一种主变测温系统故障定位装置探讨

凌 光 储祥国 王轶本 傅海仙

(国网绍兴供电公司，浙江 绍兴312000)

一种主变测温系统故障定位装置探讨

凌 光 储祥国 王轶本 傅海仙

(国网绍兴供电公司，浙江 绍兴312000)

针对变压器测温系统故障定位困难的问题，研发了一种基于单片机的故障定位装置，对故障点进行快速准确定位.装置存储了常用测温材料的温度特性曲线，并利用按键开关灵活设置参数，使得装置与现场测温系统相匹配.同时，装置提供了测温系统中间环节的所有电信号接口，将其换算成温度值后在液晶屏显示.然后把该温度值与就地、后台温度显示值对比，就可以很容易定位故障.装置经检测机构检测为合格，现场应用也取得了成功，具有较大的应用价值.

变压器；测温系统；故障定位；热电阻

0 引言

无人值守变电站模式已逐渐推广，而实现无人值守的关键问题之一，就是信息对点工作中的变压器(以下简称主变)温度信息异常[1].主变油温和绕组温度需要通过测温系统来监测，除了测温外，测温系统还存在高温报警、自动投切冷却和高温跳闸等功能.然而在现场应用中，测温系统故障频发并且故障排查困难，给主变安全运行带来了严重隐患.

国内外学者对造成测温系统异常的因素进行了详细分析，并进行了分类总结[2-5]，包括环境、设备本身、工艺质量等因素.虽然测温系统故障都表现为主变本体温度显示与后台显示不一致，但由于故障的原因多种多样，测温系统的结构和参数也不尽相同[6]，造成故障排查困难.现在常用的故障排查方法更多是依据经验，而且需要根据故障测温系统特性，包含拆接线、资料查阅、计算判断等步骤，费时费力.基于此，本文研发了一种基于单片机的故障定位装置，给出了一种高效通用的故障排查方法，能适用于不同测温系统的故障排查，能发现各种因素造成的测温系统故障.研制成功后经过权威部门鉴定为合格，并在现场应用中取得了良好的效果.

1 测温系统原理及故障

主变测温系统的作用就是将主变的实际温度正确地在监控中心的屏幕上显示，使监控员掌握每一台主变的实际运行情况，合理调配负荷.常见的测温系统有两种结构：一是利用热电阻信号调理板来转换温度信号，另一种是利用变送器来实现温度信号转换.尽管两者结构上有差异，但都是通过热电阻把温度信号转换成电信号，然后在后台还原成温度数值.

1.1测温系统结构

第一种结构常见于较早投产的变电站中，其结构如图1所示，图中R1～R3为热电阻接口标识.主变温度的测量传感器是用铂制成的热电阻，放在变压器的油箱内，得到的热电阻值是随主变温度变化而改变的.热电阻通过电缆接至变电所室内的主变控制屏上，值被传入测控装置内的热电阻信号调理板，该板将热电阻值变化量转变成相应的直流电压变化量(0～5V)，该电压值作为一路遥测量进行模拟/数字(A/D)转换，调制后经通道传送至调度自动化主机端.调度自动化主讥端经过解调后，在屏幕上显示出主变的实际温度值.

第二种结构使用了温度变送器，将热电阻值转换成4～20mA电流信号或者0～5V电压信号，结构如图2所示.测控装置只需要对电流或电压信号进行A/D转换，即可转换成相应的温度值，通过远动机传输到后台、监控站和各级调度处.

1.2温度换算原理

两种测温系统结构中都用到了热电阻，这是中低温区最常用的一种温度传感器，其测温原理是导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化.温度和电阻值存在一一对应的关系，但并非严格线性，如图3所示是PT100热电阻的温度-电阻特性曲线.

对于第一种结构的测温系统，调理板输出电压0～5V对应温度量程为T1～T2，测温电阻值为R1～R2.电阻值和电压值是严格线性相关的，因为信号调理电路是线性电路；但由于测温材料的非线性，温度值和电阻值并不是严格的线性关系.所以首先要把电压值换算成电阻值，然后根据温度/电阻特性曲线，得到温度值.对于某一测量电压U，其对应的电阻值R应满足计算式：

(1)

求得电阻值R后，查阅热电阻分度表(与温度特性曲线上的数据一一对应)，定位其所在区间R10～R20.再根据热电阻分度表，查得该值对应的温度在T10～T20之间.最后通过插值计算，得到对应的温度T，计算方程为：

(2)

式中R10是热电阻T10时的电阻值，R20是热电阻T20时的电阻值.需要经过两次插值计算和一次查表后，才能求得温度值，这也是手算容易出错的原因.

对于第二种结构的测温系统，温度换算原理也十分类似现场常用的变送器的输出信号是4～20mA电流，这样可以有效降低电缆电阻分压所引起的误差.与热电阻信号调理板相比，变送器的显著优点是内部有非线性校正电路，使得输出信号与被测温度呈线性关系.设变送器的量程是T1～T2，则测得电流I所对应的温度值T可以一步计算得到：

(3)

若变送器输出是0～5V电压，由于电压和温度也满足线性关系，解方程(4)即可求得温度值.所以测温系统加入变送器后，计算得到极大简化.

(4)

2 故障定位装置设计

现场调查发现，测温系统故障频发，表现为就地温度计与后台温度显示不一致，而且故障环节不定.温度信息在系统中以电阻、电流或者电压信号的形式传送，若能把各个环节的电信号都转换成温度值，就可以直观地进行比对，也更容易定位故障.基于这个需求，我们研发出一种故障定位装置，提供了电阻、电流和电压接口，经过单片机运算，转换成温度值显示.同时提供按键，用以对测温材料和变送器量程进行设置，使得装置和实际测温系统相匹配，使用更加灵活.装置的系统结构设计如图4所示.

2.1硬件电路设计

对系统结构图里的几个模块进行逐一细化，就可以设计出电路原理图，进而制作调试电路.本系统包括主要信号转换模块、单片机模块、按键输入模块、液晶显示模块，以及电源模块.

系统要求对电流、电阻、电压信号进行准确采集，因而信号转换电路的设计是关键.A/D数转换芯片只能对电压信号进行转换，因而本部分电路的功能就是把电阻、电流信号不失真地转换成电压信号.模拟现场测温系统，本装置采用变送器，把电阻信号转换成电流信号，再通过高精度电阻转换成电压信号.对于模拟电压，本装置选用PCF8591芯片进行AD转换，再把数字量传输到单片机.51系列单片机的最小系统十分简单，加上晶振和电源就可以工作，作为优选，本装置选择STC90C51单片机.在此基础上，还需要增加电源模块来给整个系统供电，由于变送器需要用24V电源，单片机及其他芯片的供电电压是5V，系统中还有可能要用到一些运算放大器，其供电范围是10～20V.综合考虑，本装置选用12V可充电电池输入，设计以稳压芯片MC34063和LM2576为核心的电源变换电路，输出24V和5V.根据以上分析，得到本装置的电路原理设计框架，如图5所示.

2.2软件设计

单片机的程序设计采用C语言编写，通过编译软件，生成可执行代码，下载到单片机.对程序功能有如下要求：

1)实时读取各输入通道的电信号，并准确计算成对应的温度值；

2)相关参数设置采用键盘输入，准确判断按键位置和按键次数；

3)液晶显示屏应提供友好的人机交互界面，单片机能读取设定的参数，并显示内部计算结果.

为实现上述要求，并力求界面简洁、可操作性强，采用“循环查询、按键响应”的结构进行组织设计，程序流程如图6所示.

主程序初始化后不断读取AD转换值和按键值，温度值计算及液晶显示刷新均放在按键响应程序中.这样设计既可以保证转换数据的实时性，也减小了程序的负担.

程序中定义了6个按键(EnterCancel+-↑↓)，功能如下：

Enter：对所选参数进行确认，并进入下一界面；

Cancel：保留原始参数，并返回到上一界面；

+/-：对屏幕中所选数据进行增减；

↑↓：光标位置的改变.

主程序在循环过程中，若读到有按键，则执行相应按键程序.以Enter键为例，其程序流程图如图7所示：确定按下此键后，根据所选通道启动不同程序流程.若是电阻通道，则要自检通过后再进行换算；若是电流或者电压通道，则直接换算电信号并进行温度显示.

3 装置调试和应用

装置制作完成后，对软硬件都需要调试.首先调试电源模块.充电电池的实际输出电压是12.5V，用示波器分别测量5V和24V输出，测得的波形如图8所示，可见输出信号准确，且平稳光滑，符合应用要求.

然后调试各路电信号温度转换的精度.对于电阻通道信号，根据PT100分度表，选取的电阻值对应实际-20～150℃范围内的若干值，记录装置液晶显示对应的温度换算值，与理论值比较，并计算相对误差.电流和电压通道方法类似，数据记录如附表1～3所示，误差绝对值不超过1.0%，精度检定为1.0级.

2013年10月22日，大市聚变电站2号主变后台监控温度显示异常，达到119℃，就地温度计显示为54℃.测温系统出现故障，利用本装置进行故障点定位.调取设备数据后，发现该变电站采用的测温系统结构为常规的“热电阻-变送器-测控装置-后台”结构，测温材料是PT100，变送器的量程为0～100℃，输出为4～20mA电流.本仪器在使用前已经过自检，因而在变电站可以直接使用，故障排查过程描述如下.

首先测量变送器输入端的电阻信号，得到对应的温度值，如图9所示，显示结果为54.3℃，与本体温度计显示基本一致，定位故障点位于变送器输入端与后台之间.

然后检测变送器输出端的电流信号，结果如图10所示，显示温度与后台一致，而与就地温度计不一致.由此可以定位故障点位于变送器输出端和就地温度计之间.结合上一步测试结果，可以判断出变送器就是故障环节.更换变送器后，发现后台显示温度同本体温度计一致，故障排除.

4 结束语

本文针对主变测温系统故障排查困难这一现实问题，研发了一种基于单片机的通用故障排查装置，可以快速准确定位故障点，从而准确排除故障.本装置的创新点在于，引入单片机的智能化功能，匹配现场不同结构、不同参数的测温系统，使得故障排查工作得以标准化和流程化.使用本装置后，无论是故障定位准确度，还是故障排查效率，与原来相比，均取得了较大程度的提高，具有广阔的应用前景.

[1]吕红军，孙乾义，张科欣．综合自动化变电站变压器测温系统的研究[J]．电子设计工程，2009，17(7)：62-64．

[2]孙会浩，刘玉林，吴磊，等．测温装置故障分析与处理[J]．石油化工自动化，2008，1(2)：88-90．

[3]曾凡超，魏玉宾，邝国安．光纤光栅测温在变压器油温监测中的应用[J]．变压器技术，2009(1)：12-13．

[4]徐开颜．一例主变测温装置误差分析处理及建议[J]．变压器，2010，47(9)：64-65．

[5]何先华，桑成宇，李宝元等．主变绕组温度保护的原理分析及在实际应用中要注意的问题[J]．青海电力，2008，27(3)：21-23．

[6]汤燕．主变温度常见故障分析[J]．电力与能源，2010，33：355．

[7]肖红．变电站主变温度二次回路的改造[J]．贵州电力技术，2006，1(6)：65-66.

附录：各信号通道精度检测

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，浙江绍兴人,主要研究方向为继电保护与控制.

TM407

A

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

附表1 电阻通道检测数据

附表2 电流通道检测数据

附表3 电压通道检测数据

(责任编辑王海雷)