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[摘 要]电力变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，其是否安全稳定运行将影响到供电可靠性和系统的正常运行，因此，对电力变压器运行状态进行实时在线监测具有重要意义。在电力变压器运行过程中，本文设计了一种基于GSM无线传输技术的变压器铁芯接地电流在线监测系统，能够实现对变压器铁芯接地电流的实时或定时监测和历史数据的存储，当监测到接地电流超过国家标准后发出报警信号，并根据电流的大小实现限流电阻的自动投切，最终将接地电流限制在规程要求的范围内。
[关键词]变压器铁芯；接地电流；在线监测；无线通信
中图分类号：TM41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）36-0346-01
1 绪论
1.1 电力变压器在线监测的目的
电力变压器是电力系统最主要、最昂贵的设备之一，其是否安全稳定运行将影响到供电可靠性和系统的正常运行。但电力变压器的故障率较高，这不仅会极大的影响电力系统的安全运行，同时也会给电力企业和电力用户造成很大的经济损失。因此，对电力变压器运行状态进行实时在线监测具有重要意义。在线监测技术将在电力生产中起到非常重要的作用。其优点是显而易见的，可以更加有效地使用设备，提高设备的利用率；能够降低备件的库存量以及更换部件与维修所产生的费用；有目标的进行维修，可提高维修质量，使设备运行更安全、可靠；可更加系统准确地对设备制造单位反馈设备的质量信息，以提高产品的可靠性等。
1.2 本文研究的主要内容
电力变压器发生故障时，会有很多特征量表现出来，本文主要是针对接地电流进行专项研究。（1）对引起接地电流变化的原因进行分析；（2）如何实时而不失真的采集电流信号；（3）如何保证信号在传输、处理的过程中的真实可靠性；（4）信号传输方式、量程切换等处理。
2 变压器铁芯接地电流在线监测理论分析
2.1 铁芯接地
大中型变压器的铁芯都经过一只套管引至油箱体外部接地。这是因为电力变压器在正常运行时，绕组周围存在电场，而铁芯和夹件等金属构件处于该电场中，且场强各异，若铁芯不可靠接地，就会产生充放电现象，损坏其固体和油绝缘。因此铁芯必须有一点可靠接地。如果铁芯由于某种原因在某位置出现另一点接地时，形成闭合回路，则正常接地的引线上就会出现环流，这就是人们常说的铁芯多点接地故障。
2.2 在线监测系统
在变压器所处的恶劣的电磁环境中，设备要能够稳定可靠的工作。首先，经电流传感器获得电信号，该电信号含有噪声，经自动量程转换及滤波电路后得到比较精确的信号，再由A/D转换电路获得数字信号，进入CPU后，CPU根据用户程序将当前的电流值、量程、电流预警值等显示在LED上，用户通过键盘操作，可切换显示。而短信中心号、控制人员手机号预先保存在存储器上。该系统的通讯方式是采用基于GSM的无线通讯，即通过SIM卡将信息传送到用户手机上（如图1）。
3 电力变压器铁芯接地电流在线监测系统
3.1 信号的提取部分
在线监测系统在提取监测信号时应保证尽量不改变设备的运行接线状态，因此，将电流信号的取样点选择在变压器铁芯外引接线处，选择电流传感器作为信号提取单元。（1）电流传感器单元。遵循以下原则：安全性、可靠性、准确性、方便性、经济性。互感型的电流传感器广泛应用于在线监测技术。（2）限流电阻投切单元。当变压器发生多点接地故障时，可采用临时措施保证变压器继续运行，即在铁芯外引接地线上串接一个合适的电阻，达到减小铁芯接地电流的目的。但此方法只能作为应急措施，最终还是需要真正排除故障。
3.2 信号预处理部分
（1）对于从电流传感器中取得的信号，应保证传送过程中不失真；（2）由于铁芯电流在变压器正常运行和故障时有较大差别，为保证准确性应采取量程的切换；（3）各个环节的衔接处，为保证信号都在输入范围内，要对信号进行适当的放大或缩小；（4）传感器获得的信号包含许多高频分量，而这些分量是监测系统不需要的，故要进行滤波处理。
3.2.1 抗电磁干扰。预处理部分一般应安排在数据采集之前，甚至有时它与传感器安排在一起，即采用就地处理的方式，这样可大大削弱信号传输过程中受到的干扰影响。将铁芯电流分为100mA、1A、10A三个档，分别用三个长线传送器进行传送，这样便可大大提高测量的准确度。
3.2.2 多路模拟开关。考虑到铁芯电流数量级的差异性，为保证所采集信号在进行数据处理时的精确性，本设计采用多路模拟开关进行量程的自动切换。在上文中已经提到，量程切换共分三档，基本满足了铁芯电流的需要。多路模拟开关与后面的程控增益放大器构成了量程自动切换电路。系统要求在任一时刻，多路模拟开关只允许电流通过一路到运放。
3.2.3 程控放大器。程控放大器是指可以通过软件改变增益的放大器，它与ADC相配合，可以自动适应大范围变化的模拟信号电平。
3.2.4 滤波器。正常情况下，由于铁芯电流信号很微弱，故现场干扰相对很严重。据研究，现场干扰多集中在200KHz以上的较高频率，因此本设计采用了高阶有源低通滤波器。在信号处理部分根据输入信号的强弱分成两路。
3.3 数据采集部分
该系统的数据采集部分以STC89C58单片机为核心，以MAX197为A/D转换器，LED显示模块可以显示采集系统的当前状态、采集的数据等内容。键盘可以实现短信中心号码、电流报警范围等参數的设置和调整。
3.4 信号传输部分
该部分主要由GSM模块组成。GSM网络已在全国范围内实现了联网和漫游，网络性强，用户无需另外组网而花费大量资金。结构中应用GSM系统中的SMS来实现数据传送，当现场数据量不大时，SMS是一种很合适的传送方式。
4 结论
本系统设计实现了一种基于GSM通信的电力变压器铁芯接地电流在线监测系统，主要做几方面的工作：（1）选用高性能电流传感器，实现了数据的准确获取；（2）设计使用多量程自动切换装置，调节信号幅度，保证数据的精确性；（3）防止电磁干扰，选用屏蔽箱和屏蔽电缆；（4）键盘显示部分设计人性化；（5）无线传输模块使装置能够在不建设新通信网络的情况下，保证几乎无误的传送信息。另一方面，这种方法以系统的设计和所采用的虚拟仪器为基础，这会在一定程度上限制该方法的应用推广，因此需要进行进一步的研究试验。
参考文献
[1] 王昌长等.电力设备的在线监测与故障诊断，清华大学出版社，2006.
[2] 陈刚.基于无线传输的变压器铁芯接地监测系统的设计[J]，计算机测量与控制，2008，（16）.
[关键词]变压器铁芯；接地电流；在线监测；无线通信
中图分类号：TM41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）36-0346-01
1 绪论
1.1 电力变压器在线监测的目的
电力变压器是电力系统最主要、最昂贵的设备之一，其是否安全稳定运行将影响到供电可靠性和系统的正常运行。但电力变压器的故障率较高，这不仅会极大的影响电力系统的安全运行，同时也会给电力企业和电力用户造成很大的经济损失。因此，对电力变压器运行状态进行实时在线监测具有重要意义。在线监测技术将在电力生产中起到非常重要的作用。其优点是显而易见的，可以更加有效地使用设备，提高设备的利用率；能够降低备件的库存量以及更换部件与维修所产生的费用；有目标的进行维修，可提高维修质量，使设备运行更安全、可靠；可更加系统准确地对设备制造单位反馈设备的质量信息，以提高产品的可靠性等。
1.2 本文研究的主要内容
电力变压器发生故障时，会有很多特征量表现出来，本文主要是针对接地电流进行专项研究。（1）对引起接地电流变化的原因进行分析；（2）如何实时而不失真的采集电流信号；（3）如何保证信号在传输、处理的过程中的真实可靠性；（4）信号传输方式、量程切换等处理。
2 变压器铁芯接地电流在线监测理论分析
2.1 铁芯接地
大中型变压器的铁芯都经过一只套管引至油箱体外部接地。这是因为电力变压器在正常运行时，绕组周围存在电场，而铁芯和夹件等金属构件处于该电场中，且场强各异，若铁芯不可靠接地，就会产生充放电现象，损坏其固体和油绝缘。因此铁芯必须有一点可靠接地。如果铁芯由于某种原因在某位置出现另一点接地时，形成闭合回路，则正常接地的引线上就会出现环流，这就是人们常说的铁芯多点接地故障。
2.2 在线监测系统
在变压器所处的恶劣的电磁环境中，设备要能够稳定可靠的工作。首先，经电流传感器获得电信号，该电信号含有噪声，经自动量程转换及滤波电路后得到比较精确的信号，再由A/D转换电路获得数字信号，进入CPU后，CPU根据用户程序将当前的电流值、量程、电流预警值等显示在LED上，用户通过键盘操作，可切换显示。而短信中心号、控制人员手机号预先保存在存储器上。该系统的通讯方式是采用基于GSM的无线通讯，即通过SIM卡将信息传送到用户手机上（如图1）。
3 电力变压器铁芯接地电流在线监测系统
3.1 信号的提取部分
在线监测系统在提取监测信号时应保证尽量不改变设备的运行接线状态，因此，将电流信号的取样点选择在变压器铁芯外引接线处，选择电流传感器作为信号提取单元。（1）电流传感器单元。遵循以下原则：安全性、可靠性、准确性、方便性、经济性。互感型的电流传感器广泛应用于在线监测技术。（2）限流电阻投切单元。当变压器发生多点接地故障时，可采用临时措施保证变压器继续运行，即在铁芯外引接地线上串接一个合适的电阻，达到减小铁芯接地电流的目的。但此方法只能作为应急措施，最终还是需要真正排除故障。
3.2 信号预处理部分
（1）对于从电流传感器中取得的信号，应保证传送过程中不失真；（2）由于铁芯电流在变压器正常运行和故障时有较大差别，为保证准确性应采取量程的切换；（3）各个环节的衔接处，为保证信号都在输入范围内，要对信号进行适当的放大或缩小；（4）传感器获得的信号包含许多高频分量，而这些分量是监测系统不需要的，故要进行滤波处理。
3.2.1 抗电磁干扰。预处理部分一般应安排在数据采集之前，甚至有时它与传感器安排在一起，即采用就地处理的方式，这样可大大削弱信号传输过程中受到的干扰影响。将铁芯电流分为100mA、1A、10A三个档，分别用三个长线传送器进行传送，这样便可大大提高测量的准确度。
3.2.2 多路模拟开关。考虑到铁芯电流数量级的差异性，为保证所采集信号在进行数据处理时的精确性，本设计采用多路模拟开关进行量程的自动切换。在上文中已经提到，量程切换共分三档，基本满足了铁芯电流的需要。多路模拟开关与后面的程控增益放大器构成了量程自动切换电路。系统要求在任一时刻，多路模拟开关只允许电流通过一路到运放。
3.2.3 程控放大器。程控放大器是指可以通过软件改变增益的放大器，它与ADC相配合，可以自动适应大范围变化的模拟信号电平。
3.2.4 滤波器。正常情况下，由于铁芯电流信号很微弱，故现场干扰相对很严重。据研究，现场干扰多集中在200KHz以上的较高频率，因此本设计采用了高阶有源低通滤波器。在信号处理部分根据输入信号的强弱分成两路。
3.3 数据采集部分
该系统的数据采集部分以STC89C58单片机为核心，以MAX197为A/D转换器，LED显示模块可以显示采集系统的当前状态、采集的数据等内容。键盘可以实现短信中心号码、电流报警范围等参數的设置和调整。
3.4 信号传输部分
该部分主要由GSM模块组成。GSM网络已在全国范围内实现了联网和漫游，网络性强，用户无需另外组网而花费大量资金。结构中应用GSM系统中的SMS来实现数据传送，当现场数据量不大时，SMS是一种很合适的传送方式。
4 结论
本系统设计实现了一种基于GSM通信的电力变压器铁芯接地电流在线监测系统，主要做几方面的工作：（1）选用高性能电流传感器，实现了数据的准确获取；（2）设计使用多量程自动切换装置，调节信号幅度，保证数据的精确性；（3）防止电磁干扰，选用屏蔽箱和屏蔽电缆；（4）键盘显示部分设计人性化；（5）无线传输模块使装置能够在不建设新通信网络的情况下，保证几乎无误的传送信息。另一方面，这种方法以系统的设计和所采用的虚拟仪器为基础，这会在一定程度上限制该方法的应用推广，因此需要进行进一步的研究试验。
参考文献
[1] 王昌长等.电力设备的在线监测与故障诊断，清华大学出版社，2006.
[2] 陈刚.基于无线传输的变压器铁芯接地监测系统的设计[J]，计算机测量与控制，2008，（16）.