基于Labview变压器铁芯接地故障在线监测系统＊

陈明忠

（南京铁道职业技术学院，江苏南京210031）

基于Labview变压器铁芯接地故障在线监测系统＊

陈明忠

（南京铁道职业技术学院，江苏南京210031）

摘要：介绍了一种实时在线变压器铁芯接地故障的监测系统，该系统可同时检测变压器铁芯工频泄漏电流幅值和泄漏电流的高频放电脉冲次数，由二者比较识别变压器铁芯接地状况。本系统安装在南京地铁某主变压器上并进行了现场测试，结果表明该系统测量范围广、灵敏度高、抗干扰强、与现有测控系统易于集成对接，可做为判断变压器铁芯是否存在多点接地的有效方法。

关键词：变压器铁芯；接地电流；在线监测；安全

1　引言

变电站电力变压器是电力系统中的关键设备之一，常被视为电网的“心脏”，它的正常运行是电力系统安全、稳定、可靠、经济运行的重要保证。变压器和电抗器的铁芯以及夹件在绕组电场作用下形成非均匀分布的电荷积累，从而形成不同的悬浮电位差。当悬浮电压达到一定程度时就会放电。为消除这放电现象，通常将铁芯和夹件做单点可靠接地，使其在变压器运行中始终保持接地电位。如果变压器铁芯出现多点接地，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在回路内产生很大的环流，而且接点越多，环流越大，严重危及变压器的安全运行。

对于大型电力变压器和电抗器故障有多方面的原因，并且变压器的故障类型也有多种。有关文献表明［1、2］，因变压器铁芯问题造成的故障比例较高，而铁芯故障主要是铁芯多点接地故障。电力变压器在正常运行时，如果铁芯由于某种原因在其它位置出现另一点（或多点）接地，接地点间形成闭合环电流回路。环电流造成铁芯局部短路过热，严重时会造成铁芯局部烧损，引起变压器局部过热，致使绝缘油气化分解严重，导致瓦斯保护频繁动作，严重影响变压器正常运行。变压器铁芯多点接地形成的环电流一般由50Hz的工频分量和高频脉冲分量构成。检修班组惯用的检测方法是人工用钳形电流表测量变压器铁芯接地下引线的电流，根据电流的大小和变化来分析判断变压器铁芯是否存在多点接地情况。这样仅能测量到接地电流中的工频成分，且误差较大，效率低、周期长、效果差，还不能实现在线监测，无法满足大型重要电力变压器安全运行的要求。

根据南京地下铁道有限公司主变压器（2台25MVA油浸风冷）运行的实际情况，在不改变变压器本体结构情况下，采用单匝穿心式微电流传感器、信号调理、MCU采集控制器，设计安装了变压器铁芯接地多点接地故障实时监测系统。

该系统通过高精度接地泄漏电流传感器采集变压器铁芯及固定件的泄漏电流，由泄漏电流频谱分布情况［3－5］，判断当前变压器铁芯是否存在铁芯多点接地，实现对主变压器进行全面直观的实时监测和运行状态控制。

2　系统方案

2.1系统硬件设计

系统开发采用内含Cortex-M3 100 DMIPS处理器的LM3S9B92开发板，该开发板功能完善，板上已装好了1个USB-COM，1个USB-HOST，1个USBHOST，SD卡接口，LCD接口和上传所需网线接口，符合开发系统设备的需求，其硬件资源如图1所示。

图1　变压器铁芯监测系统硬件开发系统

如图2所示为监测系统的结构原理。其中，数据采集调理单元将采集的信号处理成适合的信号送入Cortex-M3芯片所带AD转换器，进行滤波和信号与故障特征值的对比。本系统通过DAC1020和运放OP07的结合实现可编程放大增益，进行信号调理，采用直流12V供电电压，采用双层PCB板进行设计。

图2　监测系统的结构原理

泄漏电流传感器采用夹紧铜排的固定方式，不改变原系统任何结构，使用金属（不锈钢）金属模具外壳用以减少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的是有源零磁通设计原理，不仅能够满足毫安级电流信号采集，而且具有很强的抗干扰能力，能有效抑制温度飘移。

传统的传感器由于存在温漂缺陷，使用一段时间后若不进行校验就会产生与实际泄露电流同一数量等级的误差，使得测量精度下降，不利于在强电磁环境下长期测量。基于以上考虑，本系统所使用的泄露电流传感器采用零磁通补偿的原理，采用德国专业生产小信号传感器，其精度能够达到微安级，具有极强的抗干扰能力，传感器安装位置如图3所示。

图3　检测铁芯电流的传感器

泄漏电流传感器安装在变压器铁芯、电抗器的铁芯和夹件的接地排上，监测铁芯和夹件的泄漏电流。而传输数据的屏蔽双纹线一端连接数据采集柜，另一端与传感器本体连接。传输数据的屏蔽双纹线抗干扰能力强，最远可传输2km，可覆盖整个变电站，系统的结构原理如图2所示。

2.2系统软件设计

该软件采用方便灵活的模块化分层设计，能够增加变压器其它状态监测参量，比如油温、微水、环境信息和振动等，确保系统的安全性、稳定性、兼容性和扩展性。能够监测整个企业供配电系统所有变压器（后台软件一次性投入，再增加变电站铁芯接地监测时只需增加采集终端即可），可达到用户所有变压器集中监控的效果［5］。

软件采用快速傅立叶算法计算铁芯泄漏电流的频谱分布，并统计每分钟内大于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陷。这种缺陷无法通过电流的工频有效值大小来反映，传统监测手段无法监测到。

上位机软件设计采用Labview进行程序设计［6、7］，Labview与其它计算机编程语言有显著区别。其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而Labview使用的是图形化编辑语言编写程序，产生的程序是框图的形式。该语言的特点在于可充分发挥计算机数据采集和信息处理的能力，有强大的数据分析功能，可以编制出功能强大的监控测量“软仪器”。系统中上位机软件实现如图4所示的功能界面。

3　抗干扰设计

根据相关文献所述现场干扰源相对集中在200kHz以上较高的背景频率［8~9］，本系统设计在硬件上除了采用抗干扰传感器和隔离运放以外，系统回路中还存在幅值20mV、频率500kHz的纹波。如果采用普通的运算放大器或者RC组成的滤波器，不仅元件较多，参数调节复杂，并且杂散电容会大大影响滤波器特性。利用MCU自身的资源，实现数据的数字滤波，能够准确地提取信号的工频分量。这样就避免了周围环境带来的干扰，同时也降低了硬件的复杂度，可有效减小电路体积，提高电路性能。

系统在软件上采用IIR数字滤波器，把浮点型系数转换成16位整型格式，可以大大提高MCU的计算速度，同时把滤波器系数存到SRAM区，方便计算时提取系数数据，利用采样时间间隔完成IIR数字滤波器计算，实现了高频背景电磁噪音的滤除，提高了在线监测接地电流的灵敏度和可靠性。根据滤波后工频信号的有效值和高频脉冲放电次数的变化，作为判断变压器铁芯是否存在多点接地故障的依据。

图4　铁芯电流在线监测的程序界面

4　结论

本文设计开发了一种基于Labview的变压器铁芯多点接地故障在线监测装置。该装置对铁芯泄漏电流进行频谱计算与分析，根据铁芯泄漏电流的工频有效值与高频放电脉冲数判断变压器是否存在铁芯多点接地故障。装置选用Cortex-M3处理器，由RS485串口与上位机连接，实时计算并分析铁芯接地电流，较好地实现了本系统的精度和在线监测。同时利用数字滤波器滤掉变压器周围环境带来的干扰信号，准确识别变压器铁芯接地状况通过泄漏电流脉冲频次数。该系统目前安装在南京地下铁道有限公司的某主变电所内，运行状况稳定良好。根据变电所运行的实际情况，装置的整定值为：铁芯电流工频报警限值为35mA，每分钟内大于30mA及160mA时的放电脉冲报警次数为750次。根据最近的一次变压器“四比值法”的分析结论，表明该装置是有效的、实用的，且精确度高，可进一步推广应用。

参考文献：

［1］王海涛，万正喜.500kV变压器铁芯夹件接地电流超标的分析与处理［J］.电网技术，2013，（2）：12－15.

［2］陈晓娟，赵峰.变压器铁芯多点接地故障的诊断及处理［J］.变压器，2012，4（49）：68－69.

［3］陈刚，律方成，生胜辉，刘允云鹏.基于无线传输的变压器铁心接地监测系统的设计［J］.计算机测量与控制，2008，3：309－311.

［4］任先平，陈亮明.基于快速傅立叶变换的电力谐波分析［J］.机电工程技术，2013，7（48）：70－72.

［5］池源，唐文左，刘国平.基于频域滤波的间谐波在线检测算法［J］.中国电力，2014，4（47）：86－91.

［6］楚清河，马建华，聂贞.基于Labview变压器局部放电检测系统［J］.变压器，2011，10（48）：62－65.

［7］李彦勒，许国栋，王俊雄.基于虚拟仪器的旋转变压器角度测量系统的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2012，12：3190－3192.

［8］邬小波，彭珣，郭绍伟.变压器铁芯接地电流检测装置应用研究［J］.华北电力技术，2013，8：38－42.

［9］聂秀丽.城铁变电所中配电变压器的电磁干扰分析［D］.北京邮电大学，2012.

中图分类号：TM41

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）06—0047—03

基金项目：＊江苏“青蓝工程”基金（RL13002）资助

作者简介：

陈明忠（1974－），男，研究生学历，南京铁道职业技术学院副教授，研究方向为电气化铁道高压电气设备智能检测与控制。

收稿日期：2015－04－30

Transformer iron core grounding fault on－line monitoring system based on Labview

CHEN Ming－zhong
（Nanjing Railway Vocational and Technical College，Nanjing 210031，China）

Abstract：A transformer core grounding fault on－line monitoring system based on Labview is introduced.The

system can detect the working－frequency leakage current amplitude of the transformer iron core，in the meanwhile，the system can detect the high－frequency discharge pulse number of the leakage current，and by comparison to identify the transformer iro n core grounding conditions.The system is installed on a main transformer of Nanjing Metro and conducted the on－site testing.The testing results show that the system has many advantages such as wide measuring range，high sensitivity，strong anti－interference，easy integration etc.，and can be used as a effective measure to judge whether the transformer iron core exists multi points grounded.

Key words：transformer iron core；grounding current；on－line monitoring；safety