CN110441577A - 一种高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置 - Google Patents

Abstract

一种高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置，涉及电力行业技术领域，解决现有铁芯接地电流在线监测装置本身结构复杂、在现场运行时受外部电磁干扰较大以及无法准确实时反映铁芯接地电流数据等问题，本发明通过单片机控制数字电位器自动调节以及通过单磁芯双线圈铁芯电流互感器，采用双级滤波器和线性电源，提高在强电磁干扰环境下供电电源的稳定性。采用单磁芯双绕组电流互感器以获得两组相位相关，频率相同的两路关联正弦信号，输入锁相放大器，进行相关性处理，可以大幅度衰减非相关的噪声信号，再配合高精度AD采集锁相放大器的输出信号，即可得超低噪声的电流数据。本发明通过线性电源输出±12V和5V，提供了干净稳定的电源。

Description

一种高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置

技术领域

本发明涉及电力行业技术领域，具体涉及一种高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置。

背景技术

电力变压器是电力***中最重要的电气设备，运行中一旦出现故障，将会对电力***造成严重的后果。正常运行的变压器铁芯一点接地，如果有两点或者两点以上同时接地，则铁芯与大地之间将形成电流回路，最大电流可以达到几十安培，将会造成铁芯过热，甚至烧毁。目前判断变压器铁芯是否存在多点接地，主要有三种方法：钳形电流表定期监铁芯接地电流的电气方法，测量铁芯对地绝缘电阻法，监测变压器绝缘油特征气体的气相色谱分析法。以上方法存在的不足是不能及时发现铁芯多点接地故障，一旦发生故障，也不能及时采取相应措施。因此，对变压器铁芯接地电流的实时在线监测是十分必要的。

目前，现场人员多采用钳形电流表夹住铁芯接地线来监测其电流，但由于变压器强磁场的干扰，测量值很不稳定，甚至出现同一测量点几次测量值差别迥异的情况，这样测量的参考价值值得怀疑；而国内也有生产铁芯电流在线监测装置，但没有形成一种较为智能测量，而且测量方法局限，精度不高，容易受现场环境干扰，没有就地显示，缺乏故障现场巡检人员测量之后对比后对装置运行是否正常的判断，而且也无法对现场装置进行操作，无法达到的实时监测功能等。

发明内容

本发明为解决现有铁芯接地电流在线监测装置本身结构复杂、在现场运行时受外部电磁干扰较大以及无法准确实时反映铁芯接地电流数据等问题，提供一种集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置。

一种高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置，包括单磁芯双绕组电流互感器、数字电位器、单片机、锁相放大器、AD采集电路、双级滤波器、线性电源和触控显示屏；所述线性电源为所述在线监测装置供电；所述单磁芯双绕组电流互感器与两路数字电位器串联，采用单片机控制数字电位器的阻值，实现对不同量程电流的测量；所述两路数字电位器与锁相放大器连接，所述锁相放大器的输出端与AD采集电路连接；所述AD采集电路的通讯端与单片机连接，实现数据交互；所述双级滤波器的输出端与线性电源连接，所述触摸显示屏与单片机连接，实现人机交互；

所述线性电源分别为锁相放大器、AD采集电路、单片机以及双级滤波器提供电源；所述单磁芯双绕组电流互感器输出两路电流信号，一路电流信号作为参考信号，另一路电流信号作为测量信号，所述参考信号和测量信号同时通过锁相放大器，经锁相放大器输出的电流信号由AD采集电路采集，所述单片机对采集的数据采用动态模拟波形数据算法进行处理分析，获得电流测量数据；所述单片控制触控显示屏实时显示电流测量数据。

本发明的有益效果：

一、本发明采用了单磁芯双绕组电流互感器，串联接入数字电位器芯片，通过单片机控制数字电位器芯片阻值变化，实现不同量程的数据采集。利用锁相放大器对两个线圈输出的同步电流信号进行相关性处理，大幅度提高线圈电流信号采集信噪比，以达到宽量程电流高精度检测的目的。

二、采集电路的设计使用了±12V双电源对AD采集电路供电。采用两路运算放大器，通过高精度AD采集电路采集数据。利用动态模拟波形数据算法对采集数据进行处理分析，即可得到高精度的电流测量数据。

三、整个装置本身不受外部供电电流的冲击，设计输入电路时，加装了双级滤波器和线性电源模块。通过一个线性电源输出±12V和5V，给整个***提供了干净稳定的电源。

四、本发明采用单片机控制触控显示屏，将数据实时显示在触控显示屏，准确实现用户与监测装置的实时智能交互。可实时触控操作。有效降低成本的同时，也保证了变压器的正常运行。本装置可对外输出4-20mA信号和RS485信号，可与上位机实时对接，实现真正意义的在线监测***。

附图说明

图1为本发明所述的一种高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置的结构框图；

图2为本发明所述的一种高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置的原理图；

图3为本发明所述的一种高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置中锁相放大器的电路结构图。

图4为单磁芯双绕组互感器结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，一种高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置，采用单磁芯双绕组电流互感器，串联接入数字电位器芯片，通过单片机控制数字电位器芯片阻值变化，实现不同量程的数据采集，装置实际测量过程采用单磁芯双绕组电流互感器，利用锁相放大器一路作为参考，另一路作为实际信号采集，并输出和噪声无关的电流信号。装置对外输出4-20mA电流信号与RS485通讯信号，与后台服务器相连，组成可远传的在线监测***。

具体包括单磁芯双绕组电流互感器、数字电位器、单片机、锁相放大器、AD采集电路、双级滤波器、线性电源和触控显示屏；所述线性电源模块为所述在线监测装置供电；

所述单磁芯双绕组电流互感器与两路数字电位器串联，采用单片机控制数字电位器的阻值，实现对不同量程电流的测量；所述两路数字电位器与锁相放大器连接，所述锁相放大器的输出端与AD采集电路连接；所述AD采集电路的通讯端与单片机连接，实现数据交互；所述双级滤波器的输出端与线性电源模块连接，所述触摸显示屏与单片机连接，实现人机交互；

所述线性电源为AC/DC电源模块，分别为锁相放大器、AD采集电路、单片机以及双级滤波器提供电源；

所述单磁芯双绕组电流互感器输出两路电流信号，一路电流信号作为参考信号，另一路电流信号作为测量信号，所述参考信号和测量信号同时通过锁相放大器，经锁相放大器输出的电流信号由AD采集电路采集，所述单片机对采集的数据采用动态模拟波形数据算法进行处理分析，获得电流测量数据；所述单片控制触控显示屏实时显示电流测量数据。

本实施方式中，所述动态模拟波形数据算法进行处理分析的具体过程为：在一定时间内采集多个数据，将采集的多个数据进行平滑处理，先将第1个数据到第10个数据的平均数作为第1个数，以此类推，第二步：将第一步的得到的数据从中等间隔选取3个数据作为参考点X1,X2,X3，以这三个点为基础，进行曲线拟合，这样可以将电路信号的干扰消除掉。

结合图2说明本实施方式，本实施方式中，所述锁相放大器包括所述锁相放大器包括第一带通滤波器、第二带通滤波器、乘法器、积分器、移相器和低通滤波器；

所述测量信号和参考信号分别通过第一带通滤波器和第二带通滤波器进行处理，经处理后的参考信号进入移相器，所述移相器将参考信号向前或向后移动一个固定的相位，获得与经过处理后的测量信号的相位和频率相同的正弦信号，一些干扰信号即被滤掉；将两个所述相位和频率相同的正弦信号采用乘法器相乘，获得具有直流偏量的正弦信号，所述具有直流偏量的正弦信号经积分器和低通滤波器滤波后，输出与噪声无关的电流测量数据。

本实施方式中，两个正弦信号，频率都为1Hz，0度相位差，用乘法器相乘得到的结果是一个有直流偏量的正弦信号。如果是一个50Hz和一个51Hz的信号相乘，用乘法器相乘得到的结果是轮廓为正弦的调制信号，直流偏量为0。只有与参考信号频率完全一致的信号才能在乘法器输出端得到直流偏量，其他信号在输出端都是交流信号。在乘法器的输出端加一个带通滤波器，那么所有的交流信号分量全部被滤掉，剩下的直流分量就只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。

所述的移相器把参考信号向前或者向后移动一个固定的相位，使其和被测信号的相位完全一致，只有参考信号和被测信号的频率和相位完全一致时，经过乘法器和积分器后输出才和输入线性相关。

本实施方式的电路设计，直接解决了因现场环境而影响设备测量精度的问题，抗干扰性提高，两路信号相互参考得到准确的变压器铁芯接地电流信号。

结合图2和图3说明本实施方式，变压器铁芯接地线穿过单磁芯双线圈电流互感器，其感应电流输出线串接了数字电位器芯片(Rp1，Rp2)，通过单片机控制，Rx1抽头在Rp1滑动，Rx2抽头在Rp2滑动使电阻值在0-1k变化，电阻的阻值与参数仅仅是为了举例说明问题，实际上可根据需要调整。根据被测电流I0的不同，选择合理的电阻值：

当0A＜I0≤10A时，电流互感器输出Ia匝数比位1000:1的线圈，Ib匝数比位100:1的线圈；互感器输出电流感应电流Ia为0-10mA，Ib为0-100mA；

0-10mA电流接入数字电位器芯片的阻值发生相应的变化，0＜I2≤1mA时，数字电位器芯片阻值接入1KΩ，1＜I2≤5mA时，数字电位器芯片阻值接入200Ω，5＜I2≤10mA时，数字电位器芯片阻值接入100Ω。

经分析，本实施方式采用的高精度数字电位器，具有导通电阻小，导通电流大的特点。输入电流为10A时，数字电位器电阻最小，是100Ω，输入电流为10A时，数字电位器电阻最大，是1K，能满足使用要求。

现有换挡方案串联接入的电阻全都是固定的，由于测量量程范围较大，限制了电阻的阻值，由于接入的取样电阻无法改变，在小电流通过情况下，取样电阻分压较小，这样无法准确采集数据，所以无法在不同测量电流下取得最好的测量精度；而且在测量电流较小时，测量的线性度较差，这样对数据的处理增加难度。

在测量电流100mA以下时，本实施方式的数字电位器芯片接入的电阻是1K，产生的电压信号也是提高数倍。相当于传感器的原始输出信号提高数倍，测量精度当然会更高。现有的电路设计采用的自行换档采用多路采集口，本实施方式采用数字电位器自动调节电阻阻值，对于不同的电流用不同的线圈绕组输出和数字电位器来构成不同的分量程测量方案。

本实施方式中的测量变压器铁芯接地电流的互感器采用了单磁芯双绕组原理技术：一个磁芯，两个绕组。电流通过互感器获得两组相位相关，频率相同的两路关联正弦信号，输入锁相放大器，进行相关性处理，可以大幅度衰减非相关的噪声信号。

本实施方式的触控显示屏为智能触控显示交互界面；通过RS485总线采用标准Modbus通讯协议对外进行数据交换；如同功能完整的在线监测***一样，对装置进行各种操作：包括电流校准、波特率设置、设备号修改，以及各种参数设置。通过可视化触摸显示操作界面，这样在巡检的过程当中可以比较直观的看到变压器铁芯接地电流的情况。

本实施方式所述的在线监测装置采用模拟与数字分开供电，保证交流电压的模拟数字互不干扰，设定基准电压，大幅度降低测信号得干扰。采用高精度AD转换器，获得更高的分辨率与更高的测量精度。在测量信号经过锁相放大器之后，数字分辨率不仅完全能满足要求，还有足够大的分辨率余量。为整个***的综合精度提供了充足保障。

本实施方式所述的监测装置通过单片机控制输出电路，对外输出的4-20mA信号、RS485信号和继电器报警信号，可配合专业仪表使用，亦可与PC服务器组成完整的变压器铁芯接地电流在线***。当变压器铁芯接地电流超出预设定报警电流数据(500mA，具体数据可以随意更改)，通过的两路报警继电器实时动作，监测装置即发出电流超标报警信号。

以上所述，仅为本发明实施方式的示例，但本发明的保护范围并不局限于此。本发明的技术方案也可用于普通电流互感器接地电流在线监测装置上，或者说可用于任何用电流输出型传感器的测量装置上。均可用本发明方案来简化结构、降低成本、提高精度。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置，包括单磁芯双绕组电流互感器、数字电位器、单片机、锁相放大器、AD采集电路、双级滤波器、线性电源和触控显示屏；其特征是：

所述单磁芯双绕组电流互感器与两路数字电位器串联，采用单片机控制数字电位器的阻值，实现对不同量程电流的测量；所述两路数字电位器与锁相放大器连接，所述锁相放大器的输出端与AD采集电路连接；所述AD采集电路的通讯端与单片机连接，实现数据交互；所述双级滤波器的输出端与线性电源连接，所述触摸显示屏与单片机连接，实现人机交互；

所述线性电源分别为锁相放大器、AD采集电路、单片机以及双级滤波器提供电源；

所述单磁芯双绕组电流互感器输出两路电流信号，一路电流信号作为参考信号，另一路电流信号作为测量信号，所述参考信号和测量信号同时通过锁相放大器，经锁相放大器输出的电流信号由AD采集电路采集，所述单片机对采集的数据采用动态模拟波形数据算法进行处理分析，获得电流测量数据；所述单片控制触控显示屏实时显示电流测量数据。

2.根据权利要求1所述的高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置，其特征在于：所述锁相放大器包括第一带通滤波器、第二带通滤波器、乘法器、积分器、移相器和低通滤波器；

所述测量信号和参考信号分别通过第一带通滤波器和第二带通滤波器进行处理，经处理后的参考信号进入移相器，所述移相器将参考信号向前或向后移动一个固定的相位，获得与经过处理后的测量信号的相位和频率相同的正弦信号，将两个所述相位和频率相同的正弦信号采用乘法器相乘，获得具有直流偏量的正弦信号，所述具有直流偏量的正弦信号经积分器和低通滤波器滤波后，输出电流信号。

3.根据权利要求1所述的高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置，其特征在于：所述线性电源模块输出±12V和5V的电源。

4.根据权利要求1所述的高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置，其特征在于：所述触控显示屏为LCD显示屏。

5.根据权利要求1所述的高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置，其特征在于：还包括PC服务器，所述PC服务器与单片机连接，所述PC服务器对接收的数据进行解析，实现数据远传。

6.根据权利要求1所述的高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置，其特征在于：还包括两路报警继电器，所述报警继电器与单片机连接，当变压器铁芯接地电流超出设定的报警电流数据时，发出电流超标报警信号。

7.根据权利要求6所述的高集成变压器铁芯接地电流智能在线监测装置，其特征在于：设定的报警电流数据500mA。