CN215932098U - 集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，包括集成在PCB板上的自取能单元和电源管理单元以及分别与电源管理单元连接的磁阻传感器、信号调理与AD采样单元、MCU微处理单元和无线通信单元；将传感器、信息处理与供电单元存储单元等集成在一起，利用自取能对磁阻传感器和MCU微处理单元等进行供电，减少单元分立增加的传输、电磁干扰等影响风险；便于电磁屏蔽、机械稳定性的提升，提升系统的可靠性，解决目前接地电流传感器设备测量中存在的上述问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及变压器监测技术领域，尤其涉及一种集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统。
背景技术
接地电流是许多电力设备重要的运行状态指标，例如变压器的铁芯接地电流，反映的是变压器在运行中铁芯的接地问题。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。
当前接地电流监测装置通常存在以下问题：1)传感器故障率高，据统计，全国变压器在线监测装置的故障中，有一半以上的故障为传感器故障；2)传感系统寿命短，由于传感装置需要长期工作在户外环境中，需要采用电池对其进行供电，其寿命很大程度上取决于所选用电池的寿命(通常在连续工作状态下，小于两年)； 3)有效性差，传统监测装置采用钳形互感器，易受电力变压器附近恶劣电磁环境的影响而产生误报；4)元器件过多，传统的监测装置，采用设置多个传感器直接获得电流信号，需要用到的传感器过多，设备体积重量较大，安装不方便；5)设备经济性差，当前铁芯接地电流监测装置市场售价为2-5万元一套，相对变压器设备价格经济性较差，因此导致变压器铁芯电流检测装置覆盖率低(仅为0.34％)； 6)数据传输通讯难度大，电力变压器设备附近电磁环境恶劣，采用485总线、无线等通讯方式传输成功率较低；配电室、变电站等根据供电需求分布，相对监控中心距离远、位置分散，需要考虑到无人值守智能化变电站的通信需求。另一方面，当前接地电流的测量存在着传感器故障率高、装置运行寿命短、测量准确性不足、设备经济性差等一些问题，这些问题影响着接地电流传感装置的应用。
实用新型内容
为了解决以上问题，本实用新型通过采用新型的磁阻传感器技术将传感器、信息处理与供电单元存储单元等集成在一起，减少单元分立增加的传输、电磁干扰等影响风险，并且在高集成度下的装置设计，便于电磁屏蔽、机械稳定性的提升，提升系统的可靠性，解决目前接地电流传感器设备测量中存在的上述问题。
本实用新型提供一种集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，包括屏蔽外壳，以及设置在屏蔽外壳中的PCB板；所述的PCB板上集成有自取能单元、电源管理单元以及分别与电源管理单元连接的磁阻传感器、信号调理与AD采样单元、MCU微处理单元和无线通信单元；
所述磁阻传感器与信号调理与AD采样单元连接；所述信号调理与AD采样单元、MCU微处理单元、无线通信单元依次连接且设置在PCB板上；所述电源管理单元包括储能电路、电源管理芯片；所述自取能单元包括取能电路和整流电路；所述取能电路包括取能线圈和导磁硅钢片；所述取能线圈缠绕在导磁硅钢片上，所述取能线圈连接整流电路；所述整流电路连接电源管理芯片；所述电源管理芯片连接储能电路。
本实用新型实施例提供的集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，利用通过磁阻传感器感知接地导线中的电流信号，在通过模拟信号变换后进行数字处理，利用微处理器按照预设阈值计算分析电流信号的状态，如果检测到超过阈值的接地电流，则评估设备的运行状态异常，评估异常信息由无线通信单元采用 LoRa通讯发送给本地的智能配电终端，然后传输到远程监测中心。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，利用LoRa无线通讯实现数据远传，传输距离远，采用自取能单元，实现自取能供电、供电存储以及储能放电的灵活转换，功耗低，使用寿命长。采用微处理器实现采样信号处理、分析，接地电流计算、异常运行判断，简化了信号采集电路的复杂度，增强了系统设计的集成度，减少测量、计算单元分立增加的传输、电磁干扰等影响风险，提升系统的可靠性。集成了电磁耦合取能单元，利用接地导线中的剩磁电流给装置电池充电，提升了装置使用的便捷性问题。
优选的，所述屏蔽外壳包括将变压器铁芯接地导线固定在中央的上部和下部；所述导磁硅钢片呈环状排布在屏蔽外壳的上部和下部，所述上部和下部扣合后导磁硅钢片形成闭合环。在本实施例中传感装置在安装时拆开上下部分，通过装置固定部件安装到接地导线上，实现便捷化安装。
在上述任意一项实施例中优选的，所述磁阻传感器单元采用环氧树脂和绝缘材料固定在上部，靠近接地导线处。在本实施例中对于接地导线中的电流能灵敏捕捉，提高了电流信号捕捉的灵敏度，安装方便，电路结构简单，便于广泛布设。
在上述任意一项实施例中优选的，所述储能电路采用可充电锂电池，可充电锂电池采用HTC1850钛酸锂电池。采用自取能与可充电锂电池交替工作，保证采集数据的及时传递，降低了功耗需求，延长了使用寿命。
在上述任意一项实施例中优选的，所述MCU微处理单元包括主控芯片和与主控芯片连接的存储芯片；所述主控芯片采用处理芯片型号为STM32F103C8。在本实施例中通过主控芯片与存储芯片的结合，利用主控芯片实现了数据的实时处理，利用存储芯片便于将处理的数据及时存储，优选的存储芯片采用EEPROM 芯片，防止数据掉电丢失。
在上述任意一项实施例中优选的，所述无线通信单元号采用型号为 SX1278ZTR4的LORA芯片；所述LORA芯片的信号输入端与MCU微处理单元串口通信。
在上述任意一项实施例中优选的，所述屏蔽外壳内部通过电泳工艺涂覆形成特定铜金属层，所述PCB板与特定铜金属层连接，实现接地屏蔽。采用具有防尘、防水封闭作用的装置外壳，为多聚合物材料。外壳内部通过电泳工艺涂覆形成特定铜金属层，并实现接地，起到电磁屏蔽层的作用，实现现场复杂电场干扰和高频电磁波干扰的功能。
在上述任意一项实施例中优选的，所述电源管理芯片的型号为ADP5091。所述电源管理芯片用于获取取能线圈经过整流电路整流后的感应电流，并将获取的感应电流存储至储能电路；所述电源管理芯片还连接供电电路，所述供电电路分别连接磁阻传感器、信号调理与AD采样单元、MCU微处理单元及无线通信单元。
在上述任意一项实施例中优选的，所述取能线圈的绕组匝数为1000～3000 匝。根据负荷大小计算出合适的匝数。感应线圈产生的感应电流经过整流电路后存储在可充电锂电池中，作为装置的供电单元。
在上述任意一项实施例中优选的，所述导磁硅钢片由高导磁率的铁氧体材料叠片加工制作而成，所述导磁硅钢片的截面积根据接地导线的预估电流大小定制。在本实施例中，根据负荷电流选择合适截面大小进行叠片加工。硅钢片功能主要是为取能单元提供高效率的磁耦合链路，经过感应线圈获得足够的电能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型实施例提供的集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统的连接结构框图；
图2为本实用新型实施例提供的集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统的详细结构框图；
图3为本实用新型实施例提供的集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统的安装示意图；
图中：
1、PCB板；2、上部；3、下部；4、固定坞；5、导磁硅钢片；6、取能线圈； 7、磁阻传感器；8、接地导线；9、信号调理与AD采样单元；901、电压信号放大电路；902、AD采样芯片；10、MCU微处理单元；11、无线通信单元；12、自取能单元；1201、整流电路；13、电源管理单元；1301、储能电路；1302、电源管理芯片、1303、供电电路。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本实用新型提供进一步的详细说明。除非另有指明，本实用新型所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本实用新型所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。
如图1所示，本实用新型提供一种集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，设置在屏蔽外壳中，包括集成在PCB板1上的电源管理单元以及分别与电源管理单元连接的磁阻传感器7、信号调理与AD采样单元9、MCU微处理单元 10、无线通信单元11和自取能单元12；所述磁阻传感器7、信号调理与AD采样单元9、MCU微处理单元10、无线通信单元11依次连接；信号调理与AD采样单元9、MCU微处理单元10、无线通信单元设置在PCB板1上；所述电源管理单元包括供电电路1303、储能电路1301、电源管理芯片1302；所述自取能单元12包括取能电路和整流电路1201；所述取能电路包括取能线圈6、导磁硅钢片5；所述取能线圈6缠绕在导磁硅钢片5上，所述取能线圈6连接整流电路 1201；所述储能电路采用锂电池实现；所述整流电路1201连接电源管理芯片1302；所述电源管理芯片1302连接储能电路。
本实用新型实施例提供的集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，利用通过磁阻传感器7感知接地导线8中的电流信号，在通过模拟信号变换后进行数字处理，利用微处理器按照预设阈值计算分析电流信号的状态，如果检测到超过阈值的接地电流，则评估设备的运行状态异常，评估异常信息由无线通信单元采用LoRa通讯发送给智能配电终端，然后传输到远程监测中心。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，利用LoRa无线通讯实现数据远传，传输距离远，采用自取能单元12，实现自取能供电、供电存储以及储能放电的灵活转换，功耗低，使用寿命长。基于磁电阻传感器测量变压器铁芯接地电流利用上述装置电路实现，显著特点是利用磁电阻芯片测量接地电流的磁场强度，间接获取接地电流的大小；通过MCU微处理单元分析计算出感知的电流信号获取接地电流的频谱成分、电流数值；利用频谱成分和电流大小评估接地电流异常状态，并间歇性唤醒LoRa无线数据传输模块，通过电磁互感方式实现自取能供电。
优选的如图3所示，所述屏蔽外壳包括将变压器铁芯接地导线8固定在中央的上部2和下部3；所述导磁硅钢片5呈环状排布在屏蔽外壳的上部2和下部3，所述上部2和下部3扣合后导磁硅钢片5形成闭合环。在本实施例中传感装置在安装时拆开上下部3分，通过装置固定部件安装到接地导线8上，实现便捷化安装。所述磁阻传感器7单元采用环氧树脂和绝缘材料固定在上部2，靠近接地导线8处。在本实施例中对于接地导线8中的电流能灵敏捕捉，提高了电流信号捕捉的灵敏度，安装方便，电路结构简单，便于广泛布设。
所述储能电路采用可充电锂电池1203。采用自取能向可充电锂电池1203充电，延长了锂电池供电时长，保证采集数据的及时传递所述的锂电池选1203采用HTC1850钛酸锂电池，具有长寿命、耐高低温、高倍率，在-40℃～85℃的环境下有良好的适应性。
所述MCU微处理单元10包括主控芯片和与主控芯片连接的存储芯片；所述主控芯片采用处理芯片型号为STM32F103C8。在本实施例中通过主控芯片与存储芯片的结合，利用主控芯片实现了数据的实时处理，利用存储芯片便于将处理的数据及时存储，优选的存储芯片采用EEPROM芯片，防止数据掉电丢失。信号调理与AD采样单元9包括电压信号放大电路901以及AD采样芯片902；采样芯片采用AD7713，用于将模拟信号进行量化处理，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。主要技术指标：频率2MHz，功耗典型值为3.5mW，掉电方式下为35μW，采用高速24位ADC可以处理细微的信号以提高计算精度。
所述的MCU处理器，同时配置存储器、FLASH等基本单元，保障系统计算运行。微控制单元(MCU)，采用Cortex-M内核，最高频率可达72MHz。可采用 ST公司的STM系列如STM32F103C8，微控制单元(MCU)，采用Cortex-M内核，最高频率可达72MHz。
所述的串口通信芯片SX1278ZTR4的LORA芯片，所述LORA芯片的信号输入端与MCU微处理单元10串口通信。频段410-525MHz，发射功率19± 1dBm(max)，有效通讯距离5Km@250bps，采用LoRa调制方式，支持硬件跳频 (FHSS)，低功耗接收电流≤13mA；睡眠电流≤2uA。将电流信号信息和异常状态评估结果按照LoRa无线通讯协议进行打包并定期或在异常状态下唤醒LoRa 无线通讯模块进行远距离数据发送，将电力设备接地状态及时发送给远程监测中心。
所述屏蔽外壳内部通过电泳工艺涂覆形成特定铜金属层，所述PCB板1与特定铜金属层连接，实现接地屏蔽。采用具有防尘、防水封闭作用的装置外壳，为多聚合物材料。外壳内部通过电泳工艺涂覆形成特定铜金属层，并实现接地，起到电磁屏蔽层的作用，实现现场复杂电场干扰和高频电磁波干扰的功能。
所述电源管理芯片1302的型号为ADP5091，实现锂电池的高效充电。该芯片具有更高的电源转换效率和更低功耗，可将低至80mV的感应耦合的微弱能量进行收集，并以高至90％以上的转换效率提供给锂电池充电应用，同时自身静态电流可保持在500nA左右。所述取能线圈6的绕组匝数为1000～3000匝。提高了取能的能力。对于微小电流也能实现顺利取能。导磁硅钢片，由高导磁率的铁氧体材料构成，根据负荷电流选择合适截面大小进行叠片加工。硅钢片功能主要是为取能单元提供高效率的磁耦合链路，经过感应线圈获得足够的电能。
由技术常识可知，本实用新型可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。
Claims (10)
1.一种集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，其特征在于，包括屏蔽外壳，以及设置在屏蔽外壳中的PCB板(1)；所述的PCB板(1)上集成有自取能单元(12)、电源管理单元(13)以及分别与电源管理单元(13)连接的磁阻传感器(7)、信号调理与AD采样单元(9)、MCU微处理单元(10)和无线通信单元(11)；
所述磁阻传感器(7)与信号调理与AD采样单元(9)连接；所述信号调理与AD采样单元(9)、MCU微处理单元(10)、无线通信单元依次连接且设置在PCB板(1)上；
所述电源管理单元(13)包括储能电路(1301)和电源管理芯片(1302)；所述自取能单元(12)包括取能电路和整流电路(1201)；所述取能电路包括取能线圈(6)和导磁硅钢片(5)；所述取能线圈(6)缠绕在导磁硅钢片(5)上，所述取能线圈(6)连接整流电路(1201)；所述整流电路(1201)连接电源管理芯片(1302)；所述电源管理芯片(1302)连接储能电路(1301)。
2.根据权利要求1所述集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，其特征在于，所述屏蔽外壳包括将变压器铁芯接地导线(8)固定在中央的上部(2)和下部(3)；所述导磁硅钢片(5)呈环状排布在屏蔽外壳的上部(2)和下部(3)，所述上部(2)和下部(3)扣合后导磁硅钢片(5)形成闭合环。
3.根据权利要求2所述集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，其特征在于，所述磁阻传感器(7)单元采用环氧树脂和绝缘材料固定在上部(2)，靠近接地导线(8)处。
4.根据权利要求1所述集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，其特征在于，所述储能电路采用可充电锂电池(1203)，可充电锂电池(1203)采用HTC1850钛酸锂电池。
5.根据权利要求1所述集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，其特征在于，所述MCU微处理单元(10)包括主控芯片和与主控芯片连接的存储芯片；所述主控芯片采用处理芯片型号为STM32F103C8。
6.根据权利要求1所述集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，其特征在于，所述无线通信单元号采用型号为SX1278ZTR4的LORA芯片；所述LORA芯片的信号输入端与MCU微处理单元(10)串口通信。
7.根据权利要求1所述集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，其特征在于，所述屏蔽外壳内部通过电泳工艺涂覆形成铜金属层，所述PCB板(1)与铜金属层连接，实现接地屏蔽。
8.根据权利要求1所述集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，其特征在于，所述电源管理芯片(1302)的型号为ADP5091；所述电源管理芯片用于获取取能线圈(6)经过整流电路整流后的感应电流，并将获取的感应电流存储至储能电路；所述电源管理芯片(1302)还连接供电电路(1303)，所述供电电路(1303)分别连接磁阻传感器(7)、信号调理与AD采样单元(9)、MCU微处理单元(10)及无线通信单元(11)。
9.根据权利要求1所述集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，其特征在于，所述取能线圈(6)的绕组匝数为1000～3000匝。
10.根据权利要求1所述集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统，其特征在于，所述导磁硅钢片(5)由高导磁率的铁氧体材料叠片加工制作而成，所述导磁硅钢片的截面积根据接地导线的预估电流大小定制。
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| CN202121039764.3U Active CN215932098U (zh) | 2021-05-13 | 2021-05-13 | 集成自取能的变压器铁芯接地电流监测系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN215932098U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024103903A1 (zh) * | 2022-11-15 | 2024-05-23 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种自取能电力监测装置 |
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2021
- 2021-05-13 CN CN202121039764.3U patent/CN215932098U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024103903A1 (zh) * | 2022-11-15 | 2024-05-23 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种自取能电力监测装置 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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