智能小區(qū)中變壓器的異常運行與分析

崔晨耕

摘 要：針對目前智能小區(qū)不斷增加，變壓器在安裝和投入使用后需要進行必要的維護的問題。文章從五個方面對變壓器的異常運行進行了分析，給出了保證智能小區(qū)內變壓器正常運行的方案，對于變壓器的安全運行和小區(qū)正常供電具有重要的意義。

關鍵詞：智能小區(qū)；變壓器；異常運行；分析

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0053-03

0 引 言

在智能小區(qū)中，電力變壓器在運行中一旦發(fā)生異常情況，將影響系統(tǒng)的正常運行以及對用戶的正常供電，甚至造成大面積停電。所以，對于變壓器的異常運行分析有著重要意義。

1 聲音異常

1.1 正常狀態(tài)下變壓器的聲音

變壓器屬靜止設備，但運行中仍然會發(fā)出輕微的、連續(xù)不斷的“嗡嗡”聲。這種聲音是運行中電氣設備的一種特有現(xiàn)象，一般稱為“噪聲”。產(chǎn)生這種噪聲的原因有：一是勵磁電流的磁場作用使硅鋼片振動；二是特性的接縫和疊層之間的電磁力作用引起的振動；三是繞組的導線之間或繞組之間的電磁力作用引起的振動；四是變壓器上某些零部件引起的振動。

正常運行中，變壓器發(fā)出的“嗡嗡”聲是連續(xù)均勻的，如果產(chǎn)生的聲音不均勻或有特殊響聲，應視為不正?，F(xiàn)象，判斷變壓器的聲音是否正常，可借助于“聽音棒”等工具進行。

1.2 聲音異常

變壓器運行中的聲音異常情況一般有以下幾種：

1.2.1 變壓器的聲音比平時增大

若變壓器的聲音比平時增大，且聲音均勻，可能的原因：一是電網(wǎng)發(fā)生過電壓。當電網(wǎng)發(fā)生單相接地或產(chǎn)生諧振過電壓時，都會使變壓器的聲音增大。出現(xiàn)這種情況時，可結合電壓、電流表計的指示進行綜合判斷；二是變壓器過負荷。變壓器過負荷時會使其聲音增大，尤其是在滿負荷的情況下突然有大的動力設備投入，將會使變壓器發(fā)出沉重的“嗡嗡”聲。

1.2.2 變壓器有雜音

若變壓器的聲音比正常時增大且有明顯的雜音，但電流、電壓無明顯異常時，則可能是內部夾件或壓緊鐵心的螺栓松動，使得硅鋼片振動增大所造成的。

1.2.3 變壓器有放電聲

若變壓器內部或表面發(fā)生局部放電，聲音中就會夾雜有“噼啪”的放電聲。發(fā)生這種情況時，若在夜間或陰雨天氣下，看到變壓器套管附近有藍色的電暈或火花，則說明瓷件污穢嚴重或設備線夾接觸不良，若變壓器的內部放電，則是不接地的部件靜電放電，或是分接開關接觸不良放電，這時應將變壓器作進一步檢測或停用。

1.2.4 變壓器有水沸騰聲

若變壓器的聲音中夾雜有水沸騰聲且溫度急劇變化，油位升高，則應判斷為變壓器繞組發(fā)生短路故障，或分接開關因接觸不良引起嚴重過熱，這時應立即停用變壓器進行檢查。

1.2.5 變壓器有爆裂聲

若變壓器的聲音中夾雜有不均勻的爆裂聲，則是變壓器內部或表面絕緣擊穿，此時應立即將變壓器停用檢查。

1.2.6 變壓器有撞擊聲和摩擦聲

若變壓器的聲音中夾雜有連續(xù)的、有規(guī)律的撞擊聲和摩擦聲，則可能是變壓器外部某些零件如表計、電纜、油管等，因變壓器振動造成撞擊或摩擦，或外來高次諧波源所造成，應根據(jù)情況予以處理。

2 油溫異常

運行中的變壓器內部的鐵損和銅損轉化為熱量，熱量向四周介質擴散。當發(fā)熱與散熱達到平衡狀態(tài)時，變壓器各部分的溫度趨于穩(wěn)定。鐵損是基本不變的，而銅損隨負荷變化。頂層油溫表指示的是變壓器頂層的油溫，溫升是指頂層油溫與周圍空氣溫度的差值。運行中要以監(jiān)視頂層油溫為準，溫升是參考數(shù)字（目前對繞組熱點溫度還沒有能直接監(jiān)視的條件）。

變壓器的絕緣耐熱等級為A級時，繞組絕緣極限溫度為105 ℃，對于強油循環(huán)繞組絕緣極限溫度為105 ℃，對于強油循環(huán)的變壓器，根據(jù)國際電工委員會推薦的計算方法：變壓器在額定負載下運行，繞組平均溫升為65 ℃，通常最熱點溫升比油平均溫升約高13 ℃，即65+13=78（℃），如果變壓器在額定負載和冷卻介質溫度為+20 ℃條件下連續(xù)運行，則繞組最熱點溫度為98 ℃，其絕緣老化率等于1（即老化壽命為20年）。因此，為了保證絕緣不過早老化，運行人員應加強對變壓器頂層油溫的監(jiān)視，按規(guī)定應控制在85 ℃以下。

若發(fā)現(xiàn)在同樣正常條件下，油溫比平時高出10 ℃以上，或負載不變而溫度不斷上升（冷卻裝置運行正常），則可認為變壓器內部出現(xiàn)異常。

導致溫度異常的原因有以下幾種：

（1）內部故障引起溫度異常。變壓器內部故障如繞組之間或層間短路，繞組對周圍放電，內部引線接頭發(fā)熱；鐵心多點接地使渦流增大過熱；零序不平衡電流等漏磁通形成回路而發(fā)熱等因素都可引起變壓器溫度異常。發(fā)生這些情況，還將伴隨著氣體或差動保護動作。故障嚴重時，還可能使防爆管或壓力釋放閥噴油，這時變壓器應停用檢查。

（2）冷卻器運行不正常引起溫度異常。冷卻器運行不正?；虬l(fā)生故障，如潛油泵停運、風扇損壞、散熱器管道積垢冷卻效果不良、散熱器閥門沒有打開或散熱器堵塞等因素引起溫度升高。應對冷卻系統(tǒng)進行維護或沖洗，提高冷卻效果。

3 油位異常

變壓器儲油柜的油位表，一般標有-30 ℃，+20 ℃，+40 ℃三條線，他們是指變壓器使用地點在最低溫度和最高溫度時對應的油面，并注明溫度。根據(jù)這三個標志可以判斷是否需要加油或放油。運行中變壓器溫度的變化會使油的體積發(fā)生變化。從而引起油位的上下位移。常見的油位異常有假油位和油面過低。

如變壓器溫度變化正常，而變壓器油標管內的油位變化不正?；虿蛔?，則說明是假油位。運行中出現(xiàn)假油位的原因有：

（1）油標管堵塞；

（2）油枕呼吸器堵塞；

（3）防爆管通氣孔堵塞；

（4）變壓器油枕存有一定數(shù)量的空氣；

一般情況下，油面過低應視為異常。因其低到一定限度時，會造成輕瓦斯保護動作；嚴重缺油時，變壓器內部繞組暴露會導致絕緣下降，甚至造成因絕緣散熱不良而引起損壞事故。處于備用的變壓器如嚴重缺油，也會吸潮而使其絕緣降低。造成變壓器油面過低或嚴重缺油的原因有以下幾種：

（1）變壓器嚴重滲油；

（2）修試人員因工作需要多次放油后未做補充；

（3）氣溫過低且油量不足，或油枕容積偏小，不能滿足運行要求。

4 變壓器外觀異常

變壓器運行中，外觀異常有下列幾種原因：

4.1 防爆管防爆膜破裂

防爆管防爆膜破裂，會引起水和潮氣進入變壓器內，導致絕緣油乳化及變壓器的絕緣強度降低。原因如下：

（1）防爆膜材質與玻璃選擇處理不當。當材質未經(jīng)壓力試驗驗證或玻璃未經(jīng)退火處理時，受到自身內應力的不均勻時會導致裂面。

（2）防爆膜及法蘭加工不精密不平整，裝置結構不合理，檢修人員安裝防爆膜時工藝不符要求，緊固螺絲受力不均，接觸面無彈性等所造成。

（3）呼吸器堵塞或抽真空充氮時不慎，受壓力而破損。

4.2 壓力釋放閥的異常

目前，大中型變壓器已大多應用壓力釋放閥（下稱“釋放器”）代替老式的防爆管裝置，因為一般老式的防爆管油枕只能起到半密封作用，而不能起到全密封作用。當變壓器油超過一定標準時，釋放器便開始動作進行溢油或噴油，從而減小油壓，保護了油箱。如果變壓器油量過多、氣溫又高而造成非內部故障的溢油現(xiàn)象，溢出過多的油后釋放器會自動復位，仍起到密封的作用。釋放器備有信號報警以便運行人員迅速發(fā)現(xiàn)異常并進行查處。

4.3 套管閃絡放電

套管閃絡放電會造成發(fā)熱，導致絕緣老化受損甚至引起爆炸。常見原因如下：

（1）套管表面過臟，如粉塵、污穢等。在陰雨天就會發(fā)生套管表面絕緣強度降低，容易發(fā)生閃絡事故，若套管表面不光潔，在運行中電場不均勻會發(fā)生放電現(xiàn)象。

（2）高壓套管制造不良，末屏接地焊接不良形成絕緣損壞，或接地末屏出線的瓷瓶心軸與接地螺套不同心、接觸不良或末屏不接地，也有可能導致電位提高而逐步損壞。

（3）當系統(tǒng)內部或外部過電壓時，套管內由于存在隱患而導致?lián)舸?/p>

4.4 滲油和漏油

滲漏油是變壓器的常見缺陷，常見的具體部位及原因有：

（1）閥門系統(tǒng)：蝶閥膠墊材質、安裝不良，放油閥精度不高、螺紋處滲漏。

（2）膠墊接線樁頭、高壓套管基座、電流互感器出線樁頭、膠墊不密封、無彈性、滲漏。一般膠墊壓縮應保持在2/3，有一定的彈性。隨運行時間的增長，溫度過高、振動等原因造成老化龜裂、失去彈性或本身材質不符要求，位置不對稱、偏心。

（3）絕緣子破裂滲漏油。

（4）設計制造不良。高壓套管升高座法蘭、油箱外表、油箱底盤大法蘭等焊接處，因制造和加工粗糙形成滲漏油。

5 顏色、氣味異常

變壓器的許多故障常伴有過熱現(xiàn)象，使得某些部件或局部過熱，因而引起一些有關部件的顏色變化或產(chǎn)生特殊氣味。

一般引線、線卡處過熱都會引起異常。套管接線端部緊固部分松動，或引線頭線鼻子等接觸面發(fā)生嚴重氧化，使接觸處過熱，顏色變暗失去光澤，表面鍍層也遭到破壞。連接接頭部分一般溫度不宜超過70 ℃，可用示溫蠟片檢查，一般黃色熔化為60 ℃，綠色70 ℃，紅色80 ℃，也可用紅外線測溫儀測量。溫度很高時還會散發(fā)出焦臭味。

套管、絕緣子有污穢或損傷嚴重時會發(fā)生放電、閃絡并產(chǎn)生一種特殊的臭氧味。

呼吸器硅膠一般正常干燥時為藍色，其作用為吸附空氣中進入油枕膠袋、隔膜中的潮氣，以免變壓器受潮。當硅膠由藍色變?yōu)榉奂t色，則表明受潮而且硅膠已失效，一般粉紅色部分超過2/3時，應予更換。硅膠變色過快的原因主要有：

（1）長期天氣陰雨、空氣濕度較大，吸濕變色過快；

（2）呼吸器容量過小，如采用0.51 kg的呼吸器，變色過快是常見現(xiàn)象，應更換較大容量的呼吸器；

（3）硅膠玻璃罩罐有裂紋破損；

（4）呼吸器下部油封罩內無油或油位太低起不到良好油封作用，使?jié)窨諝馕唇?jīng)油封過濾而直接進入硅膠罐內；

（5）呼吸器安裝不良，如膠墊龜裂不合格，螺絲松動安裝不密封而受潮。

附件電源線或二次線的老化損傷，則會造成短路，從而產(chǎn)生異常氣味。

另外，冷卻器中電機短路、分控制箱內接觸器、熱繼電器過熱等燒損，也會產(chǎn)生焦臭味。

6 結 語

綜上所述，在智能小區(qū)中，物業(yè)管理人員一定要密切關注變壓器的運行情況。一旦出現(xiàn)異常，務必及時查明原因，解決故障，確保小區(qū)內的正常供電。

參 考 文 獻

[1] 劉洋.變壓器異常運行和常見故障現(xiàn)象原因分析[J].華中電力，2004（5）：79-80，83.

[2] 吳森.變壓器運行中的常見故障及原因分析[J]. 黑龍江科技信息，2010（30）：80.

[3] 趙國華，郭紅偉，付杰.變壓器異常運行和常見故障的原因與分析[J]. 民營科技， 2009（9）：50.

[4] 王喜廷，黃蘭鳳.引起變壓器直流電阻三相不平衡的原因分析及故障判斷[J]. 黑龍江科技信息，2007（23）：11.

[5] 張艷玲.變壓器異常運行和常見故障分析[J]. 黑龍江科技信息，2009（1）：55

[6] 宮戰(zhàn)國，王伯韜.淺談變壓器異常運行及常見故障[J].中外企業(yè)家，2010（12）：106-107.

[7] 劉增良.電氣設備及運行維護[M].北京：中國電力出版社，2009.

0 引 言

道路上的井蓋遍及城市各地，由于人為偷盜或者長期磨損導致井蓋丟失、塌陷，對過往車輛和行人造成危險。針對井蓋監(jiān)控手段欠缺，目前以人防、物防為主，急需設計一種技術防范的安全監(jiān)管系統(tǒng)。近幾年隨著無線傳感網(wǎng)絡的發(fā)展，利用無線傳感網(wǎng)絡設計安防領域已成為熱點[1-2]。由于井蓋之間距離較近，結合ZigBee短距離通信技術[3]，設計一種基于井蓋安全監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關，網(wǎng)關接收來自無線傳感網(wǎng)絡協(xié)調器的數(shù)據(jù)，處理、存儲后通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)焦簿W(wǎng)絡中。

1 井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

本文的井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示，其系統(tǒng)組成為包含井蓋報警器的ZigBee網(wǎng)絡、嵌入式網(wǎng)關、GPRS短信模塊、Web服務器。井蓋報警器之間采用ZigBee無線通信技術，每個報警器作為ZigBee網(wǎng)絡中的節(jié)點，通過固定的組網(wǎng)方式形成無線傳感網(wǎng)絡。報警器以接力的方式將數(shù)據(jù)傳到ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器節(jié)點負責接收所有網(wǎng)絡中的報警器節(jié)點信息。嵌入式網(wǎng)關通過串口1獲得ZigBee無線傳感網(wǎng)絡中的報警器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫存儲并處理，將必須的信號發(fā)送給GPRS模塊，GPRS電路將其轉發(fā)到具有固定IP地址的Web數(shù)據(jù)庫服務器中，實現(xiàn)報警數(shù)據(jù)的上傳。市政設施管理處以及自來水廠等政府機構可以通過網(wǎng)絡查詢自己單位的井蓋狀態(tài)，是否需要維護，并記錄，同時發(fā)送短信給檢修人員，實現(xiàn)及時維修和處理。

圖1 井蓋監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

2 系統(tǒng)網(wǎng)關的硬件設計

本系統(tǒng)的網(wǎng)關硬件組成框圖如圖2所示，該網(wǎng)關包含三星公司的微處理器S3C6410、存儲模塊、JTAG接口、LCD顯示接口、GPRS模塊等。

圖2 網(wǎng)關硬件框圖

2.1 處理器

系統(tǒng)采用三星公司的S3C6410微處理器作為網(wǎng)關硬件電路，S3C6410采用ARM11的內核架構，采用8級流水線與數(shù)據(jù)地址總線分離的哈佛結構[4-5]。包含多種硬件外設，支持NOR-FLASH，NAND-FLASH，OneNAND，CF，ROM等多種存儲器端口，增加的流水線設計提高了時鐘頻率和并行處理能力。是一種高性能的32位RISC處理器，可以穩(wěn)定運行在667 MHz主頻以上。主要應用于嵌入式設備、消費類電子、工業(yè)控制、車載導航、行業(yè)PDA等電子產(chǎn)品。

2.2 存儲模塊

網(wǎng)關的數(shù)據(jù)都放在存儲模塊中，S3C6410的平臺包含NAND FLASH，NOR FLASH和SD卡三種。NAND FLASH采用三星公司的K9F1G08U0型號，大小為128 MB，存放bootloader、啟動參數(shù)、內核、根文件等，網(wǎng)關設計采用從NAND FLASH啟動，選擇德國DENX軟件中心開發(fā)的U-Boot作為bootloader進行引導。NOR FLASH采用低電壓供電且具有低功耗模式的S29AL08D芯片，大小為8 MB，3 V供電。S3C6410提供SD卡接口，可以外接SD卡，支持從SD卡啟動。

2.3 JTAG接口

S3C6410可使用簡易JTAG電路對FLASH進行在線編程，通過標準20針接口同宿主機相連接，實現(xiàn)FLASH的擦除和編程。

2.4 GPRS模塊

GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM900A，工作頻段支持EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz，可以使用包含CS-4等多種編碼格式，內置TCP/IP協(xié)議，采用SPI接口，同微處理器S3C6410的串口0相連。

2.5 LCD顯示接口

LCD選用7寸真彩色寬屏AT070TN92，外帶7寸電阻觸摸屏，分辨率800×480， 支持LVDS接口。

3 網(wǎng)關平臺的搭建

S3C6410微處理器采用移植性較強的Linux操作系統(tǒng)，能夠固化在容量小的嵌入式設備，系統(tǒng)內核選用2.6.38.8，搭建網(wǎng)關開發(fā)平臺主要包含三個部分：引導程序、內核、系統(tǒng)文件[6-7]。編譯環(huán)境選擇交叉編譯，選擇VMware虛擬機，交叉編譯器選用arm-linux-gcc-3.41，實現(xiàn)在Windows操作系統(tǒng)下編譯嵌入式Linux系統(tǒng)執(zhí)行的文件。

引導程序主要負責加載操作系統(tǒng)，實現(xiàn)硬件的初始化，建立設備的內存映射表。加載方式采用將BootLoader搬移到SDRAM中進行執(zhí)行，比直接在FLASH中運行速率快。采用開源的U-boot作為BootLoader，針對S3C6410硬件修改體系結構相應代碼實現(xiàn)移植。

內核部分主要針對需要進行內核裁剪和添加，獲取標準的Linux內核2.6.38.8版本，配置Kconfig文件，產(chǎn)生.config文件，通過編譯內核生成內核鏡像文件zImage。將GPRS模塊驅動和LCD驅動編譯生成動態(tài)文件，采用insmod方式加載到內核。

系統(tǒng)文件主要制作Linux系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)，Linux所有設備都是以文件形式存在，選擇常用的cramfs文件系統(tǒng)，啟動內核需要根文件系統(tǒng)來掛載。下載Busybox工具進行配置，利用mkcramfs制作文件系統(tǒng)的鏡像。

4 網(wǎng)關的軟件設計

井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)關設計軟件工作流程如圖3所示，包含三個處理事件：串口、數(shù)據(jù)庫和QT界面設置。

串口處理需要通過啟動進程實現(xiàn)，本系統(tǒng)需要接收ZigBee網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，網(wǎng)關和ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調器通過串口1連接，網(wǎng)關啟動一個進程接收ZigBee網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)據(jù)，包括節(jié)點地址和采集的傳感器參數(shù)。當有數(shù)據(jù)傳輸過來時，按照節(jié)點ID將數(shù)據(jù)存儲在SQlite3數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)庫采用SQlite3的小型嵌入式數(shù)據(jù)庫，占用250 KB空間大小，支持數(shù)據(jù)庫達到2 TB。網(wǎng)關啟動后在相應路徑建立數(shù)據(jù)庫，同時建立數(shù)據(jù)庫表項，包含節(jié)點ID和節(jié)點地址以及傳感器采集的井蓋狀態(tài)信息等。

應用程序界面采用QT Creater設計，基于C++進行開發(fā)的應用程序框架。設計良好的UI界面，通過按鍵的觸發(fā)調用數(shù)據(jù)庫和串口提供的API接口函數(shù)，顯示出各個井蓋模塊的安全狀態(tài)。后臺運行串口服務程序和數(shù)據(jù)庫，QT通過動態(tài)庫的方式調用相關數(shù)據(jù)。

圖3 網(wǎng)關工作流程圖

5 實驗分析

針對井蓋分布狀況，進行無障礙距離測試，實驗以丟包率進行測試。每隔5 s從無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關，網(wǎng)關收到數(shù)據(jù)后分析并記錄。測試范圍在130 m以內，10 m為間隔，在每個距離點上發(fā)送300組數(shù)據(jù)，實驗結果如圖4所示。實驗結果表明，節(jié)點距離在60 m范圍內丟包率為0，數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，合理安置井蓋節(jié)點報警器可以滿足系統(tǒng)的應用要求。

圖4 網(wǎng)關系統(tǒng)丟包率測試

6 結 語

系統(tǒng)采用低功耗ARM11的S3C6410的處理器設計井蓋安全報警系統(tǒng)，結合ZigBee無線傳感網(wǎng)絡布控井蓋報警器，通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送給遠程監(jiān)控系統(tǒng)，達到實時監(jiān)控的效果。該網(wǎng)關可擴展接口較豐富，將井蓋安全狀態(tài)信息通過串口接收，發(fā)送控制命令給無線傳感網(wǎng)絡的協(xié)調器?；赒T開發(fā)了友好的應用界面，可以實時查詢井蓋狀態(tài)，并對歷史數(shù)據(jù)進行存儲。該網(wǎng)關功能豐富，可擴展性較強，具有低功耗、高通信效率的特點，可廣泛應用與井蓋安全監(jiān)控領域。

參 考 文 獻

[1]于海斌，曾鵬. 智能無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)[M].北京：科學出版社，2006.

[2]李長鋒，滕國庫，常闖.基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡網(wǎng)關的設計[J].計算機與數(shù)字工程，2011，39（7）：150-153.

[3]鄭靈翔. 嵌入式系統(tǒng)設計與應用開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[4]張曉林，崔迎煒. 嵌入式系統(tǒng)設計與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[5]歐明，魏臻. S3C2410在ZigBee無線通信中的應用[J].科學技術與工程，2007（7）：4308-4310.

[6]崔光照，陳富強，張海霞.基于ARM9 的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關節(jié)點設計[J].電子技術應用，2008，34（11）：115-118.

[7]匡興紅，邵惠鶴.無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關研究[J].計算機工程，2007，33（ 6）： 228-230.