（云南电网有限责任公司保山供电局 云南保山 678000）
摘要：电力变压器是电能传递的关键设备，作为互联不同电压等级的电网枢纽，它的工作状态直接关系着电力系统的安全与可靠。而变压器铁芯及其夹件多点接地是近年来变压器事故多发原因之一，且由此导致的损失也比较严重，所以及时发现这类变压器绝缘故障对电网至关重要。为了解决变电站变压器铁芯多点接地故障检测困难的问题，本文开发了一种用于检测变压器铁芯多点接地故障的电路，在最低限度地改变变压器运行接线方式下，作为离线设备检测分析变压器套管引出接地线电流信号，检测变压器是否发生多点接地故障。
关键词：变压器铁芯；多点接地；监测系统；电路设计
0 引言
电力变压器是电能传递的关键设备，担负着功率交换和互联多个电压等级电网的枢纽作用，它的工作状态直接关系着电力系统的安全与可靠。变压器作为电网的“心脏”，一旦发生故障导致停电将造成巨大的经济损失和社会影响，它的正常工作是确保电力系统优质、经济运行的保障。所以及时发现电力变压器的故障前兆并采取相应检修措施，降低应事故造成的各类损失对电网至关重要，这不仅关系到企业的经济效益，也关系到其社会综合效益[1]。
铁芯多点接地，是近年来变压器事故多发原因之一。变压器正常运行时，铁芯、夹件接地电流为毫安级，当铁芯、夹件发生多点接地故障时，铁芯、夹件接地电流会明显增加。根据实际运行数据表明，在正常情况下，变压器的铁芯、夹件接地电流只有几毫安～几十毫安，按照规程要求，当铁芯、夹件接地电流达到100毫安的时候，就必须采取相应措施进行处理。
目前，现场人员惯用的检测手段是采用钳形电流表测铁芯外引接地套管的接地下引线电流，这种方法易受强电磁环境干扰，会出现同一测量点几次测量值差别迥异的情况，而且不能保证在第一时间发现铁芯两点接地，检测精度和时效性都存在一定的问题；而且浪费人力物力，对于某些无人值班的变电站做不到实时的测量，存在安全隐患。从而不能对变压器工作接地电流状况做出全面、精确的判断。
本文开发了基于频谱特性分析的变压器绝缘接地带电检测装置，在最低限度地改变变压器运行接线方式下，作为离线设备检测分析变压器套管引出接地线电流信号。检测装置利用穿心式霍尔电流传感器提取变压器套管引出接地电流信号，针对现场恶劣的电磁干扰，从电磁屏蔽和滤波电路方面进行了相应的抗电磁干扰设计，采用可自组网的ZigBee通信传输检测信号，通过RS-232接口上传至上位机进行频谱特性分析。
1变压器铁芯多点接地的研究
1.1铁芯多点接地类型及原因
常见铁芯及夹件多点接地类型和原因可归结为以下几类：
（1）变压器自身设计、工艺、质量原因造成的变压器铁芯多点接地。即内部绝缘空间不足，没有考虑设备尺寸，或内部存在金属粉末和电焊残渣等，导致多点接地问题。
（2）运输或安装变压器时发生移位，也会导致多点接地。
（3）变压器长期工作后，表面受潮、污秽、配件脱落等与铁轭叠片相碰均会形成接地。
（4）变压器维护不到位造成的变压器铁芯多点接地。
（5）变压器检修过程中，少许金属异物因疏忽或者误操作遗留在油箱内，致使铁芯叠片与箱体外壳短接，最终使变压器绝缘损坏，导致变压器故障。
以上五点便是导致变压器铁芯或夹件多点接地的常见原因，此外，某些金属零部件脱落也会造成多点接地故障。
1.2铁芯多点接地的“症状”
变压器铁芯多点接地伴随着诸多不利，包括铁芯局部过热、绝缘油劣化、气体继电器动作引起变压器跳闸等，所以研究变压器铁芯多点接地的问题就尤为重要[3]。通常情况下，铁芯多点接地的危害（异常现象）包含以下几个方面：
（1）铁芯内部形成涡流，增加了空载损耗，致铁芯局部过热，整个设备的运行损耗增加；
（2）铁芯发生严重多点接地且未能及时发现，长时间运行后绕组和绝缘油将发生过热情况，铁芯硅钢片表面绝缘层加速老化后脱落，最终致使铁芯被烧毁；
（3）正常情况下变压器工作温度不得高于80℃，若温度过高，内部绝缘油就会析出一系列烃类气体，气体在特定情况下会在绝缘油中发生气泡放电现象，直接导致绝缘油绝缘性能的下降[4]；
（4）若多点接地长时间未得到处理，绝缘油中气体持续分解，油浸式变压器因可燃性气体出现导致油劣化，从而引发气体继电器动作；
（5）当铁芯过热时，热量不能及时释放，故障部分带动温升使器身中木质垫块及夹件发生碳化现象[5]；
（6）多点接地故障严重时可能会烧断接地引线，断开了正常接地点的电力变压器将发生持续充放电现象，甚至会破坏变压器绝缘；
（7）多点接地引发接地引线电流大小产生显著改变，由毫安等级大小增加至安培级大小。
综上，电力变压器铁芯或夹件发生多点接地将直接威胁变电站、发电厂日常运行，多点接地不仅会导致固体绝缘损毁、绝缘油加速分解，甚至由此产生恶劣的安全事故。所以，人们密切关心变压器铁芯和夹件多点接地故障现场检测，开展故障分析研究，致力于及时防范和控制多点接地情况的发生，对切实保障变压器正常工作，电力系统安全、可靠运行具有重要的意义。
2变压器铁芯接地故障检测
2.1铁芯多点接地检测方法
当前有许多种变压器铁芯多点接地检测的方法，国内外应用的检测方法也大体分为四种，一种是气相色谱分析法，一种是红外法，一种是绝缘电阻法，还有一种是电气法[6]。下面对这几种铁芯检测的原理及优缺点进行简要阐述。
表1.铁芯多点接地检测方法对比
Table 1. Comparison of multi core grounding detection methods
电气法的优势是其它方式无法比拟的，基于电气法在鉴别铁芯多点接地问题时的有效性，本文设计所采用的检测方式就是电气法。下面将介绍接地电流的计算方法。
2.2接地电流计算方法
在现实中，变压器运行的电磁环境是非常恶劣的，铁芯、夹件接地电流很容易遭到强电磁干扰影响。很多检测系统之所以不能达到实用化的要求，是因为小电流检测中含有严重的电磁干扰，可能淹没待提取信号的情况错误！未找到引用源。。为此，本装置需要使用宽频、高速采集技术，对信号源波形进行采集，借助于数据分析算法，采用离散傅氏变换快速算法，在不同频段对特征波形进行分析，提取主变运行中相关状态量，进行数据抗干扰处理，对设备是否存在多点接地故障进行有效判别。
接地电流信号计算的关键思路是利用离散傅立叶变换的方法，从离散的采样信号中检测出信号的基波成分或低频成分的幅值，同时通过三角函数的正交性，屏蔽噪声跟高次谐波的干扰，尽可能还原真实信号，提高检测的精确度错误！未找到引用源。。
通过电流基波或低次谐波幅值变化、波形特征分析，判断电力变压器是否有铁芯或夹件多点接地发生，为主变运行状态评价提供新的手段和方法。
若考虑可能含有的高次谐波及噪声信号N（t），那么检测设备向上位机上传检测信号X（t）可以表示为：
（1）
式中n=0即为信号的直流分量，n=1即为基波信号，n=k则是第k次谐波。
按照三角函数的正交性，有以下关系：
（2）
由此能够得到信号第k次谐波的幅值：
（3）
面向检测系统上传的离散数字信号，把上述关系式离散化，获得相应离散信号的表示形式：
通过本算法计算检测信号，即可求得接地电流全电流幅值X1。
3变压器铁芯接地离线监测系统构成
出于提升电力系统设备状态检修时有效性的考虑，本文设计了基于频谱特性分析的变压器绝缘接地带电检测装置，在最低限度地改变变压器的运行接线方式下，作为离线设备检测分析变压器套管引出接地线电流信号。
该检测装置是一套集信号采集、调理、处理、传输于一体的综合性电气设备状态离线检测系统。经过对基本机理的探讨研究与相关监测方法的分析比较，对变压器接地引线电流进行检测，一定要确保检测装置在最低限度改动变压器运行接线方式下，能够同时获取足够准确、可靠的电流信号。所以在变压器铁芯及其金属固定件发生多点接地时，设备应自动切换相对较好的测量量程，时刻具备最佳的检测精度；当靠近变压器附近复杂电磁环境时，为了装置正常可靠工作，采集单元的抗电磁干扰设计极为关键；作为一套便携式离线检测装置，应确保处理后所得数字信号能够便于上传给PC进行频谱特性分析，其中最优的通讯方式为可自组网的无线传输，方便对多根套管引出线的监测测量。
变压器铁芯接地离线监测系统[9]可以分为以下几大单元：
图1.信号采集单元结构接线图
Figure 1. Signal acquisition unit structure wiring diagram
（1）信号采集单元：将电气设备监测到反应设备运行状态的物理量，通过相应传感器转换为对应电信号后传送给下一单元，同时实现电流信号向单片机可识别电压信号的转换。抗电磁干扰设计可以通过传感器自身隔离技术、传感器抗干扰设计、接地技术来有效抑制干扰。图1介绍了信号采集单元结构接线。
（2）信号调理单元：将传感器传送到的电信号进行预处理，通过滤波器等装置对干扰信号进行抑制，从而得到高质量的电信号便于后续分析处理。下图介绍了信号调理单元结构框图。
图2.信号调理单元结构框图
Figure 2. Block diagram of signal conditioning unit structure
（3）信号处理单元：对预处理的信号进行采集、转换，并做软件分析处理。数据传输单元中单片机（MCU）将对信号进行软件滤波，MCU软件部分的开发基本建立在MPLAB IDE开发环境基础上，并与PICkit 3仿真器配合下载，应用面向硬件操作的单片机C语言来对程序进行开发。图3画出了单片机程序主流程图。
图3.单片机程序主流程框图
Figure 3. MCU program main flow block diagram
（4）数据传输单元：将采集、转换后的信号进行传输，针对该现场型检测系统，变换信号电平，然后将之前采集到的数据，通过RS232接口上传至PC进一步分析[10]。下图给出了数据传输单元结构框图。
图4.数据传输单元结构框图
Figure 4. Block diagram of data transmission unit
通过分析上述系统的相关工作机理，对信号采集单元、信号调理单元、信号处理单元、数据传输单元进行了相关介绍，得出变压器绝缘接地带电检测装置基本原理框图如图5所示。
图5.系统总体结构框图
Figure 5. System overall block diagram
通过穿心式电流传感器获取变压器、接地引线电流，保证一、二次设备无电气连接。其中电流传感器将采集电信号送到信号调理单元滤波电路模块中进行干扰信号过滤，过滤后得到的相对精确信号通过A/D转换后进入MCU主程序进行进一步处理，最后将数据通过数据传输单元传给PC进行频谱特性分析。
4电路设计
为了克服现有技术变压器发生多点接地故障后辨识困难，以往钳形电流表钳测方法精度低、时效差等问题，本文提供了一种采用在每个变压器铁芯套管引出接地线上安装电流检测电路模块，不改变原设备接线的状态下，实时检测对地电流，根据检测信号反应的变压器铁芯工作状况，迅速确定变压器是否发生多点接地故障，发出相应声光报警信号。
4..1电路模块
检测变压器铁芯多点接地故障的电路，包括至少一个电流传感器、至少一套信号调理电路、至少一个模数转换芯片、单片机微控制处理器、LCD液晶显屏、声光报警模块、实体按键、电源模块。表2介绍了各模块对应的名称以及简介。
表2.电路设计中各模块简介
Table 2. Brief introduction of each module in circuit design
4.2电路工作过程
图6.检测铁芯多点接地故障的电路设计
Figure 6. Circuit design for detecting multi-point grounding fault of iron core
每个电流传感器与一套信号调理电路连接，每个信号调理电路与一个模数转换芯片连接，模数转换芯片均与单片机微控制处理器连接，LCD液晶显屏、声光报警模块、实体按键分别连接到单片机微控制处理器，电源模块与电流传感器、信号调理电路、模数转换芯片、单片机微控制处理器均相连。
具体工作过程如下：
检测电路安装在变电站现场，完成变压器铁芯接地电流信号的提取，数字化处理、监测参数的显示以及越限报警，前端传感器将最新状态通过调理电路上传给单片机，单片机获得检测数据后可以进行动态显示和初步的故障诊断，整套电路设计检测现场变压器铁芯是否发生多点接地故障。
设计电路的电流传感器嵌套在变压器铁芯套管引出接地线端获取的原始数据，采集到的电流经信号调理电路放大、滤波、抬升转换为电压信号，接入集成ADC模数转换芯片的IO口，单片机微控制器将转换得来的数字信号进行计算处理后，通过LCD液晶显屏显示测量数据，同时根据与现场人员利用实体按键设定的电流上下限SET值进行比较控制声光报警模块动作，若在限定范围0-100mA内控制声光报警模块保持静默；若越限控制声光报警模块的动作发出报警信号；若单片机微控制器根据检测值判定变压器铁芯未发生多点接地故障，则LCD液晶显屏显示该接地端状态“正常”；若检测到变压器铁芯出现多点接地故障，则液晶显屏显示该接地端状态“异常”。
5结论
本文提供了一种用于检测变压器铁芯多点接地故障的电路设计，可以解决变电站变压器铁芯多点接地故障检测困难的问题，对变压器铁芯套管引出接地线安装检测电路，不改变原设备接线的状态下，实时检测铁芯对地工作电流，检测变压器是否发生多点接地故障，发出相应声光报警信号，节约现场人力资源成本，提高变电站经营效益。
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作者简介：
张连聪，出生年月：1988年09月18日，性别：男，名族：汉族，学历：大学本科，职称：助理工程师，研究方向：电气试验、变电一次设备检修
论文作者:张连聪,苏阳,舒越,杨汉松,刘明辉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/17
标签：多点论文; 变压器论文; 铁芯论文; 信号论文; 电流论文; 故障论文; 单片机论文; 《电力设备》2018年第32期论文;