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摘要：变压器铁芯问题占变压器总事故的第三位，准确、实时监测变压器铁芯及夹件的接地电流，及时发现变压器的铁芯故障，对变压器的安全运行具有重要意义。本文设计了多通道、高精度的泄露电流采集系统，采用高精度传感器对泄露电流进行测量，同时采用通道复用技术解决了系统的成本问题，用线性光耦实现了系统的抗干扰设计，实验结果表明本系统具有较高的抗干扰能力和较高的精度。
关键词： 变压器 接地电流 通道复用 线性光耦
0 引言
变压器是电力系统中最重要的元件之一，是电力系统安全、稳定、可靠、经济运行的重要保证。统计资料表明因铁芯问题造成故障，占变压器总事故中的第三位。正常运行时, 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，避免铁芯因悬浮电位放电，其铁芯接地电流很小，约为几毫安到几十毫安。如果变压器铁芯出现多点接地，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路内产生很大的环流，而且接点越多，短接回路越多，环流越大，从而会导致局部铁芯过热，引起铁芯局部过热导致绝缘油分解，还可能使接地片熔断或烧坏铁芯，导致铁芯电位悬浮，产生放电,造成轻瓦斯动作甚至重瓦斯动作跳闸，甚至损坏变压器，造成主变重大事故。我国在《电力设备预防性试验规程》(Q/CSG10007-2004)中5.1“油浸式电力变压器”关于“铁芯及夹件绝缘电阻”的要求：“运行中铁芯接地电流一般不应大于0.1A”。因此，准确、及时地诊断与处理变压器铁芯多点接地故障，对保证变压器的安全运行具有重要意义。
对于铁芯接地故障，电力部门通常采用钳形电流表测量变压器铁芯接地下引线的电流。这样不仅测量误差大还浪费了大量的人力物力，而且对一些电压等级低的电站不能完全检测，为变电站电气设备的运行留下了安全隐患。实时、准确的对变压器铁芯接地电流的监测是行业发展的趋势。
本文设计了一种多通道、低成本的变压器铁芯接地电流监测系统，系统采用通道复用技术将监测通道扩展至32路，采用隔离设计，极大的提高了系统的抗干扰性能，同时采用开启式、高精度的零磁通传感器，减少了外部磁场对泄漏电流采集精度的影响的同时还减少了系统安装的难度。整个系统已经通过中国电科院的全部测试，结果表明本系统完全符合标准的要求。
1 系统架构
多通道铁芯接地电流采集系统采用通道复用技术，每一路传感器都设计有对应的信号调理电路，模拟开关根据系统需要采集不同传感器的数据，隔离IO控制用于CPU设置不同的通道，隔离放大器用于信号调理电路和采集系统的隔离，AD转换器将模拟信号转化成数字信号，MCU用于数据采集，分析和逻辑控制等，如图1所示。
2 采集系统硬件设计
2.1高精度泄露电流传感器
泄漏电流传感器采用夹紧铜牌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漏电流采集精度的影响。泄漏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并能抑制温飘。其参数指标如表1所示。
2.2信号调理电路设计
前置放大电路设计时需要考虑到滤波、放大倍数、电路保护等因素，基于这些因素设计的前置放大电路如图2所示。本文设计中有二十四路该标准信号调理电路，二十四路信号调理电路设计相同，在此分析其中一路。
图2中，R625为输入电流信号采样电阻，大小为150欧姆。经过采样电阻R625后，输入的4~20mA电流信号将变为0.6~3V的电压信号。D18为GBLC05，是一种低电容瞬态抑制二极管，当输入信号出现较大的瞬态电流时，瞬态抑制二极管将导通接地，以保护放大电路以及后续信号调理电路。D608为稳压二极管，稳压值为3V，当输入信号电流大于20mA时，稳压二极管D608将被反向击穿，达到保护信号调理电路的目的。C608为滤波电容，与R625共同构成低通滤波器，滤除高频信号，其截止频率计算公式为：
(1)
将C608电容值以及R625电阻值代入上式可得，其截止频率为：10.6kHz。
放大器U605A采用LM358双电源供电模式，能够减少共模干扰、温度飘移的影响，保证信号放大后的线性度。电阻R626一端接在U605A的输出引脚，一端接在其负输入引脚，与LM358构成电压跟随器。电压跟随器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用，提高信号调理电路抗干扰能力。
2.3 信号复选电路设计
本文研制的装置硬件平台针对4~20mA设计了32路信号调理电路，但主控MCU采用的是ARM LPC2292，受到其内部A/D数量限制，需要对信号采取复选的方式进行采样。由于该类传感器所监测变压器状态参量均为变化频率非常低的量，对实时性要求并非非常高，因此这种设计方式既节省了资源提高了系统工作效率和灵活性，又保证了智能电子装置性能。基于这些因素设计的信号复选电路如图3所示：
图3中U612为模拟开关CD4052。CD4052是一款双四通道多路器，具有两个数字控制输入A和B，并有一个使能输入引脚。两个数字输入引脚用来选择四个通道中的某一通道打开，并将该通道的两个模拟输入信号从两个模拟信号输出端输出。
图3中X0~X3、Y0~Y3为八个输入信号引脚，分别连接八路标准电流信号对应的前置放大电路输出。6号脚为CD4052使能引脚，设计中将该引脚接地，使芯片始终处于使能状态。7、16号引脚为电源引脚，本设计中采用设计为VCC-VEE=12.8V，此时CD4052的开通电阻仅为80欧姆，关断情况下通道漏电流小于±10pA。13、3引脚为CD4052模拟信号输出引脚，后接模拟信号隔离传输部分。9、10引脚为两个数字输入选择引脚，其信号由主控MCU ARM LPC2292引脚输出经数字隔离后提供。该数字式选择信号隔离部分电路如图4所示。
图中U616、U618均为数字光耦TLP181-GB，其隔离电压为3750V，最大前向电流为20mA。图4中R663为限流电阻，控制光耦的前向电流，R662为上拉电阻。本设计中采用反向隔离，即当ARM LPC2292输出为高电平时，经过TLP181后变为低电平；当输出为低电平时，经过TLP181后变为高电平。
2.4 模拟信号的隔离传输
本系统运行环境为电磁干扰严重的变压器附近，为了不让控制芯片在受到瞬变脉冲干扰而误动作，需要切断干扰回路。近几年模拟光耦的线性度和隔离电压都大大提高，用模拟光耦来切断由信号线感应造成的干扰信号，成为一种性价比较高的方案。HCNR201具有很高的线性度，线性误差仅为0.01%，隔离电压高达8000V，完全符合本系统的要求。具体的原理图如图5所示：
HCNR201是电流驱动型光耦，其LED的工作电流为1-20mA，因此运放的驱动电流也必须达到20mA，LM358为单电源供电运放驱动电流可高达50mA，比较合适作为HCNR201的电流驱动运放，尽管其失调电压有7mV，但是本电路设计的放大倍数为1，故其失调电压可作为系统得直流漂移在系统校准的时候除去。
由于HCNR201的前向电流最大为20mA，输入电压为0到7.4V，则：
，取330K。R653=R652*0.005=1380欧姆，取1.5K。
实际试验测得光耦的放大倍数原始数据如表2所示。由于通过光耦信号为超低频信号，因此，实验测试信号频率选取50赫兹、100赫兹、200赫兹。
对表2的数据用曲线拟合软件拟合得到的曲线关系式为：
（3-8）
然后计算隔离电路的线性度可得光耦隔离电路具有较好的线性度为0.4%。
3 采集系统软件设计
泄露电流监测系统可联接32个输出类型为4~20mA标准电流信号的传感器。4~20mA标准电流信号采集模块主要包括信号复选、信号采样两部分，其具体程序流程如图6所示：
图6泄露电流信号采集流程图
如图6所示，泄露电流信号采集部分将八路信号分为四组，通过信号复选依次选通各组信号进入LPC2292，然后对进入LPC2292的两路信号分别进行数据采集并将结果存入相应的数据缓存。由于该部分传感器所监测的变压器状态参量均为变化非常缓慢的参量，最高频率不超过1赫兹，因此本文子IED针对该类信号的采样频率设计为1KHz。
数据采集时，首先，每次采集20个点，然后去掉其中的最大值与最小值，并求出剩下18个数据的平均值存入缓存中；重复该过程十次，得到一个具有十个数据元素的一维数组；然后找出该一维数组中的最大值与最小值并去除；计算剩余8个数据的平均值作为采样数据的最终结果。
得到采样数据后，再根据传感器测量值与输出值对应关系、A/D转换计算公式，计算得出所监测参量的实际值。由于不同信号调理电路、不同传感器之间会存在细微差异对精度造成影响，因此需要通过实际值与实测值数据误差分析并对其进行线性拟合提高精度。
4 系统测试
为验证本系统的精度和抗干扰性能，本装置先后在中国电科院质检中心完成了精度测试，电磁兼容性测试和环境测试，各项指标都满足测试要求，其中精度测试结果如表？所示，由表？可知，本系统测量精度完全满足《变电设备在线监测装置检验规范 第1部分：通用检测规范》Q/GDW540.1-2010.
5结论
多通道铁芯接地电流采集系统的通道复用技术可大大降低系统成本，同时采用光耦隔离方案大大提高了系统的抗干扰性能，同时高精度的传感器和信号调理电路，使得采集系统就有较高的精度。
论文作者:苏宁,张少炎,李玉芳,陈志峰,徐青龙
论文发表刊物:《电力设备》2016年第5期
论文发表时间:2016/6/16
标签：信号论文; 电流论文; 变压器论文; 电路论文; 铁芯论文; 引脚论文; 通道论文; 《电力设备》2016年第5期论文;