基于單片機(jī)控制的變壓器油壓油溫故障檢測(cè)

閆虹

（大同煤礦集團(tuán)同家梁礦業(yè)公司，山西大同，037003）

0 引言

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的快速進(jìn)步及提升，各個(gè)行業(yè)對(duì)電力系統(tǒng)供電可靠性的要求也變得越來(lái)越高，在工礦企業(yè)中，電能的應(yīng)用極為廣泛，一旦中斷供電，可能造成設(shè)備損壞、生產(chǎn)停頓，所以工礦企業(yè)供電對(duì)于企業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行具有十分重要的意義。變壓器作為整個(gè)電力系統(tǒng)的重要組成設(shè)備之一，一旦出現(xiàn)異常問(wèn)題，將會(huì)對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行產(chǎn)生巨大的威脅，由于變壓器在結(jié)構(gòu)上的特殊性以及故障上的多樣性，加之人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)油溫油壓值費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，降低了工作效率。所謂的基于單片機(jī)控制的變壓器油壓油溫故障檢測(cè)，即將采集到的油壓油溫值送入單片機(jī)進(jìn)行分析顯示以及信息融合[1]，進(jìn)而定義系統(tǒng)故障模型判據(jù)，顯示故障信息，系統(tǒng)采取自動(dòng)降溫或降壓安全措施的同時(shí)并進(jìn)行聲光報(bào)警。

1 基于單片機(jī)控制變壓器油壓油溫故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 變壓器的結(jié)構(gòu)

變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)進(jìn)而來(lái)對(duì)交流電壓進(jìn)行改變的裝置，主要包括初級(jí)線(xiàn)圈、次級(jí)線(xiàn)圈以及磁芯等一些主要的部件。變壓器的功能根據(jù)其所處的位置不同發(fā)揮的作用也不相同，包括隔離、變換電流電壓以及穩(wěn)壓等一些作用，在整個(gè)電力系統(tǒng)的輸配電系統(tǒng)中都發(fā)揮核心作用。根據(jù)變壓器的具體結(jié)構(gòu)來(lái)剖析變壓器的故障是一種最為常用的技術(shù)手段。

1.2 系統(tǒng)綜述

所謂的基于單片機(jī)控制的變壓器油壓油溫故障檢測(cè)，即是將采集到的油壓值和油溫值送入單片機(jī)進(jìn)行分析顯示以及信息融合，進(jìn)而定義系統(tǒng)故障模型判據(jù)，顯示故障信息，系統(tǒng)采取自動(dòng)降溫或降壓措施的同時(shí)并進(jìn)行聲光報(bào)警。該系統(tǒng)由溫度及壓力信號(hào)檢測(cè)處理模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)監(jiān)控處理模塊、信息融合故障模型判據(jù)模塊、自動(dòng)降溫或降壓模塊、故障預(yù)警報(bào)警模塊組成。系統(tǒng)采用STC89C51 單片機(jī)作為變壓器油溫以及油壓測(cè)量的核心控制單元[2]。

2 變壓器故障模型建立

2.1 變壓器油溫升高的原因

在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中導(dǎo)致變壓器油溫升高的原因主要有：環(huán)境溫度異常；變壓器過(guò)負(fù)荷；變壓器油質(zhì)量不達(dá)標(biāo)；變壓器內(nèi)部故障。其中變壓器的內(nèi)部故障主要分為三類(lèi)，分為：（1）開(kāi)關(guān)接觸不良。運(yùn)行中分接開(kāi)關(guān)的接觸點(diǎn)壓力不夠或接觸處長(zhǎng)時(shí)間未清理等原因，使接觸電阻阻值增大，從而導(dǎo)致接觸點(diǎn)的溫度升高而發(fā)熱，在倒換分接頭以及變壓器過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，更易使分接開(kāi)關(guān)因?yàn)榻佑|不良而發(fā)熱，進(jìn)而引起變壓器油溫過(guò)高。具體分接開(kāi)關(guān)是否接觸不良可以通過(guò)測(cè)量線(xiàn)圈直流電阻來(lái)確定；（2）線(xiàn)圈匝間短路。當(dāng)其相鄰線(xiàn)圈匝間的絕緣損壞，則線(xiàn)圈間會(huì)發(fā)生短路出現(xiàn)短路電流。此短路電流會(huì)使變壓器油溫迅速上升而造成線(xiàn)圈絕緣損傷的原因很多，其中外力、高溫、制造工藝等都是引起線(xiàn)圈絕緣損傷原因。而引起匝間短路的主要原因是過(guò)電流和過(guò)電壓。具體測(cè)量線(xiàn)圈匝間是否短路，可以通過(guò)測(cè)量線(xiàn)圈的直流電阻和取油樣化驗(yàn)來(lái)確定。（3）鐵芯故障，變壓器在空載運(yùn)行時(shí)存在空載損耗，空載損耗的大小可以直接反映變壓器的鐵芯在設(shè)計(jì)時(shí)是否存在缺陷。

2.2 變壓器油壓升高的原因

在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中導(dǎo)致變壓器油壓升高的主要原因包括三大類(lèi)。（1）變壓器呼吸系統(tǒng)堵塞；（2）變壓器油溫過(guò)高；（3）變壓器油箱油位升高。

2.3 變壓器故障模型判據(jù)建立

利用單片機(jī)將采集到的變壓器油壓油溫值進(jìn)行信息融合，融合后的信息建立系統(tǒng)故障模型判據(jù)，進(jìn)而縮小故障排查范圍，提高故障排查效率。本系統(tǒng)需要測(cè)量的主要數(shù)據(jù)為：變壓器油溫值以及變壓器油壓值。需要實(shí)現(xiàn)的功能為當(dāng)變壓器剛開(kāi)始工作或需測(cè)量的油壓油溫值都處于用戶(hù)個(gè)人設(shè)定的正常范圍值時(shí)，系統(tǒng)處于正常狀態(tài)；當(dāng)變壓器的油溫油壓發(fā)生異常不在用戶(hù)設(shè)定的正常范圍值時(shí)，則系統(tǒng)通過(guò)對(duì)變壓器的油溫值與油壓值進(jìn)行信息的融合分析處理，顯示變壓器故障類(lèi)型，系統(tǒng)自啟動(dòng)緊急降溫使風(fēng)機(jī)運(yùn)行或者緊急降壓?jiǎn)?dòng)壓力釋放閥，同時(shí)在監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警預(yù)警。系統(tǒng)采用AD590溫度傳感器采集變壓器油溫值，采用MPX4115壓力傳感器采集變壓器油壓值，在該系統(tǒng)中溫度傳感器與壓力傳感器都采用多點(diǎn)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫[3-4]。

根據(jù)變壓器油壓油溫故障類(lèi)型，通過(guò)信息融合分析處理，建立系統(tǒng)故障模型判據(jù)，主要包括三大類(lèi)型故障類(lèi)型，分別為：故障類(lèi)型一，油溫油壓均異常，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)降溫措施，若油壓依然異常，則其故障原因?yàn)樽儔浩骱粑y異?；蛴臀簧?，若油壓恢復(fù)正常，則為油溫異常引起的故障；故障類(lèi)型二，油溫異常油壓正常，系統(tǒng)自動(dòng)降溫后，油溫油壓均正常，則其油溫異常剛發(fā)生，還未引起其油壓異常，緊急降溫可恢復(fù)正常運(yùn)行；故障類(lèi)型三，油溫正常油壓異常，則故障原因可能為油位異常，若此原因排除，則此故障故障為呼吸閥故障。

3 基于單片機(jī)控制的變壓器油壓油溫故障解決措施

當(dāng)油溫油壓異常時(shí)，降溫或降壓安全措施自動(dòng)啟動(dòng)，同時(shí)聲光報(bào)警裝置自啟動(dòng)報(bào)警，系統(tǒng)根據(jù)基于信息融合的故障模型判據(jù)判斷出變壓器具體故障，由專(zhuān)業(yè)人員對(duì)變壓器具體故障進(jìn)行維修。

針對(duì)變壓器油溫升高，采取的緊急降溫措施為通過(guò)提前安裝的冷卻風(fēng)機(jī)，使用固態(tài)繼電器來(lái)控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停轉(zhuǎn)，根據(jù)變壓器容量大小來(lái)選擇安裝冷卻風(fēng)扇電機(jī)的組數(shù)，系統(tǒng)采用單片機(jī)端口來(lái)控制電機(jī)風(fēng)扇的運(yùn)行，為了實(shí)現(xiàn)該裝置的電氣隔離，采用耐高壓的光電耦合器以保證控制電路的正常運(yùn)行，當(dāng)采集到的油溫值達(dá)到風(fēng)機(jī)啟動(dòng)值時(shí)，固態(tài)繼電器接收到來(lái)自單片機(jī)的運(yùn)行信號(hào)時(shí)，風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)則通過(guò)多傳感器測(cè)量變壓器油溫、變壓器表面溫度和室內(nèi)溫度，綜合分析需要啟動(dòng)的數(shù)量達(dá)到預(yù)防化解隱患故障且最大化節(jié)能。當(dāng)測(cè)量的變壓器油溫、變壓器表面溫度和室內(nèi)溫度均低于系統(tǒng)設(shè)定值下限時(shí)，系統(tǒng)控制全部風(fēng)機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)變壓器油溫未達(dá)到設(shè)定值且室內(nèi)溫度及變壓器表面溫度超出設(shè)定值時(shí)，溫度監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，啟動(dòng)部分風(fēng)機(jī)運(yùn)行，為避免單一風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作，應(yīng)在風(fēng)機(jī)間進(jìn)行切換；當(dāng)變壓器油溫處于最低設(shè)定值與最高設(shè)定值之間時(shí)，溫度監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，啟動(dòng)全部風(fēng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)變壓器油溫高于最高設(shè)定值，變壓器停止工作，溫度監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，同時(shí)啟動(dòng)全部風(fēng)機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

針對(duì)變壓器油壓升高，采取的緊急降壓措施為通過(guò)提前安裝的壓力釋放閥，采用單片機(jī)控制壓力釋放閥的運(yùn)行，采用耐高壓的光電耦合器以保證控制電路的正常運(yùn)行，當(dāng)采集到的油壓值達(dá)到壓力釋放閥的啟動(dòng)值時(shí)，壓力釋放閥啟動(dòng)。

聲光報(bào)警裝置由定時(shí)器、揚(yáng)聲器以及發(fā)光二極管組成，當(dāng)系統(tǒng)采集到的油溫或者油壓值超出所設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)采取降溫或降壓安全措施的同時(shí)自啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置。

4 變壓器油壓油溫故障檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

4.1變壓器油壓油溫故障檢測(cè)系統(tǒng)電路

對(duì)于變壓器油壓油溫故障檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)如圖1所示電路框圖。

圖1 電路框

4.2 變壓器油壓油溫故障檢測(cè)流程

4.2.1 變壓器油壓油溫故障檢測(cè)系統(tǒng)流程

如圖2所示為變壓器油壓油溫故障檢測(cè)系統(tǒng)的流程圖。系統(tǒng)主程序流程圖包括系統(tǒng)的初始化，溫度閾值與壓力閾值的設(shè)定等[5]，通過(guò)串口通信接收上位機(jī)的指令，通過(guò)信息融合判別顯示故障類(lèi)型，啟動(dòng)故障安全措施，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)流程圖

4.2.2 變壓器油壓油溫故障檢測(cè)工作原理

變壓器油壓油溫故障檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分一共包括上位機(jī)部分和下位機(jī)部分。

首先設(shè)定變壓器的油溫閾值以及油壓閾值，設(shè)定閾值是為了方便用戶(hù)在不同情況下對(duì)變壓器不同需求所對(duì)應(yīng)的不同油溫油壓要求而設(shè)立的模式，它允許用戶(hù)根據(jù)需要對(duì)應(yīng)測(cè)量的測(cè)量值的閾值設(shè)定不同的降溫啟動(dòng)系統(tǒng)和降壓?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)以及不同程度的報(bào)警啟動(dòng)系統(tǒng)，以此確保本變壓器油壓油溫檢測(cè)系統(tǒng)的使用不受到大多數(shù)情況的限制，提高了檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性。

將采集到的變壓器油溫值和油壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)采用中斷方式判斷溫度信號(hào)與壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換完成情況。若轉(zhuǎn)換未完成，就不發(fā)送當(dāng)前溫度值與壓力值至處理器；當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，跳入中斷，將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)并傳輸給上位機(jī)，此后即進(jìn)入正常循環(huán)工作狀態(tài)，上位機(jī)循環(huán)發(fā)送各油溫油壓檢測(cè)回路的編號(hào)，若油溫油壓信號(hào)轉(zhuǎn)換完成，則單片機(jī)接收此編號(hào)信號(hào)并將各檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)返回，上位機(jī)將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括對(duì)異常油溫油壓數(shù)據(jù)的剔除和對(duì)數(shù)字進(jìn)行平均，通過(guò)進(jìn)行處理后的數(shù)據(jù)計(jì)算出溫度值以及壓力值并進(jìn)行顯示。接著進(jìn)入信息融合處理系統(tǒng)，計(jì)算處理后的數(shù)據(jù)與所設(shè)定溫度閾值壓力閾值進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)判別顯示變壓器油壓油溫異常處于第幾種故障模式，根據(jù)故障模式的不同啟動(dòng)降溫或者降壓措施子系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)。

5 結(jié)論

本文以單片機(jī)STC89C51 單片機(jī)為主控元件，完成了變壓器在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)油壓油溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的油溫值油壓值與系統(tǒng)設(shè)定好的油溫閾值油壓閾值比較，以判斷變壓器的油溫值與油壓值是否正常，同時(shí)將變壓器的油溫值與油壓值進(jìn)行信息的融合分析處理，進(jìn)而使系統(tǒng)顯示出變壓器的故障類(lèi)型，與此同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)降溫或者降壓安全措施，即啟用冷卻風(fēng)機(jī)或壓力釋放閥子系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)大大縮短了變壓器系統(tǒng)故障檢測(cè)范圍，提高了檢測(cè)效率，縮短了故障檢測(cè)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的工作時(shí)效，確保了變壓器的運(yùn)行效率和安全可靠性得到最大程度的發(fā)揮。