變壓器油溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想

席先鵬 王興成 劉 林 張艷華

(三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443000)

變壓器油溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想

席先鵬 王興成 劉 林 張艷華

(三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443000)

為了保證變壓器連續(xù)安全穩(wěn)定地工作，就必須確保變壓器在一定溫度下運(yùn)行，而油溫是變壓器溫度的一個(gè)重要指標(biāo)，如果油溫狀況不能得到實(shí)時(shí)監(jiān)控，變壓器運(yùn)行異常也就無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油溫是非常重要的。通過(guò)設(shè)計(jì)變壓器油溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為判斷變壓器是否正常運(yùn)行提供有力工具。

變壓器；油溫；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0 引言

在我國(guó)的電力行業(yè)中，有很多變壓器不論是大型還是小型都已經(jīng)快接近超期運(yùn)行，其中有些變壓器可能存在安全隱患，但考慮到經(jīng)濟(jì)效益仍讓其繼續(xù)工作。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)變壓器出現(xiàn)故障有86%是由于絕緣受到損害、老化而引起的。而造成變壓器絕緣損害、老化的因素有很多，如鐵耗、機(jī)械損耗、熱損耗等。據(jù)專家不完全統(tǒng)計(jì)，熱損耗造成的絕緣損害、老化占絕大部分。而熱損耗又影響油溫，因此，對(duì)變壓器油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)變壓器的保護(hù)具有十分重要的作用。

當(dāng)今時(shí)代，測(cè)試和通訊技術(shù)已經(jīng)很成熟，如果還是讓工作人員現(xiàn)場(chǎng)去檢測(cè)每一臺(tái)變壓器的油溫，那樣既浪費(fèi)人力又浪費(fèi)時(shí)間，效率低下。但如果利用溫度傳感器去檢測(cè)溫度，然后通過(guò)光纖或無(wú)線設(shè)備傳給主機(jī)，這樣既節(jié)約了人力，節(jié)省了時(shí)間，還能使工作人員有充足的時(shí)間去處理數(shù)據(jù)，并對(duì)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估，發(fā)現(xiàn)變壓器的安全隱患，使之得到及時(shí)處理。

1 油溫監(jiān)測(cè)流程框圖

油溫監(jiān)測(cè)流程如圖1所示。

圖1 油溫監(jiān)測(cè)流程框圖

2 油溫監(jiān)測(cè)裝置選擇

2.1 壓力式溫度計(jì)測(cè)溫

壓力式溫度計(jì)屬于膨脹式測(cè)溫儀器，如圖2所示，溫包中充滿了感溫的液體或氣體，溫包放于變壓器油中，當(dāng)溫度變化時(shí)感溫物質(zhì)膨脹導(dǎo)致壓力產(chǎn)生變化，這一變化的壓力通過(guò)毛細(xì)管作用于彈簧管的彈性元件使指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而指向被測(cè)溫度。

圖2 壓力式溫度計(jì)

2.2 熱電阻溫度計(jì)測(cè)溫

熱電阻溫度計(jì)的原理是導(dǎo)體本身的電阻值與溫度的變化存在一定的比例關(guān)系?，F(xiàn)在市場(chǎng)上用的比較多的就是鉑電阻，鉑電阻的抗氧化性好，測(cè)量精度高，本身電阻值與溫度的變化近似成直線關(guān)系(-200～850 ℃)。以下是電阻值與溫度的關(guān)系式：

R=R0[1+mt+nt2+kt3(t-100)] (-200 ℃≤t<0 ℃)

R=R0(1+mt+nt2) (0 ℃≤t≤850 ℃)

式中，R為溫度為t時(shí)的電阻值；R0為0 ℃時(shí)的電阻值，R0=100 Ω；m為3.908 2×10-3；n為-5.802×10-7；k為4.273 5×10-12。

將鉑電阻與穩(wěn)定的電壓源及一些元件連接成一個(gè)電路，不同油溫下鉑電阻的阻值發(fā)生改變導(dǎo)致電路中的電壓或電流發(fā)生改變，通過(guò)電壓或電流的改變可以計(jì)算出變壓器油的溫度。

2.3 熱電偶溫度計(jì)測(cè)溫

熱電偶溫度計(jì)(圖3)是由2種不同材料的導(dǎo)體a和b焊接成的，2種導(dǎo)體材料一端互相連接，另一端則與測(cè)溫儀表相連?；ハ噙B接的一端叫測(cè)量端，與儀表連接的一端叫冷端。測(cè)量時(shí)測(cè)量端放于被測(cè)物體中或與被測(cè)物體接觸，當(dāng)兩端有溫差時(shí)，回路就會(huì)產(chǎn)生電流，通過(guò)測(cè)量該電流的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)得到溫度。

圖3 熱電偶溫度計(jì)

由圖3可知，熱電偶溫度計(jì)中有熱接點(diǎn)和冷接點(diǎn)2個(gè)接點(diǎn)。為了方便安裝維護(hù)，熱接點(diǎn)置于變壓器外殼頂部，冷接點(diǎn)處于大氣當(dāng)中，T1、T2為2個(gè)接點(diǎn)的溫度，兩導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)Eab是2個(gè)接點(diǎn)溫差的函數(shù)，通過(guò)Eab可得到當(dāng)前油溫。

Eab(T1T2)=Eab(T1)-Eab(T2)-[Ea(T1T2)-Eb(T1T2)]=

式中，Ea、Eb為單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)；Eab為兩導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)；k為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-6)；e是電子電荷(1.602 189 2×10-19)；Na、Nb分別為a、b 2種材料在溫度T時(shí)的電子密度；δ是湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1 ℃時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。

為了保證測(cè)得溫度的準(zhǔn)確度與可靠性，測(cè)溫探頭有3個(gè)，分別放在頂部的不同位置，然后綜合3個(gè)測(cè)量值取平均數(shù)。

為了保證冷接點(diǎn)的溫度不變以及避免外界溫度對(duì)測(cè)溫探頭的影響，測(cè)溫探頭需用隔熱罩密封，隔熱罩主要由氣凝膠氈制成。氣凝膠氈的導(dǎo)熱系數(shù)極低，保溫性能很好。

通過(guò)對(duì)以上3種測(cè)量方法的了解，筆者選擇了熱電偶溫度測(cè)量裝置來(lái)對(duì)油溫進(jìn)行測(cè)量。原因：(1) 和彈性元件的形變以及鉑電阻的變化相比，熱電動(dòng)勢(shì)的線性度更好。(2) 由于測(cè)溫顯示電信號(hào)，便于傳輸，也有利于集中檢測(cè)和控制。(3) 體積小、精度高，既可以用來(lái)測(cè)量點(diǎn)的溫度，也可以用來(lái)測(cè)量壁面的溫度。

3 V/F轉(zhuǎn)換器

V/F轉(zhuǎn)換器是一個(gè)電壓控制的振蕩器，即振蕩頻率隨控制電壓變化而變化。輸出頻率F正比于輸入電壓的瞬時(shí)值。V/F轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)配合使用十分好，可以通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器記錄脈沖數(shù)為C，利用其內(nèi)部一個(gè)定時(shí)器記錄時(shí)間T，于是頻率F=C/T，最后通過(guò)頻率、電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系得到電壓值。變壓器放置的地方一般都有很多電磁干擾，而頻率信號(hào)的抗干擾性很強(qiáng)，所以頻率信號(hào)能更好地保護(hù)原始信號(hào)不受破壞。

4 單片機(jī)MSP430F449

I/O口接收到V/F轉(zhuǎn)換器傳來(lái)的信號(hào)并通過(guò)采樣器采集信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)處理后在液晶顯示屏上顯示溫度，另一邊通過(guò)串行輸出端口P2.4把數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。圖4是MSP430F449部分接口電路圖。

圖4 MSP430F449外圍接口電路

5 轉(zhuǎn)接器

轉(zhuǎn)接器部分的功能是完成RS -485協(xié)議和RS -232協(xié)議的轉(zhuǎn)換。它把RS -485通信系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的信息轉(zhuǎn)換成RS -232標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)RS -232接口傳輸給PC機(jī)。

6 通信系統(tǒng)

在系統(tǒng)中通信采用RS -232和RS -485 2種通信標(biāo)準(zhǔn)，其中RS -232通信完成硬件和軟件的連接，RS -485通信完成遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)的傳送。RS -232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2 500 pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，另外RS -232屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問(wèn)題，因此一般用于20 m以內(nèi)的通信。RS -485接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好，RS -485最大通信距離約為1 219 m，最大傳輸速率為10 Mb/s，適合遠(yuǎn)距離傳輸。

7 溫度的顯示與報(bào)警

主機(jī)接收到傳來(lái)的信號(hào)后調(diào)用溫度脈沖轉(zhuǎn)換公式處理成溫度后顯示，并與預(yù)置溫度對(duì)比，如果大于預(yù)置溫度就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)?！杜潆娮儔浩鬟\(yùn)行規(guī)程》規(guī)定變壓器的頂層油溫限值是95 ℃，為防止變壓器絕緣加速老化，一般頂層油溫不宜經(jīng)常超過(guò)85 ℃。因傳感器取的是外殼頂部溫度，頂層油溫和外殼頂部溫度之間有一定的溫差，故設(shè)置70 ℃為報(bào)警溫度，如溫度傳感器傳回的溫度值大于70 ℃，則進(jìn)行報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)處理。

8 結(jié)語(yǔ)

本文采用了熱電偶測(cè)溫裝置，將測(cè)得的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成抗干擾性強(qiáng)的脈沖信號(hào)，并通過(guò)單片機(jī)處理后傳入主機(jī)。由于還沒(méi)有得到實(shí)踐檢驗(yàn)，可能存在一些隱藏缺陷沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，以后會(huì)進(jìn)一步研究完善。

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2014-06-18

席先鵬(1990—)，男，湖北當(dāng)陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：高電壓絕緣測(cè)試技術(shù)、電力設(shè)備故障監(jiān)測(cè)與診斷。