接地电流的大小，并对所述铁芯接地电流和预设电流阈值进行比较，若所述铁芯接地电流超过所述预设电流阈值，则发出相应的执行指令；

执行单元，用于根据所述处理器发出的执行指令执行相应的操作；

所述信号采集单元包括：

带磁隙线圈，用于零磁通平衡和提供取样空间；

磁传感器，设于所述带磁隙线圈的磁隙位置，通过感应磁隙位置的磁场而获得感应电压信号；

差动运算放大器，用于将所述感应电压信号转换成单端电压信号；

电压电流转换单元，用于将所述单端电压信号转换成电流信号，并将所述电流信号输入所述带磁隙线圈的绕组内；

取压电阻，串联在所述带磁隙线圈的绕组与地之间，用以获得电阻电压信号；

低噪声运算放大器，其一端与所述取压电阻远离接地的一端连接，另一端与所述信号处理单元连接，所述低噪声运算放大器用于放大所述电阻电压信号获得采样电压信号，以及提供阻抗转换。

其中，所述磁传感器为GMR磁传感器TMR磁传感器。

其中，所述信号处理单元包括：

控制放大模块，用于控制放大所述采样电压信号；

滤波模块，用于对放大后的所述采样电压信号进行滤波。

其中，所述采样分析单元包括：

数据采样模块，用于获得所述采样电压信号中基波和/或谐波的有效值和峰值，并获得实时波形数据；

数据分析模块，用于根据基波和/或谐波的有效值和峰值获得所述采样电压信号的有效值和峰值。

其中，所述执行单元包括：

报警模块，用于根据所述处理器发出的报警指令进行报警；

限流模块，用于根据所述处理器发出的限流指令限制所述铁芯接地电流的大小。

其中，所述限流模块串联在铁芯接地导线中，所述限流模块包括四个限流电阻、四个继电器和压敏电阻，其中，第一继电器形成第一支路，第二继电器和第一限流电阻串联形成第二支路，第三继电器和第二限流电阻串联形成第三支路，第四继电器和第三限流电阻串联形成第四支路，第四限流电阻形成第五支路，压敏电阻形成第六支路，所述第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第五支路和第六支路并联。

其中，所述第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻和第四限流电阻的阻值之比为1:2:3:4。

其中，还包括：

通讯单元，用于所述处理器与上位机或中央监控平台之间的通讯；

电源管理单元，用于提供电能；

操控单元，用于提供人机交互的输入接口；

显示单元，用于提供人机交互的界面；

存储单元，用于存储所述采样电压信号的实时波形数据、采样电压信号的有效值和峰值、采样电压信号的基波和谐波的有效值和峰值。

其中，所述绕组匝数为1000～3000匝。

其中，设于所述带磁隙线圈的磁隙的宽度小于5mm。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的铁芯接地电流在线监控设备，通过信号采集单元获得铁芯接地电流大小对应的采样电压信号，信号采集单元通过GMR传感器或TMR传感器获得感应电压信号，感应电压信号依次通过差动放大、电压电流转换被输入绕组，获得电阻电压信号，经低噪声运算放大器放大后获得采样电压信号，采样电压信号经信号处理单元处理，经采样分析单元获得采样电压信号的有效值和/或峰值以及采样电压信号的基波和/或谐波的有效值和峰值，然后计算铁芯接地电流的大小，比较铁芯接地电流和预设电流阈值，若所述铁芯接地电流超过所述预设电流阈值，则发出相应的执行指令，并由执行单元执行。该铁芯接地电流在线监控设备测量精度高，而且制作方便、成本低。该变压器铁芯接地电流在线监测设备不仅可应用于变压器铁芯接地电流监测场合，也可应用于氧化锌避雷器在线监测场合。

附图说明

图1为本实施例提供一种铁芯接地电流在线监控设备的原理框图；

图2为本实用新型实施例信号采集单元的原理图；

图3为本实用新型实施例信号处理单元的原理框图；

图4为本实用新型实施例采样分析单元的原理框图；

图5为本实用新型实施例限流电阻网络的原理图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型提供的铁芯接地电流在线监控设备进行详细描述。

如图1所示，铁芯接地电流在线监控设备包括：信号采集单元1、信号处理单元2、采样分析单元3、处理器4和执行单元。

其中，信号采集单元1用于获得铁芯接地电流大小对应的采样电压信号。信号处理单元2用于对采样电压信号进行处理。采样分析单元3用于获得采样电压信号中基波和/或谐波的有效值和峰值，并获得采样信号的有效值和峰值。处理器4用于根据采样电压信号的有效值和峰值计算铁芯接地电流的大小，并对铁芯接地电流和预设电流阈值进行比较，若铁芯接地电流超过预设电流阈值，则发出相应的执行指令。执行单元用于根据处理器发出的执行指令执行相应的操作。

信号采集单元1采用闭环反馈的磁平衡电流测量模式，这种测量方式隔离度高，灵敏度高，线性度好，动态范围大。如图2所示，信号采集单元1包括带磁隙线圈11、磁传感器12、差动运算放大器13、电压电流转换单元14、取压电阻15和低噪声运算放大器16。

其中，带磁隙线圈11用于零磁通平衡和提供取样空间。使用时，铁芯接地导线穿过带磁隙线圈11的中心。带磁隙线圈11包括磁芯111和缠绕在磁芯111外围的绕组112，磁芯111上设有磁隙113。其中，磁芯111采用高导磁率材料制作，绕组112的匝数在1000～3000匝之间，磁隙的宽度小于5mm。为便于安装，带磁隙线圈11采用分体结构，即带磁隙线圈11由两部分组成。使用时，将两部分固定在一起，形成整个带隙螺旋线圈11。

磁传感器12设置于带磁隙线圈11的磁隙113位置，用于通过感应磁隙位置的磁场而获得感应电压信号。磁传感器12可以采用GMR磁传感器或TMR磁传感器。GMR磁传感器包括由磁感应膜构成的惠斯通电桥或由磁感应膜构成的阻抗元件。GMR磁传感器或TMR磁传感器灵敏度高、线性度好、动态范围大、频率响应快和温度稳定性好。

目前礠平衡传感器主要采用霍尔器件，但霍尔器件因自身的温度稳定性较低，线性度在1%左右，测量小电流时误差较大，测毫安级别以下的电流时则基本不可用，在本实用新型中不推荐应用。

GMR磁传感器的灵敏度约为2毫高左右，比霍尔传感器的灵敏度高两个数量级以上；温度稳定性好，不进行温度补偿即小于1%；抗电磁干扰能力强；频率2MHz左右。故GMR磁传感器可准确测量低至0.1毫安的电流。根据供电的情况，同一信号采集单元可测量高达30A的电流；频率可达2MHz，其性能完全满足变压器铁芯接地电流监测的需求。根据铁芯接地电流在线监测的实际需求，本实施例将信号采集单元指标定位于0.1mA到10A的测量范围，频率范围调整至10Hz到5kHz。

差动运算放大器13用于将感应电压信号转换成单端电压信号。差动运算放大器13采用低噪声零漂移差动运算放大器。

电压电流转换单元14用于将单端电压信号转换成电流信号，并与带磁隙线圈11的绕组112电连接，以将电流信号输入带磁隙线圈11的绕组112内。

取压电阻15串联在带磁隙线圈的绕组与地之间，用以获得电阻电压信号。本实施例取压电阻15的阻值为100欧，精度为0.1%。由于所测信号范围为0.1mA～10A，若绕组112的匝数为1000圈，绕组112内的驱动电流范围为0.1μA～10mA，那么电路中的噪声电流不大于0.1μA，电压噪声不大于10uV。因此，在选用器件时应满足上述两个条件。

低噪声运算放大器16的一端与取压电阻15远离接地的一端连接，低噪声运算放大器16的另一端作为信号采集单元1的输出端与信号处理单元2（图1中示出）连接，低噪声运算放大器16用于放大电阻电压信号以获得采样电压信号，以及提供阻抗转换。

结合参考图1和图3所示，信号处理单元2包括控制放大模块21和滤波模块22。其中，控制放大模块21用于控制放大信号采集单元1获得的采样电压信号。控制放大模块21的放大倍数可根据需要设为1倍或100倍。

滤波模块22用于对放大后的采样电压信号进行滤波。滤波模块22滤除带外噪声，提高信噪比。如采用4阶巴特沃兹有源滤波器，带宽范围为10Hz～5kHz。滤波模块22将信号按比例缩小后输出到采样分析单元3。

结合参考图1和图4所示，采样分析单元3包括数据采样模块31和数据分析模块32。其中，数据采样模块31用于获得采样电压信号中基波和/或谐波的有效值和峰值，并获得实时波形数据。数据分析模块32，用于根据基波和/或谐波的有效值和峰值获得采样电压信号的有效值和峰值。即数据分析模块32接收数据采样模块31实时波形数据后，进行FFT变换和频域分析，分别得出采样电压信号总的有效值（包括采样电压信号的有效值和/或峰值），并将分析获得的有效值传输至处理器4。采样分析单元3可以采用DSP器件，也可以采用专用器件ADE7880，ADE7880器件分别有三路电压测量通道和三路电流测量通道，通道内有PGA和数字滤波器。ADE7880器件内嵌运算器计算信号的有效值、基波有效值和各次谐波的有效值，并能将原始信号波形数据输出。

处理器4根据采样电压信号的有效值和峰值计算铁芯接地电流的大小，并对铁芯接地电流和预设电流阈值进行比较，若铁芯接地电流超过预设电流阈值，则发出相应的执行指令。处理器4可采用各类型的MCU，也可采用成本和功耗较低的由ST公司生产的型号为STM32F103的处理器。

在本实施例中，执行单元包括报警模块和限流模块。其中，报警模块对应处理器4发出的报警指令，用于发出报警，以提醒监控人员注意铁芯接地电流超过预设电流阈值。限流模块52对应处理器4发出的限流指令，其串接在铁芯接地导线中，用于限制铁芯接地电流的大小。限流模块5可以自动控制，即由处理器4根据铁芯接地电流大小自动切换；也可以手动切换，即在本地设置投切电阻大小。

在本实施例中，限流模块5采用限流电阻网络。如图5所示，限流电阻网络包括四个限流电阻R1、R2、R3、R4、四个继电器SW1、SW2、SW3、SW4和压敏电阻RV。其中，第一继电器SW1形成第一支路，第二继电器SW2和第一限流电阻R1串联形成第二支路，第三继电器SW3和第二限流电阻R2串联形成第三支路，第四继电器SW4和第三限流电阻R3串联形成第四支路，第四限流电阻R4形成第五支路，压敏电阻RV形成第六支路，第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第五支路和第六支路并联。第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻和第四限流电阻的阻值之比为1:2:3:4，如分别采用200欧、400欧、800欧和1600欧的电阻。压敏电阻RV用于对限流电阻网络的过压保护。

在公开号为CN101038306A的实用新型专利中提及，若限流电阻为零时的铁芯接地电流在某数值区间时，两个继电器之间常发生反复切换的问题，并提出了减少切换次数的方法，即限定切换周期。这种方法没有从根本上消除反复切换问题。本实施例采用以下方式彻底消除反复切换的问题：第一继电器SW1切换到第二继电器SW2之后，处理器4可对应地测到第一电流值I1和第二电流值I2。因为切换过程中变压器的对地电压可认为不变，变压器内阻R更是在长时间内接近不变，因而I1×R=I2×(R+R1//R4)，故得出变压器内阻R=(I2×R1//R4)/(I1-I2)，其中I1、I2、R1和R4皆为已知值，故可确定变压器的内阻。当由第一继电器SW1切换到第二继电器SW2时，第二电流值I2小于20mA，但因知第一电流值I1大于100mA，故不切换。在经过较长时间后，变压器的对地电压可能发生变化，但内阻R基本不变，第二电流I2可能相应的发生变化，变压器电压V=I2×（R+R1//R4）。

当因第二电流I2变化后（若超过10mA的变化量），可推算切换到第一继电器SW1后的电流值，第一电流值I1=V/R，若第一电流I1大于100mA，则不进行切换动作，若第一电流I1小于100mA，则进行切换。从而避免了第一支路和第二支路之间的反复切换动过的可能。虽然经过长时间的运行后，变压器内阻R需要重新计算，但第一支路和第二支路之间整个切换过程中切换动作也不超过3次，不会造成反复切换动作。该限流模块5切换简单且不反复。

当然，本实施例中，处理器4可计算出不加限流电阻时对应的铁芯接地电流大小，并提供可靠铁芯接地电路的验证、报警和预警。

如图1所示，铁芯接地电流在线监控设备还包括：

通讯单元6，用于处理器4与上位机或中央监控平台之间的通讯。通讯单元6使铁芯接地电流在线监控设备与上位机或中央监控平台进行通讯，以便于远程控制，如传递采集的数据以及配置数据。通讯单元6可采用RS485通讯模式或GPRS通讯模式。通过通讯单元6可将数据定时上传，并能实时监控。

电源管理单元7，用于对铁芯接地电流在线监控设备中各部件提供电能，如采用220Vac的电源输入提供，或由太阳能电池提供。

操控单元8，用于提供人机交互的输入接口，如采用操控键盘进行功能选择，或输入配置数据。

显示单元9，用于提供人机交互的界面。显示单元9采用图形点阵模式的液晶模块或OLED模块。本实施例采用OLED显示模块，其工作温度范围较宽，视角宽，显示清晰。

存储单元10，用于存储所述采样电压信号的实时波形数据、采样电压信号的有效值和峰值、采样电压信号的基波和谐波的有效值和峰值。存储单元10采用16Mbit的FLASH存储器。

本实施例提供的铁芯接地电流在线监控设备测量精度高，而且成本低，结构简单。限流电阻网络切换简单且不反复；对电流值采用频域分析方法，得到真有效值、基波或谐波的有效值，以及可观测实时波形；数据可定时上传，也可实时观察；变压器多点接地时实时报警。该变压器铁芯接地电流在线监测设备不仅可应用于变压器铁芯接地电流监测场合，也可应用于氧化锌避雷器在线监测场合。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种铁芯接地电流在线监控设备，包括：

信号采集单元，用于获得铁芯接地电流大小对应的采样电压信号；

信号处理单元，用于对所述采样电压信号进行处理；

采样分析单元，用于获得所述采样电压信号中基波和谐波的有效值和峰值，并获得所述采样信号的有效值和峰值；

处理器，根据所述采样电压信号的有效值和峰值计算所述铁芯接地电流的大小，并对所述铁芯接地电流和预设电流阈值进行比较，若所述铁芯接地电流超过所述预设电流阈值，则发出相应的执行指令；

执行单元，用于根据所述处理器发出的执行指令执行相应的操作；

其特征在于：所述信号采集单元包括：

带磁隙线圈，用于零磁通平衡和提供取样空间；

磁传感器，设于所述带磁隙线圈的磁隙位置，通过感应磁隙位置的磁场而获得感应电压信号；

差动运算放大器，用于将所述感应电压信号转换成单端电压信号；

电压电流转换单元，用于将所述单端电压信号转换成电流信号，并将所述电流信号输入所述带磁隙线圈的绕组内；

取压电阻，串联在所述带磁隙线圈的绕组与地之间，用以获得电阻电压信号；

低噪声运算放大器，其一端与所述取压电阻远离接地的一端连接，另一端与所述信号处理单元连接，所述低噪声运算放大器用于放大所述电阻电压信号获得采样电压信号，以及提供阻抗转换。

2.根据权利要求1所述的铁芯接地电流在线监控设备，其特征在于，所述磁传感器为GMR磁传感器TMR磁传感器。

3.根据权利要求1所述的铁芯接地电流在线监控设备，其特征在于，所述信号处理单元包括：

控制放大模块，用于控制放大所述采样电压信号；

滤波模块，用于对放大后的所述采样电压信号进行滤波。

4.根据权利要求1所述的铁芯接地电流在线监控设备，其特征在于，所述采样分析单元包括：

数据采样模块，用于获得所述采样电压信号中基波和/或谐波的有效值和峰值，并获得实时波形数据；

数据分析模块，用于根据基波和/或谐波的有效值和峰值获得所述采样电压信号的有效值和峰值。

5.根据权利要求1所述的铁芯接地电流在线监控设备，其特征在于，所述执行单元包括：

报警模块，用于根据所述处理器发出的报警指令进行报警；

限流模块，用于根据所述处理器发出的限流指令限制所述铁芯接地电流的大小。

6.根据权利要求5所述的铁芯接地电流在线监控设备，其特征在于，所述限流模块串联在铁芯接地导线中，所述限流模块包括四个限流电阻、四个继电器和压敏电阻，其中，第一继电器形成第一支路，第二继电器和第一限流电阻串联形成第二支路，第三继电器和第二限流电阻串联形成第三支路，第四继电器和第三限流电阻串联形成第四支路，第四限流电阻形成第五支路，压敏电阻形成第六支路，所述第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第五支路和第六支路并联。

7.根据权利要求6所述的铁芯接地电流在线监控设备，其特征在于，所述第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻和第四限流电阻的阻值之比为1:2:3:4。

8.根据权利要求1所述的铁芯接地电流在线监控设备，其特征在于，还包括：

通讯单元，用于所述处理器与上位机或中央监控平台之间的通讯；

电源管理单元，用于提供电能；

操控单元，用于提供人机交互的输入接口；

显示单元，用于提供人机交互的界面；

存储单元，用于存储所述采样电压信号的实时波形数据、采样电压信号的有效值和峰值、采样电压信号的基波和谐波的有效值和峰值。

9.根据权利要求1所述的铁芯接地电流在线监控设备，其特征在于，所述绕组匝数为1000～3000匝。

10.根据权利要求1所述的铁芯接地电流在线监控设备，其特征在于，设于所述带磁隙线圈的磁隙的宽度小于5mm。