一種變壓器過流保護系統的製作方法
2023-06-12 12:13:36
一種變壓器過流保護系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種變壓器過流保護系統，其包括信號採集單元、處理器和執行單元，信號採集單元用於獲得與接地電流大小對應的採樣電壓信號；處理器用於根據所述採樣電壓信號獲得接地電流值，並當所述接地電流值超過預設電流閾值時，所述處理器發出中止指令，所述執行單元中止變壓器運行。該變壓器過流保護系統可以避免變壓器損壞。
【專利說明】一種變壓器過流保護系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於變壓器領域，具體涉及一種變壓器過流保護系統。
【背景技術】
[0002]電力變壓器是電力系統中重要的電氣設備之一，如果電力變壓器出現故障，不僅會損壞電力變壓器自身，而且會對用戶造成損失，影響人們正常的生產和生活。為了防止電力變壓器出現故障而造成損失，通常將變壓器的鐵芯單點接地。電力變壓器正常運行時，接地電流在幾毫安到幾十毫安之間。電力變壓器出現故障時，接地電流會超過幾十安培。因此，通過測量接地電流的大小可以判斷電力變壓器運行是否正常。
[0003]在目前使用的變壓器過流保護系統中，當接地電流超過正常範圍時，變壓器過流保護系統發出警報，監控人員應檢查電力變壓器。影響接地電流變化的因素較多，接地電流出現波動的情況較為頻繁，而且很難定位引起接地電流波動的位置。因此，在實際應用中，儘管接地電流超過了正常範圍，而且變壓器過流保護系統也發出了報警，但監控人員無力排除故障，嚴重時會導致變壓器損壞。
實用新型內容
[0004]本實用新型要解決的技術問題就是針對現有變壓器過流保護系統中存在的上述缺陷，提供一種變壓器過流保護系統，其可以避免變壓器損壞。
[0005]為此，本實用新型提供一種變壓器過流保護系統，用於保護變壓器正常運行，包括:
[0006]信號採集單元，用於獲得與接地電流大小對應的採樣電壓信號；
[0007]處理器，用於根據所述採樣電壓信號獲得接地電流值，並當所述接地電流值超過預設電流閾值時，發出執行指令；
[0008]執行單元，用於根據所述處理器發出的所述執行指令執行相應的操作；
[0009]所述處理器在所述接地電流值超過預設電流閾值的時間大於預設時間時發出中止指令，所述執行單元中止變壓器運行。
[0010]其中，所述處理器在經過預設時間後發出運行指令，所述執行單元啟動變壓器。
[0011]其中，所述處理器在所述接地電流值超過所述預設電流閾值時發出報警指令，所述執行單元執行報警指令。
[0012]其中，還包括:
[0013]信號處理單元，用於處理所述採樣電壓信號；
[0014]採樣分析單元，用於獲得所述採樣電壓信號中基波和諧波的有效值和峰值，並獲得所述採樣信號的有效值和峰值。
[0015]其中，所述信號處理單元包括:
[0016]控制放大模塊，用於控制放大所述採樣電壓信號；
[0017]濾波模塊，用於對放大後的所述採樣電壓信號進行濾波。[0018]其中，所述採樣分析單元包括:
[0019]數據採樣模塊，用於獲得所述採樣電壓信號中基波和/或諧波的有效值和峰值；
[0020]數據分析模塊，用於根據基波和/或諧波的有效值和峰值獲得所述採樣電壓信號的有效值和峰值。
[0021 ] 其中，所述處理器根據所述採樣電壓信號的有效值和峰值獲得所述接地電流值。
[0022]其中，所述信號採集單元包括:
[0023]帶磁隙線圈，用於零磁通平衡和提供取樣空間；
[0024]磁傳感器，設於所述帶磁隙線圈的磁隙位置，通過感應磁隙位置的磁場而獲得感應電壓信號；
[0025]差動運算放大器，用於將所述感應電壓信號轉換成單端電壓信號；
[0026]電壓電流轉換單元，用於將所述單端電壓信號轉換成電流信號，並將所述電流信號輸入所述帶磁隙線圈的繞組內；
[0027]取壓電阻，串聯在所述帶磁隙線圈的繞組與地之間，用以獲得電阻電壓信號；
[0028]低噪聲運算放大器，其輸入端與所述取壓電阻遠離接地的一端連接，輸出端與所述信號處理單元連接，所述低噪聲運算放大器用於放大所述電阻電壓信號而獲得採樣電壓信號，以及提供阻抗轉換。
[0029]其中，所述磁傳感器為GMR磁傳感器TMR磁傳感器。
[0030]其中，還包括:
[0031]通訊單元，用於所述處理器與上位機或中央監控平臺之間的通訊；
[0032]電源管理單元，用於提供電能；
[0033]操控單元，用於提供人機互動的輸入接口 ；
[0034]顯示單元，用於提供人機互動的界面；
[0035]存儲單元，用於存儲所述採樣電壓信號的實時波形數據、採樣電壓信號的有效值和峰值、採樣電壓信號的基波和諧波的有效值和峰值。
[0036]本實用新型具有以下有益效果:
[0037]本實用新型提供的變壓器過流保護系統，處理器在接地電流值超過預設電流閾值，而且超過預設電流閾值的時間大於預設時間時發出中止指令，執行單元收到處理器的中止指令後中止變壓器的運行，這不僅有利於工作人員排除故障，而且有利於變壓器冷卻降溫，從而避免變壓器損壞。
[0038]由於變壓器溫度過高也會弓I起接地電流波動，優選地，在中止變壓器運行後，處理器經過預設時間後發出運行指令，執行單元重新啟動變壓器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]圖1為本實施例提供變壓器過流保護系統的原理框圖；
[0040]圖2為本實用新型實施例信號採集單元的原理圖；
[0041]圖3為本實用新型實施例信號處理單元的原理框圖；
[0042]圖4為本實用新型實施例採樣分析單元的原理框圖。
【具體實施方式】[0043]為使本領域的技術人員更好地理解本實用新型的技術方案，下面結合附圖對本實用新型提供的變壓器過流保護系統進行詳細描述。
[0044]如圖1所示，變壓器過流保護系統包括信號採集單元1、信號處理單元2、採樣分析單元3、處理器4和執行單元5。
[0045]其中，信號採集單元I用於獲得接地電流大小對應的採樣電壓信號。信號處理單元2用於對採樣電壓信號進行處理。採樣分析單元3用於獲得採樣電壓信號中基波和/或諧波的有效值和峰值，並獲得採樣信號的有效值和峰值。處理器4用於根據採樣電壓信號的有效值和峰值獲得接地電流值，並比較接地電流與預設電流閾值，當接地電流值超過預設電流閾值時，發出執行指令。執行單元5用於根據處理器發出的執行指令執行相應的操作。執行單元5包括報警模塊和/或中止模塊。報警模塊執行報警指令，中止模塊執行中止指令和啟動指令。
[0046]信號採集單元I採用閉環反饋的磁平衡電流測量模式，這種測量方式隔離度高，靈敏度高，線性度好，動態範圍大。如圖2所示，信號採集單元I包括帶磁隙線圈11、磁傳感器12、差動運算放大器13、電壓電流轉換單元14、取壓電阻15和低噪聲運算放大器16。
[0047]其中，帶磁隙線圈11用於零磁通平衡和提供取樣空間。帶磁隙線圈11包括磁芯111和纏繞在磁芯111外圍的繞組112，磁芯111上設有磁隙113。其中，磁芯111採用高導磁率材料製作，繞組112的匝數在1000?3000匝之間，磁隙的寬度小於5mm。使用時，鐵芯接地導線穿過帶磁隙線圈11的中心，即將帶磁隙線圈11套置於鐵芯接地導線的外側。為便於安裝，帶磁隙線圈11採用分體結構，即帶磁隙線圈11由兩部分組成。使用時，將兩部分固定在一起，形成帶隙螺旋線圈11。
[0048]磁傳感器12設置於帶磁隙線圈11的磁隙113位置，用於通過感應磁隙位置的磁場而獲得感應電壓信號。磁傳感器12可以採用GMR磁傳感器或TMR磁傳感器。GMR磁傳感器包括由磁感應膜構成的惠斯通電橋或由磁感應膜構成的阻抗元件。GMR磁傳感器或TMR磁傳感器靈敏度高、線性度好、動態範圍大、頻率響應快和溫度穩定性好。
[0049]差動運算放大器13用於將感應電壓信號轉換成單端電壓信號。差動運算放大器13採用低噪聲零漂移差動運算放大器。
[0050]電壓電流轉換單元14用於將單端電壓信號轉換成電流信號，並與帶磁隙線圈11的繞組112電連接，以將電流信號輸入帶磁隙線圈11的繞組112內。
[0051]取壓電阻15串聯在帶磁隙線圈的繞組與地之間，用以獲得電阻電壓信號。本實施例取壓電阻15的阻值為100歐，精度為0.1%。由於所測信號範圍為0.1mA?10A，若繞組112的匝數為1000圈，繞組112內的驅動電流範圍為0.1 μ A?10mA，那麼電路中的噪聲電流不大於0.1 μ A，電壓噪聲不大於10uV。因此，在選用器件時應滿足上述兩個條件。
[0052]低噪聲運算放大器16的輸入端與取壓電阻15遠離接地的一端連接，低噪聲運算放大器16的輸出端作為信號採集單元I的輸出端與信號處理單元2 (圖1中示出)連接，低噪聲運算放大器16用於放大電阻電壓信號以獲得採樣電壓信號，以及提供阻抗轉換。
[0053]結合參考圖1和圖3所示，信號處理單元2包括控制放大模塊21和濾波模塊22。其中，控制放大模塊21用於控制放大信號採集單元I獲得的採樣電壓信號。控制放大模塊21的放大倍數可根據需要設為I倍或100倍。
[0054]濾波模塊22用於對放大後的採樣電壓信號進行濾波。濾波模塊22濾除帶外噪聲，提高信噪比。如採用4階巴特沃茲有源濾波器，帶寬範圍為IOHz?5kHz。濾波模塊22將信號按比例縮小後輸出到採樣分析單元3。
[0055]結合參考圖1和圖4所示，採樣分析單元3包括數據採樣模塊31和數據分析模塊32。其中，數據採樣模塊31用於獲得採樣電壓信號中基波和/或諧波的有效值和峰值，並獲得實時波形數據。數據分析模塊32，用於根據基波和/或諧波的有效值和峰值獲得採樣電壓信號的有效值和峰值。即數據分析模塊32接收數據採樣模塊31實時波形數據後，進行FFT變換和頻域分析，分別得出採樣電壓信號總的有效值(包括採樣電壓信號的有效值和/或峰值)，並將分析獲得的有效值傳輸至處理器4。採樣分析單元3可以採用DSP器件，也可以採用專用器件ADE7880，ADE7880器件分別有三路電壓測量通道和三路電流測量通道，通道內有PGA和數字濾波器。ADE7880器件內嵌運算器計算信號的有效值、基波有效值和各次諧波的有效值，並能將原始信號波形數據輸出。
[0056]處理器4根據採樣電壓信號的有效值和峰值獲得鐵芯接地電流值，比較接地電流和預設電流閾值，若接地電流超過預設電流閾值，則發出報警指令，由報警模塊執行報警指令，監控人員排查故障。當接地電流值超過預設電流閾值的時間大於預設時間(如24小時)時，處理器4發出中止指令，執行單元5中止變壓器運行，即切斷變壓器的輸入端。中止變壓器運行，不僅有利於工作人員排除故障，而且有利於變壓器冷卻降溫，從而避免變壓器損壞。
[0057]由於變壓器溫度過高也會引起接地電流波動，優選地，在中止變壓器運行時，處理器4經過預設時間後發出重新運行指令，執行單元5重新啟動變壓器。在本實施例中，處理器4可採用各類型的MCU，也可採用成本和功耗較低的由ST公司生產的型號為STM32F103的處理器。
[0058]如圖1所示，鐵芯接地電流在線監控設備還包括:
[0059]通訊單元6，用於處理器4與上位機或中央監控平臺之間的通訊。通訊單元6使鐵芯接地電流在線監控設備與上位機或中央監控平臺進行通訊，以便於遠程控制，如傳遞採集的數據以及配置數據。通訊單元6可採用RS485通訊模式或GPRS通訊模式。通過通訊單元6可將數據定時上傳，並能實時監控。
[0060]電源管理單元7，用於對鐵芯接地電流在線監控設備中各部件提供電能，如採用220Vac的電源輸入提供，或由太陽能電池提供。
[0061]操控單元8，用於提供人機互動的輸入接口，如採用操控鍵盤進行功能選擇，或輸入配置數據。
[0062]顯示單元9，用於提供人機互動的界面。顯示單元9採用圖形點陣模式的液晶模塊或OLED模塊。本實施例採用OLED顯示模塊，其工作溫度範圍較寬，視角寬，顯示清晰。
[0063]存儲單元10，用於存儲所述採樣電壓信號的實時波形數據、採樣電壓信號的有效值和峰值、採樣電壓信號的基波和諧波的有效值和峰值。存儲單元10採用16Mbit的FLASH存儲器。
[0064]本實施例提供的變壓器過流保護系統，處理器在接地電流值超過預設電流閾值，而且超過預設電流閾值的時間大於預設時間時發出中止指令，執行單元收到處理器的中止指令後中止變壓器的運行，這不僅有利於工作人員排除故障，而且有利於變壓器冷卻降溫，從而避免變壓器損壞。[0065]可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本實用新型的原理而採用的示例性實施方式，然而本實用新型並不局限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本實用新型的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種變壓器過流保護系統，用於保護變壓器正常運行，包括: 信號採集單元，用於獲得與接地電流大小對應的採樣電壓信號； 處理器，用於根據所述採樣電壓信號獲得接地電流值，並當所述接地電流值超過預設電流閾值時，發出執行指令； 執行單元，用於根據所述處理器發出的所述執行指令執行相應的操作； 其特徵在於，所述處理器在所述接地電流值超過預設電流閾值的時間大於預設時間時發出中止指令，所述執行單元中止變壓器運行。
2.根據權利要求1所述的變壓器過流保護系統，其特徵在於，所述處理器在經過預設時間後發出運行指令， 所述執行單元啟動變壓器。
3.根據權利要求1所述的變壓器過流保護系統，其特徵在於，所述處理器在所述接地電流值超過所述預設電流閾值時發出報警指令，所述執行單元執行報警指令。
4.根據權利要求1所述的變壓器過流保護系統，其特徵在於，還包括: 信號處理單元，用於處理所述採樣電壓信號； 採樣分析單元，用於獲得所述採樣電壓信號中基波和諧波的有效值和峰值，並獲得所述採樣信號的有效值和峰值。
5.根據權利要求4所述的變壓器過流保護系統，其特徵在於，所述信號處理單元包括: 控制放大模塊，用於控制放大所述採樣電壓信號； 濾波模塊，用於對放大後的所述採樣電壓信號進行濾波。
6.根據權利要求5所述的變壓器過流保護系統，其特徵在於，所述採樣分析單元包括: 數據採樣模塊，用於獲得所述採樣電壓信號中基波和/或諧波的有效值和峰值； 數據分析模塊，用於根據基波和/或諧波的有效值和峰值獲得所述採樣電壓信號的有效值和峰值。
7.根據權利要求6所述的變壓器過流保護系統，其特徵在於，所述處理器根據所述採樣電壓信號的有效值和峰值獲得所述接地電流值。
8.根據權利要求4所述的變壓器過流保護系統，其特徵在於，所述信號採集單元包括: 帶磁隙線圈，用於零磁通平衡和提供取樣空間； 磁傳感器，設於所述帶磁隙線圈的磁隙位置，通過感應磁隙位置的磁場而獲得感應電壓信號； 差動運算放大器，用於將所述感應電壓信號轉換成單端電壓信號； 電壓電流轉換單元，用於將所述單端電壓信號轉換成電流信號，並將所述電流信號輸入所述帶磁隙線圈的繞組內； 取壓電阻，串聯在所述帶磁隙線圈的繞組與地之間，用以獲得電阻電壓信號； 低噪聲運算放大器，其輸入端與所述取壓電阻遠離接地的一端連接，輸出端與所述信號處理單元連接，所述低噪聲運算放大器用於放大所述電阻電壓信號而獲得採樣電壓信號，以及提供阻抗轉換。
9.根據權利要求8所述的變壓器過流保護系統，其特徵在於，所述磁傳感器為GMR磁傳感器TMR磁傳感器。
10.根據權利要求1所述的變壓器過流保護系統，其特徵在於，還包括: 通訊單元，用於所述處理器與上位機或中央監控平臺之間的通訊；電源管理單元，用於提供電能； 操控單元，用於提供人機互動的輸入接口 ； 顯示單元，用於提供人機互動的界面； 存儲單元，用於存儲所述採樣電壓信號的實時波形數據、採樣電壓信號的有效值和峰值、採樣電壓信號的 基波和諧波的有效值和峰值。
【文檔編號】H02H7/04GK203761026SQ201420026389
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月16日 優先權日:2014年1月16日
【發明者】時啟猛, 劉樂傑, 王春華, 孫建宇 申請人:北京嘉嶽同樂極電子有限公司