（山东五岳电器有限公司 山东泰安 271000）
摘要：文章对变压器铁心接地监测系统的主体结构与运行原理进行了阐述；从系统硬件、系统软件以及无线传输模块三个部分入手，对面向无线传输的变压器铁心接地监测系统的设计策略进行了分析。
关键词：电力变压器；电器设备；电流传感器
引言
作为电力系统的核心设备之一，电力变压器投用质量与电力系统运行的稳定性与安全性密切相关。据有关调查显示，铁心接地故障是电力变压器最常见的事故来源。
1 变压器铁心接地监测系统的结构原理
在正常情况下，电力变压器的接地方式为单点接地。一旦变压器的接地点增多，其铁心将会与接触地面构成回路结构，进而在电磁感应作用下产生异常的环流电流，导致变压器铁心因电流负荷量超过承载阈值而出现局部过热的情况，最终引发铁心乃至变压器整体的损耗、烧毁等故障问题，对电器设备、电力系统的稳定运行产生影响。基于此，设计出可动态监测变压器铁心接地状态的监测系统，具有重要的现实意义[1]。
为了满足防控多点接地、限制接地电流、传输监测信息等功能需求，相关人员应在变压器铁心接地监测系统的结构设计中落实电流监测、无线传输、上位机控制等模块部分。在变压器铁心接地监测系统的投用过程中，其工作原理如下：
（1）通过电流传感装置，对变压器铁心的接地电流信号进行动态采集，并将其转化输出为电压信号；（2）将电压信号输入A/D转换器中，从而获得数字信号，并输入DSP装置中作进一步处理，以此实现有价值数据信息的提取；（3）经由通信接口，将处理后的信号数据上传至无线输出模块，建立起下位机与上位机之间的通信连接；（4）上位机系统对无线接收的信号进行转化分析，并与变压器铁心的电流报警值作对比。现阶段，电流报警值主要采取国际标准，即变压器接地电流最大不可超过0.1A；（5）根据数据对比结果生成报警信号，并实施自动或手动的限流电阻投入手段，实现变压器铁心接地故障的有效处理与影响控制。
在结构设计过程中，为了保证上位机与下位机之间通信活动的稳定性与持续性，可将无线传输模块与系统主体进行相对独立设计，以应对无线模块故障、无线信道阻滞等特殊情况。
2 变压器铁心接地监测系统的硬件设计
变压器铁心接地监测系统的硬件系统主要包含电流传感器、信号处理电路、A/D信号转换装置、DSP数字信号处理装置、开关信号输出装置、信号放大器以及通信、时钟、显示、按键、存储等单元模块。设计思路如下：
2.1变压器铁心电流信号的采集与预处理设计
采集与预处理这一子系统的设计主要围绕电流传感器与信号处理电路两个部分进行。
变压器铁心接地监测系统并非服务于变压器整体运行状态的监测管理，而是针对“接地电流”这一具体数据，所以在设计中对传感器装置的功能全面性需求较低。但由于变压器铁心接地电流的数值通常较小（毫安级），因此对传感器装置的敏感度要求较高。基于此，可将坡莫合金作为传感器装置铁心设计的首选材料，其在1mA至1000mA的区间内具有可靠的线性度与灵敏度，与变压器铁心接地监测系统的运行需求相符合[2]。
为了保证传感器的信号采集效果，降低变压器运行过程中噪声对铁心接地电流的通信干扰程度，还需要建立信号放大电路与滤波处理电路。其中，信号放大电路为两级结构。第一级为固定增益的信号放大装置，以OP97型号为宜，其具备良好的阻抗与输出能力，不仅能对电流信号起到放大作用，还可实现传感器过电压的有效保护。第二级为程控增益的信号放大装置，以PGA203型号为宜，其可对信号实施1倍、2倍、4倍、8倍的可控增益，控制指令主要由单片机的I/O端口进行人工输入或自动生成；滤波处理电路以RC低通滤波装置为硬件核心，该装置可实现50Hz以上高频干扰信号的有效滤除，进而解决传感器输出、输入过程中的信号混叠问题。
2.2变压器铁心电流信号的转换设计
电流信号的数字化转换由A/D转换装置完成，可选用MAX125型号的转换器芯片，实现多信道背景下各类电流电压信号的同步处理。MAX125芯片的输入电压为±5V，单条信道的通信速率为250kHz左右，可满足变压器铁心接地监测系统的快速率、动态化运行需求。
此外，当A/D转换装置芯片引脚CONVEST的输入电平低于Vil时，A/D转换机制可自动运行，并在信号处理完成后及时发出DSP中断信号，达成有价值数字接地电流信号的缓冲区储存。
2.3变压器铁心接地结构的限流设计
限流单元是接地监测系统对变压器铁心实施保护反馈的重要基础，当铁心接地电流超出0.1A这一承载阈值时，监测系统可根据当前的电流数值，在变压器接地回路结构中投入一定量的限流电阻，从而暂时性地将铁心接地电流控制在合理范围内，避免铁心发生过热损耗的问题。在此过程中，主要通过DSP对继电器进行信号控制，以此实现电阻的及时投入与动态切断。
3 变压器铁心接地监测系统的软件设计
变压器铁心接地监测系统的软件设计主要围绕上位机这一监测控制主体进行，主要软件功能应包括电流信号监测、历史数据查询、下位机状态读取、变压器铁心状态读取等，并配备相应的操作界面与按键模块。在软件设计中，应重点关注以下两个技术的科学运用：
3.1串口通信技术
变压器铁心接地监测系统的串口通信技术以VISA结构为基础，对VISA库中的VISA Configure Serial Port接电、VISA Read接点、VISA Write、VISA Close接点等通讯函数进行应用，以此实现系统串口数据的读取、校验、传输与停止。通过这一技术应用方式，可在上位机系统与下位机之间建立起I/O接口通信，且具有低投入、设计简单等优势特点。
3.2报告生成技术
变压器铁心接地监测系统的报告生成技术以ActiveX技术为核心，可与其他文本软件进行联合运用，实现Word、Excel等不同格式报告文件的快速生成。在报告生成技术的支持下，变压器铁心接地电流的运行信息可以图片、表格、文字等多种方式被记录下来，并进行及时的通信传输与数据库存储。
4 变压器铁心接地监测系统的无线传输设计
在变压器铁心接地监测系统的无线传输模块设计中，可将单片射频收发的nRF905芯片作为首选，其可满足433MHz、868MHz以及915MHz三个频段的信号传输需求，工作电压在1.9V至3.6V的区间内。无线传输模块的信号发出结构可选用单端鞭状天线，此类天线的无线通信覆盖距离可达600m。
为了应对无线通信的故障问题，还应在无线传输模块中构建监控电路。监控电路可将MAX706作为处理器核心，其具备看门狗、自动复位、手动复位、电压监测等多种功能，可对无线传输模块的系统运行状态进行精准监控，进而及时输出异常通信情况下的警报信号，驱动变压器铁心接地监测系统进行通信模式的转换调整。此外，MAX706处理器还配备有独立性的门限监测模块，可对主控电源外的其他电源进行电压监测，从而进一步提高工作环境内电源电压的监控响应能力，及时完成无线通信装置及其电源的故障排查与信号传输。
在变压器铁心接地监测系统与无线传输模块之间，可将RS232作为通信接口，该接口的通信速率超过9600bps，可满足监测系统在无线信号传输速度上的运用需求。在设计中需要注意的是，RS232的通信速率较高，其输出的信号电压也相对较大，约在15V左右。因此，还需要引入MAX2321作为过渡接口，以此达成电平转换效果，将信号电压限制在5V以下。
结论
综上所述，将监测系统应用到变压器的运行管理当中，可有效实现变压器接地电流的动态监测、超限报警与影响控制。在设计工程中，相关人员应合理运用多种技术手段，搭建出传感器、上位机与无线传输模块协调运作的系统结构，以此提高监测系统对变压器铁心电流数据的采集与利用能力。
参考文献：
[1]房俊杰，曹启航，王建英.多类变压器智能监测系统的设计与实现[J].电子设计工程，2019，27（16）：136-140.
[2]丁永生，赵仰东，单清川.配电变压器油温油位一体化无源无线监测系统[J].测控技术，2019，38（06）：33-37.
作者简介：
李延彬（1990.12--）；性别：男，籍贯：山东泰安人，学历：本科，毕业于山东理工大学；现有职称：助理工程师；研究方向：工程技术。