基于无线通信的变压器温度在线监测系统研究

张毅

摘要：高压电气设备维护中，变压器的温度、变压器接头的发热巡查是必不可少的环节。传统的方法主要通过有线的数据传输和有序日常巡查以对电气设备变压器温度进行监测。该文提出一种通过无线通信来实现变压器温度非接触式实时在线监测的方法，不仅可以实时监测所有电气设备的运行状态，同时能锁定异常，从而达到提高维护效率，降低监测成本。

关键词：无线通信；变压器；温度；在线

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）11-0242-02

高压电气设备的日常维护主要采用眼睛看，耳朵听，鼻子闻，用手摸等方法，对变压器、接线头、母排等部件进行检测，其中变压器的温度变化在整个维护过程中至关重要。在高压电气设备运行中，变压器温度变化的原因包括：运行时的内部损耗、分接开关接触不良、绕组匝间短路、铁芯局部过热[1]、变压器缺油或散热管内阻塞[2]；外部冷却循环系统故障、变压器室的进出风口阻塞或积尘严重等。本文将采用一种非接触式的温度测试仪，对变压器的温度进行实时监测，并通过无线通信技术将实时数据发送至移动终端，以便在日常户外巡察过程中能及时发现问题与排除故障，进而降低损失。

1 整体方案

随着无线通信技术的发展，无线信号传输也随之稳定。在安防、监测等工作环境中使用无线通信技术也越来越频繁，不但降低了布置电缆的成本[3]，同时便于日常维护。

本文所研究的变压器温度在线监测系统的数据传输通过无线通信的方式来完成。系统的总体框架如图1示。

图1 系统总体框图

高压电气设备运行中，当分接开关接触不良、铁芯局部过热等异常现象出现时，与同负荷历史温度相比，变压器当前的温度容易发生偏差。选用热释电温度传感器捕捉该温度变化，通过驱动电路将此变化量放大并传送给ARM。ARM根据历史数据，计算出温度变化范围，并将处理信息发送给3g模块。3g模块接收信号后通过拨号建议TCP连接，将信号发送至主机。这样维护人员便可通过手执移动设备与主机数据同步便可对变压器的温度进行实时监测，如果终端显示温度变化在正常波动范围之内，则维护人员巡查时便可按顺序进行；如果超过范围并报警，则可直接锁定目标，及时处理，以降低异常持续时间与因异常造成的损失。

2 系统模块设计

2.1 温度采集与原理

（1）温度采集原理

温度采集选用热释电温度传感器，安装于变压器外侧，用于探测变压器温度的变化。热释电传感器是一种非接触式的温度探测器，通过外界温度变化，改变晶体两端电荷量，使晶体被极化，即发生热释电效应。通常情况下，自极化的晶体，在外界温度不发生变化时，晶体表面也存在电荷，但晶体内部的自由电子和晶体表面的自由电荷中和，因此表现为中性。当外界温度发生改变，晶体极化强度发生改变，内部的电偶极子长度的角度发生变化，表现为两端表面聚集相反电荷，如果温差越大，产生的电荷量也越大，极化前后电荷分布如图2、图3示。

图2 极化前电荷分布 图3 极化后电荷分布

（2）放大驱动

热释电温度传感器虽然比较灵敏，即使有微小的温度波动也能探测，但所探测的信号非常微弱[4]，且干扰较大，需要对其输出信号进行放大降噪处理。如图4示。

该放大电路采用低失调精精密双运算放大芯片LM358，具有高增益适用电源电压范围宽，低噪声、低漂移等特点，在传感器放大电器中应用较为广泛。图中传感器的端口3作为输出信号进入放大器中进行放大处理，LM358的端口7作为放大输出信号。

图4 检测信号放大驱动电路

2.2 无线通信模块设计

本系统设计的无线通信采用ARM与3G模块相结合，将检测信号发送至电脑，维护人员在巡查时，将手执移动终端通过3g移动网络主机监控平台同步，来完成对信号的实时监测。

ARM芯片具有低功耗、支持实时仿真和嵌入式跟踪等特点，根据本系统的特点，选用LPC2138作为核心控制器件，拥有512KB FLASH和32KB RAM，缩短了响应时间，提高运行效率。由于LPC2138内具有A/D接口，因此数据采集放大输出端可直接接入芯片的A/D口。如图5示，在仿真器植入程序后，如比较、报警等，将输出信号与3g模块进行通信。3g是第三代移动通信技术，是支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3g服务置办数据较快，速率可达几百kbps。本系统中检测信号较小，因此数据传输速度高，响应快。目前3g有3种标准：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA，本系统选择的3g无线模块为中兴公司生产的AD3812模块，标准为WCDMA，其接口具有高稳定性与可靠性等特点。即使高压电气设备比较分散，变压器之间的距离比较远，均可实现数据实时传输与共享。在终端电脑上安装远程监控软件，通过TCP任务对3g模进行连接访问。因此以ARM与3g模块相结合的方式提高了响应速度，同时满足维护人员即使不在监控平台附近，也可以通过手执移动设备与监控平台同步来完成对变压器温度进行在线监测。

图5 无线通信硬件设计

3 软件设计

3.1 温度检测控制程序设计

温度检测控制程序流程图如图6示。

3.2 3g无线通信设计

3g模块与网络主机无线通信[5]的流程图如图7示。

4 测试

4.1 测试装置

测试包括热释电传感器、放大电路模块、ARM板、3g无线通信模块、远程主机和手执移动终端等。

图6 温度检测控制程序流程图

图7 3g模块与主机通信流程图

4.2 测试结果

在传感器与其它模块安装好后，调试好主机与3g模块的通信，维护人员设定好主机与移动终端同步，在维护区范围内任意位置尝试接收数据。同时人为在高压电气设备处制造故障，在5分钟内，连续收到数条报警信息，显示变压器温度变化过大。当故障排除后，报警信息逐渐清除，只显示温差在合理范围之内。经过多次人为故障设定测试，反应较为灵敏，信息正确性达93.45%。

5 总结

将该套装置应用于监测高压电气设备变压器温度变化，不仅节约了大量的数据电缆线，提高了测量精确度，同时不受地域限制，便于监测与维护。

参考文献：

[1] 谢崇宇.变压器用绕组温控仪原理及应用[J].四川电力技术，2010，33（1）.

[2] 李鲜梅.变压器日常维护及异常处理[J].内蒙古科技与经济，2013（21）：106.

[3] 王恩.变压器温度测量就地和远传显示不一致的原因[C]//云南电力技术论坛论文集.云南：配电与用电，2010：196-200.

[4] 叶成.热释电传感器的非接触式测控系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2013（7）：22-27.

[5] 陈峰.基于ARM的3G无线射频测控平台设计与应用[J].电子设计工程，2011，19（15）：108-110.