高精度干式温度计量炉关键问题研究

杨智麟 王春立

东营市计量测试检定所 山东东营 257000

干式变压器温度传统监测方法是采用热电阻测量温度值。但110KV 干式变压器电压等级高，高压侧感应电动势可能干扰热电阻测量回路的准确性，所以采用热电阻监测温度不适用于110KV干式变压器[1]。本文采用TS-18B20B 数字温度传感器监测干式变压器温度，TS-18B20B 数字温度传感器由DS18B20 封装而成，可以避免高压侧感应电动势的干扰。无线监测单元将数据发送至监控平台，通过在线分析处理后实现干式变压器温度监测及超温报警功能，提前预防干式变压器温度升高引起绝缘老化和变压器爆炸等问题。

1 干式变压器用智能温度控制器系统设计

本文研究的多功能智能温度控制器，采用单片机技术，通过预埋在变压器绕组测温孔中的温度传感器来测量三相绕组的实时温度，通过单片机处理后实时巡回数字显示，并与一系列设定温度进行比较，提供绕组超温跳闸、绕组超温报警以及传感器故障显示报警并输出功能，还可以根据设定温度点启动冷却风机，有效地提高干式变压器运行的安全性、可靠性及使用寿命。控制器采用ATMEGA32 单片机作为处理器，自带A/D、SPI 结构电路等，使得总体电路设计和结构设计大大简化，这样就极大提高了设备的运行可靠性；10K 负温度系数热敏电阻（NTC）作为温度传感器。

2 高精度温度控制硬件电路设计

2.1 高精度温度控制电路分析

在早期的干式炉中，系统普遍使用人工调节的方法来对炉内温度进行调节，在调节过程中非常依赖技术人员的经验，控制精度不高，耗费人力和时间，工作效率低下。如今随着现代科技的突飞猛进，自动控制理论及其应用己经发展到了较高的水平，而且随着集成电路的发展都为自动控制系统的实现提供了软硬件的环境。现如今温度计量炉中大量使用温度自控系统技术与集成电路技术。在温度控制的过程中，温度控制算、恒温插块的隔热性能、系统的硬件设计、散热装置以及外部的环境都会对温度控制结果产生一定的影响。温度计量炉是一种快速现场温度校准的装置，因此需要能够快速的进行温度调节人机交互装置可以方便操作者快速设定目标温度，并将被控恒温插块的温度实时显示给用户，使温度计量炉的整个操作都处于监测下，安全可靠。温度控制算法是整个系统的核心部分，控制算法的优劣程度决定了整个控制系统温度控制性能的优劣程度。传统温度控制算法采用单闭环PID 控制方式，仅把被控恒温插块的温度作为被控参数。被控温度通过温度传感器传递给控制器，在控制器中将该温度值与设定值相比较得到偏差量，将偏差量通过PID 控制算法进行运算，得到控制增量，控制驱动电路控制TEC进行工作，稳定被控温度在设定值。该控制方案可以达到一定的控制效果，但是被控对象温度易受各自也因素干扰，因此仅通过单闭环温度控制算法无法实现高精度的温度控制。因此，本文对传统温度闭环算法进行了改进，在此基础上构建了前馈一反馈复合控制算法，可实现高精度的温度控制[2]。

2.2 边界条件设置

变压器室空气出风口及进风口施加轴流风机平均风速，变压器室进口施加平均压强为1 个大气压的保守设置，依据外侧散热器性能参数，输出冷空气温度作为变压器室入口空气温度。红色箭头是赋予的对称面属性，黑色箭头是代表空气进出方向。借助有限元软件，进行有限元方程求解。

2.3 干式变压器用智能温度控制器软件主程序设计

系统程序设计采用自上而下、模块化、结构化的程序设计方法，把程序分解成一个个功能模块，每个功能模块相互独立，每个模块都能完成一个明确的任务，实现某个具体的功能。根据设计要求，程序分为初始化、按键判断、温度采集、各相温度计算、超温判断、显示等模块。此主程序可以实现干式变压器三相绕组的实时测温，并通过与设定温度的比较，当实时值超过设定值时，完成风机自动启动、超温告警、超温跳闸等功能，并轮流显示三相（A、B、C）绕组的实时温度。

3 高精度干式计量炉温度控制系统设计方案验证与分析

根据国标ITS-90 和欧洲计量组织定制的干式计量炉标定指南EA-10/13 规定的干式计量炉的性能指标，来分析本高精度干式计量炉温度控制系统设计方案是否达到了设计目标。EA-10/13 主要提供出六项技术参数：控温范围、准确度、稳定度、迟滞、负载影响和轴向均匀性。（1）系统控温范围、准确度：系统为了克服TEC 在工作中其自身电气特性随温差变化的特点，提高系统温度控制精度。在传统单控制参数的基础上，将TEC 控制电流也作为新的控制参数纳入了控制环节，并基于此建立了温度一电流双闭环控制模型。从上述系统温度控制范围与控制精度实验可以看出，系统的控温范围在-30^至130℃之间，控温准确度在士0．0020C，达到了预期的设计目标，系统建立的温度一电流双闭环控制模型发挥了预期的效果。（2）系统控温稳定度：EA10/13 将计量炉的控温稳定度定义为“被控对象温度在30 分钟的内的温度变化”。为了对系统的控温稳定度进行测试，本文进行了控温稳定度实验，实验在系统温度控制范围内，每隔20℃设置一个温度控制节点，带系统控温稳定后每隔30s 采集一次被控温度值。（3）系统迟滞、负载影响：本文为了克服温度控制和反馈控制固有的滞后特性，针对被控恒温插块易受外界环境变化和负载改变影响的问题，又在温度一电流双闭环反馈控制的基础上，引入了前馈补偿控制环节，对干扰热源提前进行检测，然后对其进行预估补偿[3]。

4 结语

综上所述，干式变压器温度监测系统包括检测单元、信号接收单元、上位机等硬件设备，能够实现温度在线实时监测功能，同时显示多组温度信号，在干式变压器复杂的工作环境下抗干扰能力强。