變壓器油溫測量及光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言
    變壓器的絕緣老化，主要是由于溫度、濕度、氧化和油中分解的劣化物質(zhì)的影響所致。但老化的速度主要由溫度決定，絕緣的工作溫度愈高，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的愈快，絕緣的機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度喪失的愈快，絕緣老化速度愈快，變壓器使用年限也愈短。實(shí)際上繞組溫度受負(fù)荷波動和氣溫變化的影響，變化范圍很大。因此，對變壓器的溫度進(jìn)行實(shí)時采集，使其維持在一定的范圍內(nèi)，對變壓器的壽命有重要的意義。
    在線監(jiān)測變壓器油溫對早期診斷變壓器故障十分重要，但是因變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響其安全運(yùn)行的因素較多，使得在線監(jiān)測的難度很大。油溫測量過去一般是采用間接的模擬測量方法，準(zhǔn)確性差，而且不及時。文中針對以上問題，提出了采用鉑電阻作為變壓器油溫測量的傳感器，MSP430F449單片機(jī)為核心處理器件，實(shí)現(xiàn)對變壓器油溫測量，采用光纖實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信，在上位機(jī)運(yùn)行油溫監(jiān)控軟件，實(shí)時的監(jiān)測變壓器油溫。該電力變壓器油溫測量系統(tǒng)代替直接輸入變壓器溫度控制器去控制電力變壓器冷卻系統(tǒng)，具有方便實(shí)時在線檢測、集中控制等特點(diǎn)。

2 變壓器散熱原理分析
    變壓器在運(yùn)行時產(chǎn)生的損耗以熱的形式通過油、油箱壁和散熱器散發(fā)到周圍的空氣中。熱量的散發(fā)通過導(dǎo)熱、對流和輻射三種形式。從繞組和鐵心的內(nèi)部到其表面熱量主要靠導(dǎo)熱形式散發(fā)，從繞組和鐵心表面到變壓器油中熱量主要靠對流的形式散發(fā)。散發(fā)到變壓器油中的熱量使油箱中的變壓器油溫度上升、密度下降、產(chǎn)生熱浮力，而變壓器油在熱浮力的推動下，從油箱上部進(jìn)人連接油管，通過油管進(jìn)人散熱器。變壓器油在散熱器中經(jīng)過和外面空氣的熱交換，使散熱器中的變壓器油溫度降低，從油箱下部進(jìn)人連接油管，通過油管重新進(jìn)入變壓器油箱，形成自然循環(huán)。變壓器的散熱量可由式(1)確定：
   

式中，Ql為單位熱負(fù)荷；Q為變壓器的損耗；F變壓器的總散熱面積；C1與變壓器性本身參數(shù)有關(guān)的常數(shù)；ty即變壓器溫升。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    電力變壓器運(yùn)行中，對其油溫的測量是維護(hù)電力變壓器安全運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。電力變壓器冷卻系統(tǒng)的投退和超溫報警等都由其安裝的溫度控制器來實(shí)現(xiàn)。
    本變壓器油溫測量系統(tǒng)以MSP430F449為主控制器件，它是TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗特性的功能強(qiáng)大的單片機(jī)。MSP430單片機(jī)內(nèi)部具有高、中、低速多個時鐘源，可以靈活的配置給各模塊使用以及工作于多種低功耗模式，大大降低控制電路的功耗提高整體效率。首先，電力變壓器油溫經(jīng)過傳感器和信號調(diào)理電路采集放大為適合A／D轉(zhuǎn)換的電壓值。然后，A／D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換位數(shù)字信號后經(jīng)MSP430作預(yù)處理。 該監(jiān)測系統(tǒng)通過MAX3221電平轉(zhuǎn)換電路采用光纖實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的串行通信，PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對溫濕度值的進(jìn)一步分析和對系統(tǒng)的控制。利用光纖收發(fā)模塊構(gòu)建的光纖通信系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，借助MSP430單片機(jī)和主機(jī)(上位機(jī))之間的串行通信完成人機(jī)交互監(jiān)測，系統(tǒng)框圖如圖1。

3．1 鉑電阻及信號調(diào)理電路
    鉑電阻具有準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定、互換性好、耐腐蝕及使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，一直是工業(yè)測控系統(tǒng)中廣泛使用的一種比較理想的測溫元件。對于鉑電阻溫度計，電阻R溫度t的函數(shù)如公式(2)：

    Rt=R0[1+at-bt2]    (2)
式中Rt為t℃時的電阻值，R0為0℃時的電阻值100Ω；A為3．908 02×10-3／℃；B為-5．802×10-7／℃2。
    這一過程將直接影響著系統(tǒng)的測量精度，當(dāng)然強(qiáng)電磁場的工業(yè)環(huán)境同樣對系統(tǒng)的測控精度與穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。
    在0℃～650℃存在非線性項(xiàng)bt2，因此鉑電阻的阻值和溫度之間不是線性關(guān)系，這就要求在實(shí)際應(yīng)用鉑電阻時要考慮到鉑電阻線性化校正的問題。對于高精度的鉑電阻測溫數(shù)字顯示儀表，可以將鉑電阻的電阻溫度分度表以A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)為地址固化在存儲器EPROM中，即在EPROM中，以A／D轉(zhuǎn)換值為單元地址存放與之相對應(yīng)的溫度值。當(dāng)以A／D轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果為地址訪問EPROM時，存放在該單元的溫度值被讀取，并送入LCD顯示。
3．2 MSP430接口電路
    溫度傳感器的輸出信號經(jīng)溫度變送模塊轉(zhuǎn)化為OV～5V標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，進(jìn)入電壓／頻率(V／F)轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為OkHz～100kHz的頻率輸出至MSP430的I/O口，經(jīng)MSP430采樣計算后顯示在液晶模塊(LCD)上。采用P2．4口作為RXD接收數(shù)據(jù)，P2．5口作為TXD發(fā)送數(shù)據(jù)。F449外圍接口電路如圖2所示。

3．3 V／F模塊設(shè)計
    系統(tǒng)用V/F轉(zhuǎn)換芯片將0V～5V電壓信號轉(zhuǎn)變成頻率輸出至單片機(jī)，既節(jié)省了I/O口，也節(jié)省了A／D轉(zhuǎn)換芯片，降低了系統(tǒng)成本。采用壓控振蕩器LM331芯片，它的突出特點(diǎn)是把模擬電壓轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強(qiáng)，可遠(yuǎn)距離傳送并能直接輸入單片機(jī)的脈沖串。
3．4 CMI編解碼原理
    CMI碼是一種字母型平衡碼。根據(jù)CMI的編碼要求，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果輸入的是數(shù)據(jù)“0”，則輸出的數(shù)據(jù)為“0l”，如果輸入數(shù)據(jù)“1”時，就要對“1”的奇偶性進(jìn)行判斷，當(dāng)?shù)谝粋€“1”到來時，輸出為“00”，當(dāng)?shù)诙€“1”到來時，輸出為“11”，并不斷的交替反轉(zhuǎn)，來實(shí)現(xiàn)1的編碼。CMI解碼電路的作用是將光電轉(zhuǎn)換電路接收的電信號解碼還原。
3．5 光纖通信電路設(shè)計
    光纖通信的原理是利用經(jīng)過調(diào)制的光纖載波在光纖導(dǎo)纖維中的不斷反射到達(dá)對方，再解調(diào)出原始信息實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)?，其主要特點(diǎn)是傳輸容量大、高速率、傳輸距離長、抗干擾性強(qiáng)、絕緣性能好等。尤其是抗電磁干擾和絕緣性能好這兩大特點(diǎn)，可應(yīng)用于變電所、高壓線路等高電壓強(qiáng)電磁干擾環(huán)境，是目前電力系統(tǒng)通信中正在逐步廣泛應(yīng)用的通信方式。
    在光發(fā)射機(jī)端再對信號進(jìn)行調(diào)制然后將調(diào)制好的電信號轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纜進(jìn)行長距離傳輸，在接收端將光信號還原成電信號，再把電信號進(jìn)行解調(diào)放大，還原出原始信號。光端機(jī)的發(fā)送端內(nèi)含有載波光源，在此將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，并輸入光纖傳輸遠(yuǎn)方。光端機(jī)的接收端內(nèi)含有光檢測器，它將來自光纖的光信號還原成電信號，并輸入到光端機(jī)的接收端，數(shù)據(jù)可以全雙工傳輸。中繼器將經(jīng)過長距離傳輸后被衰減和畸變了的光信號放大、整形再生成一定強(qiáng)度的光信號繼續(xù)傳送。
    系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

    光纖傳輸后的輸出信號再經(jīng)過RS-485／232電平轉(zhuǎn)換后，可接到PC機(jī)的串口進(jìn)行通信。

4 軟件設(shè)計
    軟件流程圖如圖4所示。該系統(tǒng)的軟件是在IAR開發(fā)環(huán)境下采用C語言編寫，采用模塊化程序設(shè)計。系統(tǒng)初始化，顯示開機(jī)畫面之后開啟基本定時器，用于定時喚醒MSP430采樣并顯示實(shí)時溫度。顯示完溫度后進(jìn)入低功耗模式，等待外部鍵盤中斷和定時器中斷，中斷返回后再次進(jìn)入低功耗模式，從而降低了電能消耗。

    在變壓器油溫監(jiān)測系統(tǒng)中，以MSP430作為下位機(jī)，PC機(jī)作為上位機(jī)，下位機(jī)與上位機(jī)通過串口進(jìn)行通信。運(yùn)行上位機(jī)的監(jiān)控軟件后，選擇開始通信按鈕便與下位機(jī)建立了通信，可以對下位機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。遠(yuǎn)程監(jiān)測的軟件上顯示變壓器油溫值的數(shù)字與曲線，保存各測溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在實(shí)際的操作過程中對異常的情況進(jìn)行報警。

5 測試結(jié)果及分析
    鄭州西郊變電站160MVA三相變壓器，額定電壓為220／12l／lO．5kV。該測溫系統(tǒng)于2007年1月投入使用，設(shè)置正常測試溫度在45℃～75℃，調(diào)試可使60℃的測量誤差為0，這樣在的測試范圍內(nèi)誤差較小。
    采用該測量系統(tǒng)對變壓器頂層油溫進(jìn)行測量，抽取6月2日的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。其中標(biāo)準(zhǔn)溫度(實(shí)溫)測量采用高精度的水銀溫度計，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)測量的精度是0．1℃，誤差在±0．5℃以內(nèi)，符合設(shè)計的目標(biāo)。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測溫系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測量方便、準(zhǔn)確度較高。系統(tǒng)產(chǎn)生遲滯的原主要是由傳感探頭的導(dǎo)熱能力引起，同時信號調(diào)理電路是裝置的關(guān)鍵部分，對輸入信號處理質(zhì)量的好壞對裝置的性能有著決定性的影響測量的精度。在實(shí)際測量過程中，溫度值有時會出現(xiàn)偏差。經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)換后，如顯示的溫度不正確。有可能是接線端子積灰、松動使電阻變大造成溫度誤差。
    一般規(guī)定變壓器頂層油溫達(dá)到65℃時投入風(fēng)扇，或負(fù)荷電流達(dá)到70%額定值時投入風(fēng)扇。為防止風(fēng)扇電機(jī)頻繁啟動，還應(yīng)調(diào)整裝置在65℃時投入風(fēng)扇，油面溫度下降至55℃時才退出風(fēng)扇，或負(fù)荷電流低于50％額定值時切除風(fēng)扇。因此，精確的測量變壓器油溫，可節(jié)省40％以上變壓器風(fēng)扇在做無用功的時間。至2007年系統(tǒng)投入應(yīng)用以來，節(jié)省42．3％的風(fēng)扇用電量。

6 結(jié)語
    由于變壓器使用地區(qū)不同，運(yùn)行環(huán)境不同變壓器冷卻系統(tǒng)投入溫度值的確定既要考慮安全運(yùn)行，又要考慮節(jié)能降耗。變壓器的輸出功率要隨之改變，所以實(shí)時的變壓器油溫在線監(jiān)測非常必要。本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)變壓器溫度信號的遠(yuǎn)距離光纖傳輸，對變壓器油溫的精確測量且功耗超低，具有很高的性價比。