文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2015)05-0067-03
0 引言
變壓器直流偏磁是指交直流并列運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)在直流輸電發(fā)生故障或單極閉鎖時(shí),，在換流站周圍區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生地表電流，與其并行運(yùn)行的交流輸電系統(tǒng)中聯(lián)絡(luò)變壓器會(huì)受到干擾,，變壓器接地中性點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生直流分量[1],。直流偏磁發(fā)生時(shí)，變壓器運(yùn)行聲音變大,，振動(dòng)加劇,，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使變壓器鐵芯極度飽和，局部過(guò)熱導(dǎo)致變壓器損壞,。變壓器直流偏磁嚴(yán)重時(shí)也會(huì)使電網(wǎng)電壓下降,，電容器組過(guò)載，繼電保護(hù)誤動(dòng)作,，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生危害[2],。快速,、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)變壓器直流偏磁是降低直流偏磁對(duì)設(shè)備,、系統(tǒng)危害的關(guān)鍵。
目前,，對(duì)變壓器偏磁研究主要集中在中性點(diǎn)電流分析上,。文獻(xiàn)[3]在天廣直流模型基礎(chǔ)上，對(duì)直流偏磁進(jìn)行建模仿真,。文獻(xiàn)[4]利用在變壓器中性點(diǎn)加裝電流互感器的方式監(jiān)測(cè)直流偏磁,，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出變壓器直流偏磁，并送至監(jiān)控系統(tǒng)上。文獻(xiàn)[5]對(duì)變壓器偏磁發(fā)生時(shí)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,，理論上證實(shí)可以利用振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)變壓器偏磁,。但是，基于檢測(cè)中性點(diǎn)電流或在本體上安裝振動(dòng)傳感器的直流偏磁報(bào)警裝置具有如下缺點(diǎn)：(1)成本高,。設(shè)備由霍爾電流互感器,、現(xiàn)地監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,、通信模塊等構(gòu)成,，因此造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高,；(2)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控需要長(zhǎng)距離布線,。大型變壓器通常是在遠(yuǎn)離監(jiān)控系統(tǒng)的戶外運(yùn)行，如果要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,，需要長(zhǎng)距離布線和安裝中繼器等設(shè)備,；(3)影響變壓器正常運(yùn)行。設(shè)備安裝在變壓器本體或中性點(diǎn)引出線,，安裝時(shí)變壓器需停運(yùn),，設(shè)備發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)影響變壓器正常運(yùn)行。
針對(duì)上述問(wèn)題,，本文通過(guò)采用變壓器偏磁聲音變大這一特征獲取聲音信號(hào),，當(dāng)變壓器運(yùn)行聲音超過(guò)設(shè)定的門限值后，由GSM模塊發(fā)送短消息到值班員手機(jī)上,，達(dá)到快速報(bào)警的目的,。設(shè)備不需安裝在變壓器本體，其安裝與維護(hù)不影響變壓器正常運(yùn)行,。
1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
裝置由聲音采集模塊,、S7-200PLC、TC35模塊三部分組成（如圖1所示）,。聲音采集模塊中聲控開(kāi)關(guān)常開(kāi)接點(diǎn)接到S7-200PLC輸入點(diǎn)I0.0,，S7-200PLC的Port0口通過(guò)PC/PPI電纜與TC35模塊連接。所有模塊集中安裝在一個(gè)箱體中,，裝置面板有電源指示燈和偏磁報(bào)警指示燈,。正常工作時(shí)電源指示燈亮，當(dāng)檢測(cè)到變壓器有偏磁現(xiàn)象時(shí),，偏磁報(bào)警指示燈亮,，方便巡檢人員現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)變壓器偏磁。
1.1 聲音采集模塊構(gòu)成
聲音采集模塊由電源電路,、語(yǔ)音電路,、單片機(jī)模擬電路,、繼電器電路組成，模塊的核心是EM78P259ND18J單片機(jī),。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,。
(1)聲控開(kāi)關(guān)電源電路：該部分將AC200V電源通過(guò)內(nèi)部的整流橋電路與電容電阻分壓電路轉(zhuǎn)換成符合聲控系統(tǒng)工作的直流電壓,，提供給電路板工作,。
(2)聲控開(kāi)關(guān)語(yǔ)音電路：該部分電路主要感應(yīng)外界語(yǔ)音信號(hào)，通過(guò)語(yǔ)音信號(hào)觸發(fā)模塊工作,，從而使整個(gè)系統(tǒng)工作,。
(3)聲控開(kāi)關(guān)芯片模擬電路：將外界語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬電壓信號(hào)，使芯片工作,。
(4)聲控開(kāi)關(guān)繼電器電路：當(dāng)外界聲音達(dá)到門限值并持續(xù)一段時(shí)間后,，繼電器常開(kāi)接點(diǎn)閉合，向外輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量,；當(dāng)外界聲音低于門限值并持續(xù)一段時(shí)間后,，繼電器常開(kāi)接點(diǎn)斷開(kāi)。
模塊還配置有3個(gè)電位器,，用來(lái)調(diào)節(jié)聲音門限,、延時(shí)時(shí)間X(聲音大于門限值持續(xù)時(shí)間)、延時(shí)時(shí)間Y(聲音小于門限值持續(xù)時(shí)間),。下面介紹具體調(diào)節(jié)方法：
(1)聲音靈敏度基準(zhǔn)設(shè)置:逆時(shí)針?lè)较蜢`敏度提高,順時(shí)針?lè)较蜢`敏度降低,調(diào)節(jié)最大圈數(shù)位28圈,。通過(guò)測(cè)量CPU芯片的第2腳電壓可知,接近0 V靈敏度最高,接近5 V靈敏度最低，靈敏度范圍30 dB～120 dB,。
(2)延時(shí)時(shí)間X設(shè)置：逆時(shí)針?lè)较驎r(shí)間調(diào)小,，順時(shí)針?lè)较驎r(shí)間調(diào)大，調(diào)節(jié)最大圈數(shù)位28圈,，每圈時(shí)間255/28 min,。通過(guò)測(cè)量CPU芯片的第1腳電壓可知，接近0 V時(shí)間最小,，接近5 V時(shí)間最大,。
(3)延時(shí)時(shí)間Y設(shè)置：逆時(shí)針?lè)较驎r(shí)間調(diào)小，順時(shí)針?lè)较驎r(shí)間調(diào)大,，調(diào)節(jié)最大圈數(shù)位28圈,，每圈時(shí)間255/28 min，通過(guò)測(cè)量CPU芯片的第17腳電壓可知,，接近0 V時(shí)間最小,，接近5 V時(shí)間最大。
1.2 TC35模塊結(jié)構(gòu)
圖3為TC35模塊結(jié)構(gòu)圖,。TC35模塊主要由4部分組成：GSM基帶處理器(GSM Baseband),、GSM射頻部分(Radio),、電源ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、Flash,。TC35共有40個(gè)引腳,，通過(guò)一個(gè)ZIF(Zero Insertion Force)連接器引出。這40個(gè)引腳可以劃分為5類：電源,、數(shù)據(jù)輸入/輸出,、SIM卡、音頻接口和控制,。GSM基帶處理器是整個(gè)模塊的核心,，控制著模塊內(nèi)各種信號(hào)的傳輸、轉(zhuǎn)換和放大等處理過(guò)程,。GSM射頻部分完成對(duì)射頻信號(hào)的接收和發(fā)送等處理,。電源ASIC部分把外部輸入的電源電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理后供GSM基帶處理器和GSM射頻部分使用，此外還輸出一個(gè)2.9 V/70 mA的電壓供模塊外的其他電路使用,。Flash用來(lái)存儲(chǔ)用戶配置信息,、電話本和其他信息。
TC35模塊通過(guò)串口與S7-200PLC通信,，當(dāng)接收到S7-200PLC發(fā)送短信的指令后向指定手機(jī)號(hào)碼發(fā)送短消息,。使用時(shí)要運(yùn)用串口調(diào)試軟件對(duì)TC35進(jìn)行設(shè)置，用“AT+CMGF=1”指令設(shè)置TC35以普通文本格式發(fā)送短消息,，用“AT+IPR=9600”設(shè)置TC35端口波特率為9 600 b/s,，用“ATE0”設(shè)置禁止回波，使其適合與PLC通信,。
1.3 S7-200PLC功能實(shí)現(xiàn)
S7-200PLC擁有自由口通信能力,，它是建立在半雙工RS-485硬件基礎(chǔ)上的一種通信方式，可以自定義字符通信格式,。硬件上使用PC/PPI電纜將PLC和TC35連接起來(lái),，通過(guò)XMT(發(fā)送)和RCV（接收）兩條指令及相應(yīng)的特殊寄存器實(shí)現(xiàn)與TC35模塊通信。
1.3.1 Port0端口初始化
由于采用自由口通信方式,，需要在程序第一個(gè)掃描周期對(duì)端口初始化,，即對(duì)S7-200PLC特殊寄存器進(jìn)行賦值，具體賦值及含義如表1所示,。
1.3.2 程序執(zhí)行流程
首次掃描對(duì)Port0口初始化后,，PLC每個(gè)掃描周期均檢測(cè)I0.0是否是高電平。變壓器運(yùn)行正常時(shí),，聲音檢測(cè)模塊的聲控開(kāi)關(guān)繼電器沒(méi)有勵(lì)磁,，常開(kāi)接點(diǎn)斷開(kāi)，I0.0沒(méi)有輸入信號(hào),，為低電平,。當(dāng)變壓器發(fā)生偏磁,，聲音檢測(cè)模塊的聲控開(kāi)關(guān)繼電器勵(lì)磁，常開(kāi)接點(diǎn)閉合,，I0.0輸入24 V信號(hào),，PLC檢測(cè)到I0.0上升沿，與TC35模塊通信,，將存儲(chǔ)在PLC數(shù)據(jù)塊的告警信息發(fā)送到TC35模塊,，TC35接到指令后即向指定號(hào)碼發(fā)送變壓器告警短信。當(dāng)變壓器偏磁消失,，I0.0輸入由高電平變?yōu)榈碗娖?，PLC檢測(cè)到I0.0下降沿信號(hào),，與TC35模塊通信,，發(fā)送變壓器偏磁告警復(fù)歸信息給指定號(hào)碼，達(dá)到解除報(bào)警的目的,。S7-200PLC程序執(zhí)行流程如圖4所示,。
2 試驗(yàn)及使用效果分析
2.1 聲音采集模塊試驗(yàn)
根據(jù)變壓器正常運(yùn)行的聲音與偏磁時(shí)聲音分貝值不同來(lái)調(diào)整聲音靈敏度電位器和延時(shí)電位器，使繼電器在小于75 dB時(shí)不動(dòng)作,，大于75 dB且持續(xù)5 s后動(dòng)作,；聲音小于75 dB且持續(xù)5 s后繼電器復(fù)歸。如圖5所示,，變壓器聲音信號(hào)中有一段瞬時(shí)噪音(3 s),，由于不足5 s，繼電器沒(méi)有動(dòng)作,，避免了在實(shí)際應(yīng)用中由于外部環(huán)境瞬時(shí)噪音導(dǎo)致誤判,。
2.2 PLC程序運(yùn)行監(jiān)視
當(dāng)聲音采集模塊繼電器動(dòng)作后，常開(kāi)接點(diǎn)閉合,，PLC I0.0點(diǎn)輸入高電平信號(hào),，延時(shí)后與TC35模塊通信，TC35模塊按照指令向指定手機(jī)發(fā)送短信,。圖6是PLC程序運(yùn)行監(jiān)視圖,，VB0存放指定手機(jī)號(hào)碼，VB100用來(lái)存放TC35模塊返回信息,。由圖可知當(dāng)檢測(cè)到I0.0點(diǎn)上升沿時(shí),，裝置本體Q0.0輸出，現(xiàn)場(chǎng)告警燈亮,，同時(shí)與TC35通信,，發(fā)送告警短信。
2.3 實(shí)際使用效果
2013年7月4日,，天廣直流發(fā)生單極閉鎖,，天生橋電廠運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)#4B聯(lián)變運(yùn)行聲音異常,，聲音明顯增大，類似聯(lián)變充電時(shí)的聲音?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn),，聯(lián)變中性點(diǎn)接地電流直流分量最大測(cè)量值為2.76 A。變壓器生產(chǎn)廠家日本三菱公司對(duì)偏磁情況說(shuō)明,，在DC 3 A時(shí),，噪音會(huì)增加7.3 dB，溫升低于2 K,。變壓器最大能承受中性點(diǎn)流過(guò)DC 20 A,，此時(shí)噪音會(huì)增加9 dB。
安裝無(wú)線報(bào)警裝置后,，裝置自動(dòng)報(bào)警發(fā)現(xiàn)直流偏磁3次,，到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中性點(diǎn)均有直流分量，與調(diào)度核實(shí)天廣直流有操作或單極運(yùn)行,。
3 結(jié)論
大型變壓器在電力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用,，直流偏磁嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。本文用噪音這一特征來(lái)檢測(cè)直流偏磁,，并設(shè)計(jì)整套無(wú)線報(bào)警裝置,，具有造價(jià)低廉、安裝便捷,、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn),。由于聲音的采集可以遠(yuǎn)離變壓器主設(shè)備，該裝置對(duì)運(yùn)行設(shè)備沒(méi)有任何影響,，可確保安裝和維護(hù)時(shí)變壓器正常運(yùn)行,。
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