电力变压器是电力系统中的关键设备，在运行时须要担保可靠一点接地，如果发生铁心及夹件多点接地，变压器内部就会形成回路，从而产生环流，导致设备发热，乃至会导致变压器局部烧毁。国标规定铁心接地电流不能超过100mA，当超过100mA时需对变压器进行跟踪处理。正常运行的变压器铁心及夹件为单点可靠接地，其示意图如图1所示。
图1 变压器铁心及夹件单点接地示意图
目前，常日利用三种方法检测变压器铁心的多点接地故障，即绝缘电阻法、气相色谱剖析法，以及钳形表丈量法。绝缘电阻法即先将铁心接地线断开，然后丈量内部电阻值，若所测电阻很小则解释铁心涌现多点接地故障；此方法会影响变压器的正常运行。气相色谱剖析法即通过检测变压器绝缘油中气体的含量是否超标来判断变压器是否涌现故障，此方法不能直接判断是否发生多点接地故障。钳形表丈量法即事情职员利用钳形电流表定期检测铁心接地线中的电流大小并判断是否超过100mA，此方法人工本钱较高且无法第一韶光创造变压器的接地故障。
在运行过程中，变压器的绝缘部件承受的电场强度大，变压器内部薄弱处极易涌现局部放电，导致变压器绝缘材料损耗严重，乃至发展为热击穿故障，对变压器的安全运行造成严重影响。因此，要对变压器的局部放电旗子暗记进行实时监测和预警。变压器在发生局部放电故障时会产生一系列的征象，可作为判断变压器是否发生局部放电故障的依据。
目前，紧张利用脉冲电流法、超声波法和油中色谱剖析法来对变压器局部放电故障进行监测，个中脉冲电流法在现场运用更多。当变压器发生局部放电时，变压器铁心的接地线中会产生高频脉冲电流旗子暗记，利用电流传感器采集接地线中的高频脉冲电流旗子暗记并对其进行处理后可得到视在放电量等信息，通过这些信息事情职员可节制变压器的局部放电情形。
本文设计变压器铁心及夹件接地电流在线监测装置，可在线监测变压器铁心及夹件接地线上的工频电流和高频脉冲电流旗子暗记，通过剖析即可判断出变压器是否发生故障，并对故障类型进行诊断，确保事情职员能采纳准确的应对方法。
1 事情事理从理论上来说，变压器铁心及夹件单点可靠接地时，带电绕组对铁心及金属构件所产生的寄生电容电流险些为零，但是在实际运行中，各绕组间电容难以完备相等、三相电流相位也不完备对称，接地线常日会涌现几毫安的不对称电流。在变压器铁心多点接地后会产生一个或多个电磁回路，根据接地点位置的不同，交链磁通有所不同，导致接地回路的电压和电流不同。
铁心接地点之间形成的闭合回路受电磁感应的影响，通过铁心的磁通会产生电压，其大小与接地两点之间的间隔有关，接地点间的间隔越大，穿过铁心的磁通量越大，电压就越高，此时两个丈量点之间存在电位差，就会在回路中产生电流。变压器铁心及夹件多点接地示意图如图2所示。变压器内部发生局部放电故障时会瞬间产生高频脉冲电流旗子暗记。这两种故障形成的电流信息均在变压器铁心接地线上有所表示。
图2 变压器铁心及夹件多点接地示意图
本文设计的变压器铁心及夹件接地电流在线监测装置通过电流传感器对变压器铁心接地线上的电流旗子暗记进行实时监测，通过电流互感器采集接地线数据，经旗子暗记预处理单元及模数转换（analog to digital, A-D）后输入处理器进行数据剖析。
当检测到工频电流旗子暗记超过100mA时，解释变压器发生多点接地故障。通过监测高频脉冲电流旗子暗记并从中提取视在放电量等电流信息，对局部放电信息做出诊断，以便运行掩护职员准确节制变压器局部放电情形。将接地点监测到的电流数据在液晶模块进行本地实时显示，并在发生故障时将报警信息发送给事情职员，从而担保变压器稳定可靠运行。
2 硬件设计本文所设计装置通过电流互感器采集接地电流，所采集旗子暗记经放大滤波后再由模数转换器（analog to digital converter, ADC）得到数字旗子暗记，经处理器对数字旗子暗记进行识别，提取出工频电流幅值和高频脉冲电流旗子暗记的视在放电量等信息，个中采集到的电流数据利用STM32内部的直接内存访问（direct memory access, DMA）传输办法，数据通过总线直接传输至内存。液晶模块显示当前的电流值、视在放电量及时间等信息。如果监测到的电流值超过100mA，装置会通过4G模块向事情职员发送短信报警，单片机通过串口通信的办法利用AT指令对4G模块进行配置。
故障信息储存在带电可擦可编程只读存储器（electrically erasable programmable read only memory, EEPROM）数据存储模块中，EEPROM通过I2C（inter-intergrated circuit）总线与单片机连接。装置通过RS 485通信接口与状态监测系统实时通信，其硬件电路构造框图如图3所示。
图3 装置硬件电路构造框图
2.1 旗子暗记采集单元
变压器铁心及夹件接地线的正常运行电流为几毫安至几十毫安，而发生多点接地故障时，电流会突增至几安培。局部放电产生的高频脉冲旗子暗记很弱，其频率范围为10kHz～30MHz，现场的电磁滋扰旗子暗记会对局部放电旗子暗记造成严重影响。因此，本文装置利用的电流互感器的铁心材料为坡莫合金，其外壳有双层屏蔽层，可以忽略外界磁场的影响，在电流变革范围较大的情形下仍能保持优秀的线性度，并且具有足够宽的事情频带及抗滋扰能力，可以对高频电流旗子暗记进行采集，能够知足本文装置对丈量的准确性、稳定性哀求。
2.2 旗子暗记预处理单元
变压器在正常运行时的接地电流很小，以是应对电流互感器采集到的电流旗子暗记进行放大，本文装置采取由LM258D芯片组成的同比较例运算电路将电流旗子暗记转换为电压旗子暗记。利用线性勉励叠加事理，通过外加基准电压与上拉电阻实现分压，进行整体叠加调制，使双极性的电压旗子暗记（-3.5～3.5V）转换为知足单片机A-D采样哀求的单极性电压（0～3.3V）。
然后经由LM258D芯片构成的电压跟随器，其特点为输入值即是输出值，具有隔离、缓冲、增强带负载能力的浸染。电压跟随器后紧跟一阶RC无源低通滤波器，对高频滋扰旗子暗记进行滤除，提高输入旗子暗记的信噪比，降落高频滋扰。旗子暗记预处理电路如图4所示。
图4 旗子暗记预处理电路
2.3 液晶显示单元
本文装置采取HGO1601601系列的液晶模块，该模块具有抗滋扰能力强、事情功耗低的特点。液晶显示模块设置有多个窗口，个中包括桌面窗口、菜单窗口、参数显示及参数设置窗口等。桌面窗口实时显示采集到的接地电流值，并显示变压器接地故障状态。菜单窗口包括遥信显示、遥测显示、定值设置、网络配置、报警记录、命令掌握选项，可合营按键来查看这些参数，并对系统定值做出修正，方便事情职员对变压器的运行安全进行掩护。
2.4 数据远程通信单元
本装置利用WH—LTE—7S1—GN通信模块，可利用串口设备通过长期演进技能（long term evolution, LTE） Cat-1和通用分组无线业务（general packet radio service, GPRS）网络相互传输数据，利用其模块自带的AT指令进行设置，即可实现远程数据通信。该模块可覆盖现有运营商的4G网络，稳定性高，每路链接支持20条数据缓存，每条数据最大4KB。4G模块下行速率最高可以达到7.5Mbit/s，上行速率最高可以达到1Mbit/s，适宜该装置传输数据。
本文装置在程序中对该模块进行短信透传模式配置，并将事情职员的手机号存储个中。装置通过该模块将采集到的电流信息发送给事情职员，方便事情职员实时查看。在发生多点接地故障或者监测到发生局部放电故障时，可发送报警短信提示事情职员进行掩护事情。通信模块事理如图5所示。
图5 通信模块事理
2.5 模数转换单元
模数转换器的浸染是将仿照量转换为数字量，并将数字量传输给处理器进行数据处理。本文装置利用STM32处理器自带的A-D转换芯片，供电电压哀求在2.4～3.6V之间，芯片利用逐次逼近办法进行仿照量到数字量的转换。芯片有19个多路复用通道，个中16个通道用来采集外部旗子暗记，2个通道用于采集内部旗子暗记。利用STM32片上ADC，转换速率快、准确度高且12位有效位，采样分辨率可以达到1/4096，能够知足装置对高频脉冲电流旗子暗记的采样须要。
本文装置利用STM32内部DMA传输办法，可以将芯片处理后的数据通过总线传输至内存，无需占用途理器资源，大大提高了系统效率。A-D转换流程如图6所示。
图6 A-D转换流程
2.6 数据存储单元
装置中的系统参数和发生故障时的信息会记录在存储器中，本文装置EEPROM模块利用的型号为AT24C256C，其存储容量为256Kbit，完备可以知足装置数据存储的需求，通过I2C总线与单片机连接，在系统掉电时能担保数据不会丢失。存储电路事理如图7所示。
图7 存储电路事理
2.7 电源管理单元
电源模块是装置核心，是全体系统的供电保障。本文装置利用太阳能供电系统，通过光伏板对锂电池进行充电，进而对全体系统供电。利用CN3791芯片设计了一套锂电池充电管理电路，对单节锂电池进行充电管理，该芯片的恒流、恒压充电模式可以很好地适配本文装置利用的锂电池，能够将锂电池的电压稳定在4.2V；如果输出的电流减小或不敷，芯片内部电路能够通过调度来担保电流的输出能力，最大化利用光伏板的能量。
3 软件设计3.1 系统程序框架
全体软件框架的搭建在实时操作系统（real time-thread, RT-Thread）中完成，RT-Thread属于嵌入式的实时操作系统，其特点是许可支持多任务同时运行，通过线程调度器快速切换任务，比较于裸机程序运行的轮询系统及前后台系统，利用RT- Thread的多线程系统能够实现实时相应事宜、实时处理事宜，提高了程序运行的效率，使装置对变压器接地电流的监测更加稳定可靠。系统主程序流程如图8所示。
图8 系统主程序流程
3.2 局部放电故障诊断方法
采取脉冲电流法监测变压器内部放电可通过局部放电特色指标、局部放电图谱实现故障诊断。局部放电特色指标包括最大放电量、均匀放电量、放电重复率等。对局部放电故障所产生的高频脉冲电流旗子暗记进行剖析，在得到电流数据后还需进行多次检测和比拟验证。
目前，可通过两种方法实现局部放电故障诊断。第一种是将采集到的高频脉冲电流波形和频率进行综合处理。变压器发生局部放电故障是瞬间的，因此局部放电产生的高频脉冲电流波形为单次脉冲，局部放电结束后脉冲电流会逐渐平稳，但有时由于杂质电容的充放电影响，脉冲波形在趋于平稳前会有一个短期的振荡过程，通过对脉冲波形与频率的不雅观察和剖析，即可辨别局部放电所产生的脉冲电流旗子暗记。
第二种方法是剖析脉冲电流旗子暗记的相位图谱。当变压器运行时，电压的变革会对局部放电产生的脉冲电流旗子暗记造成影响。因此，变压器局部放电的相位图谱呈现双极性，电流旗子暗记比较稳定并均匀分布在对称的两个电极象限之内。通过对放电图谱进行剖析可实现对局部放电故障的识别。
4 现场运用某220kV变压器因长期处于恶劣湿润环境，其铁心绝缘夹件的绝缘性能受到影响，导致铁心涌现低阻性不稳定接地，影响变压器运行。事情职员一贯利用钳形表丈量法来检测此变压器的铁心接地电流，其利用的卡钳式电流表测得的数值为1.5A，远远超过了国际规定的阈值100mA，并且这种方法须要事情职员到场检讨，无法第一韶光创造变压器的接地故障。
在投入本文装置后，将两个电流传感器钳在铁心及夹件接地线上，采集到的铁心接地电流数值为1 440mA，通过显示屏展示，并向事情职员发送短信报警，使事情职员能够及时处理故障，装置现场运用如图9所示。上位机软件可将电流数据绘制成波形供事情职员查看，上位机软件接地电流曲线面板如图10所示。该装置在现场运行效果良好，监测数值稳定。
图9 装置现场运用
图10 上位机软件接地电流曲线面板
5 结论本文所设计的装置紧张实现了对变压器铁心及夹件接地电流的实时监测，对变压器发生多点接地故障及局部放电故障进行判断报警，具有电流数据实时显示、数据存储、越限自动报警、蓝牙数据显示、报警短信提示、系统参数可设置等功能。该装置可为变压器铁心及夹件的安全运行供应可靠保障。
本事情成果揭橥在2023年第6期《电气技能》，论文标题为“变压器铁心及夹件接地电流在线监测装置”，作者为王兵、陈益萍 等。
