玉林供电局技术团队提出一种变压器故障信息融合监测装置

电力变压器是电能运输与电力变换的重要设备，变压器是否正常工作影响着电网的安全运行。电力变压器运行时出现多点接地故障或局部放电故障都会危害电网的运行安全。因此，广西电网有限责任公司玉林供电局的王兵、陈益萍、徐华生、梁开任，在2023年第6期《电气技术》上撰文，设计一种变压器故障信息融合监测装置，通过监测变压器铁心及夹件接地线上的工频电流及高频脉冲电流信号，分析电力变压器是否发生故障，并推断故障类型。装置可将监测的电流信息进行本地显示和短信预警等，实现对变压器多点接地故障和局部放电故障的双重监测预警，保证电网的安全运行。

电力变压器是电力系统中的关键设备，在运行时需要保证可靠一点接地，如果发生铁心及夹件多点接地，变压器内部就会形成回路，从而产生环流，导致设备发热，甚至会导致变压器局部烧毁。国标规定铁心接地电流不能超过100mA，当超过100mA时需对变压器进行跟踪处理。正常运行的变压器铁心及夹件为单点可靠接地，其示意图如图1所示。

图1 变压器铁心及夹件单点接地示意图

目前，通常使用三种方法检测变压器铁心的多点接地故障，即绝缘电阻法、气相色谱分析法，以及钳形表测量法。绝缘电阻法即先将铁心接地线断开，然后测量内部电阻值，若所测电阻很小则说明铁心出现多点接地故障；此方法会影响变压器的正常运行。气相色谱分析法即通过检测变压器绝缘油中气体的含量是否超标来推断变压器是否出现故障，此方法不能直接推断是否发生多点接地故障。钳形表测量法即工作人员使用钳形电流表定期检测铁心接地线中的电流大小并推断是否超过100mA，此方法人工成本较高且无法第一时间发觉变压器的接地故障。

在运行过程中，变压器的绝缘部件承受的电场强度大，变压器内部薄弱处极易出现局部放电，导致变压器绝缘材料损耗严峻，甚至进展为热击穿故障，对变压器的安全运行造成严峻影响。因此，要对变压器的局部放电信号进行实时监测和预警。变压器在发生局部放电故障时会产生一系列的现象，可作为推断变压器是否发生局部放电故障的依据。

目前，主要使用脉冲电流法、超声波法和油中色谱分析法来对变压器局部放电故障进行监测，其中脉冲电流法在现场应用更多。当变压器发生局部放电时，变压器铁心的接地线中会产生高频脉冲电流信号，使用电流传感器采集接地线中的高频脉冲电流信号并对其进行处理后可获得视在放电量等信息，通过这些信息工作人员可掌握变压器的局部放电情况。

本文设计变压器铁心及夹件接地电流在线监测装置，可在线监测变压器铁心及夹件接地线上的工频电流和高频脉冲电流信号，通过分析即可推断出变压器是否发生故障，并对故障类型进行诊断，确保工作人员能采取准确的应对措施。

1 工作原理

从理论上来说，变压器铁心及夹件单点可靠接地时，带电绕组对铁心及金属构件所产生的寄生电容电流几乎为零，但是在实际运行中，各绕组间电容难以完全相等、三相电流相位也不完全对称，接地线通常会出现几毫安的不对称电流。在变压器铁心多点接地后会产生一个或多个电磁回路，根据接地点位置的不同，交链磁通有所不同，导致接地回路的电压和电流不同。

铁心接地点之间形成的闭合回路受电磁感应的影响，通过铁心的磁通会产生电压，其大小与接地两点之间的距离有关，接地点间的距离越大，穿过铁心的磁通量越大，电压就越高，此时两个测量点之间存在电位差，就会在回路中产生电流。变压器铁心及夹件多点接地示意图如图2所示。变压器内部发生局部放电故障时会瞬间产生高频脉冲电流信号。这两种故障形成的电流信息均在变压器铁心接地线上有所体现。

图2 变压器铁心及夹件多点接地示意图

本文设计的变压器铁心及夹件接地电流在线监测装置通过电流传感器对变压器铁心接地线上的电流信号进行实时监测，通过电流互感器采集接地线数据，经信号预处理单元及模数转换（analog to digital, A-D）后输入处理器进行数据分析。

当检测到工频电流信号超过100mA时，说明变压器发生多点接地故障。通过监测高频脉冲电流信号并从中提取视在放电量等电流信息，对局部放电信息做出诊断，以便运行维护人员准确掌握变压器局部放电情况。将接地点监测到的电流数据在液晶模块进行本地实时显示，并在发生故障时将报警信息发送给工作人员，从而保证变压器稳定可靠运行。

2 硬件设计

本文所设计装置通过电流互感器采集接地电流，所采集信号经放大滤波后再由模数转换器（analog to digital converter, ADC）获得数字信号，经处理器对数字信号进行识别，提取出工频电流幅值和高频脉冲电流信号的视在放电量等信息，其中采集到的电流数据使用STM32内部的直接内存访问（direct memory access, DMA）传输方式，数据通过总线直接传输至内存。液晶模块显示当前的电流值、视在放电量及时间等信息。如果监测到的电流值超过100mA，装置会通过4G模块向工作人员发送短信报警，单片机通过串口通信的方式使用AT指令对4G模块进行配置。

故障信息储存在带电可擦可编程只读储备器（electrically erasable programmable read only memory, EEPROM）数据储备模块中，EEPROM通过I2C（inter-intergrated circuit）总线与单片机连接。装置通过RS 485通信接口与状态监测系统实时通信，其硬件电路结构框图如图3所示。

图3 装置硬件电路结构框图

2.1 信号采集单元

变压器铁心及夹件接地线的正常运行电流为几毫安至几十毫安，而发生多点接地故障时，电流会突增至几安培。局部放电产生的高频脉冲信号很弱，其频率范畴为10kHz～30MHz，现场的电磁干扰信号会对局部放电信号造成严峻影响。因此，本文装置使用的电流互感器的铁心材料为坡莫合金，其外壳有双层屏蔽层，可以忽略外界磁场的影响，在电流变化范畴较大的情况下仍能保持优良的线性度，并且具有足够宽的工作频带及抗干扰能力，可以对高频电流信号进行采集，能够满足本文装置对测量的准确性、稳定性要求。

2.2 信号预处理单元

变压器在正常运行时的接地电流很小，所以应对电流互感器采集到的电流信号进行放大，本文装置采纳由LM258D芯片组成的同相比例运算电路将电流信号转换为电压信号。利用线性勉励叠加原理，通过外加基准电压与上拉电阻实现分压，进行整体叠加调制，使双极性的电压信号（-3.5～3.5V）转换为满足单片机A-D采样要求的单极性电压（0～3.3V）。

然后经由LM258D芯片构成的电压跟随器，其特点为输入值等于输出值，具有隔离、缓冲、增强带负载能力的作用。电压跟随器后紧跟一阶RC无源低通滤波器，对高频干扰信号进行滤除，提高输入信号的信噪比，降低高频干扰。信号预处理电路如图4所示。

图4 信号预处理电路

2.3 液晶显示单元

2.4 数据远程通信单元

本文装置在程序中对该模块进行短信透传模式配置，并将工作人员的手机号储备其中。装置通过该模块将采集到的电流信息发送给工作人员，方便工作人员实时查看。在发生多点接地故障或者监测到发生局部放电故障时，可发送报警短信提示工作人员进行维护工作。通信模块原理如图5所示。

图5 通信模块原理

2.5 模数转换单元

模数转换器的作用是将模拟量转换为数字量，并将数字量传输给处理器进行数据处理。本文装置使用STM32处理器自带的A-D转换芯片，供电电压要求在2.4～3.6V之间，芯片使用逐次靠近方式进行模拟量到数字量的转换。芯片有19个多路复用通道，其中16个通道用来采集外部信号，2个通道用于采集内部信号。使用STM32片上ADC，转换速度快、准确度高且12位有效位，采样辨别率可以达到1/4096，能够满足装置对高频脉冲电流信号的采样需要。

本文装置使用STM32内部DMA传输方式，可以将芯片处理后的数据通过总线传输至内存，无需占用处理器资源，大大提高了系统效率。A-D转换流程如图6所示。

图6 A-D转换流程

2.6 数据储备单元

装置中的系统参数和发生故障时的信息会记录在储备器中，本文装置EEPROM模块使用的型号为AT24C256C，其储备容量为256Kbit，完全可以满足装置数据储备的需求，通过I2C总线与单片机连接，在系统掉电时能保证数据不会丢失。储备电路原理如图7所示。

图7 储备电路原理

2.7 电源治理单元

电源模块是装置核心，是整个系统的供电保证。本文装置使用太阳能供电系统，通过光伏板对锂电池进行充电，进而对整个系统供电。使用CN3791芯片设计了一套锂电池充电治理电路，对单节锂电池进行充电治理，该芯片的恒流、恒压充电模式可以很好地适配本文装置使用的锂电池，能够将锂电池的电压稳定在4.2V；如果输出的电流减小或不足，芯片内部电路能够通过调整来保证电流的输出能力，最大化利用光伏板的能量。

3 软件设计

3.1 系统程序框架

整个软件框架的搭建在实时操作系统（real time-thread, RT-Thread）中完成，RT-Thread属于嵌入式的实时操作系统，其特点是同意支持多任务同时运行，通过线程调度器快速切换任务，相比于裸机程序运行的轮询系统及前后台系统，使用RT- Thread的多线程系统能够实现实时响应事件、实时处理事件，提高了程序运行的效率，使装置对变压器接地电流的监测更加稳定可靠。系统主程序流程如图8所示。

图8 系统主程序流程

3.2 局部放电故障诊断方法

采纳脉冲电流法监测变压器内部放电可通过局部放电特点指标、局部放电图谱实现故障诊断。局部放电特点指标包括最大放电量、平均放电量、放电重复率等。对局部放电故障所产生的高频脉冲电流信号进行分析，在得到电流数据后还需进行多次检测和对比验证。

目前，可通过两种方法实现局部放电故障诊断。第一种是将采集到的高频脉冲电流波形和频率进行综合处理。变压器发生局部放电故障是瞬间的，因此局部放电产生的高频脉冲电流波形为单次脉冲，局部放电结束后脉冲电流会逐步平稳，但有时因为杂质电容的充放电影响，脉冲波形在趋于平稳前会有一个短期的振荡过程，通过对脉冲波形与频率的观察和分析，即可辨别局部放电所产生的脉冲电流信号。

第二种方法是分析脉冲电流信号的相位图谱。当变压器运行时，电压的变化会对局部放电产生的脉冲电流信号造成影响。因此，变压器局部放电的相位图谱呈现双极性，电流信号比较稳定并平均分布在对称的两个电极象限之内。通过对放电图谱进行分析可实现对局部放电故障的识别。

4 现场应用

某220kV变压器因长期处于恶劣潮湿环境，其铁心绝缘夹件的绝缘性能受到影响，导致铁心出现低阻性不稳定接地，影响变压器运行。工作人员一直使用钳形表测量法来检测此变压器的铁心接地电流，其使用的卡钳式电流表测得的数值为1.5A，远远超过了国际规定的阈值100mA，并且这种方法需要工作人员到场检查，无法第一时间发觉变压器的接地故障。

在投入本文装置后，将两个电流传感器钳在铁心及夹件接地线上，采集到的铁心接地电流数值为1 440mA，通过显示屏展现，并向工作人员发送短信报警，使工作人员能够及时处理故障，装置现场应用如图9所示。上位机软件可将电流数据绘制成波形供工作人员查看，上位机软件接地电流曲线面板如图10所示。该装置在现场运行效果优良，监测数值稳定。

图9 装置现场应用

图10 上位机软件接地电流曲线面板

5 结论

本文所设计的装置主要实现了对变压器铁心及夹件接地电流的实时监测，对变压器发生多点接地故障及局部放电故障进行推断报警，具有电流数据实时显示、数据储备、越限自动报警、蓝牙数据显示、报警短信提示、系统参数可设置等功能。该装置可为变压器铁心及夹件的安全运行提供可靠保证。