铁芯接地电流监测装置低温运行可靠性研究与应用

高 强，刘 娟,王茂军，刘 洋，于春来

(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国网鹤岗供电公司，黑龙江 鹤岗 154101；3.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150036)

随着状态检修工作深入开展以及坚强智能电网建设，变电设备状态监测技术应用越来越广泛。其中，变压器铁芯接地电流在线监测装置能够及时有效地发现变压器铁芯是否存在多点接地情况，已经在电力系统得到了广泛应用，并为保障变压器的安全稳定运行发挥重要作用[1-2]。

由于我国地域辽阔，东北、新疆、内蒙古等地区冬季平均气温长期处于-30 ℃，局部地区可达-50 ℃，导致在户外安装运行的变压器铁芯接地电流在线监测装置经受着严峻的低温考验。变压器铁芯接地电流在线监测装置运行情况表明，在低温环境影响下，装置的长期运行可靠性明显下降，故障率较高。目前我国对低温环境下输变电设备在线监测技术的研究相对滞后，国家电网公司Q/GDW 540.1—2010《变电设备在线监测装置检验规范》规定的在线监测装置考核适用温度范围为-40～+65 ℃[3]，无法满足我国严寒地区对在线监测装置低温运行环境的要求。

因此，为了提高变压器铁芯接地电流在线监测技术水平，满足我国严寒地区对在线监测装置运行可靠性的要求。本文对影响装置低温长期运行可靠性的主要原因进行分析和研究，并设计和研制了一种在-55 ℃低温环境下，能够长期可靠运行的低温变压器铁芯接地电流在线监测装置。

1 影响装置低温长期运行可靠性主要原因

a. 装置元器件选型存在问题

装置在设计和生产过程中，如果没有考虑低温工作状态的可靠性，将导致部分关键元器件低温环境下特性发生变化，功能失效，从而造成装置低温下无法正常启动、频繁死机和长期低温运行环境下故障率较高等情况出现。

b. 装置材料选用和工艺处理存在问题

变压器铁芯接地电流在线监测装置通常采用金属壳体，内部结构材料主要包括绝缘材料、金属材料、电流互感器、电子元器件等，在低温环境下运行时，会出现材料物料收缩、延展性差、脆性增加等现象，从而造成装置壳体密封不严，内部电路或元器件受潮损坏等情况出现，导致装置失效。

2 低温在线监测装置总体设计

2.1 装置硬件构成

低温变压器铁芯接地电流在线监测装置主要由穿心式电流互感器、信号处理单元、ARM处理器、显示单元、通信单元、数据存储单元、时钟单元及智能电加热功能单元等组成[4]。装置硬件构成如图1所示。

图1 装置硬件构成

2.2 工作原理

低温变压器铁芯电流监测装置工作原理如图2所示，装置通过穿心式电流互感器将变压器铁芯接地线上的电流信号耦合到二次绕组后转换为二次电流信号，该二次电流信号通过信号处理单元后，送入ARM处理器中进行计算处理。测量结果可通过显示单元显示，同时还将被存入数据存储单元作为数据备份。智能电加热功能单元用于对装置壳体内部进行恒温加热，以提高装置在低温环境下运行的可靠性。此外，工作人员还可通过监测后台对装置的工作参数(通信参数、测量周期、电加热启动阈值及报警阈值等)进行配置[5]。当测量结果异常时，装置将发出报警信息，提醒工作人员及时处理，防止变压器铁芯发生多点接地故障。

2.3 装置低温环境下可靠性设计

a. 元器件选用

装置全部采用军品级(最低工作温度-55 ℃)和工业级(最低工作温度-40 ℃)元器件。其中，显示单元采用耐低温的真空荧光显示屏(简称VFD)代替常用的液晶显示器，以保证装置在低温环境下正常显示监测数据；同时，装置将根据壳体内温度值进行恒温加热，以满足元器件正常工作温度条件。

图2 装置工作原理

图3 智能型电加热功能单元结构

b. 保温隔热措施

装置壳体采用双层结构，在双层之间嵌入新型高性能保温隔热材料纳米气凝胶，而对于内部结构间隙，则采用聚氨酯泡沫填充；采用这种方法可以很好地将装置内外部隔离，冬季低温时，可以使内部热量尽可能集中在壳体内；夏季高温时，可以很好地阻隔外部热量向壳体内部传导，有效保证了装置内部元器件能够始终处于合适的工作温度范围内。

c. 智能型电加热功能单元设计

当外界环境温度长期较低时，若仅依靠保温材料的保温隔热效果，装置壳体内部的温度将会持续下降，无法保证内部电路正常运行。因此，在采取隔热保温措施的同时，本文设计和研制了一种智能型电加热功能单元，为装置内部提供辅助热源。

智能型电加热功能单元主要由温控系统、主电加热装置和辅助电加热装置3个部分组成，用于实现装置内部空间温度调节。智能型电加热功能单元结构如图3所示。

温控系统用于实时监测装置内部环境温度，并根据设定的温度条件和加热方案，接通电加热装置电源，分别启动主电加热装置和辅助电加热装置对内部空间进行加热，当内部环境温度达到一定温度时，系统将切断电加热装置电源，停止加热。

3 装置低温环境可靠性验证

3.1 实验室验证

装置在环境性能实验室采用高低温交变湿热箱进行了低温检测试验，试验方案参照国标GB/T2423.1—2008《电工电子产品环境试验》，试验温度设定为-55 ℃，试验时间设定为2 h。试验结果表明，装置工作正常。

3.2 现场验证试验

2016年6月，在黑龙江省漠河县西林吉66 kV变电站开展了装置现场安装、调试和应用，主要用于监测站内主变铁芯接地电流，目的是验证装置在低温条件下的工作性能，降低意外因素给试验带来的影响。该站主变铁芯接地线上分别串接安装了3台同型号低温铁芯接地电流监测装置，3台装置采用级联方式实现供电和RS485总线通信；同时，在站内集控室机房内布置了1个监测后台，用于集中处理监测装置上传的数据，以及对监测装置进行参数设置和管理。装置现场运行如图4所示。

图4 装置现场运行

4 结束语

目前，低温变压器铁芯接地电流在线监测装置已经在西林吉66 kV变电站挂网运行近1年。现场应用情况表明，装置在低温环境下测量数据准确稳定，各项功能正常，现场工作稳定可靠。装置设计和研制方案满足了我国严寒地区现场对变压器铁芯接地电流在线监测装置长期运行可靠性的要求，并为同类装置在低温环境下的应用提供参考。

[1] 张小辉，王茂军，高 强，等.换流变铁芯接地电流在线监测装置数据异常原因分析及对策[J].东北电力技术，2017,38(3)：59-62.

[2] 王茂军，高 强，耿宝宏.变电设备在线监测装置电磁兼容试验与研究[J].东北电力技术，2014,35(9)：14-16.

[3] 变电设备在线监测装置检验规范：GB/T2423.1—2008[S].

[4] 王茂军，高 强，耿宝宏.基于WIA的变压器铁芯接地电流监测装置应用[J].东北电力技术，2014,35(10)：30-32.

[5] 周志强，高 强，张军阳，等.变压器铁芯接地电流在线监测装置及其监测方法[P].中国专利：ZL201110210033.5,2014-02-12.