微機(jī)型排油注氮滅火控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

陳宏強(qiáng) 張立 雷乘龍 楊富強(qiáng)

摘要：常規(guī)的滅火控制系統(tǒng)主要通過(guò)控制器微機(jī)化的思路進(jìn)行火災(zāi)控制，導(dǎo)致系統(tǒng)存在電磁干擾，影響氮?dú)庾⑷胄Ч?。因此，設(shè)計(jì)了微機(jī)型排油注氮滅火控制系統(tǒng)。硬件上，設(shè)計(jì)了模塊化微機(jī)型排油注氮控制器與ARM處理器。軟件上，建立滅火控制系統(tǒng)功能模塊，以排油注氮的邏輯代替微機(jī)化思路，從而減少系統(tǒng)出現(xiàn)的電磁干擾。再利用微機(jī)型排油注氮滅火控制算法，精準(zhǔn)控制氮?dú)庾⑷肓?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變壓器的高效滅火。采用系統(tǒng)測(cè)試的方式，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的氮?dú)庾⑷肓扛掀湫枨罅?，能夠保證變壓器的安全使用，具有較高的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：微機(jī)型；排油注氮；滅火控制；氮?dú)庾⑷肓?；控制?/p>

變壓器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行條件下，很容易出現(xiàn)故障。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，如果無(wú)法及時(shí)維護(hù)，就會(huì)出現(xiàn)變壓器火災(zāi)現(xiàn)象，嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)的正常使用。變壓器油是導(dǎo)致其火勢(shì)較大的主要原因，其內(nèi)部短路或過(guò)載時(shí)，就會(huì)發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)發(fā)生癱瘓。針對(duì)以上問題，研究人員設(shè)計(jì)了多種變壓器滅火控制系統(tǒng)。而油浸式變壓器注氮滅火控制系統(tǒng)，與油浸式變壓器智能滅火控制系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛。油浸式變壓器注氮滅火控制系統(tǒng)，應(yīng)用微機(jī)化的控制思路，在變壓器熱油排出的同時(shí)注入氮?dú)猓_(dá)成快速滅火的目標(biāo)[1]。油浸式變壓器智能滅火控制系統(tǒng)，通過(guò)電磁繼電器達(dá)成控制邏輯，高效地完成滅火控制[2]。以上兩種方法中，均存在電磁干擾，導(dǎo)致注氮控制效果不佳[3]。因此，本文以模塊化微機(jī)型排油注氮控制器為主，設(shè)計(jì)了微機(jī)型排油注氮滅火控制系統(tǒng)。

一、硬件設(shè)計(jì)

（一）模塊化微機(jī)型排油注氮控制器

在變壓器起火時(shí)，表層油的燃燒溫度較高，帶動(dòng)下層油溫升高，使變壓器的火勢(shì)變大[4]。本文主要是在變壓器起火時(shí)，將變壓器內(nèi)的熱油排放干凈，同時(shí)注入氮?dú)?，使其表面溫度降低，以此達(dá)成滅火的目的[5]。在此過(guò)程中，氮?dú)庾⑷肓康目刂浦陵P(guān)重要。因此，本文設(shè)計(jì)了模塊化微機(jī)型排油注氮控制器?？刂破鞑糠纸Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在控制器的外形殼體較為堅(jiān)硬，能夠保護(hù)器內(nèi)的各個(gè)元件。殼體的頂部與底部分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)支座，用來(lái)固定內(nèi)部元件。在安裝過(guò)程中，以模塊組件、過(guò)濾組件、濾網(wǎng)、磁石、鐵質(zhì)框、固定槽、支座、一體化機(jī)箱、殼體的順序進(jìn)行安裝。使模塊插件能夠更加方便地取出與維護(hù)。當(dāng)控制器的濾網(wǎng)灰塵較多時(shí)，將鐵質(zhì)框與濾網(wǎng)取出進(jìn)行清洗即可。保證控制器始終處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)[6]。通過(guò)上述順序安裝之后，在控制器維護(hù)過(guò)程中，僅需要抽出對(duì)應(yīng)的元件即可，既能維持控制器的正常工作，又能做好控制器的維護(hù)工作，有效地提升了控制器的運(yùn)行效果。

（二）ARM處理器

本文選用的ARM處理器主要是為控制器服務(wù)，在控制器運(yùn)行的過(guò)程中，每一次氮?dú)庾⑷肓?，均需要在處理器中備份，處理器通過(guò)系統(tǒng)回傳的火災(zāi)情況，對(duì)氮?dú)庾⑷肓窟M(jìn)行處理，使其更符合氮?dú)鉁缁鹦枨骩7]。ARM處理器的通信電路至關(guān)重要，是系統(tǒng)通信的橋梁。

如表1所示，本文設(shè)計(jì)的ARM控制器能夠在雙通道DDR4的條件下，進(jìn)行信息存儲(chǔ)。將系統(tǒng)中回傳的火災(zāi)信息存儲(chǔ)在處理器中，并將火災(zāi)圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再傳輸至控制器中，使控制器能夠了解火災(zāi)情況，進(jìn)行針對(duì)性的氮?dú)庾⑷耄岣咦⒌刂凭珳?zhǔn)度[8]。為了保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行，本文在處理器中增加了I/O端口驅(qū)動(dòng)模塊，在運(yùn)行時(shí)存在4種晶振模式，最大頻率可以達(dá)到30MHz。同時(shí)，該處理器還支持10位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可以滿足系統(tǒng)對(duì)硬件功能的需求。

二、軟件設(shè)計(jì)

（一）建立滅火控制系統(tǒng)功能模塊

本文建立的系統(tǒng)功能模塊以通信模塊與交互模塊為主。通信模塊的總線設(shè)計(jì)為CAN、RS485，以及以太網(wǎng)等三種。其中，CAN總線能夠?qū)⒆儔浩骰馂?zāi)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，并采用CAN協(xié)議的擴(kuò)展幀進(jìn)行信息傳輸，擴(kuò)展幀的定義如表2所示。

如表2所示，每發(fā)送一幀，優(yōu)先級(jí)計(jì)數(shù)從0～7遞增；預(yù)留計(jì)數(shù)為0；循環(huán)計(jì)數(shù)達(dá)到63后歸零；應(yīng)答計(jì)數(shù)是在接收方接收請(qǐng)求之后，每100ms給發(fā)送方一個(gè)應(yīng)答幀，隨機(jī)分配一個(gè)地址，也就是發(fā)送方的ID。人機(jī)交互模塊是軟件中發(fā)送命令的函數(shù)程序，當(dāng)火災(zāi)數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)中時(shí)，初始化函數(shù)向CAN總線發(fā)送通信命令，從而完成控制、邏輯、驅(qū)動(dòng)等功能。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，在軟件結(jié)構(gòu)中，或是探測(cè)信號(hào)傳輸至排油注氮控制中心之后，通過(guò)電源切換中心，將交互信號(hào)傳達(dá)至控制中心，再由通信信號(hào)向控制中心、邏輯中心、驅(qū)動(dòng)中心傳輸指令，完成交互與通信功能。

（二）設(shè)計(jì)微機(jī)型排油注氮滅火控制算法

在初始狀態(tài)下，變壓器油壓狀態(tài)的傳遞函數(shù)表達(dá)式如下：

（1）

式（1）中，f（u）為變壓器油壓狀態(tài)的傳遞函數(shù)表達(dá)式；um （S）、un （S）為變壓器油壓的兩組傳遞向量。當(dāng)f（u）＜0時(shí)，變壓器油壓出現(xiàn)畸變，此時(shí)變壓器處于短路狀態(tài)，出現(xiàn)了變壓器起火的現(xiàn)象。本文根據(jù)變壓器油量情況，對(duì)其排油時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

（2）

式（2）中，P為變壓器排油時(shí)間；S為油箱現(xiàn)存油量。將變壓器內(nèi)的油全部排出的同時(shí)，在油箱內(nèi)注入氮?dú)猓獨(dú)庑枨罅康挠?jì)算公式如下：

（3）

式（3）中，X為氮?dú)庑枨罅浚籐為氮?dú)庾⑷腩l率。根據(jù)變壓器油箱的氮?dú)庾⑷胄枨?，?duì)其進(jìn)行注氮控制。也就是說(shuō)，本文以氮?dú)庑枨鬄橹?，?shí)時(shí)控制氮?dú)庾⑷肭闆r，當(dāng)注入量與需求量一致之后，停止注入。當(dāng)掌握不好注入量時(shí)，以增加0.01kg的注入量為主，最大限度地保證注氮量和控制效果。

（三）實(shí)現(xiàn)變壓器的高效滅火

為了實(shí)現(xiàn)變壓器的高效滅火，本文在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)滅火控制數(shù)據(jù)庫(kù)。將上述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，隨取隨用，縮短火災(zāi)數(shù)據(jù)的查詢時(shí)間。如下表3所示。

如表3所示，本文將登錄名稱、火情探測(cè)數(shù)據(jù)、油量剩余數(shù)據(jù)、氮?dú)庾⑷霐?shù)據(jù)、變壓器溫度數(shù)據(jù)等，按照系統(tǒng)通信模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)中。并將各個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)記一個(gè)數(shù)據(jù)類型，搜索數(shù)據(jù)類型后，點(diǎn)擊相應(yīng)的字段名，即可得到一個(gè)完整數(shù)據(jù)，為變壓器后續(xù)維護(hù)與檢修提供支撐。

三、系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是否具有實(shí)用價(jià)值，本文對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。首先，安裝系統(tǒng)硬件，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。其次，連接軟件，對(duì)軟件功能進(jìn)行調(diào)試。最后，將硬件與軟件連接，對(duì)系統(tǒng)整體功能進(jìn)行測(cè)試。最終的測(cè)試結(jié)果以文獻(xiàn)[1]控制系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]控制系統(tǒng)、本文設(shè)計(jì)的微機(jī)型排油注氮滅火控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比的形式呈現(xiàn)。具體測(cè)試過(guò)程及測(cè)試結(jié)果如下所示。

（一）測(cè)試過(guò)程

在進(jìn)行測(cè)試之前，本文將模塊化微機(jī)型排油注氮控制器，與ARM處理器進(jìn)行安裝。將模塊組件、固定槽、磁石、鐵質(zhì)框、濾網(wǎng)、過(guò)濾組件、機(jī)箱等元件安裝完畢之后，將控制器通電，使其處于正常運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)控制器的電路電壓進(jìn)行分析，如圖3所示。

如圖3所示，控制器的電路電壓為23.9V，在25V以內(nèi)，證明此時(shí)控制器運(yùn)行正常。同時(shí)，電壓波形較為穩(wěn)定，A、B、C、D四個(gè)接口的電壓均為23.9V，可以保證硬件電路的可行性。ARM處理器安裝完畢之后通電，綠色指示燈亮起，可以保證該硬件的正常使用。本次測(cè)試模擬出變壓器起火狀態(tài)，火勢(shì)的初始溫度為320℃，對(duì)注氮時(shí)間250s內(nèi)的溫度變化情況進(jìn)行分析，如圖4所示。

如圖4所示，在注氮時(shí)間為0s～150s時(shí)，溫度持續(xù)下降，表明火勢(shì)得以控制。在注氮時(shí)間超過(guò)150s之后，溫度不再變化，且保持在50℃左右，證明此時(shí)變壓器火勢(shì)已被撲滅。在實(shí)際場(chǎng)景中，變壓器在150s之后，火勢(shì)被撲滅。由此看來(lái)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲得變壓器溫度情況，能夠保證系統(tǒng)的運(yùn)行可行性。

（二）測(cè)試結(jié)果

在上述測(cè)試條件下，本文模擬出BY_1#～BY_8#共8種火況，火勢(shì)較小，便于火情控制，保證測(cè)試環(huán)境的安全性。不同的火況氮?dú)庑枨罅坎煌?，需要較高的控制能力控制氮?dú)庾⑷肓?。本文將文獻(xiàn)[1]控制系統(tǒng)的氮?dú)庾⑷肓?、文獻(xiàn)[2]控制系統(tǒng)的氮?dú)庾⑷肓俊⒈疚脑O(shè)計(jì)的微機(jī)型排油注氮滅火控制系統(tǒng)的氮?dú)庾⑷肓窟M(jìn)行對(duì)比。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

如表4所示，本文模擬的BY_1#～BY_8#共8種火況中，火勢(shì)從高到低，氮?dú)庑枨罅肯鄳?yīng)不同。已知，注入氮?dú)鉁缁饡r(shí)，氮?dú)饬靠刂圃?.01kg以內(nèi)，能夠保證變壓器的火勢(shì)得到控制。在其他條件均一致的情況下，文獻(xiàn)[1]控制系統(tǒng)的氮?dú)庾⑷肓浚c氮?dú)庑枨罅肯嗖罴s-0.2kg，且氮?dú)庾⑷肓烤儆谛枨罅?，?dǎo)致火情無(wú)法被有效控制，造成較大的安全事故。文獻(xiàn)[2]控制系統(tǒng)的氮?dú)庾⑷肓颗c氮?dú)庑枨罅肯嗖罴s-0.02kg，氮?dú)庾⑷肓客瑯由儆谛枨罅?，安全事故仍可能出現(xiàn)。而本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的氮?dú)庾⑷肓?，大部分火況的氮?dú)庾⑷肓颗c需求量保持一致，BY_3#、BY_5#火況的氮?dú)庾⑷肓颗c需求量相差+0.01kg，高于需求量，能夠保證變壓器的火情控制效果，安全事故較少，符合本文研究目的。

四、結(jié)束語(yǔ)

近些年來(lái)，變壓器設(shè)備應(yīng)用較為廣泛，成為人們生活中不可或缺的設(shè)備。但是，變壓器在工作過(guò)程中，不可能永遠(yuǎn)正常運(yùn)行，故障發(fā)生時(shí)，不能及時(shí)維護(hù)，就會(huì)導(dǎo)致變壓器起火，造成較大的事故發(fā)生。因此，本文設(shè)計(jì)了微機(jī)型排油注氮滅火控制系統(tǒng)。通過(guò)注氮控制器、處理器等硬件與軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，使該控制系統(tǒng)能夠高效地控制氮?dú)庾⑷肓?，從而提高火?zāi)控制效果，為變壓器的安全使用提供保障。

作者單位：陳宏強(qiáng) 張立 雷乘龍 楊富強(qiáng) 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司天水供電公司

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

[1]張立，陳振勇，李黨召，等.油浸式變壓器的微機(jī)型排油注氮滅火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2021（02）：130-131.

[2]張立，劉棟梁，雷乘龍，劉虹斌.一種適用于油浸變壓器的智能滅火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用，2022，41（07）：98-102.

[3]張憲鋒，于海洋，郭士清，等.室內(nèi)安防巡邏與滅火多功能機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子產(chǎn)品世界，2021，28（01）：42-44.

[4]謝丹，陳慶偉，洪偉藝，等.多站融合變電站內(nèi)數(shù)據(jù)中心智能消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2022，41（08）：1106-1110.

[5]曹建忠，趙天雪.基于DMAIC的消防工程系統(tǒng)自動(dòng)噴水滅火噴頭安裝返工率控制[J].智能城市，2022，8（07）：40-43.

[6]侯天陽(yáng)，舒啟林.隧道懸掛式軌道滅火機(jī)器人遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)[J].成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2021，38（04）：22-26.