干式变压器智能温控仪设计与实现

钱怡辰， 李会军

(1.徐州供电公司贾汪供电营业部，江苏　徐州　221011，2.中国矿业大学，江苏　徐州　221006)



干式变压器智能温控仪设计与实现

钱怡辰1， 李会军2

(1.徐州供电公司贾汪供电营业部，江苏徐州221011，2.中国矿业大学，江苏徐州221006)

在供配电领域，干式变压器被广泛应用于各行各业，在城市内已基本取代了油浸式变压器。为了保证干式变压器的安全运行，同时做到无人值守，干式变压器需要配置线圈温度巡检测控仪(简称温控仪)。目前，市场上已有的干式变压器温控仪大都采用分立元件构成，性能差、功能少、精度低、故障率高。采用Atmel公司的高端单片机ATMega16作为主控芯片，设计了一种简单可靠、同时具有串行通信和无线通信功能的智能温控仪，提高了仪表的精度和可靠性，取得了较好的经济效益和社会效益。

干式变压器; 温控仪; 单片机; 热电阻; RS485

0　引　言

变压器能否安全正常运行，是由其铁芯绕组的温升来决定的。干式变压器上三相式的，由A相、B相和C相三个绕组组成，每相绕组都要实施测温，同时对温升情况进行判断，以决定是否需要采取必要措施。温控仪的主要性能指标如下[1-6]：

(1) 实时监测三相绕组的温度信号，测量范围为-20 ℃～200 ℃。

(2) 测温分辨率为0.1 ℃。

(3) 温度显示精度为0.1 ℃。

(4) 可进行故障报警、超温报警、超温跳闸、风机启动/关闭的自动控制，可进行仪表控制参数的收到调整。

(5) 具有巡回显示三相温度、显示控制参数、显示故障信息等功能。

(6) 具有蜂鸣器报警功能。

(7) 具有串口通信和GPRS无线通信功能。

1　系统结构

图1　智能温控仪系统结构图

智能温控仪的系统，以ATMEL公司的ATMega16单片机为核心，构成了一个单片机测控系统，完成温度检测、温度显示、数据处理及输出控制等功能。上电初始化后，系统先进行零点校正，然后从单片机内的EEPROM中读取控制参数，然后通过AD转换器循环检测三相绕组的温度，检测到的温度值用LED显示出来。如果在温度循环检测过程中，发现某一绕组的温度超过了风机启动温度，仪表自动启动冷却风机；如果某一绕组的温度超过了超温报警温度，则蜂鸣器开始报警；如果某一绕组的温度超过了超温跳闸温度，则仪表自动控制高压柜，让变压器跳闸。智能温控仪系统结构如图1所示。

2　温度检测模块

热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性，主要分为铂热电阻和铜热电阻。热电阻通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。在此，我们选用测量精度高、漂移小的负温度系数铂热电阻作为测温元件。热电阻温度-阻值表如表1所示。

表1　热电阻温度-阻值表

图2　温度检测模块电路图

利用负温度系数热电阻随着温度的升高，其电阻值逐渐减小的特点，可以将温度的变化转换为电阻值的变化、进一步转换为电阻值两端电压的变化，对电阻值两端的电压进行AD转换，即可把温度的变化采集到单片机中[7]。为了检测热电阻的阻值变化，在此选用取样电阻的大小为R=4.1 K，精度为1%。温度检测模块的电路图如图2所示。

3　数据显示模块

图3　LED数码管控制电路

图4　LED数码管驱动电路

如图3所示，数据显示模块主要负责将采集到的三相绕组的温度值显示出来，供操作人员参考。为了降低仪表成本、提高仪表的可靠性，在此选用0.8英寸共阴极高亮红色LED数码管。因为单片机的IO口驱动能力很小(最大只有20 mA)，因此必须为LED数码管选择驱动芯片，并设计驱动电路。74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电平TTL电路，具有8位移位寄存器和一个存储器，并具有三态输出功能。因此，74HC595能够将串行输入的8位数字，转换为并行输出的8位数字，可以用作LED数码管的控制芯片。为了保证驱动电流的强度，可以选用一个达林顿管进行扩流，在此选用ULN2003作为驱动芯片。ULN2003最大驱动电压为50 V，最大驱动电流为500 mA，完全能够满足0.8英寸LED数码管的功率要求。同时，ULN2003内部还集成了一个消除线圈反电动势的二极管，输出端允许通过的电路为200 mA，因此能够对电路起到很好的保护作用。LED数码管控制电路如图3、LED数码管驱动电路如图4所示。

4　电源模块

温控仪采用220 V市电供电，因为仪表的核心芯片是ATMega16单片机，必须直流5 V供电，所以要将220 V的市电进行整流和滤波，为仪表电路板上的芯片供电。在此，首先使用一个220 V转9 V的变压器将市电转换为9 V的交流电，然后再用一个桥式整流电路进行整流，最后通过LM7805稳压芯片得到稳定的5 V直流电源。整流滤波和稳压电路图，220 V市电整流电路如图5所示，5 V稳压电路如图6所示。

图5　220 V市电整流电路

图6　5 V稳压电路

5　RS485通信模块

远程通信是智能仪表的必备功能。为了使智能温控仪具有远程通信功能，在此专门为其配置了485通信接口。485通信接口是一种标准的串行通信接口，数据信号采用差分传输方式，也称作不平衡传输。它使用一对双绞线，将其中一根线定义为A，另一根线定义为B。通常情况下，A、B之间的压差在+2 V～+6 V之间表示逻辑1，在-2 V～-6 V之间表示逻辑0。RS485的最高数据传输速率为10 Mbps，最大传输距离为1 219 m，加中继可以传输得更远。因此，RS485是智能仪表首选的通信方式，其通信接口电路图如图7所示。

图7　RS485通信接口电路图

6　MCU模块

智能温控仪的MCU选用ATMEL公司的ATMega16单片机。ATMega16是基于增强型的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集和单时钟周期指令执行时间，ATMega16的数据吞吐率高达1MIPS，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

ATMega16具有16 K字节的可编程Flash，可以适用于较为复杂的处理系统。同时，有512字节的EEPROM，可以用来存储关键数据。另外，该芯片具有集成的串行通信接口USART和8路10位具有可选差分输入的AD转换模块，因此能够直接进行串行通信和AD数据采集，简化了温控仪数据采集板上的元件数量，降低了系统PCB板布线的复杂度。MCU模块电路图如图8所示。

图8　MCU模块电路图

7　输出控制模块

MCU通过AD转换模块实时采集干式变压器三相绕组的温度。如果发现某一绕组的温度超过了风机启动温度，就会通过驱动电路闭合风机控制继电器，从而启动冷却风机进行降温。因为冷却风机功率较大、并且使用220 V/380 V交流电供电，而仪表中的控制继电器采用的是5 V直流继电器，在风机启动/停止时，继电器触点有可能出现打火现象，产生的电弧可能会对仪表的稳定运行造成干扰，因此必须为继电器触点添加灭弧装置[8-9]。冷却风机的继电器控制电路图如图9所示。

8　风机冷却系统

图9　冷却风机继电器控制电路图

干式变压器的冷却方式分为自然空气冷却(AN)和强迫空气冷却(AF)两种。自然空气冷却时，在正常使用条件下，变压器可在额定容量下长期连续运行；强迫空气冷却时，在正常使用条件下，变压器输出容量可提高50%左右，适用于断续过负荷运行或应急事故过负荷运行。由于过负荷时，负载损耗和阻抗电压增幅较大，处于非经济运行状态，故不应使其处于长时间连续过负荷运行。

图10　帘式冷却风机外形图

对于自然空气冷却和强迫空气冷却的干式变压器，均需保证变压器室具有良好的通风能力。当变压器安装在地下室或通风能力较差环境时，必须增设散热通风装置。

目前，强迫空气冷却一般使用新型的帘式风机吹风降温。这种风机噪音较低，冷却均匀，体积小，占用空间小，不超出变压器本体外形轮廓尺寸；风机容量小、2 500 kVA以下的配电变压器风机只180 W～540 W，且采用单相AC 220 V电源，使用非常方便。常见的帘式冷却风机外形图如图10所示。

9　智能温控仪功能设计

在温控仪正常工作模式，显示面板每隔5秒钟循环显示A、B、C三相线圈温度。当三个线圈中有一个线圈温度超过了风机启动温度界限(例如80 ℃)，则启动冷却风机；如果线圈温度继续升高，当三个线圈中有一个线圈温度超过了超温报警温度界限(例如130 ℃)，则给出超温报警信号，点亮显示面板上的超温指示灯，蜂鸣器发出报警声；如果线圈温度继续升高，当三个线圈中有一个线圈温度超过了跳闸温度界限(例如150 ℃)，则给出跳闸信号，点亮显示面板上的跳闸指示灯，蜂鸣器发出报警声。

为了防止冷却风机长时间不启动发生损坏，温控器会每隔一段时间，定时启动冷却风机(例如每隔24小时启动3分钟)。

温控器里面的参数(风机停止温度、风机启动温度、超温报警温度、变压器跳闸温度、定时启动周期、定时启动时间、温控器地址等)都可以通过操作面板上的按键加以修改。

如果温控器当前工作在非正常工作模式(例如工作在参数配置模式)，并且长时间没有对温控器进行操作(例如大于10分钟没有对温控器进行操作)，则温控器会自动切换到正常工作模式。

温控器采用标准的110×80柜装仪表外壳，便于安装到干式变压器机柜中。仪表外形图如图11所示，温度传感器电缆图如图12所示。

10　结束语

干式变压器的安全运行和使用寿命很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全。当变压器绕组的绝缘性能降低后，将对其导热性能产生很大影响。在绝缘遭到损坏的位置，其温度将会急剧上升，当上升到一定极限值时，轻者造成变压器绝缘性能降低、使用寿命下降；重者可能造成绝缘击穿，变压器烧毁爆炸，其损失不可估量。因此，必须采用温控仪对干式变压器的温度进行实时监控，一旦发现异常，及时采取降温措施，必要时将变压器跳闸。本文针对干式变压器的具体需求，以ATMega16单片机作为MCU，使用NTC热敏电阻作为检测元件，设计了一种具有485通信功能的智能仪表。通过实际测试，该仪表能够实时监测干式变压器的三相绕组温度，并能及时处理各种异常情况，是一种价格低廉、性能可靠、安装方便、功能强大的输配电辅助设备，能够和各种干式变压器配套使用。

[1] 中华人民共和国行业标准[S].变压器用电阻温度计.JB/T 7631-94.

[2] 王福瑞.单片机微控制系统大全[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1998.

[3] 郁有文.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社，2000.

[4] 张福阳,陈昌俊，赖青梧.DTC-4305三相干式变压器温控仪设计[J].南昌大学学报, 1998，36(3): 31-36.

[5] 张爱萍，吴建江，亓长军，等.干式变压器温控仪研制[J].武汉大学学报,2001，45(1): 98-104.

[6] 卫桦林，陆屐豪.干式电力变压器智能温控仪[J].信息产品与节能,1999，2(4): 125-131.

[7] 赵保经,罗振候,范敏,等. A/D和D/A转换器应用手册[M].上海：上海科学普及出版社,1995.

[8] 汪家和,张炜.多点温度检测控制仪[J].武汉理工大学学报,2005，27(1):76-81.

[9] 何立民.单片机应用文集[M].北京：北京航空航天大学出版社,1999.

Design and Implementation of an Intelligent Temperature Controller for Dry-type Transformers

QIAN Yi-chen1, LI Hui-jun2

(1. Xuzhou Power Supply Co. Jiawang Power Supply Business Office, Xuzhou Jiangsu 221011, China; 2. China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221006, China)

In the field of power supply and distribution, dry-type transformers, widely used in all walks of life, have largely replaced immersed transformers in the cities. To ensure safe unattended operation of dry-type transformers, they have to be equipped with coil temperature inspection instrument (temperature controller for short). Most of the temperature controllers available now on the market are composed of discrete components, and they have poor performance, limited number of functions, low precision and high fault rate. Using ATMega 16, Atmel company's high-end SCM, as the main control chip, we have designed a simple but reliable intelligent temperature controller with both serial and wireless communication functions, so that the accuracy and reliability of the instrument is improved and good economic and social benefits are obtained.

dry type transformer; temperature controller; SCM; thermal resistance; RS485

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.023

TM4;TP272/278

A

1000-3886(2016)01-0071-04

钱怡辰(1980- )，女，辽宁西丰人，硕士，工程师，配电运检专职，从事计算机通信、计算机网络及配电运检方面的研究。

定稿日期: 2015-05-15