变压器套管在线监测系统的设计与开发

国网宁波供电公司 赖靖胤 梁流铭 胡华杰

变压器套管在线监测系统的设计与开发

国网宁波供电公司 赖靖胤 梁流铭 胡华杰

电力变压器是电力系统中的核心部分，其运行可靠性对整个电力系统的运行有着至关重要的作用。而变压器套管有是电力变压器的一个核心部件，近年来由于变压器套管绝缘故障造成的事故频发，因此对变压器套管绝缘状态的监测有着极大的意义。基于上述背景，本项目设计一套在线监测变压器套管绝缘性能的测试系统，通过高精度电流传感器采集变压器套管末屏及同相母线电压互感器N 端电流信号，经过控制系统分析处理，计算出变压器套管的相对介损及电容量，进而达到变压器无需停电即可实时监测套管的绝缘性能的目的，具有较高技术先进性和较好的实用性。

变压器；套管；相对介损；微处理器

1.工作原理

变压器套管通常采用电容屏均压方式的绝缘结构，介质损耗tgδ及电容量是衡量变压器套管绝缘性能优劣最直接、有效的参数，在设备的运行过程中准确监测变压器套管介损和电容量的大小尤为重要。因此，该系统采用了嵌入式计算机系统，具备极强的数学运算功能，并且专门设计和使用了一种以快速傅里叶变换为核心的纯数学方法，来准确求取两个电流信号基波分量的相位差。即从同相母线PT 的N端采集电流信号In 作为基准电流，从变压器套管末屏采集电流信号Ix。在中央监控器的控制下，对两路电流信号经滤波、放大、采样等数字处理，利用谐波分析法分别提取其基波分量，计算出其相位差和幅度比，从而获得被试套管和参考设备的相对介损差值和电容量比值。基本测量原理如图1所示。

图1 测试原理图

2.硬件部分

该监测系统采用模块化设计结构，主要包由传感器模块、数模转换模块、控制系统模块和通讯模块四部分构成。

2.1 微处理器模块

DSP 嵌入式微处理器模块是监测系统的核心部件，具备强大的数据处理及端口控制功能。绝缘监测系统的信号处理模块采用目前性能最优良的32 位数字信号处理芯片，TI 公司的TMS320F2812 DSP 芯片，并根据其特点精心设计了DSP 核心及外围电路，对2812的功能进行了充分的扩展并预留相应的功能扩展接口，可以满足绝缘监测系统的需要。微处理器硬件系统结构如图2所示。2.2 高精度的电流传感器模块

图2 硬件系统结构图

电流传感器是监测系统的关键部件，直接影响电容型设备介损耗参数参数的测量精度。为保证信号取样的安全性，通常应采用穿芯结构的零磁通电流传感器。

零磁通电流传感器的工作原理可用下式表示：I1W1+ I2W2= I0W1，其中激磁磁势I0W1 的存在是造成传感器误差的主要原因。降低铁芯激磁磁势的传统方法是采用截面较大、磁路较短的高导磁铁芯，并适当增加二次线圈的匝数。由于变压器套管末屏电流通常为毫安级信号，传感器的激磁阻抗很小，而且又必须采用穿芯取样方式，故传统的无源传感器通常无法保证相位变换误差的精确度和稳定性，难以满足介损参数的测量要求。因此，监测系统采用了先进的自动补偿式电流传感器，除了选用起始导磁率较高、损耗较小的坡莫合金作铁芯处，还采用了独特的深度负反馈补偿技术，能够对铁芯的激磁磁势进行全自动补偿，保持铁芯工作在理想的零磁通状态。2.3 数模转换模块

为了能准确的采集电流值，本系统选用片外高度集成CS5522模数转换器（A/D）,它采用电荷平衡技术达到24-bit 的性能。本A/ D 有八个通道可以同时采集八组数据，内部还集成一个低输入电流、斩波稳定仪表放大器和一个可编程增益放大器，为了应用于低基准热电偶，芯片内还集成了一个电泵驱动电路来提供负偏置电压，满足本系统的精度要求。

2.4 通讯模块

通讯模块是监测系统的基本部件，本系统采用光纤通信，实时将DSP 控制系统处理的数字信号转换为光信号，通过光纤传输到后台计算机，供数据的处理及显示。

3.软件部分

3.1 嵌入式系统设计

本系统主要由按键功能处理、A/D 采集、数据显示、数据存储和上位机通信等模块组成。键功能是对系统的“开始”、“停止”、“复位”以及相应参数的设定；A/D 采集程序用于将传感器的电流信号转换为数字信号再传送到单片机进行分析；数据存储是将采集的电流值、单片机处理分析的相对介损及电容量数据进行SD 卡存储；上位机通信实现上位机对系统的控制，并将采集的数据在后台实时显示。整个系统程序运行稳定可靠、结构简单。主程序流程图如图3所示：3.2 上位机模块

图3 主程序流程图

系统应用Microsoft Visual C++6.0 开发环境和C++等编程语言设计开发了上位机操作软件，通过串口实现与上位机的实时通信。通过该软件可以选择串口的接入以及实时的显示，同时该软件可以提取SD 卡中保存的数据，供后期数据的处理分析。

4.数据测试与分析

系统安装完毕后，首先在现场将控制系统送电，待其运行正常后，将上位机系统启动，在上位机界面就会显示变压器套管相对介损Tanδ(Ix-In)、电容量比值Cx/ Cn 及PT 最近例行试验电容量Cn。其计算公式为：

Tanδ=Tanδ(Ix-In)Cx=(Cx：Cn）×Cn

5.结论

该在线监测系统可以实时监测套管绝缘性能，解决了变压器运行状态套管介损和电容量无法测量的难题。运行经验及研究结果表明，测试电压的不同以及周围电磁环境的差异，尽管会导致在线测试结果与停电预防性试验结果之间有一定的误差，但如果能够获得真实可靠的在线测试结果，仍可通过纵向或横向比较的方式判断出运行设备的绝缘状况。

[1]石文华等.单片机原理及应用[M].北京:中国电力出版社,2005.

[2]马忠梅,籍顺心等.单片机的C 语言应用程序设计[M].北京:航空航天大学出版社.

[3]李宁.基于MDK 的STM32 处理器开发应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008:154-171.

[4]张华,吴欣,王大星.基于ARM7 的SD 卡读写控制在数据采集系统中的应用[J]. 电子技术应用,2009(7):38-41.