0 引言

    變壓器直流偏磁是指交直流并列運行的網絡在直流輸電發生故障或單極閉鎖時，在換流站周圍區域內會產生地表電流，與其并行運行的交流輸電系統中聯絡變壓器會受到干擾，變壓器接地中性點會產生直流分量^[1]。直流偏磁發生時，變壓器運行聲音變大，振動加劇，嚴重時會使變壓器鐵芯極度飽和，局部過熱導致變壓器損壞。變壓器直流偏磁嚴重時也會使電網電壓下降，電容器組過載，繼電保護誤動作，對系統運行產生危害^[2]。快速、準確地發現變壓器直流偏磁是降低直流偏磁對設備、系統危害的關鍵。

    目前，對變壓器偏磁研究主要集中在中性點電流分析上。文獻[3]在天廣直流模型基礎上，對直流偏磁進行建模仿真。文獻[4]利用在變壓器中性點加裝電流互感器的方式監測直流偏磁，能夠準確監測出變壓器直流偏磁，并送至監控系統上。文獻[5]對變壓器偏磁發生時振動信號進行分析，理論上證實可以利用振動信號監測變壓器偏磁。但是，基于檢測中性點電流或在本體上安裝振動傳感器的直流偏磁報警裝置具有如下缺點：(1)成本高。設備由霍爾電流互感器、現地監測模塊、數據存儲模塊、通信模塊等構成，因此造成結構復雜，成本高；(2)實現遠方監控需要長距離布線。大型變壓器通常是在遠離監控系統的戶外運行，如果要實現遠程監控，需要長距離布線和安裝中繼器等設備；(3)影響變壓器正常運行。設備安裝在變壓器本體或中性點引出線，安裝時變壓器需停運，設備發生故障時可能會影響變壓器正常運行。

    針對上述問題，本文通過采用變壓器偏磁聲音變大這一特征獲取聲音信號，當變壓器運行聲音超過設定的門限值后，由GSM模塊發送短消息到值班員手機上，達到快速報警的目的。設備不需安裝在變壓器本體，其安裝與維護不影響變壓器正常運行。

1 系統硬件構成

    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關常開接點接到S7-200PLC輸入點I0.0，S7-200PLC的Port0口通過PC/PPI電纜與TC35模塊連接。所有模塊集中安裝在一個箱體中，裝置面板有電源指示燈和偏磁報警指示燈。正常工作時電源指示燈亮，當檢測到變壓器有偏磁現象時，偏磁報警指示燈亮，方便巡檢人員現場發現變壓器偏磁。

1.1 聲音采集模塊構成

    聲音采集模塊由電源電路、語音電路、單片機模擬電路、繼電器電路組成，模塊的核心是EM78P259ND18J單片機。圖2為系統結構圖。

    (1)聲控開關電源電路：該部分將AC200V電源通過內部的整流橋電路與電容電阻分壓電路轉換成符合聲控系統工作的直流電壓，提供給電路板工作。

    (2)聲控開關語音電路：該部分電路主要感應外界語音信號，通過語音信號觸發模塊工作，從而使整個系統工作。

    (3)聲控開關芯片模擬電路：將外界語音信號轉變成模擬電壓信號，使芯片工作。

    (4)聲控開關繼電器電路：當外界聲音達到門限值并持續一段時間后，繼電器常開接點閉合，向外輸出一個開關量；當外界聲音低于門限值并持續一段時間后，繼電器常開接點斷開。

    模塊還配置有3個電位器，用來調節聲音門限、延時時間X(聲音大于門限值持續時間)、延時時間Y(聲音小于門限值持續時間)。下面介紹具體調節方法：

    (1)聲音靈敏度基準設置:逆時針方向靈敏度提高,順時針方向靈敏度降低,調節最大圈數位28圈。通過測量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)延時時間X設置：逆時針方向時間調小，順時針方向時間調大，調節最大圈數位28圈，每圈時間255/28 min。通過測量CPU芯片的第1腳電壓可知，接近0 V時間最小，接近5 V時間最大。

    (3)延時時間Y設置：逆時針方向時間調小，順時針方向時間調大，調節最大圈數位28圈，每圈時間255/28 min，通過測量CPU芯片的第17腳電壓可知，接近0 V時間最小，接近5 V時間最大。

1.2 TC35模塊結構

    圖3為TC35模塊結構圖。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個引腳，通過一個ZIF(Zero Insertion Force)連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類：電源、數據輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。GSM基帶處理器是整個模塊的核心，控制著模塊內各種信號的傳輸、轉換和放大等處理過程。GSM射頻部分完成對射頻信號的接收和發送等處理。電源ASIC部分把外部輸入的電源電壓進行穩壓處理后供GSM基帶處理器和GSM射頻部分使用，此外還輸出一個2.9 V/70 mA的電壓供模塊外的其他電路使用。Flash用來存儲用戶配置信息、電話本和其他信息。

    TC35模塊通過串口與S7-200PLC通信，當接收到S7-200PLC發送短信的指令后向指定手機號碼發送短消息。使用時要運用串口調試軟件對TC35進行設置，用“AT+CMGF=1”指令設置TC35以普通文本格式發送短消息，用“AT+IPR=9600”設置TC35端口波特率為9 600 b/s，用“ATE0”設置禁止回波，使其適合與PLC通信。

1.3 S7-200PLC功能實現

    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，通過XMT(發送)和RCV（接收）兩條指令及相應的特殊寄存器實現與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，需要在程序第一個掃描周期對端口初始化，即對S7-200PLC特殊寄存器進行賦值，具體賦值及含義如表1所示。

1.3.2 程序執行流程

    首次掃描對Port0口初始化后，PLC每個掃描周期均檢測I0.0是否是高電平。變壓器運行正常時，聲音檢測模塊的聲控開關繼電器沒有勵磁，常開接點斷開，I0.0沒有輸入信號，為低電平。當變壓器發生偏磁，聲音檢測模塊的聲控開關繼電器勵磁，常開接點閉合，I0.0輸入24 V信號，PLC檢測到I0.0上升沿，與TC35模塊通信，將存儲在PLC數據塊的告警信息發送到TC35模塊，TC35接到指令后即向指定號碼發送變壓器告警短信。當變壓器偏磁消失，I0.0輸入由高電平變為低電平，PLC檢測到I0.0下降沿信號，與TC35模塊通信，發送變壓器偏磁告警復歸信息給指定號碼，達到解除報警的目的。S7-200PLC程序執行流程如圖4所示。

2 試驗及使用效果分析

2.1 聲音采集模塊試驗

    根據變壓器正常運行的聲音與偏磁時聲音分貝值不同來調整聲音靈敏度電位器和延時電位器，使繼電器在小于75 dB時不動作，大于75 dB且持續5 s后動作；聲音小于75 dB且持續5 s后繼電器復歸。如圖5所示，變壓器聲音信號中有一段瞬時噪音(3 s)，由于不足5 s，繼電器沒有動作，避免了在實際應用中由于外部環境瞬時噪音導致誤判。

2.2 PLC程序運行監視

    當聲音采集模塊繼電器動作后，常開接點閉合，PLC I0.0點輸入高電平信號，延時后與TC35模塊通信，TC35模塊按照指令向指定手機發送短信。圖6是PLC程序運行監視圖，VB0存放指定手機號碼，VB100用來存放TC35模塊返回信息。由圖可知當檢測到I0.0點上升沿時，裝置本體Q0.0輸出，現場告警燈亮，同時與TC35通信，發送告警短信。

2.3 實際使用效果

    2013年7月4日，天廣直流發生單極閉鎖，天生橋電廠運行人員發現#4B聯變運行聲音異常，聲音明顯增大，類似聯變充電時的聲音。現場檢查發現，聯變中性點接地電流直流分量最大測量值為2.76 A。變壓器生產廠家日本三菱公司對偏磁情況說明，在DC 3 A時，噪音會增加7.3 dB，溫升低于2 K。變壓器最大能承受中性點流過DC 20 A，此時噪音會增加9 dB。

    安裝無線報警裝置后，裝置自動報警發現直流偏磁3次，到現場測量中性點均有直流分量，與調度核實天廣直流有操作或單極運行。

3 結論

    大型變壓器在電力系統中起著至關重要的作用，直流偏磁嚴重時會影響到系統的安全穩定。本文用噪音這一特征來檢測直流偏磁，并設計整套無線報警裝置，具有造價低廉、安裝便捷、運行安全可靠等特點。由于聲音的采集可以遠離變壓器主設備，該裝置對運行設備沒有任何影響，可確保安裝和維護時變壓器正常運行。

參考文獻

[1] 苑舜，王天施.電力變壓器直流偏磁研究綜述[J].高壓電器，2010，46(3)：83-85.

[2] 申濤，孫曉剛.一起500 kV變電站主變噪聲異常分析及處理[J].變壓器，2013，50(2)：68-50.

[3] 林湘寧，相艷會.HVDC單極-大地運行情況下換流變壓器直流偏磁建模仿真[J].電力科學與技術學報，2013，28（1）：31-35.

[4] 高強，李平.變壓器直流偏磁在線監測裝置及其監測方法[P].中國：CN103197178A，2013-07-10.

[5] 孫貝貝，劉連光.基于振動信號的變壓器直流偏磁監測系統的設計[C].中國高等學校電力系統及其自動化專業第二十四屆學術年會論文集，2008.