主變溫控器校驗臺的設(shè)計實現(xiàn)

楊忠禮，陳 飛，楊忠奎

（河南省電力公司新鄉(xiāng)供電公司，河南 新鄉(xiāng)453002）

主變溫控器校驗臺的設(shè)計實現(xiàn)

楊忠禮，陳 飛，楊忠奎

（河南省電力公司新鄉(xiāng)供電公司，河南 新鄉(xiāng)453002）

設(shè)計了一種主變溫控器校驗臺，采用微處理器控制技術(shù)、PID控制技術(shù)及變頻技術(shù)自動控制校驗臺恒溫槽的溫度，實現(xiàn)了對主變溫控器的自動校驗，解決了目前溫控器校驗方面的難題.

溫控器；校驗；PID控制；恒溫槽

主變溫控器是變壓器檢測溫度變化的重要元件，用于測量變壓器油面、線圈繞組或者內(nèi)部某一位置的溫度，并可根據(jù)此溫度值控制相應(yīng)的冷卻裝置、報警裝置，甚至于發(fā)出跳閘信號.主變溫控器依據(jù)變壓器的溫度變化情況實時進行變壓器冷卻、報警及跳閘控制，其性能好壞直接影響到變壓器的運行安全.變壓器一旦出現(xiàn)內(nèi)部故障而導致溫升，主變溫控器能及時動作，將故障控制在最小的范圍之內(nèi)，避免將故障范圍擴大而造成重大電力事故.

現(xiàn)有主變溫控器的啟動制冷控制信號接點相對工作穩(wěn)定，但關(guān)閉冷卻系統(tǒng)接點、報警接點及跳閘接點因不常動作，常出現(xiàn)動作不靈活、接點接觸不良甚至溫度漂移等現(xiàn)象.當變壓器溫度變化時，常會導致主變溫控器誤動作，失去了主變溫控器的保護意義，易導致重大電力事故.故應(yīng)對其定期校驗，以確保主變溫控器準確、安全、可靠、有效地發(fā)揮作用，保證變壓器穩(wěn)定、可靠地運行［1］.

雖然目前電力行業(yè)中對于主變溫控器的校驗有了相當?shù)闹匾?，然而國?nèi)卻沒有高準確度、高可靠性的主變溫控器校驗臺來完成主變溫控器的上行程及下行程的雙向校驗裝置［2］.

我們開發(fā)研制的主變溫控器校驗臺采用先進的微處理器控制技術(shù)、先進的PID控制技術(shù)及變頻技術(shù)，自動完成主變溫控器校驗臺恒溫槽的溫度控制，并據(jù)此實現(xiàn)對主變溫控器接點動作及示值安全、方便、可靠、準確的自動校驗［3－5］.該主變溫控器校驗臺解決了目前電力系統(tǒng)在主變溫控器校驗方面存在的校驗設(shè)備落后、校驗過程不規(guī)范的問題，對安裝前和運行中主變溫控器定期校驗起到了積極作用.

1 主變溫控器校驗臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

本項目包括設(shè)計一款符合要求的恒溫槽，設(shè)計一種滿足校驗精度的接點和示值的校驗方法，以及設(shè)計一種高精度的PID溫度控制方法等.

1.1 PID控制原理及其程序?qū)崿F(xiàn)

生產(chǎn)過程中對某一或某些物理參數(shù)進行的自動控制稱為過程控制.其中微機控制系統(tǒng)以微型計算機作為控制器，可方便地通過修改軟件程序來改變控制規(guī)律，故應(yīng)用廣泛.微型計算機通過過程輸入通道對一個或多個物理量進行檢測，并根據(jù)確定的控制規(guī)律進行計算；通過輸出通道直接去控制執(zhí)行機構(gòu)，使各被控量達到預(yù)定的要求.

PID調(diào)節(jié)器將給定值r（t）與實際輸出值c（t）的偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制.其微分方程為：

式中：e（t）＝r（t）－c（t）.

將PID調(diào)節(jié)器控制規(guī)律離散化，得到數(shù)字PID的控制規(guī)律，其差分方程為：

式中：uP（n）為比例項，uP（n）＝KPe（n）；uI（n）為積分項，為微分項，

增量型算法和位置型算法是常用的PID算法.增量型PID算法的算式為：

位置型PID算法的算式為：

增量型算法和位置型算法的程序如圖1所示.

圖1 兩種PID算法的程序圖

1.2 功率控制原理

主變溫控器校驗臺通過對加熱管的通斷進行控制，改變了加熱器的平均輸出功率，從而控制了校驗臺內(nèi)介質(zhì)吸收外部熱量的多少，實現(xiàn)了不同情況下的多種升溫速率要求.

1.3 降溫控制原理

由于設(shè)備要求達到的最低溫度為－20℃，遠遠低于普通實驗室要求的溫度（20℃左右）.在低于這個溫度下進行校驗時，單純依靠加熱是不可能實現(xiàn)的，故本項目采用了外部強制制冷系統(tǒng)，假設(shè)外部的強制制冷量為Q1，主變溫控器校驗臺從外部環(huán)境吸收的熱量為Q2，在實際工作中，只需Q1＞Q2，即可實現(xiàn)對主變溫控器校驗臺內(nèi)介質(zhì)降溫，達到低于環(huán)境溫度校驗的目的.

1.4 主變溫控器接點校驗原理

將主變溫控器放入主變溫控器校驗臺內(nèi)，并將溫控器的接點接入校驗臺內(nèi).主變溫控器校驗臺控制溫度升高或者降低.利用微控制器讀取主變溫控器接點狀態(tài).在主變溫控器接點動作瞬間，主變溫控器校驗臺記錄下此刻的溫度，即為其接點動作的實際溫度，從而實現(xiàn)主變溫控器接點的校驗.

2 主變溫控器校驗臺系統(tǒng)設(shè)計方案

基于以上原理，對主變溫控器校驗臺進行了如下設(shè)計.

2.1 制冷方式的選取

常見的降溫方法有半導體制冷、壓縮機制冷、風冷等方式.本項目根據(jù)實際要求選擇了壓縮機制冷這種傳統(tǒng)制冷方式，但傳統(tǒng)壓縮機不能精準控制制冷量，故采用世界上先進的變頻控制技術(shù)精準控制制冷量，從而達到預(yù)期目標.

2.2 恒溫槽設(shè)計

由于本系統(tǒng)要求恒溫槽穩(wěn)定性好、均勻性高，一般的恒溫槽根本無法滿足本項目的需求.本項目為了滿足溫度均勻性達到0.02℃的目標，專門設(shè)計了一套高精度、高穩(wěn)定性、高均勻性的恒溫槽系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示.

圖2 恒溫槽結(jié)構(gòu)簡圖

圖2中，主槽用于放置被測主變溫控器；主加熱器為1 500W大功率加熱器；輔加熱器的功率為500W，采用PID控制其制熱量；蒸發(fā)盤管用于降溫；攪拌器用來充分混合介質(zhì)溫度；攪拌電機速度可控，負責攪拌主槽和輔助槽的介質(zhì)，保證溫度均勻；溢流孔用于溢流多余的介質(zhì).

在恒溫介質(zhì)選擇方面，由于溫度校驗范圍預(yù)期目標為－20～200℃，故放棄選擇一種介質(zhì)的方案，采用更換介質(zhì)的方法，實現(xiàn)了目標溫度范圍內(nèi)主變溫控器的自動校驗.本系統(tǒng)根據(jù)不同的溫度范圍，自動更換介質(zhì)來完成校驗過程，在－20～30℃采用無水乙醇作為恒溫介質(zhì)，在10～200℃采用硅油作為恒溫介質(zhì).保溫材料選用能夠在高溫和低溫范圍具有優(yōu)異的保溫性能的硅酸鋁保溫材料，使得保溫效果達到預(yù)期目標.

2.3 溫度的控制及穩(wěn)定性設(shè)計

根據(jù)預(yù)期的“溫度穩(wěn)定性達到0.05℃”及“上、下行程均需校驗”這一目標，本項目將溫度控制分為上行程控制、下行程控制和中間溫度控制及穩(wěn)定三部分.

上行程控制分為1 500W功率和500W功率兩檔控制.當要求熱量比較大時，選擇1 500W功率進行加熱；需要的熱量比較小時，使用500W功率進行加熱.在需要的熱量更小時，系統(tǒng)采用數(shù)字精密控制算法——PID控制法，可以將加熱功率根據(jù)需要進行更小的細分，最小加熱功率可小于0.1W.

下行程控制的目標是將恒溫槽的溫度勻速降低，降低到預(yù)期值后，穩(wěn)定該溫度.據(jù)此，本項目采用了先進的壓縮機變頻控制技術(shù)，將制冷量進行細分，在需要大制冷量時高頻運轉(zhuǎn)制冷機，在需要小制冷量時低頻運轉(zhuǎn)制冷機，這樣能達到預(yù)期的制冷量精確控制的目的.

在中間溫度控制方面，為了達到預(yù)期“溫度穩(wěn)定性在±0.05℃”且“維持溫度時間不低于10min”的目標，采用了制冷制熱共存的方案.由于目前壓縮機變頻技術(shù)的限制，本設(shè)計將恒溫槽的制冷量恒定，采用PID控制加熱量的方法，動態(tài)調(diào)整恒溫槽的溫度.當恒溫槽要求溫度高于室溫時，采用PID控制加熱量的方法，逐步補充恒溫槽損失的熱量，將恒溫槽的溫度穩(wěn)定在預(yù)期的范圍內(nèi).

2.4 電器系統(tǒng)設(shè)計

電器系統(tǒng)設(shè)計包括加熱系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計、制冷系統(tǒng)設(shè)計、攪拌電機控制設(shè)計及溫度傳感器PT100的測量電路的設(shè)計等.其中對加熱系統(tǒng)驅(qū)動電路的設(shè)計采用了光電隔離電路對固態(tài)繼電器進行驅(qū)動，既保證了設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性，又避免了電磁干擾.制冷系統(tǒng)裝配了進口大功率專用變頻壓縮機，采用最新的熱氣旁通技術(shù)和變頻控制技術(shù)，能實現(xiàn)最低溫度－20℃.攪拌電機采用高扭矩的步進電機，通過調(diào)整驅(qū)動頻率控制步進電機轉(zhuǎn)速，達到控制攪拌速度的目的.圖3所示為校驗臺系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)框圖.

圖3 校驗臺系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)框圖

2.5 系統(tǒng)外觀及主要技術(shù)指標

本設(shè)計完成的主變溫控器校驗臺外觀如圖4所示，其主要技術(shù)指標如表1所示.

圖4 主變溫控器校驗臺外觀

表1 校驗臺主要技術(shù)指標

3 試 驗

利用上述設(shè)計方案，我們在進行了樣機安裝試驗后，對主變溫控器進行了校驗，并采用二等標準水銀溫度計進行了溫度穩(wěn)定性試驗和分析.圖5所示為80℃時的恒溫測試曲線圖，其中Pt1是實際的控制曲線，Temp是未修正的溫度傳感器.從圖5可以看出，溫度穩(wěn)定度達到了預(yù)期目標.

圖5 20min內(nèi)實時控制恒溫槽溫度測試曲線圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的主變溫控器校驗臺通過置換介質(zhì)的方式解決了寬溫度范圍的溫度控制問題，可在一個槽體內(nèi)完成對溫控器校驗；采用模糊PID控制和專業(yè)變頻控制技術(shù)，實現(xiàn)了溫度的穩(wěn)定，為準確校驗主變溫控器提供了恒定的溫度源；通過獨特的加熱和制冷技術(shù)，解決了環(huán)境溫度（20℃）附近溫度不易穩(wěn)定、穩(wěn)定時間較長、穩(wěn)定后可能偏差較大的問題，消除了目前電力系統(tǒng)在主變溫控器校驗方面存在的校驗設(shè)備落后、校驗過程不規(guī)范的缺陷.

本主變溫控器校驗臺試運行效果良好，具有一定的推廣價值.

［1］ 張愛萍，吳建江，亓長軍，等.干式變壓器溫控儀的研制［J］.武漢大學學報（工學版），2001，34（1）：86－89.

［2］ 劉丕睿.主變溫控誤差分析［J］.云南電力技術(shù)，2010，38（6）：75－76.

［3］ 郝鍇，蔣兆榮.變壓器溫控器接點誤差校驗的相關(guān)問題探討［J］.四川電力技術(shù)，2008，31（6）：61－67.

［4］ 羅驥，徐豐民.電力變壓器繞組溫控器檢定方法的探討［J］.四川電力技術(shù)，2008，31（6）：63－65.

［5］ 王向陽，司雪峰，趙建軍，等.電力變壓器溫控器常見問題的分析及處理［J］.高壓電器，2006，42（2）：157－159.

Study and Implementation of Transformers Thermostat Check Station

YANG Zhong－li，CHEN Fei，YANG Zhong－kui
（Xinxiang Electric Power Supply Corporation，Henan Electric Power Corporatio，Xinxiang 453002，China）

Thermometers for transformers designed by this paper is an effective solution to the calibration problem at present，it can control the temperature of thermostat bath automatically through micro processor control，PID control technology and inverter technology，and then achieved the goal of the automatic calibration.

temperature controller；check；PID control；thermostat

TP273

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2011.05.016

1671－6906（2011）05－0061－04

2011－09－02

楊忠禮（1973－），男（回族），河南輝縣人，高級工程師，碩士.