基于10KV干式变压器智能温控系统的研究

摘要:针对10KV干式变压器由于过载、短路等原因导致的绕组温度升高的情况,从而根据智能仪器的概念设计了一套变压器智能温度控制系统,该系统硬件电路简单，操作容易；软件程序简单，易于编写。可以达到对变压器进行保护和智能控制的目的。

关键词:干式变压器；智能温控；显示监控

1智能温控系统总体思路简介

在变压器运行中,如果遇到短路、过载、环境温度过高或冷却通风不够等情况时,就会使变压器温度升高。干式变压器属于自然空气冷却,其散热性能差。所以当绕组温度超过绝缘耐受温度时，就会危及其绝缘。因此,对变压器绕组的运行温度进行监测、驱动风机实现强迫风冷及报警是非常重要的。

传统的干式变压器温控系统如盘式温度表、热敏电阻温控装置和铂热电阻测温装置。随着电力工业的发展,传统的温控系统由于其明显的缺点如没有显示功能或者没有保护功能而逐渐被淘汰,但是铂热电阻温控系统在此基础上则得到了改进与发展。本文在此背景下,针对10KV的干式变压器,提出并成功设计了一套10KV干式变压器的智能温控系统。本系统选用TI公司的数字信号处理器TMS320VC5402作为核心控制芯片,测温装置选用铂电阻温度传感器Pt100来检测变压器的温度,上位机界面用LabVIEW软件开发,实现了变压器的智能温控性能,并将现场变压器状态参数准确实时的送入PC机上进行上位机的显示监控。[1]

2系统组成原理和实现的功能

系统结构如图1所示,传感器检测到的信号经调理放大、滤波电路后,送入核心控制器TMS320VC5402的A/D转换端口，将信号由模拟量转换为数字量，并对数据进行处理,由按键设定温度阈值和报警值并在LED上显示；同时将获得的这些信号通过CAN总线实时传给上位机系统,进行在线监控。

变压器正常运行时,温度传感器不停对变压器的三相绕组进行检测,根据检测到的绕组温度的高低自动选择对风机的开启和停止。

1基于10KV干式变压器智能温控系统的研究当出现过载运行或故障时，此时变压器绕组温度升高,从而使报警器发出报警信号,若绕组温度超过设定的安全阈值,则将风机开启对变压器绕组进行降温。如果温度上升过高，就驱动相应的继电器动作对变压器进行跳闸保护。

图1系统框图3系统的硬件设计

系统主要由传感器检测电路、风机控制电路以及与上位机的通讯电路组成。其中传感器检测部分是关键,智能温控系统的所有操作都将依据检测得来的数据。数字信号处理(DSP)芯片是控制器的大脑，智能温控系统的所有命令和数据都由其来判断。

3.1电路核心控制器的选择

由于变压器工作时,其绕组温度随所载的负荷量的大小而变化,温度将会一直发生变化,这个数据量将会很大,TI公司的TMS320VC5402由于强大的数据运算处理能力而成为控制器的首选。该数字信号处理(DSP)芯片精度高,抗干扰能力强,最高工作频率可达150MHz,而且内部集成了12位的A/D转换器,共有16个模拟输入通道,最高转换速率可达到80ns。所以选用该芯片可以使电路结构简单可靠,减少电路元件数,降低成本。本系统还对该芯片进行存储器的扩展,通过外部接口

2基于10KV干式变压器智能温控系统的研究XINTF扩展了一片静态SRAM用来存放温度值和一片FLASH用来固化控制程序。

3.2传感器选择和信号测量调理电路

准确的温度测量是进行其他一切相关操作的前提,其精度直接关系到系统的可靠性。温度传感器Pt100是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,精度高,抗氧化能力强,化学性能稳定,可以工作在-200℃至650℃的范围,符合变压器温度测控系统的要求。

干式变压器的工作范围为0℃到200℃,铂电阻阻值Rt和温度t的关系为:Rt=R0(1+At+Bt+Ct)

式中,R0为0℃的电阻值,其值为100Ω,Rt为t℃时候的电阻值,A、B、C为常系数,与Pt100的温度系数有关。由上式可知温度传感器的电阻值变化与环境温度的变化成线性关系。将电阻信号转换成测量电压信号电路如图2所示,采用电桥法将电阻信号转换为小电压信号后,经过差分放大电路将小信号放大再经过滤波得到送入DSP的A/D端口。

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图2信号调理电路其输出电压方程为:

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R1和R2采用较大的电阻用于限流,防止温度过高影响精度;R3的大小是保证电路在零度也有电压输出;电阻R5相对R3较大,防止影响电桥平衡。差分放大芯片采用静态功耗小,电源电压范围宽,价格低廉的四运放集成电路LM324。

3基于10KV干式变压器智能温控系统的研究3.3风机控制电路

如图3所示,DSP输出的控制量送到P端口。若为低电平,则光耦合器件导通引起继电器工作,常开触点闭合驱动风机工作；若为高电平,则光耦合器件不动作,继电器也不动作,风机也不启动。

图3风机驱动电路这个高低电平是通过DSP检测到的温度值与预先设定的参考值比较得出,保证变压器温度高于风机设定阈值时风机工作而降温,低于风机设定阈值时风机不工作。当风机工作时,变压器温度没有低于设定的温度报警值,则发生报警,若这个温度值高于了跳闸的温度上限,变压器就会发生超温跳闸。

3.4通信电路

本系统借助于TMS320VC5402集成的CAN模块优势,实现温控器与上位机的CAN总线通信。

CAN总线支持分布式控制和适时控制的串行通信网络,由于CAN总线具有通信速率高、开放性好、报文短、纠错能力强以及控制简单、扩展能力强,系统成本低等特点,应用越来越广。

RS485通信的优点是通信距离长,通信速率好,可实现远程监控操作。本系统利用CAN通信收发器PCA82C250作为DSP的CAN控制器和物理总线间接口，以实现对总线的差动发送和接收功能。接口电路如图4所示。

4基于10KV干式变压器智能温控系统的研究图4接口电路设计中采用了6N137对DSP及物理总线进行隔离,防止信号干扰。上位机接受到了来自CAN总线的数据信息后,通过上位机软件计算分析显示出来,实现远程监控目的。

3.5其他电路设计

除了以上基本电路外,其它电路主要包括温控器的现场LED显示电路和键盘输入电路以及报警电路,均属于基本的电路。

4系统的软件设计

系统软件主要包括两部分，一部分是DSP主程序，另一部分则是上位机监控软件。本系统采用的基于虚拟仪器LabVIEW软件开发的上位机界面,该软件具有编程容易,界面美观,功能强大,开发周期短等特点。

4.1DSP主程序

该部分主要完成对系统各模块的初始化,通过对A/D模块采集来的数据进行内部的算法分析,对键盘输入的开关量进行相应的参数修改,实现相应模块的控制功能如风机的驱动、报警器的蜂鸣以及LED显示。同时还把相应的数据传送到上位机上,进行通信操作。[2]

主程序流程图如图5所示。图中T15基于10KV干式变压器智能温控系统的研究图5主程序流程图4.2基于LabVIEW的上位机界面

LabVIEW是一种图形化的编程语言,这种编程语言的特点是用具有框图结构的VI代替繁琐的程序代码,产生的程序是框图的形式。LabVIEW里有非常丰富图形控件,方便编程人员直接调用。基于此特点,本系统开发出了相应的上位机界面,可实现远程的检测和相应的控制功能,如温度值的显示,以及温度参考值的设定等。[3、4]

5结论

本文利用TMS320VC5402的丰富的内部集成模块,使整个系统的硬件电路简单了不少,同时由于其高速的运算性能使得远程监控的实时性和准确性得到了保证。对于10KV干式变压器,铂丝热电阻传感器Pt100的高精度特性足以满足测温范围,为整个系统的数据分析和计算提供了可靠的依据。与传统的干式变压器温控系统比较,本系统硬件结构简单、操作容易并易于维护,满足电力系统对干式变压器运行的安全性要求。

6基于10KV干式变压器智能温控系统的研究致谢

本文是在王晓雷老师的悉心指导下完成的，在此我首先对王老师表示最诚挚

的谢意。

在文章写作的过程中，特别感谢王老师给与我的指导与帮助。从最初的上课时的指导，到流程图设计与绘制，再到最后文章的总体审阅，整个过程中让我在学习到知识同时，享受到学习的过程，令我自己在交流中学到了思考问题的角度和解决问题的方法。

本次选题是结合我的研究方向（变压器保护）而选择的，非常感谢我的导师冯建勤教授对我本次设计的选题和设计过程中知识点的指导。本文同时参考了许多专家、学者的研究成果和大量报刊、杂志的相关资料，在此一并表示感谢。最后真心感谢我的师兄们，在我写文章的过程中给予我的支持与帮助。

7基于10KV干式变压器智能温控系统的研究参考文献

[1]张伟民,戴义保,陈伟.干式变压器智能温度控制仪的系统设计.仪器仪表用户,2006,5:3941.

[2]巫付专,赵方,牟政忠.基于DSP的干式变压器温度监控系统.变压器,2007,8:6163.

[3]胥军.基于CAN总线的远程测量系统设计.电子测量,2008,4:61

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[4]刘小强,粟梅.基于CAN总线的数据采集处理系统的设计.仪表技术与传感器,2006,9:2224.

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