基于嵌入式技術(shù)的智能回油管路集氣監(jiān)測方法

王能， 崔福星

(1.金華送變電工程有限公司， 浙江，金華 321001；2.杭州柯林電氣股份有限公司， 浙江，杭州 310011)

0 引言

在變壓器的工作過程中，變壓器中用來散熱和絕緣的油受到電能和熱能的影響，會分解產(chǎn)生各類氣體，大部分會溶解在油中。油中氣體的成分和含量在一定程度上會反應(yīng)變壓器的故障嚴(yán)重程度和故障類型[1-2]。變壓器中油色譜監(jiān)測裝置將分析后的油送回變壓器本體時，油色譜回油通道可能出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，將空氣引入變壓器本體。

針對上述存在的問題，文獻[3]在變壓器回油通道中安裝了油分離器，將油中的氣體和油分離出來，使油回到壓縮機，在蒸發(fā)器中設(shè)置油體隔離板設(shè)置三級油分離，利用引射器將油輸入到變壓器本體中,但分離出的氣體還會進入到變壓器中，再次溶解與集油箱中。文獻[4]中運用了真空泵防回油裝置，進氣管在集油箱的下側(cè)與集油箱連通，防止油回流過程中出現(xiàn)滲透的情況，避免變壓器設(shè)備的污染,但是由于變壓器中空間狹小，對設(shè)備安裝造成困難，占用空間和功率較大。

1 智能回油管道集氣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

本研究的創(chuàng)新點在于：

(1) 基于嵌入式技術(shù)設(shè)計變壓器中油氣管路氣體信息采集系統(tǒng)，對ARM9TDMI處理器改進了16位的Thumb指令集。在無線通信模塊中加入濾波電路，并在MMT162氣體傳感器集成多個其他氣體的微傳感器。

(2) 設(shè)計出一種倒置T式結(jié)構(gòu)的回油管道集氣裝置，與變壓器色譜檢測裝置相連接。當(dāng)變壓器中有故障特征性氣體經(jīng)過時，會將氣體匯聚在色譜分析腔內(nèi)[5]，供色譜檢測裝置對氣體進行采集檢測。

基于上述設(shè)計思路，智能回油管道集氣監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括三個部分：油樣采集部分、嵌入式控制單元和通信控制單元。嵌入式控制單元包括電路控制和恒溫控制，電路控制系統(tǒng)中包括主控板和控制計算機。通信控制單元和LORA無線通信單元實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｓ蜆硬杉糠謱⒆儔浩髦杏瓦M行處理，分析油中的故障特征性氣體[5]。將氣體通過管道傳輸給氣體檢測單元，數(shù)據(jù)采集單元將檢測到的各氣體的含量轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號經(jīng)過通信單元將數(shù)據(jù)傳送到后臺主站單元。根據(jù)故障性氣體異常指標(biāo)對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)變壓器故障的在線監(jiān)測[6]。

目前我國普遍應(yīng)用的電力變壓器是油浸式電力變壓器，變壓器油保護了鐵芯和繞組等部件，使變壓器中材料部分吸收到的氧氣最低，在一定程度上延緩了氧化作用對變壓器設(shè)備的損壞[7]。在變壓器工作時，由于變壓器產(chǎn)生的熱能，加上線路中的電能和變壓器本身的機械應(yīng)力，互相作用形成了CH4、C2H6、C2H2、C3H8、C4H10、CO2、H2等氣體[8]。通過檢測油浸式變壓器中絕緣油中的氣體成分來檢查變壓器中是否存在故障，變壓器的故障會影響到整個電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。

因為變壓器油中不同元素在高溫下活躍度不同，炔系類氣體的析出順序和含量與變壓器油的溫度有關(guān)[8]。如表1所示。

表1 不同溫度下氣體成分

正常工作狀態(tài)下的變壓器油中主要為氧氣和氮氣，同時含有少量其他氣體，是因為變壓器中某些部件材料老化，絕緣油沒有進行徹底脫氣，再加上故障變壓器電氣試驗產(chǎn)生出故障性氣體溶解在變壓器油中[9]。又因為變壓器各個部分溫度的不同，使變壓器油在集油箱中發(fā)生循環(huán)，當(dāng)特征故障氣體含量比變壓器油中含量多時，氣體繼電器發(fā)生告警。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

2.1 基于嵌入式技術(shù)的油管路氣體信息采集

本研究采用32位的ARM9處理器作為主控制模塊對其他模塊進行管理和數(shù)據(jù)通信，相對于其他芯片具有更快的運行速度，更多的擴展空間。本研究對多個氣體傳感器進行集成，能夠?qū)Χ喾N不同類型的氣體進行采集，準(zhǔn)確測量出變壓器油中CH4、C2H6、C2H2、C3H8、C4H10、CO2、H2等氣體成分的含量和溫度，并將采集到的氣體數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM控制核心，完成數(shù)據(jù)采集工作[12]。嵌入式系統(tǒng)中加入無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過無線網(wǎng)絡(luò)將接收端的氣體數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器監(jiān)控站，完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。嵌入式氣體信息采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入式氣體信息采集系統(tǒng)硬件示意圖

本研究ARM指令集合改進了16位的Thumb指令集，提高了變種的ARM/Thumb混合使用效率，增強了DSP指令。本研究ARM處理器采用ARM9TDMI處理器，具體性能指標(biāo)如表2所示。

表2 ARM9TDMI處理器性能指標(biāo)

嵌入式處理器核心板為Mini2440開發(fā)板，主頻為400 MHz、最高可達533 MHz，64 M的SDRAM和32位數(shù)據(jù)總線，SDRAM的時鐘可達100 MHz。其中無線通信模塊是在原有的基于電路交換方式的通信網(wǎng)絡(luò)上引入2個新的通信節(jié)點：服務(wù)支持節(jié)點和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點。2個通信節(jié)點在同一等級水平，跟蹤單個MS的存儲單元實現(xiàn)安全功能和接入控制，并通過幀中繼連接到基站系統(tǒng)。無線通信模塊電路如圖3所示。

圖3 無線通信模塊電路

對無線通信電路進行設(shè)計時選用220 μF的大容量電解電容并聯(lián)一個小的瓷介電容0.01 μF用于過濾氣體信息信號中的高頻噪聲信號。用單電壓供電，電壓為3.4～4.5 V。當(dāng)電流消耗升至典型峰值2 A時，其傳輸脈沖的波動可能導(dǎo)致電壓下降，所以電源供電必須能夠提供足夠到2 A的電流。實現(xiàn)了可在EGSM900MHZ、DC1800MHZ、PCS1900MHZ多種通信頻率下進行數(shù)據(jù)傳輸，并支持CS-1、CS-2、CS-3、CS-4等多種編碼方式。

集成氣體傳感器為氣體信息采集的核心，所以選擇一個合適的氣體傳感器是成功實現(xiàn)變壓器油中多種氣體含量在線監(jiān)測的關(guān)鍵。本研究采用MMT162氣體傳感器和其他C2H2、C3H8、C4H1微傳感器進行集成，可以在苛刻的環(huán)境下測量變壓器油中有害氣體的的含量，不易被化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，保證測量數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定度[15]。MMT162根據(jù)變壓器油的活性和溫度來測量，這種方法不受油的類型、老化和溫度的影響。集成氣體傳感器的電路如圖4所示。

圖4 集成氣體傳感器電路示意圖

傳感器接口電路的1引腳接接收器的輸出端連接S3C2440的UART的RXD，連接4引腳接驅(qū)動器的輸入端連接S3C2440的UART的TXD，2、3引腳是發(fā)送端和接收端的使能端口。微傳感器的輸出有兩路模擬信號和一路數(shù)字信號輸出，輸出電流的范圍為0～20 mA，輸出電壓為0～10 V。集成氣體傳感器得到的數(shù)據(jù)通過RS-485傳輸?shù)紸RM控制板上，在控制板上進行處理，顯示到主界面上控制板負(fù)責(zé)和傳感器進行通信，配置傳感器的參數(shù)、控制采集的頻率、時間以及狀態(tài)。

2.2 回油管道集氣裝置及油色譜監(jiān)測

整體機械結(jié)構(gòu)采用倒置的T式結(jié)構(gòu)，同時和本體及油色譜油管的連接采用模塊化設(shè)計，方便更換，適配各式回油管路接口。回油管道集氣裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 回油管道結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)含有氣泡的氣體流過的時候，氣泡因為壓力集中在油路的上部，當(dāng)經(jīng)過裝置的時候，氣泡匯集到倒置式T字的上部。油路回流輕阻尼技術(shù)，回油管集氣處采用蜂窩式設(shè)計，讓油流過的同時將氣泡過濾并匯集，將因為油路泄露引入的空氣匯集到就地分析腔體內(nèi)，不會將氣體漏入到主變本體?；赜凸艿兰瘹庋b置的集氣流程如圖6所示。

圖6 集氣流程圖

回油管路采用回流輕阻尼技術(shù)，能夠局部改變液流的流通面積,使液流產(chǎn)生壓力損失和壓力差，流過液壓阻尼的油液和阻尼前后的壓力差不能用線性表示，之間的關(guān)系為

qv=kAΔpm

(1)

其中，qv為油液阻尼，A為油液阻尼的流界面積。

當(dāng)流體的速度和壓力隨空間的變化不規(guī)律時，流動成為紊流，在這種流體中，油液是不規(guī)律運動的?；赜凸艿乐泄潭ㄗ枘峥粘惺艿膲毫Ω?，壓力流量特性可表示為

(2)

式中,ρ表示油液的密度，C表示孔阻尼的流量，Q表流經(jīng)孔阻尼的流量。設(shè)孔口直徑與管道比β=d/D較小時，則有：

(3)

可調(diào)阻尼孔通過錐閥結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，管道中孔倒角不大，則可得到壓力流量，可表示為

(4)

將兩阻尼合并等效為新的阻尼孔，則有：

(5)

其中,k為阻尼孔的新壓力流量系數(shù)，表達式為

(6)

式中,Cd表示流量系數(shù)，d表示阻尼孔的大小。阻尼系數(shù)可表示為

(7)

其中，PLS0為LS油路的額定工作壓力。確定了回油管道集氣裝置的阻尼系數(shù)，分析管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)對控制油路壓力變化的影響，并以壓力補償閥流量控制變壓器油量回路。

3 試驗結(jié)果與分析

為驗證本研究智能回油管道集氣檢測系統(tǒng)的性能，分別使用文獻[3]裝置、文獻[4]裝置和本研究系統(tǒng)對變壓器故障特征性氣體進行回油，通過色譜檢測系統(tǒng)測量變壓器主體中故障特征性氣體的含量和種類，判斷回油集氣裝置的可靠性。檢測到使用3種設(shè)備的變壓器內(nèi)氣體含量如表3所示。

表3 變壓器內(nèi)氣體含量

通過檢測使用3種裝置后變壓器內(nèi)故障特征性氣體含量可知，使用本研究的智能回油管道集氣系統(tǒng)，變壓器內(nèi)所含故障特征性氣體最少，對變壓器正常工作狀態(tài)的影響最小。表4中各氣體含量相對較少，總?cè)埠康椭?4.3 uL/L。根據(jù)油色譜監(jiān)測系統(tǒng)中故障判斷，故障特征性氣體處于較低水平，變壓器不存在故障。其中C2H2氣體含量為0，說明本研究裝置性能較好。

表4 實驗樣本氣體含量(uL/L)

變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)可以實時監(jiān)測變壓器運行狀況能夠有效及時發(fā)現(xiàn)變壓器的潛伏性故障，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時進行氣體數(shù)據(jù)分析以及采取其他監(jiān)測方法共同診斷設(shè)備的故障類型。實驗樣本的各氣體含量如表4所示。

使用3種系統(tǒng)對實驗樣本進行分析，得到的變壓器故障報警時間如圖7所示。

圖7 實驗結(jié)果

觀察3種系統(tǒng)的故障報警時間可知，本研究最先發(fā)現(xiàn)變壓器中氣體含量異常，發(fā)出報警時間最短,對樣本3檢測中報警時間最短為1.8 s，對樣本5做出報警時間最長達到4.2 s。文獻[3]系統(tǒng)最高報警時間可達到10.5 s，對樣本1檢測發(fā)生報警時間最短為4.8 s,實驗樣本1中C2H4氣體含量較高，超出正常范圍。文獻[4]對變壓器中異常氣體的反應(yīng)最慢，發(fā)出報警信號使用時間最長，平均報警時間高達11.2 s，不適用于實際變壓器工作環(huán)境。

4 總結(jié)

本研究智能回油管道集氣檢測系統(tǒng)，使用回油管道集氣裝置，防止故障特征性氣體進入變壓器主體內(nèi)部，影響變壓器的正常運行。使用變壓器油色譜監(jiān)測系統(tǒng)，對變壓器中油進行采樣，經(jīng)過油氣分離單元，將溶解在油中的氣體分離出來，進入氣體檢測單元對氣體成分和含量進行分析，根據(jù)出現(xiàn)的氣體類型和氣體含量判斷出變壓器是否存在故障和出現(xiàn)故障的類型，及時對變壓器進行檢修，預(yù)防對電力系統(tǒng)造成影響。