外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器設(shè)計與實現(xiàn)

宋長勇

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明 650000）

0 引 言

傳統(tǒng)以PT100作為測溫傳感器，而在JB/T 7631—2016《變壓器用電子溫控器》中規(guī)定其測量范圍只能局限在1 000 V以下。該傳感器的材質(zhì)為金屬，這樣就會在實際應(yīng)用中存在一定的安全隱患，因此測量傳感器及溫控器急需采用新技術(shù)。

近年來，國內(nèi)關(guān)于變壓器溫控器研究已取得較多成就。文獻[1]介紹了變壓器溫控器的功能，變壓器油面和繞組溫度的測量方法，然后分別介紹了BWY-804J（TH）型壓力式變壓器油面溫控器和基于熱模擬技術(shù)的BWR-04J（TH）型繞組溫控器的結(jié)構(gòu)、原理以及校驗方法，并重點描述了繞組溫控器熱模擬裝置的整定過程。文獻[2]總結(jié)歸納了主變溫控器溫度變送器現(xiàn)場運行中出現(xiàn)的各種異常問題，并進行了詳細(xì)分析,，從而提出了現(xiàn)場解決方案，同時對溫度變送器提出了改進方案，驗證了分析和改進方案的正確性，對提高主變壓器運維水平和延長主變壓器的使用壽命有著重要的意義。文獻[3]分析了升溫速率、恒溫設(shè)備熱容量以及浸沒深度3個因素對變壓器用油面溫控器接點動作誤差檢測結(jié)果的影響因素。文獻[4]針對變壓器繞組溫控器在檢測試驗中發(fā)現(xiàn)的問題，通過實驗室檢測試驗，分析繞組溫控器在實驗室檢測與現(xiàn)場安裝測量結(jié)果偏差較大的原因，提出改進建議。文獻[5]針對某1 000 MW變壓器繞組溫度顯示異常缺陷，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行分析，得到溫度異常的原因，并總結(jié)處理方法。而文獻[6]則針對張河灣公司3號機組在勵磁變壓器溫度控制器發(fā)生異常溫升和跳變導(dǎo)致機組跳機的現(xiàn)象，分析了勵磁變溫控器存在的問題、改進方案以及運行效果等。

以上研究基本聚焦于溫控器特定場景應(yīng)用開展分析，少部分情況下是針對產(chǎn)品進行詳細(xì)改進研究。為此，本文以此為出發(fā)點在光纖溫度傳感器測溫特性的基礎(chǔ)上進行了集成設(shè)計，開發(fā)出新型外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器，并對系統(tǒng)功能開展測試，證明了本文所設(shè)計的溫控器功能完善、可靠。

1 溫度傳感器原理及特點

1.1 測溫原理

光纖溫度傳感器使用熒光測溫技術(shù)，基本的原理是封裝在石英玻璃光纖端面的感溫物質(zhì)物性的變化僅受溫度影響。

感溫物質(zhì)是經(jīng)過高溫多次燒結(jié)的特定稀土物質(zhì)，其在受到特定波長激發(fā)后，電子吸收光子從低能級躍遷到激發(fā)態(tài)高能級，從高能級返回到低能級的輻射躍遷中發(fā)射熒光。激勵光停止后，受激的發(fā)射熒光通常是按指數(shù)方式衰減，熒光衰減曲線如圖1所示。

圖1 熒光衰減曲線

激勵脈沖終止時間為t1，衰落信號的強度值為I0，當(dāng)衰落信號達(dá)到第二個值I0/e時，時間為t2。t1和t2的間隔就是指數(shù)衰落信號的時間常數(shù)τ，時間常數(shù)τ可以用來測量熒光壽命。研究證明，在不同的環(huán)境溫度下，熒光壽命也不同。熒光壽命與溫度的關(guān)系為：

式中，RE、RT、k、ΔE均為常數(shù)，T為絕對溫度。由此公式可知，根據(jù)測量熒光壽命的長短可以得知當(dāng)前的環(huán)境溫度。

1.2 傳感器設(shè)計及特點

本文設(shè)計的傳感器是將熒光物質(zhì)封裝在光纖頂端（感溫探頭位置），然后在光纖另一端輸入激勵光。熒光物質(zhì)受激發(fā)光的余暉通過光纖返回到達(dá)輸入端，輸入端通過45°半反半透鏡片將余暉接收，后解析出探頭位置的環(huán)境溫度，具體如圖2所示。

圖2 傳感器實現(xiàn)過程

傳感器關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 關(guān)鍵參數(shù)詳情

此光纖溫度傳感器傳感器主體由不銹鋼軟管保護，熒光探頭位于不銹鋼管內(nèi)部，外形結(jié)構(gòu)與PT100油面溫度計相同。整體長度為6 m，光纜露出默認(rèn)40 cm，傳感器外觀如圖3所示。

圖3 傳感器外觀圖

溫度感溫探頭位于不銹鋼管內(nèi)部，探頭封裝位置使用環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱膠，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 溫度探頭封裝結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計的光纖溫度傳感器具有以下特點。一是基于光信號測溫，抗電磁干擾傳感器感溫及傳導(dǎo)部分采用光信號，對電磁環(huán)境完全免疫。二是響應(yīng)快，通道響應(yīng)速度低于1 s。三是性能穩(wěn)定、免維護，基于熒光物質(zhì)的穩(wěn)定物性，保證全壽命段測溫性能的一致性。四是精度高、可自診斷，配合溫控器可完成自診斷功能。五是壽命長，壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基于電信號的溫度傳感器。六是不改變使用習(xí)慣，采用原PT100封裝及固定形態(tài)涉及傳感器，用戶無需改變使用習(xí)慣。

2 外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器設(shè)計及特點

2.1 整體特點

本文所設(shè)計的外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器，物聯(lián)網(wǎng)主機以其豐富的顯示畫面、靈活的操作方式、強大的記錄、運算、控制、管理功能以及超薄美觀的鋁合金機身，在各行各業(yè)中獲得了極其廣泛的應(yīng)用。本產(chǎn)品在吸納各種國內(nèi)外數(shù)據(jù)記錄儀優(yōu)點的基礎(chǔ)上增加了全新物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、局域網(wǎng)無線超遠(yuǎn)距離通信等功能。

2.2 硬件組成及工作原理

本文所設(shè)計的多通變壓器光纖溫控器分為油面溫度控制器和繞組溫度控器，分別用于測量變壓器油面溫度和繞組模擬溫度，具有直接顯示溫度和超溫分級報警等功能。輸出的信號供冷卻器控制系統(tǒng)及變壓器保護系統(tǒng)使用，多通道變壓器光纖溫控器是變壓器必備的組部件。

多通道變壓器光纖溫控器通過光纖溫度傳感器測量變壓器頂部油杯內(nèi)的油溫來測量變壓器油面溫度，結(jié)合CT取電的方式取得相應(yīng)繞組負(fù)荷電流，利用頂層油溫和負(fù)荷電流，通過相應(yīng)公式計算測得模擬的變壓器繞組溫度[7-10]。

2.2.1 硬件組成

首先是電源，其屬于至關(guān)重要的組成部分，主要是為溫控器的運行提供必要的電力支持，保證可以處于相對穩(wěn)定的供電狀態(tài)下。其次是溫度傳感器，可以及時反映溫度情況，確保相應(yīng)的措施及時采取到位，滿足相關(guān)的實踐需要。最后是輸出部分，重點是將相關(guān)的信息傳遞出來，反映出基本的情況，以便后續(xù)工作的開展有證可循。

2.2.2 工作原理

支持RS485及以太口通信，24路輸出（0～5 A@DC 24 V/0～2 A@AC 220 V）。人機接口選用7寸液晶，提供溫度顯示和參數(shù)設(shè)置功能。界面以3+1方式顯示通道溫度（3是指3個油面溫度通道，1是指1個繞組溫度通道），界面如圖5所示。

圖5 溫度顯示界面

油面通道的設(shè)置界面如圖6所示，設(shè)置的內(nèi)容分別有1～4路繼電器的報警值和行程差以及油面通道的名稱，其中1～4路繼電器的報警值依次遞增才可以設(shè)置。

圖6 油面通道設(shè)置界面

繼電器的狀態(tài)界面如圖7所示，CH1～CH6表示6個油面通道，K1～K4表示通道的1～4路繼電器，繼電器的狀態(tài)只有閉合和斷開兩種狀態(tài)，閉合是指導(dǎo)通，斷開是指不導(dǎo)通。

圖7 繼電器狀態(tài)界面

系統(tǒng)設(shè)置界面如圖8所示，可以設(shè)置系統(tǒng)時間、屏幕亮度、采集速度以及息屏?xí)r間，其中采集速度是指采集熒光模塊溫度的采集速度。

圖8 系統(tǒng)設(shè)置界面

3 功能測試

3.1 測試范圍

對外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器的系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)關(guān)機、系統(tǒng)重啟、關(guān)于系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)置、無線設(shè)置、系統(tǒng)升級、監(jiān)控油面設(shè)置、繞組設(shè)置、繼電器狀態(tài)、模擬量輸出等功能開展測試。

3.2 測試策略

測試策略包括以下3點。一是回歸測試，新版本在發(fā)布前，確認(rèn)測試發(fā)現(xiàn)的缺陷在修復(fù)后不會在其他沒有發(fā)現(xiàn)缺陷的部分產(chǎn)生新的缺陷，可以包含上述所有測試的部分。二是功能測試，確保測試的功能正常，其中包括系統(tǒng)設(shè)置、繼電器狀態(tài)、模擬量輸出、系統(tǒng)關(guān)機、系統(tǒng)重啟、油面溫度、繞組溫度、溫差、溫升、系統(tǒng)版本、參數(shù)設(shè)置、通信設(shè)置以及系統(tǒng)升級等。三是性能測試，在正常的預(yù)期工作量下，核實所指定的事務(wù)或業(yè)務(wù)功能。

3.3 測試結(jié)果及分析

功能測試共執(zhí)行用例91個，發(fā)現(xiàn)軟件問題11個，主要集中于值的系統(tǒng)設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、繼電器、無線網(wǎng)絡(luò)等方面，具體見表2。經(jīng)過回歸測試后，確認(rèn)所有問題均已歸零。實際測試過程遵循了原定的測試計劃和測試說明，測評機構(gòu)客觀完備地記錄了測試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，測試過程中未發(fā)生異常中止情況。測試過程中，開展了質(zhì)量保證活動，對測試工作產(chǎn)品進行了審查和評審，有效開展配置管理工作，對測試工作產(chǎn)品進行了變更控制和版本管理，測試工作始終處于受控狀態(tài)。

表2 測試用例統(tǒng)計表

4 結(jié) 論

依照上述相關(guān)的測試信息分析，可以將相關(guān)結(jié)論加以總結(jié)，為后續(xù)工作的開展提供必要的參考。早期版本的軟件功能存有較多缺陷，面對相關(guān)的缺陷，應(yīng)該及時采取應(yīng)對方案，促使著相應(yīng)的軟件功能得以完善，真正達(dá)到理想化的應(yīng)用成效。另外，優(yōu)化之后的軟件功能體現(xiàn)出十足的可靠性，可以滿足相關(guān)領(lǐng)域的實際需求。本文重點概述了PT100存在的問題，通過詳細(xì)分析軟件功能存在的缺陷，制定出科學(xué)的應(yīng)對方案將其完善，使其更好的作用于具體的實踐中，保證了基本的應(yīng)用成效和實踐價值，具有一定的參考價值。此外，建立在光纖溫度傳感器測溫特性分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了新型的外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器并對系統(tǒng)功能開展測試，證明了設(shè)計的溫控器功能完善、可靠。