外置式自诊断荧光光纤绕组温控器设计与实现

宋长勇

（云南电网有限责任公司昆明供电局，云南 昆明 650000）

0 引 言

传统以PT100作为测温传感器，而在JB/T 7631—2016《变压器用电子温控器》中规定其测量范围只能局限在1 000 V以下。该传感器的材质为金属，这样就会在实际应用中存在一定的安全隐患，因此测量传感器及温控器急需采用新技术。

近年来，国内关于变压器温控器研究已取得较多成就。文献[1]介绍了变压器温控器的功能，变压器油面和绕组温度的测量方法，然后分别介绍了BWY-804J（TH）型压力式变压器油面温控器和基于热模拟技术的BWR-04J（TH）型绕组温控器的结构、原理以及校验方法，并重点描述了绕组温控器热模拟装置的整定过程。文献[2]总结归纳了主变温控器温度变送器现场运行中出现的各种异常问题，并进行了详细分析,，从而提出了现场解决方案，同时对温度变送器提出了改进方案，验证了分析和改进方案的正确性，对提高主变压器运维水平和延长主变压器的使用寿命有着重要的意义。文献[3]分析了升温速率、恒温设备热容量以及浸没深度3个因素对变压器用油面温控器接点动作误差检测结果的影响因素。文献[4]针对变压器绕组温控器在检测试验中发现的问题，通过实验室检测试验，分析绕组温控器在实验室检测与现场安装测量结果偏差较大的原因，提出改进建议。文献[5]针对某1 000 MW变压器绕组温度显示异常缺陷，根据现场实测数据进行分析，得到温度异常的原因，并总结处理方法。而文献[6]则针对张河湾公司3号机组在励磁变压器温度控制器发生异常温升和跳变导致机组跳机的现象，分析了励磁变温控器存在的问题、改进方案以及运行效果等。

以上研究基本聚焦于温控器特定场景应用开展分析，少部分情况下是针对产品进行详细改进研究。为此，本文以此为出发点在光纤温度传感器测温特性的基础上进行了集成设计，开发出新型外置式自诊断荧光光纤绕组温控器，并对系统功能开展测试，证明了本文所设计的温控器功能完善、可靠。

1 温度传感器原理及特点

1.1 测温原理

光纤温度传感器使用荧光测温技术，基本的原理是封装在石英玻璃光纤端面的感温物质物性的变化仅受温度影响。

感温物质是经过高温多次烧结的特定稀土物质，其在受到特定波长激发后，电子吸收光子从低能级跃迁到激发态高能级，从高能级返回到低能级的辐射跃迁中发射荧光。激励光停止后，受激的发射荧光通常是按指数方式衰减，荧光衰减曲线如图1所示。

图1 荧光衰减曲线

激励脉冲终止时间为t1，衰落信号的强度值为I0，当衰落信号达到第二个值I0/e时，时间为t2。t1和t2的间隔就是指数衰落信号的时间常数τ，时间常数τ可以用来测量荧光寿命。研究证明，在不同的环境温度下，荧光寿命也不同。荧光寿命与温度的关系为：

式中，RE、RT、k、ΔE均为常数，T为绝对温度。由此公式可知，根据测量荧光寿命的长短可以得知当前的环境温度。

1.2 传感器设计及特点

本文设计的传感器是将荧光物质封装在光纤顶端（感温探头位置），然后在光纤另一端输入激励光。荧光物质受激发光的余晖通过光纤返回到达输入端，输入端通过45°半反半透镜片将余晖接收，后解析出探头位置的环境温度，具体如图2所示。

图2 传感器实现过程

传感器关键参数如表1所示。

表1 关键参数详情

此光纤温度传感器传感器主体由不锈钢软管保护，荧光探头位于不锈钢管内部，外形结构与PT100油面温度计相同。整体长度为6 m，光缆露出默认40 cm，传感器外观如图3所示。

图3 传感器外观图

温度感温探头位于不锈钢管内部，探头封装位置使用环氧树脂导热胶，结构如图4所示。

图4 温度探头封装结构图

本文设计的光纤温度传感器具有以下特点。一是基于光信号测温，抗电磁干扰传感器感温及传导部分采用光信号，对电磁环境完全免疫。二是响应快，通道响应速度低于1 s。三是性能稳定、免维护，基于荧光物质的稳定物性，保证全寿命段测温性能的一致性。四是精度高、可自诊断，配合温控器可完成自诊断功能。五是寿命长，寿命远远大于基于电信号的温度传感器。六是不改变使用习惯，采用原PT100封装及固定形态涉及传感器，用户无需改变使用习惯。

2 外置式自诊断荧光光纤绕组温控器设计及特点

2.1 整体特点

本文所设计的外置式自诊断荧光光纤绕组温控器，物联网主机以其丰富的显示画面、灵活的操作方式、强大的记录、运算、控制、管理功能以及超薄美观的铝合金机身，在各行各业中获得了极其广泛的应用。本产品在吸纳各种国内外数据记录仪优点的基础上增加了全新物联网远程监控、局域网无线超远距离通信等功能。

2.2 硬件组成及工作原理

本文所设计的多通变压器光纤温控器分为油面温度控制器和绕组温度控器，分别用于测量变压器油面温度和绕组模拟温度，具有直接显示温度和超温分级报警等功能。输出的信号供冷却器控制系统及变压器保护系统使用，多通道变压器光纤温控器是变压器必备的组部件。

多通道变压器光纤温控器通过光纤温度传感器测量变压器顶部油杯内的油温来测量变压器油面温度，结合CT取电的方式取得相应绕组负荷电流，利用顶层油温和负荷电流，通过相应公式计算测得模拟的变压器绕组温度[7-10]。

2.2.1 硬件组成

首先是电源，其属于至关重要的组成部分，主要是为温控器的运行提供必要的电力支持，保证可以处于相对稳定的供电状态下。其次是温度传感器，可以及时反映温度情况，确保相应的措施及时采取到位，满足相关的实践需要。最后是输出部分，重点是将相关的信息传递出来，反映出基本的情况，以便后续工作的开展有证可循。

2.2.2 工作原理

支持RS485及以太口通信，24路输出（0～5 A@DC 24 V/0～2 A@AC 220 V）。人机接口选用7寸液晶，提供温度显示和参数设置功能。界面以3+1方式显示通道温度（3是指3个油面温度通道，1是指1个绕组温度通道），界面如图5所示。

图5 温度显示界面

油面通道的设置界面如图6所示，设置的内容分别有1～4路继电器的报警值和行程差以及油面通道的名称，其中1～4路继电器的报警值依次递增才可以设置。

图6 油面通道设置界面

继电器的状态界面如图7所示，CH1～CH6表示6个油面通道，K1～K4表示通道的1～4路继电器，继电器的状态只有闭合和断开两种状态，闭合是指导通，断开是指不导通。

图7 继电器状态界面

系统设置界面如图8所示，可以设置系统时间、屏幕亮度、采集速度以及息屏时间，其中采集速度是指采集荧光模块温度的采集速度。

图8 系统设置界面

3 功能测试

3.1 测试范围

对外置式自诊断荧光光纤绕组温控器的系统设置、系统关机、系统重启、关于系统、参数设置、无线设置、系统升级、监控油面设置、绕组设置、继电器状态、模拟量输出等功能开展测试。

3.2 测试策略

测试策略包括以下3点。一是回归测试，新版本在发布前，确认测试发现的缺陷在修复后不会在其他没有发现缺陷的部分产生新的缺陷，可以包含上述所有测试的部分。二是功能测试，确保测试的功能正常，其中包括系统设置、继电器状态、模拟量输出、系统关机、系统重启、油面温度、绕组温度、温差、温升、系统版本、参数设置、通信设置以及系统升级等。三是性能测试，在正常的预期工作量下，核实所指定的事务或业务功能。

3.3 测试结果及分析

功能测试共执行用例91个，发现软件问题11个，主要集中于值的系统设置、参数设置、继电器、无线网络等方面，具体见表2。经过回归测试后，确认所有问题均已归零。实际测试过程遵循了原定的测试计划和测试说明，测评机构客观完备地记录了测试过程中发现的问题，测试过程中未发生异常中止情况。测试过程中，开展了质量保证活动，对测试工作产品进行了审查和评审，有效开展配置管理工作，对测试工作产品进行了变更控制和版本管理，测试工作始终处于受控状态。

表2 测试用例统计表

4 结 论

依照上述相关的测试信息分析，可以将相关结论加以总结，为后续工作的开展提供必要的参考。早期版本的软件功能存有较多缺陷，面对相关的缺陷，应该及时采取应对方案，促使着相应的软件功能得以完善，真正达到理想化的应用成效。另外，优化之后的软件功能体现出十足的可靠性，可以满足相关领域的实际需求。本文重点概述了PT100存在的问题，通过详细分析软件功能存在的缺陷，制定出科学的应对方案将其完善，使其更好的作用于具体的实践中，保证了基本的应用成效和实践价值，具有一定的参考价值。此外，建立在光纤温度传感器测温特性分析的基础上，设计了新型的外置式自诊断荧光光纤绕组温控器并对系统功能开展测试，证明了设计的温控器功能完善、可靠。