变压器铁芯接地电流实时监测系统设计

电力变压器是电力系统中最重要的电气设备，运行中一旦出现故障，将会对电力系统造成严重的后果。正常运行的变压器铁芯一点接地，如果有两点或者两点以上同时接地，则铁芯与大地之间将形成电流回路，最大电流可以达到几十安培，将会造成铁芯过热，甚至烧毁。目前判断变压器铁芯是否存在多点接地，主要有三种方法：钳形电流表定期监铁芯接地电流的电气方法，测量铁芯对地绝缘电阻法，监测变压器绝缘油特征气体的气相色谱分析法。以上方法存在的不足是不能及时发现铁芯多点接地故障，一旦发生故障，也不能及时采取相应措施。因此，对变压器铁芯接地电流的实时在线监测是十分必要的。

目前，现场人员多采用钳形电流表夹住铁芯接地线来监测其电流，但由于变压器强磁场的干扰，测量值很不精确，甚至出现同一测量点几次测量值差别迥异的情况，这样测量的参考价值值得怀疑;而国内有些单位研制的自动监测装置虽能及时发现多点接地故障，但缺乏故障后的实时监测功能。为此，设计了一种基于GSM通讯的在线监测装置，较好地解决了变压器铁芯接地电流在线监测的问题。为了解决正常状态下接地电流很小，受到的现场干扰却比较严重的问题。

1、目的

大型电力变压器铁芯电流的变化可直接反映出变压器的故障状态——是否存在铁芯多点接地。以往的监测方式是由变电站值班人员使用手持仪器定期进行检测和记录，该方式的最大缺点是不能立即对故障做出反应，存在使事故进一步扩大的严重隐患。随着电力自动化水平的提高和无人值守变电站的增多，迫切需要一种稳定可靠、精度高、功能强的大型电力变压器铁芯电流在线监测装置。本文所描述的装置，就是为此而设计的，具有极高的应用价值。

1.1 今后的发展

目前国家正在发展智能化电网，而变压器铁芯在线监测系统是构成智能化电网中比较重要的组成部分，国外早在八十年代就已经开始实现对变压器铁芯在线监测系统研究并实现无人化变电站，可以节省大量的人力物力，并能够及时有效的发现变压器铁芯接地点情况，并通过一系列的数据可以分析变压器是否存在多点接地的危险，更好的保证变压器设备的正常运行。目前国家在安全规程中已提出变压器铁芯在线监测的要求，在以后五年内将全部实现变压器铁芯在线监测的部署。国外科技工作者和有关部门对这种定期维修和预防性试验的不足之处早有认识，已纷纷致力于电气设备的在线监测和状态检修研究。它的优点在于可及时发现早期故障征兆，使运行维护人员在故障处于萌芽状态时能够通过检测手段及早消除隐患，从而避免恶性事故的发生，提高了维修质量和效率。随着传感器技术、信号处理技术和计算机技术的发展与应用，作为状态检修基础的电气设备在线监测技术得到了飞速发展，已成为绝缘检测中的一个重要组成部分，它将在很多方面弥补仅依靠定期预防性试验带来的不足之处。通过对铁芯接地电流的在线监测，准确判断铁芯的工作状况，从而有的放矢在铁芯出现故障前及时进行维护，不仅有效的提高了供电的可靠性，还降低了电力系统的运行费用，对保障电力变压器的安全运行具有十分重要的意义。

1.2 成果的应用及推广

1.2.1 解决了停运检修使电力部门付出巨大的人力，物力代价，不仅给电能用户带来不便，还存在着维修过剩的问题。

1.2.2 解决了两次预防性试验之间的间隔时间较长，对于突发性绝缘故障难以发现，存在维修不足的问题。

1.2.3 解决了试验条件和运行条件的差别，有些离线试验不能完全反映设备在运行条件下的绝缘状况。

1.2.4解决了大修和停电试验时人为造成新的设备故障现象也时有发生。

2、目标

为了满足电力系统对变压器铁芯状态检修的需要，提出了变压器铁芯多点接地在线监测系统的设计方案，该监测系统应满足以下功能：2.1监测系统的投入和使用不改变，不影响变压器的正常运行;2.2能够连续监测、记录和处理数据、及时报警和故障诊断;2.3具有良好的抗干扰能力和合理的监测灵敏度;2.4系统本身可靠性高，易于维护，适于长期运行;2.5能够有效管理数据，人机界面良好。

3、内容

基于以上考虑，需要完成以下几个方面的研究和工作：

3.1铁芯接地电流理论分析

根据变压器铁芯实际结构，建立合适的铁芯数学模型，计算铁芯一点接地电流及多点接地故障电流值，并分析随故障点不同故障电流的变化规律，为系统设计提供理论支持。

3.2系统硬件电路设计

根据铁芯接地在线监测系统的要求，设计包括电流传感器、滤波、放大、A/D转换、数据存储及控制在内的数据采集电路，为接地电流信号的监测和提取搭建一个硬件平台。

3.3系统软件设计

编程实现基于RS232串口的上下位机通信，使上位机能够控制下位机运行并能够收到下位机采集的铁芯接地电流在线监测数据，建立接地电流在线监测数据库，实现数据的存储、查询等功能，并采用LabVIEW开发一套变压器铁芯接地电流分析软件。

3.4系统结构

系统由泄漏电流传感器、数据采集柜、就地显示仪表、串口联网服务器、路由器和系统服务器组成：

串口联网服务器提供TCP/UDP socket工作模式，包括服务端和客户端，支持状态监测和Web发布。每台串口联网服务器有4个RS-485口，可以使每台串口设备单独占用一个串口，以减少不同串口设备并起来的干扰。数据采集柜可采集变压器或者电抗器的铁芯和夹件泄漏电流并通过串口与联网服务器相连。

远程显示：本系统的数据采集模块能够实时的采集变压器等电气设备的泄露电流参数，并能够通过RS-485传送到串口联网服务器，再传送到电力局域网，串口联网服务器具有自连接功能，即便系统断电，当电源恢复时串口联网服务器也能够自动连到局域网中。

本地显示： 本地显示仪表能够实时显示变压器等电气设备的泄露电流参数，并具有声音报警功能。

3.5工作流程

变压器和电抗器的铁芯及其夹持件在绕组的电场作用下，其上面各部位会形成不同的电位或电荷积累，这些电位和电荷达到一定程度就会放电，对变压器的运行构成威胁。为消除这一放电现象，必须将铁芯和夹件可靠接地，使其在变压器运行中始终保持接地电位。如果一点以上的多点接地，将会在铁芯内形成短接回路，短接回路所包括面积中的磁通或漏磁通将会在回响内产生很大的一流，而且接点越多，短接回路越多，环流越大。环流的存在将烧毁接地片和产生放电甚至烧毁铁芯，因此铁芯和夹件必须一点接地。型变压器铁芯接地电流在线监测系统的工作流程介绍如下：

在变压器铁芯、电抗器的铁芯和夹件的接地排上安装泄漏电流传感器，监测铁芯和夹件的泄漏电流，变压器现场安装数据采集柜并和串口联网服务器之间通过RS485电缆连接，串口联网服务器经由路由器最终和服务器监测终端连接。

数据采集柜，将泄漏电流传感器采集到的模拟信号，转化为数字信号，并在数字显示仪表上显示出来。同时通过RS485电缆将数字信号传递到串口联网服务器，通过串口联网服务器和路由器最终到监控中心的服务器实时显示监测数据。

后台管理软件接收记录所有数据，并且提供报警，历史数据查询，趋势分析，报表打印等多种功能。

该项目运行一段时间之后，通过趋势分析，可以看出变压器铁芯接地状况，发现一些潜在的设备故障情况，为电气设备维护人员提供检修依据。

3.6系统特点

泄露电流传感器采用夹紧铜排的固定方式不破坏原系统任何结构，金属模具的采用大大减少了外部磁场对泄露电流采集精度的影响。

泄露电流传感器采用有源零磁通设计原理，不仅能够满足mA级电流信号的采集，而且具有很强的抗干扰能力。

数据采集装置的模拟量输入芯片采用16位高精度分辨率，采样速率达10Hz，隔离电压3000VDC。

泄露电流的报警值可以由用户灵活设置。系统在就地不仅有总的声音报警，而且每一个铁心或夹件都有单独的继电器报警输出到变电站的集控中心。

系统采用稳定、可靠的串口联网服务器将变电站的变压器、电抗器等电气设备的铁心与夹件电流数据在电力局域网中共享。

系统采用就地与远程同时显示的模式，就地采用高精度的数字表显示，远程显示通过软件的web发布功能使电力局域网内有权限的相关人员都可以访问。

软件设计采用方便灵活的电力版组态软件，使软件具有非常强大的功能。

报表打印功能可以实时打印各电流数据，日报表功能为每天的显示电流数据存一个报表。

系统具备当前报警状态与历史报警状态的显示功能，分别显示当前的报警情况，历史的报警情况。