干式變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)在線監(jiān)測與溫控保護(hù)裝置

尹春杰，王亞男，宋彥螟，朱孟隆，吳 邊

(山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101)

0 引言

干式變壓器具有安全、無污染、低損耗、體積小等優(yōu)點，近年來在配電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。干式配電變壓器目前大都采用風(fēng)冷散熱方式，風(fēng)冷系統(tǒng)在很大程度上影響著干式變壓器的可靠性[1]。傳統(tǒng)干式變壓器裝配的溫度控制保護(hù)裝置根據(jù)三相繞組溫度控制冷卻風(fēng)機電源，未能對風(fēng)機實際運行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測[2-3]。由于風(fēng)冷系統(tǒng)故障引發(fā)超溫跳閘甚至變壓器燒損事故時有發(fā)生。本文提出基于風(fēng)冷系統(tǒng)實時運行電參數(shù)實現(xiàn)風(fēng)冷系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，對提高干式變壓器現(xiàn)場可靠性具有實際意義。

1 風(fēng)冷系統(tǒng)運行電參數(shù)在線監(jiān)測方法

干式配電變壓器大多配用單相冷卻風(fēng)機，少數(shù)為三相風(fēng)機。本文采用交流采樣技術(shù)及離散傅里葉變換(DFT)方法實現(xiàn)冷卻風(fēng)機供電電壓、電流工頻基波有效值及有功功率(P)、無功功率(Q)、功率因數(shù)(PF)等電參數(shù)的實時檢測與計算并據(jù)此實現(xiàn)風(fēng)機故障診斷。

1.1 離散傅里葉變換(DFT)基本原理

設(shè){x(n)}為N點有限長數(shù)列，對此數(shù)列進(jìn)行離散傅里葉變換為

(1)

根據(jù)歐拉公式將式(1)展開為

(2)

因此，在計算機中，為方便計算，可以將基波分量的實部與虛部分別提取出來。

實部的幅值：

(3)

虛部的幅值：

(4)

1.2 風(fēng)機運行基波電參數(shù)實時檢測方法

根據(jù)香農(nóng)采樣定理并從提升采樣精度、增強抗干擾能力等方面綜合考慮[4]，本文采用36點等間隔異步采樣，國內(nèi)市電周期為50 Hz，采樣周期為5/9 ms。通過固定周期連續(xù)采樣可以得到風(fēng)機供電電源電壓、電流連續(xù)一個周期的采樣數(shù)列，分別記為{u(k)}、{i(k)}。可以得出電壓基波實部Ur、虛部Ui及有效值U如下：

(5)

(6)

(7)

同理，電流有效值I可由式(8)計算：

(8)

根據(jù)IEC電功率定義S=UI*，可以推得基波功率計算公式。

S=UI*=(Ur+jUi)(Ir-jIi)
=(UrIr+UiIi)+j(IrUi-UrIi)

(9)

P=UrIr+UiIi

(10)

Q=IrUi-UrIi

(11)

功率因數(shù)為

(12)

2 風(fēng)冷系統(tǒng)故障診斷與溫控保護(hù)功能

本裝置包括對風(fēng)冷系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測及溫控保護(hù)2部分。配置RS485通信接口，電量監(jiān)測信息與故障信息均可及時上傳至監(jiān)控計算機，進(jìn)一步存儲分析。

2.1 風(fēng)冷系統(tǒng)故障診斷

風(fēng)機故障主要有風(fēng)機電機燒毀、機械結(jié)構(gòu)損壞、接線問題及其他不當(dāng)安裝和惡劣環(huán)境帶來的影響[5]。這些故障都可直接或間接地反映到電氣參數(shù)中去。根據(jù)相關(guān)理論與測試經(jīng)驗做出如下分析判定。

2.1.1 電源電壓異常

電網(wǎng)波動會造成電源電壓過壓或欠壓。電壓過高、過低或大幅波動都會使電機勵磁電流分量劇增，損耗增加，電機過熱，甚至燒毀電機。為避免設(shè)備損害，應(yīng)設(shè)置電壓閾值。

2.1.2 風(fēng)機電流異常

風(fēng)機電流異常包括：缺相造成的三相電流不平衡問題；風(fēng)機受潮或被腐蝕性氣體侵蝕以及絕緣破壞引起單相接地、相間及三相短路；扇葉或齒輪間落入造成風(fēng)機堵轉(zhuǎn)而電流劇增。若上述問題得不到及時處理，會導(dǎo)致絕緣體損壞，易造成觸電事故[6]。此時可設(shè)置電流閾值及時監(jiān)測到短路事故，停機報警。

2.1.3 風(fēng)機功率異常

在一定轉(zhuǎn)速下，電機負(fù)載功率P0與風(fēng)機流量正相關(guān)[7]。所以環(huán)境溫度、空氣雜塵及出氣口雜塵堵塞等原因會改變風(fēng)壓，影響排出流量，造成風(fēng)機過載或效率低。設(shè)定有功功率、無功功率及功率因數(shù)閾值，可避免風(fēng)機長時間的過載工作或低效率。

2.1.4 Pt100溫度傳感器狀態(tài)監(jiān)測

任一路測量溫度值及溫度變化率偏離正常范圍時診斷為溫度傳感器異常[8]。溫度變化率dTi(k)由一定時間內(nèi)溫度的變化量計算：

(13)

式中：dTi(k)為第i路溫度值在k時刻的變化率；Ti(k)為第i路k時刻的溫度采樣值；Ti(k-m)為第i路k-m時刻的溫度采樣值。

2.1.5 風(fēng)機控制回路異常

風(fēng)機開啟控制信號發(fā)出一定時間后，監(jiān)測不到回路電流等電量參數(shù)；風(fēng)機停機信號發(fā)出一定時間后，仍能監(jiān)測到回路電流等電量參數(shù)，則直接給出風(fēng)機控制失靈告警信息。

基于上述分析，為實現(xiàn)干式變壓器的溫控保護(hù)及風(fēng)冷在線故障診斷，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗及相關(guān)手冊對以下常見故障類型給出診斷參數(shù)，如表1所示。各參數(shù)也可根據(jù)實際運行需要，自行調(diào)整。

表1 干變溫保護(hù)系統(tǒng)主要故障類型與診斷規(guī)則

其中，UN、IN、PN、QN分別為風(fēng)機的額定電壓、額定電流、有功功率、無功功率；U、I、P、Q、cosα為實際電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)值；Iwt為設(shè)定無流判斷定值；T為實際溫度采樣值；Tmax、Tmin為溫度采樣通道最大、最小值；dT為溫度變化比率；dTs為溫度變化比率閾值。

2.2 干變溫控與保護(hù)功能設(shè)計

參照J(rèn)B/T 7631-2016《變壓器用電子溫控器》中的規(guī)范要求，新型干式變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)與溫控保護(hù)裝置具有如下功能。

2.2.1 風(fēng)機溫控功能

3路Pt100中，任一路溫度大于風(fēng)機啟動設(shè)定溫度，持續(xù)2 s，控制開啟風(fēng)機，點亮面板風(fēng)機指示燈；3路溫度均低于風(fēng)機停止設(shè)定溫度，持續(xù)5 s，控制關(guān)閉風(fēng)機，自動熄滅面板風(fēng)機指示燈。操作人員也根據(jù)實際需要，手動控制操作面板上的風(fēng)機“啟/?！卑存I，實現(xiàn)風(fēng)機手動控制。

2.2.2 過溫告警

3路溫度中任一路大于或低于過溫告警設(shè)定溫度，持續(xù)2 s，啟動過溫告警繼電器，發(fā)出預(yù)警總信號；過溫告警事件發(fā)生后，生成順序事件記錄并存儲備查。

2.2.3 超溫跳閘

3路溫度中任一路大于或均低于超溫跳閘設(shè)定溫度，持續(xù)5 s，啟動跳閘繼電器，觸發(fā)事故總信號；超溫跳閘事件發(fā)生后，生成順序事件記錄、跳閘報告并存儲備查。

2.2.4 箱門位置檢測及開門跳閘

為避免箱門意外打開，引發(fā)安全事故，裝置標(biāo)配2路外部開關(guān)量采集，實時監(jiān)測外箱門的開關(guān)狀態(tài)，通過軟壓板選擇投入或退出開門跳閘功能。

3 軟硬件方案設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

智能型干變溫保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)如圖1所示。本裝置設(shè)計采用高性能、低成本32位ARM微控制器STM32F103作為中心單元[9]。鉑熱電阻三線制感知溫度變化。通過電壓互感器與電流互感器，實時檢測獲取各相電壓、電流信息。經(jīng)過運算放大電路后，采用STM32內(nèi)置的12位A/D多通道循環(huán)采樣處理。CAT24WC256擴展存儲，IIC方式通訊，提升裝置數(shù)據(jù)存儲的可靠性。配備RS485接口，實現(xiàn)與用戶設(shè)備遠(yuǎn)程實時通訊等功能。采用LCD12864液晶顯示，8個功能按鍵菜單式操作方式。5個LED系統(tǒng)狀態(tài)指示燈與蜂鳴器結(jié)合，實現(xiàn)聲光指示報警。

圖1 智能型干變溫保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)圖

3.1.1 電壓、電流采樣電路設(shè)計

以電壓互感器PT107獲取電源電壓信號，待測電源電壓為220 V左右，選取200 kΩ的限流電阻，將輸入電流限定在額定2 mA，1 000∶1 000變比后采樣電阻兩端電壓限定到0.2 V，經(jīng)LM258同向放大電路放大處理后，再接入STM32的模擬輸入端口，由內(nèi)部12位A/D完成模擬量到數(shù)字量信息的轉(zhuǎn)換。同理，以額定輸入5 A，變比1 000∶1電流互感器CT103獲取電流信號。電壓、電流采樣電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 電壓、電流采樣電路

3.1.2 溫度采樣電路設(shè)計

在智能干變溫控系統(tǒng)工作時，預(yù)埋在干式變壓器低壓側(cè)三相繞組中的3支鉑熱電阻傳感器將產(chǎn)生與繞組溫度值相對應(yīng)的電阻值。為了便于信號的傳輸、放大、處理，去除導(dǎo)線電阻帶來的零點不準(zhǔn)確問題，采用三線制橋式電路設(shè)計將電阻阻值變化變換成電壓變化。同樣采用LM258雙運算放大器設(shè)計差分放大信號調(diào)理電路處理，方便完成A/D信息采集。溫度采樣電路如圖3所示。

圖3 溫度采樣電路

3.2 軟件方案設(shè)計

3.2.1 主程序設(shè)計

軟件部分的主體程序框圖如圖4所示。上電后，首先對所有時鐘、I/O端口與變量初始化，開啟定時器軟件觸發(fā)A/D對多路通道循環(huán)采樣處理。主循環(huán)內(nèi)進(jìn)行定值存取與鍵盤掃描，如果有鍵按下，則進(jìn)行鍵盤的修改，如果沒有按鍵按下則順序進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及相應(yīng)的運行診斷。在傳統(tǒng)溫度閾值診斷的基礎(chǔ)上，新增了對風(fēng)機運行情況監(jiān)視與故障預(yù)警。并考慮了探溫傳感器故障與箱門打開的異常情況。溫升正常的情況下，逐步判斷最高溫所處閾值范圍，操作繼電器控制風(fēng)機閘門，并以相應(yīng)的LED指示。進(jìn)一步監(jiān)測風(fēng)機在啟動、運行、停機過程中的電量參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)，及時預(yù)警?？缮晒收蠄蟾?，為維護(hù)工作提供依據(jù)。

圖4 主程序流程圖

3.2.2 定時中斷處理程序

定時器中斷處理流程圖如圖5所示。由12位A/D對電壓、電流及溫度信號分通道循環(huán)采樣處理。20 ms為周期，555 μs為中斷周期，36點離散傅里葉變換(DFT)算法進(jìn)行基波提取與幅值計算，濾除諧波獲得精確穩(wěn)定的電壓值。實時由采樣數(shù)據(jù)計算出P、Q、PF等參數(shù)，為系統(tǒng)運行維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

圖5 定時器中斷處理程序流程圖

4 結(jié)論

本文完成了干式變壓器實時溫度自動控制及風(fēng)冷系統(tǒng)在線故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。與以往的監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用低成本、低功耗以及高可靠性的STM32F103作為核心控制器；利用其自帶的12位A/D，結(jié)合DFT算法，完成溫度、電壓與電流數(shù)據(jù)采集；實現(xiàn)了實時的數(shù)據(jù)檢測處理及風(fēng)冷系統(tǒng)與溫度系統(tǒng)雙重監(jiān)控與診斷。本系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，實用性強，進(jìn)一步穩(wěn)定了變壓器的工作環(huán)境。