變壓器鐵芯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究可行性報(bào)告

電力變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的電氣設(shè)備，運(yùn)行中一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重的后果。正常運(yùn)行的變壓器鐵芯一點(diǎn)接地，如果有兩點(diǎn)或者兩點(diǎn)以上同時(shí)接地，則鐵芯與大地之間將形成電流回路，最大電流可以達(dá)到幾十安培，將會(huì)造成鐵芯過(guò)熱，甚至燒毀。目前判斷變壓器鐵芯是否存在多點(diǎn)接地，主要有三種方法：鉗形電流表定期監(jiān)鐵芯接地電流的電氣方法，測(cè)量鐵芯對(duì)地絕緣電阻法，監(jiān)測(cè)變壓器絕緣油特征氣體的氣相色譜分析法。以上方法存在的不足是不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵芯多點(diǎn)接地故障，一旦發(fā)生故障，也不能及時(shí)采取相應(yīng)措施。因此，對(duì)變壓器鐵芯接地電流的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)是十分必要的。

目前，現(xiàn)場(chǎng)人員多采用鉗形電流表夾住鐵芯接地線來(lái)監(jiān)測(cè)其電流，但由于變壓器強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，測(cè)量值很不精確，甚至出現(xiàn)同一測(cè)量點(diǎn)幾次測(cè)量值差別迥異的情況，這樣測(cè)量的參考價(jià)值值得懷疑;而國(guó)內(nèi)有些單位研制的自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置雖能及時(shí)發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)接地故障，但缺乏故障后的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。為此，設(shè)計(jì)了一種基于GSM通訊的在線監(jiān)測(cè)裝置，較好地解決了變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。為了解決正常狀態(tài)下接地電流很小，受到的現(xiàn)場(chǎng)干擾卻比較嚴(yán)重的問(wèn)題。

1.1目的

大型電力變壓器鐵芯電流的變化可直接反映出變壓器的故障狀態(tài)——是否存在鐵芯多點(diǎn)接地。以往的監(jiān)測(cè)方式是由變電站值班人員使用手持儀器定期進(jìn)行檢測(cè)和記錄，該方式的最大缺點(diǎn)是不能立即對(duì)故障做出反應(yīng)，存在使事故進(jìn)一步擴(kuò)大的嚴(yán)重隱患。隨著電力自動(dòng)化水平的提高和無(wú)人值守變電站的增多，迫切需要一種穩(wěn)定可靠、精度高、功能強(qiáng)的大型電力變壓器鐵芯電流在線監(jiān)測(cè)裝置。本文所描述的裝置，就是為此而設(shè)計(jì)的，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

1.2今后的發(fā)展

目前國(guó)家正在發(fā)展智能化電網(wǎng)，而變壓器鐵芯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是構(gòu)成智能化電網(wǎng)中比較重要的組成部分，國(guó)外早在八十年代就已經(jīng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器鐵芯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究并實(shí)現(xiàn)無(wú)人化變電站，可以節(jié)省大量的人力物力，并能夠及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)變壓器鐵芯接地點(diǎn)情況，并通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)可以分析變壓器是否存在多點(diǎn)接地的危險(xiǎn)，更好的保證變壓器設(shè)備的正常運(yùn)行。目前國(guó)家在安全規(guī)程中已提出變壓器鐵芯在線監(jiān)測(cè)的要求，在以后五年內(nèi)將全部實(shí)現(xiàn)變壓器鐵芯在線監(jiān)測(cè)的部署。國(guó)外科技工作者和有關(guān)部門對(duì)這種定期維修和預(yù)防性試驗(yàn)的不足之處早有認(rèn)識(shí)，已紛紛致力于電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和狀態(tài)檢修研究。它的優(yōu)點(diǎn)在于可及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期故障征兆，使運(yùn)行維護(hù)人員在故障處于萌芽狀態(tài)時(shí)能夠通過(guò)檢測(cè)手段及早消除隱患，從而避免惡性事故的發(fā)生，提高了維修質(zhì)量和效率。隨著傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，作為狀態(tài)檢修基礎(chǔ)的電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，已成為絕緣檢測(cè)中的一個(gè)重要組成部分，它將在很多方面彌補(bǔ)僅依靠定期預(yù)防性試驗(yàn)帶來(lái)的不足之處。通過(guò)對(duì)鐵芯接地電流的在線監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確判斷鐵芯的工作狀況，從而有的放矢在鐵芯出現(xiàn)故障前及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，不僅有效的提高了供電的可靠性，還降低了電力系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)保障電力變壓器的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

1.3成果的應(yīng)用及推廣

1.3.1解決了停運(yùn)檢修使電力部門付出巨大的人力，物力代價(jià)，不僅給電能用戶帶來(lái)不便，還存在著維修過(guò)剩的問(wèn)題。

1.3.2解決了兩次預(yù)防性試驗(yàn)之間的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于突發(fā)性絕緣故障難以發(fā)現(xiàn)，存在維修不足的問(wèn)題。

1.3.3解決了試驗(yàn)條件和運(yùn)行條件的差別，有些離線試驗(yàn)不能完全反映設(shè)備在運(yùn)行條件下的絕緣狀況。

1.3.4解決了大修和停電試驗(yàn)時(shí)人為造成新的設(shè)備故障現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。

2目標(biāo)

為了滿足電力系統(tǒng)對(duì)變壓器鐵芯狀態(tài)檢修的需要，提出了變壓器鐵芯多點(diǎn)接地在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下功能：2.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的投入和使用不改變，不影響變壓器的正常運(yùn)行;2.2能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)、記錄和處理數(shù)據(jù)、及時(shí)報(bào)警和故障診斷;2.3具有良好的抗干擾能力和合理的監(jiān)測(cè)靈敏度;2.4系統(tǒng)本身可靠性高，易于維護(hù)，適于長(zhǎng)期運(yùn)行;2.5能夠有效管理數(shù)據(jù)，人機(jī)界面良好。

3內(nèi)容

基于以上考慮，需要完成以下幾個(gè)方面的研究和工作：

3.1鐵芯接地電流理論分析

根據(jù)變壓器鐵芯實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立合適的鐵芯數(shù)學(xué)模型，計(jì)算鐵芯一點(diǎn)接地電流及多點(diǎn)接地故障電流值，并分析隨故障點(diǎn)不同故障電流的變化規(guī)律，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論支持。

3.2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)鐵芯接地在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)包括電流傳感器、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及控制在內(nèi)的數(shù)據(jù)采集電路，為接地電流信號(hào)的監(jiān)測(cè)和提取搭建一個(gè)硬件平臺(tái)。

3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

編程實(shí)現(xiàn)基于RS232串口的上下位機(jī)通信，使上位機(jī)能夠控制下位機(jī)運(yùn)行并能夠收到下位機(jī)采集的鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立接地電流在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢等功能，并采用LabVIEW開(kāi)發(fā)一套變壓器鐵芯接地電流分析軟件。

3.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由泄漏電流傳感器、數(shù)據(jù)采集柜、就地顯示儀表、串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、路由器和系統(tǒng)服務(wù)器組成：

串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器提供TCP/UDP socket工作模式，包括服務(wù)端和客戶端,支持狀態(tài)監(jiān)測(cè)和Web發(fā)布。每臺(tái)串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器有4個(gè)RS-485口，可以使每臺(tái)串口設(shè)備單獨(dú)占用一個(gè)串口，以減少不同串口設(shè)備并起來(lái)的干擾。數(shù)據(jù)采集柜可采集變壓器或者電抗器的鐵芯和夾件泄漏電流并通過(guò)串口與聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器相連。

遠(yuǎn)程顯示：本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊能夠?qū)崟r(shí)的采集變壓器等電氣設(shè)備的泄露電流參數(shù)，并能夠通過(guò)RS-485傳送到串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，再傳送到電力局域網(wǎng)，串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器具有自連接功能，即便系統(tǒng)斷電，當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器也能夠自動(dòng)連到局域網(wǎng)中。

本地顯示： 本地顯示儀表能夠?qū)崟r(shí)顯示變壓器等電氣設(shè)備的泄露電流參數(shù)，并具有聲音報(bào)警功能。

3.5工作流程

變壓器和電抗器的鐵芯及其夾持件在繞組的電場(chǎng)作用下，其上面各部位會(huì)形成不同的電位或電荷積累，這些電位和電荷達(dá)到一定程度就會(huì)放電，對(duì)變壓器的運(yùn)行構(gòu)成威脅。為消除這一放電現(xiàn)象，必須將鐵芯和夾件可靠接地，使其在變壓器運(yùn)行中始終保持接地電位。如果一點(diǎn)以上的多點(diǎn)接地，將會(huì)在鐵芯內(nèi)形成短接回路，短接回路所包括面積中的磁通或漏磁通將會(huì)在回響內(nèi)產(chǎn)生很大的一流，而且接點(diǎn)越多，短接回路越多，環(huán)流越大。環(huán)流的存在將燒毀接地片和產(chǎn)生放電甚至燒毀鐵芯，因此鐵芯和夾件必須一點(diǎn)接地。型變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程介紹如下：

在變壓器鐵芯、電抗器的鐵芯和夾件的接地排上安裝泄漏電流傳感器，監(jiān)測(cè)鐵芯和夾件的泄漏電流，變壓器現(xiàn)場(chǎng)安裝數(shù)據(jù)采集柜并和串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器之間通過(guò)RS485電纜連接，串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器經(jīng)由路由器最終和服務(wù)器監(jiān)測(cè)終端連接。

數(shù)據(jù)采集柜，將泄漏電流傳感器采集到的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并在數(shù)字顯示儀表上顯示出來(lái)。同時(shí)通過(guò)RS485電纜將數(shù)字信號(hào)傳遞到串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，通過(guò)串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器和路由器最終到監(jiān)控中心的服務(wù)器實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

后臺(tái)管理軟件接收記錄所有數(shù)據(jù)，并且提供報(bào)警，歷史數(shù)據(jù)查詢，趨勢(shì)分析，報(bào)表打印等多種功能。

該項(xiàng)目運(yùn)行一段時(shí)間之后，通過(guò)趨勢(shì)分析，可以看出變壓器鐵芯接地狀況，發(fā)現(xiàn)一些潛在的設(shè)備故障情況，為電氣設(shè)備維護(hù)人員提供檢修依據(jù)。

3.6系統(tǒng)特點(diǎn)

泄露電流傳感器采用夾緊銅排的固定方式不破壞原系統(tǒng)任何結(jié)構(gòu)，金屬模具的采用大大減少了外部磁場(chǎng)對(duì)泄露電流采集精度的影響。

泄露電流傳感器采用有源零磁通設(shè)計(jì)原理，不僅能夠滿足mA級(jí)電流信號(hào)的采集，而且具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

數(shù)據(jù)采集裝置的模擬量輸入芯片采用16位高精度分辨率，采樣速率達(dá)10Hz，隔離電壓3000VDC。

泄露電流的報(bào)警值可以由用戶靈活設(shè)置。系統(tǒng)在就地不僅有總的聲音報(bào)警，而且每一個(gè)鐵心或夾件都有單獨(dú)的繼電器報(bào)警輸出到變電站的集控中心。

系統(tǒng)采用穩(wěn)定、可靠的串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器將變電站的變壓器、電抗器等電氣設(shè)備的鐵心與夾件電流數(shù)據(jù)在電力局域網(wǎng)中共享。

系統(tǒng)采用就地與遠(yuǎn)程同時(shí)顯示的模式，就地采用高精度的數(shù)字表顯示，遠(yuǎn)程顯示通過(guò)軟件的web發(fā)布功能使電力局域網(wǎng)內(nèi)有權(quán)限的相關(guān)人員都可以訪問(wèn)。

軟件設(shè)計(jì)采用方便靈活的電力版組態(tài)軟件，使軟件具有非常強(qiáng)大的功能。

報(bào)表打印功能可以實(shí)時(shí)打印各電流數(shù)據(jù)，日?qǐng)?bào)表功能為每天的顯示電流數(shù)據(jù)存一個(gè)報(bào)表。

系統(tǒng)具備當(dāng)前報(bào)警狀態(tài)與歷史報(bào)警狀態(tài)的顯示功能，分別顯示當(dāng)前的報(bào)警情況，歷史的報(bào)警情況。