一種主變測溫系統(tǒng)故障定位裝置探討

凌 光 儲祥國 王軼本 傅海仙

(國網(wǎng)紹興供電公司，浙江 紹興312000)

一種主變測溫系統(tǒng)故障定位裝置探討

凌 光 儲祥國 王軼本 傅海仙

(國網(wǎng)紹興供電公司，浙江 紹興312000)

針對變壓器測溫系統(tǒng)故障定位困難的問題，研發(fā)了一種基于單片機的故障定位裝置，對故障點進行快速準確定位.裝置存儲了常用測溫材料的溫度特性曲線，并利用按鍵開關靈活設置參數(shù)，使得裝置與現(xiàn)場測溫系統(tǒng)相匹配.同時，裝置提供了測溫系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)的所有電信號接口，將其換算成溫度值后在液晶屏顯示.然后把該溫度值與就地、后臺溫度顯示值對比，就可以很容易定位故障.裝置經(jīng)檢測機構(gòu)檢測為合格，現(xiàn)場應用也取得了成功，具有較大的應用價值.

變壓器；測溫系統(tǒng)；故障定位；熱電阻

0 引言

無人值守變電站模式已逐漸推廣，而實現(xiàn)無人值守的關鍵問題之一，就是信息對點工作中的變壓器(以下簡稱主變)溫度信息異常[1].主變油溫和繞組溫度需要通過測溫系統(tǒng)來監(jiān)測，除了測溫外，測溫系統(tǒng)還存在高溫報警、自動投切冷卻和高溫跳閘等功能.然而在現(xiàn)場應用中，測溫系統(tǒng)故障頻發(fā)并且故障排查困難，給主變安全運行帶來了嚴重隱患.

國內(nèi)外學者對造成測溫系統(tǒng)異常的因素進行了詳細分析，并進行了分類總結(jié)[2-5]，包括環(huán)境、設備本身、工藝質(zhì)量等因素.雖然測溫系統(tǒng)故障都表現(xiàn)為主變本體溫度顯示與后臺顯示不一致，但由于故障的原因多種多樣，測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)也不盡相同[6]，造成故障排查困難.現(xiàn)在常用的故障排查方法更多是依據(jù)經(jīng)驗，而且需要根據(jù)故障測溫系統(tǒng)特性，包含拆接線、資料查閱、計算判斷等步驟，費時費力.基于此，本文研發(fā)了一種基于單片機的故障定位裝置，給出了一種高效通用的故障排查方法，能適用于不同測溫系統(tǒng)的故障排查，能發(fā)現(xiàn)各種因素造成的測溫系統(tǒng)故障.研制成功后經(jīng)過權(quán)威部門鑒定為合格，并在現(xiàn)場應用中取得了良好的效果.

1 測溫系統(tǒng)原理及故障

主變測溫系統(tǒng)的作用就是將主變的實際溫度正確地在監(jiān)控中心的屏幕上顯示，使監(jiān)控員掌握每一臺主變的實際運行情況，合理調(diào)配負荷.常見的測溫系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)：一是利用熱電阻信號調(diào)理板來轉(zhuǎn)換溫度信號，另一種是利用變送器來實現(xiàn)溫度信號轉(zhuǎn)換.盡管兩者結(jié)構(gòu)上有差異，但都是通過熱電阻把溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后在后臺還原成溫度數(shù)值.

1.1測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第一種結(jié)構(gòu)常見于較早投產(chǎn)的變電站中，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中R1～R3為熱電阻接口標識.主變溫度的測量傳感器是用鉑制成的熱電阻，放在變壓器的油箱內(nèi)，得到的熱電阻值是隨主變溫度變化而改變的.熱電阻通過電纜接至變電所室內(nèi)的主變控制屏上，值被傳入測控裝置內(nèi)的熱電阻信號調(diào)理板，該板將熱電阻值變化量轉(zhuǎn)變成相應的直流電壓變化量(0～5V)，該電壓值作為一路遙測量進行模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換，調(diào)制后經(jīng)通道傳送至調(diào)度自動化主機端.調(diào)度自動化主譏端經(jīng)過解調(diào)后，在屏幕上顯示出主變的實際溫度值.

第二種結(jié)構(gòu)使用了溫度變送器，將熱電阻值轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號或者0～5V電壓信號，結(jié)構(gòu)如圖2所示.測控裝置只需要對電流或電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，即可轉(zhuǎn)換成相應的溫度值，通過遠動機傳輸?shù)胶笈_、監(jiān)控站和各級調(diào)度處.

1.2溫度換算原理

兩種測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中都用到了熱電阻，這是中低溫區(qū)最常用的一種溫度傳感器，其測溫原理是導體或半導體的電阻值隨著溫度的變化而變化.溫度和電阻值存在一一對應的關系，但并非嚴格線性，如圖3所示是PT100熱電阻的溫度-電阻特性曲線.

對于第一種結(jié)構(gòu)的測溫系統(tǒng)，調(diào)理板輸出電壓0～5V對應溫度量程為T1～T2，測溫電阻值為R1～R2.電阻值和電壓值是嚴格線性相關的，因為信號調(diào)理電路是線性電路；但由于測溫材料的非線性，溫度值和電阻值并不是嚴格的線性關系.所以首先要把電壓值換算成電阻值，然后根據(jù)溫度/電阻特性曲線，得到溫度值.對于某一測量電壓U，其對應的電阻值R應滿足計算式：

(1)

求得電阻值R后，查閱熱電阻分度表(與溫度特性曲線上的數(shù)據(jù)一一對應)，定位其所在區(qū)間R10～R20.再根據(jù)熱電阻分度表，查得該值對應的溫度在T10～T20之間.最后通過插值計算，得到對應的溫度T，計算方程為：

(2)

式中R10是熱電阻T10時的電阻值，R20是熱電阻T20時的電阻值.需要經(jīng)過兩次插值計算和一次查表后，才能求得溫度值，這也是手算容易出錯的原因.

對于第二種結(jié)構(gòu)的測溫系統(tǒng)，溫度換算原理也十分類似現(xiàn)場常用的變送器的輸出信號是4～20mA電流，這樣可以有效降低電纜電阻分壓所引起的誤差.與熱電阻信號調(diào)理板相比，變送器的顯著優(yōu)點是內(nèi)部有非線性校正電路，使得輸出信號與被測溫度呈線性關系.設變送器的量程是T1～T2，則測得電流I所對應的溫度值T可以一步計算得到：

(3)

若變送器輸出是0～5V電壓，由于電壓和溫度也滿足線性關系，解方程(4)即可求得溫度值.所以測溫系統(tǒng)加入變送器后，計算得到極大簡化.

(4)

2 故障定位裝置設計

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，測溫系統(tǒng)故障頻發(fā)，表現(xiàn)為就地溫度計與后臺溫度顯示不一致，而且故障環(huán)節(jié)不定.溫度信息在系統(tǒng)中以電阻、電流或者電壓信號的形式傳送，若能把各個環(huán)節(jié)的電信號都轉(zhuǎn)換成溫度值，就可以直觀地進行比對，也更容易定位故障.基于這個需求，我們研發(fā)出一種故障定位裝置，提供了電阻、電流和電壓接口，經(jīng)過單片機運算，轉(zhuǎn)換成溫度值顯示.同時提供按鍵，用以對測溫材料和變送器量程進行設置，使得裝置和實際測溫系統(tǒng)相匹配，使用更加靈活.裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計如圖4所示.

2.1硬件電路設計

對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖里的幾個模塊進行逐一細化，就可以設計出電路原理圖，進而制作調(diào)試電路.本系統(tǒng)包括主要信號轉(zhuǎn)換模塊、單片機模塊、按鍵輸入模塊、液晶顯示模塊，以及電源模塊.

系統(tǒng)要求對電流、電阻、電壓信號進行準確采集，因而信號轉(zhuǎn)換電路的設計是關鍵.A/D數(shù)轉(zhuǎn)換芯片只能對電壓信號進行轉(zhuǎn)換，因而本部分電路的功能就是把電阻、電流信號不失真地轉(zhuǎn)換成電壓信號.模擬現(xiàn)場測溫系統(tǒng)，本裝置采用變送器，把電阻信號轉(zhuǎn)換成電流信號，再通過高精度電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號.對于模擬電壓，本裝置選用PCF8591芯片進行AD轉(zhuǎn)換，再把數(shù)字量傳輸?shù)絾纹瑱C.51系列單片機的最小系統(tǒng)十分簡單，加上晶振和電源就可以工作，作為優(yōu)選，本裝置選擇STC90C51單片機.在此基礎上，還需要增加電源模塊來給整個系統(tǒng)供電，由于變送器需要用24V電源，單片機及其他芯片的供電電壓是5V，系統(tǒng)中還有可能要用到一些運算放大器，其供電范圍是10～20V.綜合考慮，本裝置選用12V可充電電池輸入，設計以穩(wěn)壓芯片MC34063和LM2576為核心的電源變換電路，輸出24V和5V.根據(jù)以上分析，得到本裝置的電路原理設計框架，如圖5所示.

2.2軟件設計

單片機的程序設計采用C語言編寫，通過編譯軟件，生成可執(zhí)行代碼，下載到單片機.對程序功能有如下要求：

1)實時讀取各輸入通道的電信號，并準確計算成對應的溫度值；

2)相關參數(shù)設置采用鍵盤輸入，準確判斷按鍵位置和按鍵次數(shù)；

3)液晶顯示屏應提供友好的人機交互界面，單片機能讀取設定的參數(shù)，并顯示內(nèi)部計算結(jié)果.

為實現(xiàn)上述要求，并力求界面簡潔、可操作性強，采用“循環(huán)查詢、按鍵響應”的結(jié)構(gòu)進行組織設計，程序流程如圖6所示.

主程序初始化后不斷讀取AD轉(zhuǎn)換值和按鍵值，溫度值計算及液晶顯示刷新均放在按鍵響應程序中.這樣設計既可以保證轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的實時性，也減小了程序的負擔.

程序中定義了6個按鍵(EnterCancel+-↑↓)，功能如下：

Enter：對所選參數(shù)進行確認，并進入下一界面；

Cancel：保留原始參數(shù)，并返回到上一界面；

+/-：對屏幕中所選數(shù)據(jù)進行增減；

↑↓：光標位置的改變.

主程序在循環(huán)過程中，若讀到有按鍵，則執(zhí)行相應按鍵程序.以Enter鍵為例，其程序流程圖如圖7所示：確定按下此鍵后，根據(jù)所選通道啟動不同程序流程.若是電阻通道，則要自檢通過后再進行換算；若是電流或者電壓通道，則直接換算電信號并進行溫度顯示.

3 裝置調(diào)試和應用

裝置制作完成后，對軟硬件都需要調(diào)試.首先調(diào)試電源模塊.充電電池的實際輸出電壓是12.5V，用示波器分別測量5V和24V輸出，測得的波形如圖8所示，可見輸出信號準確，且平穩(wěn)光滑，符合應用要求.

然后調(diào)試各路電信號溫度轉(zhuǎn)換的精度.對于電阻通道信號，根據(jù)PT100分度表，選取的電阻值對應實際-20～150℃范圍內(nèi)的若干值，記錄裝置液晶顯示對應的溫度換算值，與理論值比較，并計算相對誤差.電流和電壓通道方法類似，數(shù)據(jù)記錄如附表1～3所示，誤差絕對值不超過1.0%，精度檢定為1.0級.

2013年10月22日，大市聚變電站2號主變后臺監(jiān)控溫度顯示異常，達到119℃，就地溫度計顯示為54℃.測溫系統(tǒng)出現(xiàn)故障，利用本裝置進行故障點定位.調(diào)取設備數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)該變電站采用的測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為常規(guī)的“熱電阻-變送器-測控裝置-后臺”結(jié)構(gòu)，測溫材料是PT100，變送器的量程為0～100℃，輸出為4～20mA電流.本儀器在使用前已經(jīng)過自檢，因而在變電站可以直接使用，故障排查過程描述如下.

首先測量變送器輸入端的電阻信號，得到對應的溫度值，如圖9所示，顯示結(jié)果為54.3℃，與本體溫度計顯示基本一致，定位故障點位于變送器輸入端與后臺之間.

然后檢測變送器輸出端的電流信號，結(jié)果如圖10所示，顯示溫度與后臺一致，而與就地溫度計不一致.由此可以定位故障點位于變送器輸出端和就地溫度計之間.結(jié)合上一步測試結(jié)果，可以判斷出變送器就是故障環(huán)節(jié).更換變送器后，發(fā)現(xiàn)后臺顯示溫度同本體溫度計一致，故障排除.

4 結(jié)束語

本文針對主變測溫系統(tǒng)故障排查困難這一現(xiàn)實問題，研發(fā)了一種基于單片機的通用故障排查裝置，可以快速準確定位故障點，從而準確排除故障.本裝置的創(chuàng)新點在于，引入單片機的智能化功能，匹配現(xiàn)場不同結(jié)構(gòu)、不同參數(shù)的測溫系統(tǒng)，使得故障排查工作得以標準化和流程化.使用本裝置后，無論是故障定位準確度，還是故障排查效率，與原來相比，均取得了較大程度的提高，具有廣闊的應用前景.

[1]呂紅軍，孫乾義，張科欣．綜合自動化變電站變壓器測溫系統(tǒng)的研究[J]．電子設計工程，2009，17(7)：62-64．

[2]孫會浩，劉玉林，吳磊，等．測溫裝置故障分析與處理[J]．石油化工自動化，2008，1(2)：88-90．

[3]曾凡超，魏玉賓，鄺國安．光纖光柵測溫在變壓器油溫監(jiān)測中的應用[J]．變壓器技術(shù)，2009(1)：12-13．

[4]徐開顏．一例主變測溫裝置誤差分析處理及建議[J]．變壓器，2010，47(9)：64-65．

[5]何先華，桑成宇，李寶元等．主變繞組溫度保護的原理分析及在實際應用中要注意的問題[J]．青海電力，2008，27(3)：21-23．

[6]湯燕．主變溫度常見故障分析[J]．電力與能源，2010，33：355．

[7]肖紅．變電站主變溫度二次回路的改造[J]．貴州電力技術(shù)，2006，1(6)：65-66.

附錄：各信號通道精度檢測

A New Device for Fault Location of Transformer’s Temperature-test System

Ling Guang Chu Xiangguo Wang Yiben Fu Haixian

(State Grid Corporation of Shaoxing Power Supply Company,Shaoxing,Zhejiang 312000)

It is difficult to locate the fault point of a transformer’s temperature-test system.To relieve the problem,this paper researched and developed a device to swiftly and accurately locate the fault point of the temperature-test system based on Single-chip Microcomputer (SCM).This device has saved the characteristic curves of commonly used temperature sensor.Configurating the parameters by means of buttons,the device can go with the field measurement system.Meanwhile,it supplies interface for all the signals of intermediate link,and shows the corresponding value of temperature on the screen.So the faulting point can be easily found through the comparison between the tested value and that of local thermometer and background monitoring.The device has been proved effective in terms of the result of testing organization and the application effect.

transformer;temperature-test system;fault location;thermal resistor

2014-04-28

凌 光(1986-),男，浙江紹興人,主要研究方向為繼電保護與控制.

TM407

A

1008-293X(2014)08-0012-06

附表1 電阻通道檢測數(shù)據(jù)

附表2 電流通道檢測數(shù)據(jù)

附表3 電壓通道檢測數(shù)據(jù)

(責任編輯王海雷)