基于無線通信的變壓器溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

張毅

摘要：高壓電氣設(shè)備維護中，變壓器的溫度、變壓器接頭的發(fā)熱巡查是必不可少的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的方法主要通過有線的數(shù)據(jù)傳輸和有序日常巡查以對電氣設(shè)備變壓器溫度進行監(jiān)測。該文提出一種通過無線通信來實現(xiàn)變壓器溫度非接觸式實時在線監(jiān)測的方法，不僅可以實時監(jiān)測所有電氣設(shè)備的運行狀態(tài)，同時能鎖定異常，從而達到提高維護效率，降低監(jiān)測成本。

關(guān)鍵詞：無線通信；變壓器；溫度；在線

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）11-0242-02

高壓電氣設(shè)備的日常維護主要采用眼睛看，耳朵聽，鼻子聞，用手摸等方法，對變壓器、接線頭、母排等部件進行檢測，其中變壓器的溫度變化在整個維護過程中至關(guān)重要。在高壓電氣設(shè)備運行中，變壓器溫度變化的原因包括：運行時的內(nèi)部損耗、分接開關(guān)接觸不良、繞組匝間短路、鐵芯局部過熱[1]、變壓器缺油或散熱管內(nèi)阻塞[2]；外部冷卻循環(huán)系統(tǒng)故障、變壓器室的進出風口阻塞或積塵嚴重等。本文將采用一種非接觸式的溫度測試儀，對變壓器的溫度進行實時監(jiān)測，并通過無線通信技術(shù)將實時數(shù)據(jù)發(fā)送至移動終端，以便在日常戶外巡察過程中能及時發(fā)現(xiàn)問題與排除故障，進而降低損失。

1 整體方案

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線信號傳輸也隨之穩(wěn)定。在安防、監(jiān)測等工作環(huán)境中使用無線通信技術(shù)也越來越頻繁，不但降低了布置電纜的成本[3]，同時便于日常維護。

本文所研究的變壓器溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通過無線通信的方式來完成。系統(tǒng)的總體框架如圖1示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

高壓電氣設(shè)備運行中，當分接開關(guān)接觸不良、鐵芯局部過熱等異常現(xiàn)象出現(xiàn)時，與同負荷歷史溫度相比，變壓器當前的溫度容易發(fā)生偏差。選用熱釋電溫度傳感器捕捉該溫度變化，通過驅(qū)動電路將此變化量放大并傳送給ARM。ARM根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，計算出溫度變化范圍，并將處理信息發(fā)送給3g模塊。3g模塊接收信號后通過撥號建議TCP連接，將信號發(fā)送至主機。這樣維護人員便可通過手執(zhí)移動設(shè)備與主機數(shù)據(jù)同步便可對變壓器的溫度進行實時監(jiān)測，如果終端顯示溫度變化在正常波動范圍之內(nèi)，則維護人員巡查時便可按順序進行；如果超過范圍并報警，則可直接鎖定目標，及時處理，以降低異常持續(xù)時間與因異常造成的損失。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 溫度采集與原理

（1）溫度采集原理

溫度采集選用熱釋電溫度傳感器，安裝于變壓器外側(cè)，用于探測變壓器溫度的變化。熱釋電傳感器是一種非接觸式的溫度探測器，通過外界溫度變化，改變晶體兩端電荷量，使晶體被極化，即發(fā)生熱釋電效應(yīng)。通常情況下，自極化的晶體，在外界溫度不發(fā)生變化時，晶體表面也存在電荷，但晶體內(nèi)部的自由電子和晶體表面的自由電荷中和，因此表現(xiàn)為中性。當外界溫度發(fā)生改變，晶體極化強度發(fā)生改變，內(nèi)部的電偶極子長度的角度發(fā)生變化，表現(xiàn)為兩端表面聚集相反電荷，如果溫差越大，產(chǎn)生的電荷量也越大，極化前后電荷分布如圖2、圖3示。

圖2 極化前電荷分布 圖3 極化后電荷分布

（2）放大驅(qū)動

熱釋電溫度傳感器雖然比較靈敏，即使有微小的溫度波動也能探測，但所探測的信號非常微弱[4]，且干擾較大，需要對其輸出信號進行放大降噪處理。如圖4示。

該放大電路采用低失調(diào)精精密雙運算放大芯片LM358，具有高增益適用電源電壓范圍寬，低噪聲、低漂移等特點，在傳感器放大電器中應(yīng)用較為廣泛。圖中傳感器的端口3作為輸出信號進入放大器中進行放大處理，LM358的端口7作為放大輸出信號。

圖4 檢測信號放大驅(qū)動電路

2.2 無線通信模塊設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的無線通信采用ARM與3G模塊相結(jié)合，將檢測信號發(fā)送至電腦，維護人員在巡查時，將手執(zhí)移動終端通過3g移動網(wǎng)絡(luò)主機監(jiān)控平臺同步，來完成對信號的實時監(jiān)測。

ARM芯片具有低功耗、支持實時仿真和嵌入式跟蹤等特點，根據(jù)本系統(tǒng)的特點，選用LPC2138作為核心控制器件，擁有512KB FLASH和32KB RAM，縮短了響應(yīng)時間，提高運行效率。由于LPC2138內(nèi)具有A/D接口，因此數(shù)據(jù)采集放大輸出端可直接接入芯片的A/D口。如圖5示，在仿真器植入程序后，如比較、報警等，將輸出信號與3g模塊進行通信。3g是第三代移動通信技術(shù)，是支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)。3g服務(wù)置辦數(shù)據(jù)較快，速率可達幾百kbps。本系統(tǒng)中檢測信號較小，因此數(shù)據(jù)傳輸速度高，響應(yīng)快。目前3g有3種標準：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA，本系統(tǒng)選擇的3g無線模塊為中興公司生產(chǎn)的AD3812模塊，標準為WCDMA，其接口具有高穩(wěn)定性與可靠性等特點。即使高壓電氣設(shè)備比較分散，變壓器之間的距離比較遠，均可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸與共享。在終端電腦上安裝遠程監(jiān)控軟件，通過TCP任務(wù)對3g模進行連接訪問。因此以ARM與3g模塊相結(jié)合的方式提高了響應(yīng)速度，同時滿足維護人員即使不在監(jiān)控平臺附近，也可以通過手執(zhí)移動設(shè)備與監(jiān)控平臺同步來完成對變壓器溫度進行在線監(jiān)測。

圖5 無線通信硬件設(shè)計

3 軟件設(shè)計

3.1 溫度檢測控制程序設(shè)計

溫度檢測控制程序流程圖如圖6示。

3.2 3g無線通信設(shè)計

3g模塊與網(wǎng)絡(luò)主機無線通信[5]的流程圖如圖7示。

4 測試

4.1 測試裝置

測試包括熱釋電傳感器、放大電路模塊、ARM板、3g無線通信模塊、遠程主機和手執(zhí)移動終端等。

圖6 溫度檢測控制程序流程圖

圖7 3g模塊與主機通信流程圖

4.2 測試結(jié)果

在傳感器與其它模塊安裝好后，調(diào)試好主機與3g模塊的通信，維護人員設(shè)定好主機與移動終端同步，在維護區(qū)范圍內(nèi)任意位置嘗試接收數(shù)據(jù)。同時人為在高壓電氣設(shè)備處制造故障，在5分鐘內(nèi)，連續(xù)收到數(shù)條報警信息，顯示變壓器溫度變化過大。當故障排除后，報警信息逐漸清除，只顯示溫差在合理范圍之內(nèi)。經(jīng)過多次人為故障設(shè)定測試，反應(yīng)較為靈敏，信息正確性達93.45%。

5 總結(jié)

將該套裝置應(yīng)用于監(jiān)測高壓電氣設(shè)備變壓器溫度變化，不僅節(jié)約了大量的數(shù)據(jù)電纜線，提高了測量精確度，同時不受地域限制，便于監(jiān)測與維護。

參考文獻：

[1] 謝崇宇.變壓器用繞組溫控儀原理及應(yīng)用[J].四川電力技術(shù)，2010，33（1）.

[2] 李鮮梅.變壓器日常維護及異常處理[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2013（21）：106.

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[4] 葉成.熱釋電傳感器的非接觸式測控系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（7）：22-27.

[5] 陳峰.基于ARM的3G無線射頻測控平臺設(shè)計與應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2011，19（15）：108-110.