摘要：变压器正常运行时，油箱与带电的绕组之间存在电场，而铁芯处于该电场中。因为电容分布不均匀，场强各异，如果铁芯不可靠接地，则会产生充放电现象，破坏油的绝缘强度和固体绝缘，所以铁芯必须有一点可靠接地，且只允许一点接地。国标规定铁芯接地电流不能超过0.1A。虽然现在检测铁芯接地电流的方法很多，但是由于准确性低，实际效果不理想，铁芯接地电流的在线实时监测是预防和及时发现铁芯多点接地故障的最简单、最直接方法。
关键字：变压器；铁芯漏电；在线监测；传感系统
1系统工作原理
变压器铁芯多点接地的时候，故障电流比变压器正常运行时候的电流大很多，最大电流可以达到几十安培，将会造成铁芯内部发热甚至烧毁。因此，如果能够实时在线监测接地电流，当电流过大时，能够及时在接地线上串入电阻，我们就可以暂时有效地解决这个问题。同时，通过通讯手段把变压器的运行情况传递给工作人员，他们根据情况及时采取相应的措施。
按照上述原理，设计出了一套安全、可靠、精度高而且能够在线监测铁芯接地电流的系统。
2变压器局部放电在线监测关键技术
2.1变压器局部放电传感器
2.2信号调理控制单元
（1）低频信号调理单元。由于现场有较强的电磁干扰，变压器局部放电在线监测时，需要合理的信号调理单元分离放电信号，变得更加重要。
a.放大单元。依据局部放电信号传输的特点以及采集卡对信号幅值的具体要求，设计放大以及衰减的两个单元。
b.衰减单元。T形衰减器的电阻阻值一般比较小，但是具有较好的频率特点。该衰减网络依据适当电阻组合设计为衰减1、10、100总共三个档位。
c.滤波单元。本单元使用高频性能良好的有源RC滤波器，由此消除各种途径引低频的干扰。
d.差动平衡单元。本单元用四个传感器从三相高压套管末屏接地线耦合的信号以及铁芯接地线上耦合的信号作差动平衡的处理，来有效的抑制外部的干扰。
（2）高频信号调理单元。考虑到干扰信号处于低频带，所以在超高频信号探测系统中使用滤波器和放大器单元可以增加测量的信噪比。
（3）数据采集与控制单元。数据采集卡选用了美国NI公司的DAQS数字示波采集卡。
3系统硬件设计
电流传感器采集电流信号，经过信号调理电路的放大滤波之后，模数转换，然后在DSP上显示接地电流的数值，通过GPRS模块把数据发送给上位机，便于工作人员实时查看。限流电阻单元是否投入到电路中，是根据实时电流和设定电流比较之后来判断的。
3.1信号采集
本系统选用泄漏电流传感器来采集铁芯接地电流，它采用有源零磁通设计原理，能够采集“mA”级电流信号，并且具有很强的抗干扰能力和抑制温飘的特性。电流信号取样的时候不能改变原设备的运行接线状态，所以使用电流传感器作为信号提取单元提取信号时应该安装在变压器铁芯外。
3.2程控放大器设计
由于变压器铁芯多点接地时的电流和正常运行时的电流相比，变化范围很大，一般的A/D采集芯片很难实现这么大范围的信号采集。这里运用PGA205来设计程控放大器。PGA205不仅便宜而且用途广泛，是一种可编程增益放大器芯片，但是一个PGA205芯片的放大倍数有限，很难满足本文的信号采集要求。因此本文将3个PGA205芯片串联，通过对A0、A1、A2、A3、A4、A5地址端口的控制，可以使程控放大器的最大放大倍数达到512倍，很好地满足本系统的信号采集要求。
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3.3信号调理
3.3.1铁芯接地电流计算方法
系统铁芯接地电流基于谐波分析法来计算，从离散的采样信号中通过离散傅立叶变换的方法检测出信号的基波成分，包括信号的幅值和相角，同时使用三角函数的正交性，排除谐波和噪声的干扰，从而尽可能达到更高的精确度。
3.3.2滤波器的选择
由于现场采集到的接地电流模拟信号很微弱而且有很多高次谐波，所以在模数转换之前需要对模拟信号进行放大和滤波处理。若是采用普通的运算放大器和RC组成的滤波器，不但元件多，参数调节复杂，而且杂散电容也会在很大程度上影响滤波器特性。本系统利用MCU自身的资源，实现数据的数字滤波，不仅能降低硬件的复杂度，减小电路体积，还能削弱周围环境带来的干扰，提高电路性能，准确地提取信号的工频分量。
3.4A/D转换单元
本系统采用ADS1120芯片，它是一种高速、低功耗、低噪声、精密的16位用于小信号传感器的A/D转换器。不仅可以以2000次/s采样数据速率来执行转换，而且在单周期内相对比较稳定。它内部的GPA提供高达128V/V的增益，可以和PGA205配合来设计程控放大器。
3.5限流电阻单元
当接地电流超过100mA时，继电器触点K断开，同时根据电流大小来选择闭合触点K1、K2、K3。电阻R是一直并联在电路中的，对电路起到了很好的保护作用。
4系统软件设计
4.1上位机软件设计
该软件选用便利灵敏的模块化分层进行设计，可以接入变压器其他状况监测的设备，比方油温、微水或者环境信息等，保证体系的稳定性、安全性、兼容性以及扩展性。可以监测整个电网(全市甚至全省)的一切变压器(后台软件一次性投入，再增加变电站铁芯接地监测时只需添加收集终端即可)，可达到一个地区一切变压器集中监控的作用。
软件增加了走漏电流脉冲频次的监测，实时统计每min内大于30mA及100mA时的放电脉冲次数，脉冲频次参数表征了铁芯绝缘介质对大地的间歇性放电的缺点。这种缺点无法经过电流的绝对值大小来反映，也是传统的监测体系无法监测到的状况。上位机软件规划采用LabVIEW进行规划。上位机能够完成数据的存储，剖析和数据的多种检查方法等。
该体系运行一段时间后，经过对趋势进行剖析，能够判别变压器铁芯接地状况，发现一些潜在的设备问题状况，为电气设备保护人员供给检修根据。
4.2下位机软件设计
本体系下位机以Cortex－M3为渠道，做μC/OS－II体系的开发，来完成本监测体系所需要的功能。μC/OS－Ⅱ包括了任务的调度、任务的管理、时间内存的管理和任务间的通讯以及同步等基本功能，最小内核可编译至2KB，此外μC/OS－Ⅱ具有履行效率高、占用空间小以及实时功能优秀以及可扩展性强等特色，又由于μC/OS－Ⅱ具有可移植性，可裁剪性以及大多数函数调用和服务的履行时间具有可确定性，因此，μC/OS－Ⅱ操作体系被广泛应用于微处理器、微控制器以及数字信号处理器。
总之，所设计的电磁式振荡台实验体系，以工控机作为核心控制器，使用加速度传感器收集实践振动信号，并在振动目标达不到要求时，采用相应算法实施闭环控制，完成了较高精度的正弦振动以及随机振荡输出，此外具有数据剖析和处理的功能，通用性比较强，适用于轿车零部件、电子元器件、医药、组件、食物、礼品、家具、陶瓷以及包装等职业实验室及生产线上对样品实施相关振动实验，模仿产品在制作、拼装、运送及使用过程中所遭受的振动环境。
可是，电磁式振荡台实验体系也有一些待改善的地方。体系中，使用了一个传感器丈量振动信号，能够很好的添加传感器的个数，然后能够更好地监控振动实验。振动类型还能够进一步完善。
参考文献：
[1]郭见雷.基于物联网的变电设备在线监测系统设计[D].西安工程大学,2012.
[2]刘洋.变压器绕组状态监测与故障诊断系统设计[D].沈阳工业大学,2013.
论文作者:曹巍
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/17
标签：信号论文; 电流论文; 铁芯论文; 在线论文; 单元论文; 变压器论文; 放大器论文; 《电力设备》2017年第31期论文;