變壓器鐵芯在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究可行性報告

電力變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的電氣設(shè)備，運行中一旦出現(xiàn)故障，將會對電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重的后果。正常運行的變壓器鐵芯一點接地，如果有兩點或者兩點以上同時接地，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，將會造成鐵芯過熱，甚至燒毀。目前判斷變壓器鐵芯是否存在多點接地，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，測量鐵芯對地絕緣電阻法，監(jiān)測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發(fā)現(xiàn)鐵芯多點接地故障，一旦發(fā)生故障，也不能及時采取相應(yīng)措施。因此，對變壓器鐵芯接地電流的實時在線監(jiān)測是十分必要的。

目前，現(xiàn)場人員多采用鉗形電流表夾住鐵芯接地線來監(jiān)測其電流，但由于變壓器強磁場的干擾，測量值很不精確，甚至出現(xiàn)同一測量點幾次測量值差別迥異的情況，這樣測量的參考價值值得懷疑;而國內(nèi)有些單位研制的自動監(jiān)測裝置雖能及時發(fā)現(xiàn)多點接地故障，但缺乏故障后的實時監(jiān)測功能。為此，設(shè)計了一種基于GSM通訊的在線監(jiān)測裝置，較好地解決了變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測的問題。為了解決正常狀態(tài)下接地電流很小，受到的現(xiàn)場干擾卻比較嚴(yán)重的問題。

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)——是否存在鐵芯多點接地。以往的監(jiān)測方式是由變電站值班人員使用手持儀器定期進(jìn)行檢測和記錄，該方式的最大缺點是不能立即對故障做出反應(yīng)，存在使事故進(jìn)一步擴大的嚴(yán)重隱患。隨著電力自動化水平的提高和無人值守變電站的增多，迫切需要一種穩(wěn)定可靠、精度高、功能強的大型電力變壓器鐵芯電流在線監(jiān)測裝置。本文所描述的裝置，就是為此而設(shè)計的，具有極高的應(yīng)用價值。

1.2今后的發(fā)展

目前國家正在發(fā)展智能化電網(wǎng)，而變壓器鐵芯在線監(jiān)測系統(tǒng)是構(gòu)成智能化電網(wǎng)中比較重要的組成部分，國外早在八十年代就已經(jīng)開始實現(xiàn)對變壓器鐵芯在線監(jiān)測系統(tǒng)研究并實現(xiàn)無人化變電站，可以節(jié)省大量的人力物力，并能夠及時有效的發(fā)現(xiàn)變壓器鐵芯接地點情況，并通過一系列的數(shù)據(jù)可以分析變壓器是否存在多點接地的危險，更好的保證變壓器設(shè)備的正常運行。目前國家在安全規(guī)程中已提出變壓器鐵芯在線監(jiān)測的要求，在以后五年內(nèi)將全部實現(xiàn)變壓器鐵芯在線監(jiān)測的部署。國外科技工作者和有關(guān)部門對這種定期維修和預(yù)防性試驗的不足之處早有認(rèn)識，已紛紛致力于電氣設(shè)備的在線監(jiān)測和狀態(tài)檢修研究。它的優(yōu)點在于可及時發(fā)現(xiàn)早期故障征兆，使運行維護人員在故障處于萌芽狀態(tài)時能夠通過檢測手段及早消除隱患，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)、信號處理技術(shù)和計算機技術(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)測技術(shù)得到了飛速發(fā)展，已成為絕緣檢測中的一個重要組成部分，它將在很多方面彌補僅依靠定期預(yù)防性試驗帶來的不足之處。通過對鐵芯接地電流的在線監(jiān)測，準(zhǔn)確判斷鐵芯的工作狀況，從而有的放矢在鐵芯出現(xiàn)故障前及時進(jìn)行維護，不僅有效的提高了供電的可靠性，還降低了電力系統(tǒng)的運行費用，對保障電力變壓器的安全運行具有十分重要的意義。

1.3成果的應(yīng)用及推廣

1.3.1解決了停運檢修使電力部門付出巨大的人力，物力代價，不僅給電能用戶帶來不便，還存在著維修過剩的問題。

1.3.2解決了兩次預(yù)防性試驗之間的間隔時間較長，對于突發(fā)性絕緣故障難以發(fā)現(xiàn)，存在維修不足的問題。

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

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

2目標(biāo)

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

3內(nèi)容

基于以上考慮，需要完成以下幾個方面的研究和工作：

3.1鐵芯接地電流理論分析

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

3.2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

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

3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

編程實現(xiàn)基于RS232串口的上下位機通信，使上位機能夠控制下位機運行并能夠收到下位機采集的鐵芯接地電流在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立接地電流在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、查詢等功能，并采用LabVIEW開發(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)測和Web發(fā)布。每臺串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器有4個RS-485口，可以使每臺串口設(shè)備單獨占用一個串口，以減少不同串口設(shè)備并起來的干擾。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)時串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器也能夠自動連到局域網(wǎng)中。

本地顯示： 本地顯示儀表能夠?qū)崟r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作用下，其上面各部位會形成不同的電位或電荷積累，這些電位和電荷達(dá)到一定程度就會放電，對變壓器的運行構(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，使其在變壓器運行中始終保持接地電位。如果一點以上的多點接地，將會在鐵芯內(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在回響內(nèi)產(chǎn)生很大的一流，而且接點越多，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接地。型變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測系統(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)測鐵芯和夾件的泄漏電流，變壓器現(xiàn)場安裝數(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，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并在數(shù)字顯示儀表上顯示出來。同時通過RS485電纜將數(shù)字信號傳遞到串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，通過串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器和路由器最終到監(jiān)控中心的服務(wù)器實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。

后臺管理軟件接收記錄所有數(shù)據(jù)，并且提供報警，歷史數(shù)據(jù)查詢，趨勢分析，報表打印等多種功能。

該項目運行一段時間之后，通過趨勢分析，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)備維護人員提供檢修依據(jù)。

3.6系統(tǒng)特點

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對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)計原理，不僅能夠滿足mA級電流信號的采集，而且具有很強的抗干擾能力。

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警，而且每一個鐵心或夾件都有單獨的繼電器報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。

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

報表打印功能可以實時打印各電流數(shù)據(jù)，日報表功能為每天的顯示電流數(shù)據(jù)存一個報表。

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