微机型排油注氮灭火控制系统的研究与应用

陈宏强 张立 雷乘龙 杨富强

摘要：常规的灭火控制系统主要通过控制器微机化的思路进行火灾控制，导致系统存在电磁干扰，影响氮气注入效果。因此，设计了微机型排油注氮灭火控制系统。硬件上，设计了模块化微机型排油注氮控制器与ARM处理器。软件上，建立灭火控制系统功能模块，以排油注氮的逻辑代替微机化思路，从而减少系统出现的电磁干扰。再利用微机型排油注氮灭火控制算法，精准控制氮气注入量，进而实现变压器的高效灭火。采用系统测试的方式，验证了该系统的氮气注入量更符合其需求量，能够保证变压器的安全使用，具有较高的推广价值。

关键词：微机型；排油注氮；灭火控制；氮气注入量；控制器

变压器在长时间运行条件下，很容易出现故障。当故障发生时，如果无法及时维护，就会出现变压器火灾现象，严重危害电力系统的正常使用。变压器油是导致其火势较大的主要原因，其内部短路或过载时，就会发生火灾，导致整个供电系统发生瘫痪。针对以上问题，研究人员设计了多种变压器灭火控制系统。而油浸式变压器注氮灭火控制系统，与油浸式变压器智能灭火控制系统的应用较为广泛。油浸式变压器注氮灭火控制系统，应用微机化的控制思路，在变压器热油排出的同时注入氮气，达成快速灭火的目标[1]。油浸式变压器智能灭火控制系统，通过电磁继电器达成控制逻辑，高效地完成灭火控制[2]。以上两种方法中，均存在电磁干扰，导致注氮控制效果不佳[3]。因此，本文以模块化微机型排油注氮控制器为主，设计了微机型排油注氮灭火控制系统。

一、硬件设计

（一）模块化微机型排油注氮控制器

在变压器起火时，表层油的燃烧温度较高，带动下层油温升高，使变压器的火势变大[4]。本文主要是在变压器起火时，将变压器内的热油排放干净，同时注入氮气，使其表面温度降低，以此达成灭火的目的[5]。在此过程中，氮气注入量的控制至关重要。因此，本文设计了模块化微机型排油注氮控制器。控制器部分结构如图1所示。在控制器的外形壳体较为坚硬，能够保护器内的各个元件。壳体的顶部与底部分别设计了两个支座，用来固定内部元件。在安装过程中，以模块组件、过滤组件、滤网、磁石、铁质框、固定槽、支座、一体化机箱、壳体的顺序进行安装。使模块插件能够更加方便地取出与维护。当控制器的滤网灰尘较多时，将铁质框与滤网取出进行清洗即可。保证控制器始终处于稳定的运行状态[6]。通过上述顺序安装之后，在控制器维护过程中，仅需要抽出对应的元件即可，既能维持控制器的正常工作，又能做好控制器的维护工作，有效地提升了控制器的运行效果。

（二）ARM处理器

本文选用的ARM处理器主要是为控制器服务，在控制器运行的过程中，每一次氮气注入量，均需要在处理器中备份，处理器通过系统回传的火灾情况，对氮气注入量进行处理，使其更符合氮气灭火需求[7]。ARM处理器的通信电路至关重要，是系统通信的桥梁。

如表1所示，本文设计的ARM控制器能够在双通道DDR4的条件下，进行信息存储。将系统中回传的火灾信息存储在处理器中，并将火灾图像转化为数字信号，再传输至控制器中，使控制器能够了解火灾情况，进行针对性的氮气注入，提高注氮控制精准度[8]。为了保证系统的高效运行，本文在处理器中增加了I/O端口驱动模块，在运行时存在4种晶振模式，最大频率可以达到30MHz。同时，该处理器还支持10位数据转换，可以满足系统对硬件功能的需求。

二、软件设计

（一）建立灭火控制系统功能模块

本文建立的系统功能模块以通信模块与交互模块为主。通信模块的总线设计为CAN、RS485，以及以太网等三种。其中，CAN总线能够将变压器火灾的信息进行实时传输，并采用CAN协议的扩展帧进行信息传输，扩展帧的定义如表2所示。

如表2所示，每发送一帧，优先级计数从0～7递增；预留计数为0；循环计数达到63后归零；应答计数是在接收方接收请求之后，每100ms给发送方一个应答帧，随机分配一个地址，也就是发送方的ID。人机交互模块是软件中发送命令的函数程序，当火灾数据上传至系统中时，初始化函数向CAN总线发送通信命令，从而完成控制、逻辑、驱动等功能。系统软件结构如图2所示。

图2 系统软件结构图

如图2所示，在软件结构中，或是探测信号传输至排油注氮控制中心之后，通过电源切换中心，将交互信号传达至控制中心，再由通信信号向控制中心、逻辑中心、驱动中心传输指令，完成交互与通信功能。

（二）设计微机型排油注氮灭火控制算法

在初始狀态下，变压器油压状态的传递函数表达式如下：

（1）

式（1）中，f（u）为变压器油压状态的传递函数表达式；um （S）、un （S）为变压器油压的两组传递向量。当f（u）＜0时，变压器油压出现畸变，此时变压器处于短路状态，出现了变压器起火的现象。本文根据变压器油量情况，对其排油时间进行计算，公式如下：

（2）

式（2）中，P为变压器排油时间；S为油箱现存油量。将变压器内的油全部排出的同时，在油箱内注入氮气，氮气需求量的计算公式如下：

（3）

式（3）中，X为氮气需求量；L为氮气注入频率。根据变压器油箱的氮气注入需求，对其进行注氮控制。也就是说，本文以氮气需求为主，实时控制氮气注入情况，当注入量与需求量一致之后，停止注入。当掌握不好注入量时，以增加0.01kg的注入量为主，最大限度地保证注氮量和控制效果。

（三）实现变压器的高效灭火

为了实现变压器的高效灭火，本文在控制系统中设计了一个灭火控制数据库。将上述数据存储在数据库中，随取随用，缩短火灾数据的查询时间。如下表3所示。

如表3所示，本文将登录名称、火情探测数据、油量剩余数据、氮气注入数据、变压器温度数据等，按照系统通信模块传输到数据库中。并将各个数据标记一个数据类型，搜索数据类型后，点击相应的字段名，即可得到一个完整数据，为变压器后续维护与检修提供支撑。

三、系统测试

为了验证本文设计的控制系统是否具有实用价值，本文对上述系统进行了测试。首先，安装系统硬件，并对其性能进行测试。其次，连接软件，对软件功能进行调试。最后，将硬件与软件连接，对系统整体功能进行测试。最终的测试结果以文献[1]控制系统、文献[2]控制系统、本文设计的微机型排油注氮灭火控制系统进行对比的形式呈现。具体测试过程及测试结果如下所示。

（一）测试过程

在进行测试之前，本文将模块化微机型排油注氮控制器，与ARM处理器进行安装。将模块组件、固定槽、磁石、铁质框、滤网、过滤组件、机箱等元件安装完毕之后，将控制器通电，使其处于正常运行状态，对控制器的电路电压进行分析，如图3所示。

如图3所示，控制器的电路电压为23.9V，在25V以内，证明此时控制器运行正常。同时，电压波形较为稳定，A、B、C、D四个接口的电压均为23.9V，可以保证硬件电路的可行性。ARM处理器安装完毕之后通电，绿色指示灯亮起，可以保证该硬件的正常使用。本次测试模拟出变压器起火状态，火势的初始温度为320℃，对注氮时间250s内的温度变化情况进行分析，如图4所示。

如图4所示，在注氮时间为0s～150s时，温度持续下降，表明火势得以控制。在注氮时间超过150s之后，温度不再变化，且保持在50℃左右，证明此时变压器火势已被扑灭。在实际场景中，变压器在150s之后，火势被扑灭。由此看来，该系统能够实时获得变压器温度情况，能够保证系统的运行可行性。

（二）测试结果

在上述测试条件下，本文模拟出BY_1#～BY_8#共8种火况，火势较小，便于火情控制，保证测试环境的安全性。不同的火况氮气需求量不同，需要较高的控制能力控制氮气注入量。本文将文献[1]控制系统的氮气注入量、文献[2]控制系统的氮气注入量、本文设计的微机型排油注氮灭火控制系统的氮气注入量进行对比。测试结果如表4所示。

如表4所示，本文模拟的BY_1#～BY_8#共8种火况中，火势从高到低，氮气需求量相应不同。已知，注入氮气灭火时，氮气量控制在0.01kg以内，能够保证变压器的火势得到控制。在其他条件均一致的情况下，文献[1]控制系统的氮气注入量，与氮气需求量相差约-0.2kg，且氮气注入量均少于需求量，导致火情无法被有效控制，造成较大的安全事故。文献[2]控制系统的氮气注入量与氮气需求量相差约-0.02kg，氮气注入量同样少于需求量，安全事故仍可能出现。而本文设计的控制系统的氮气注入量，大部分火况的氮气注入量与需求量保持一致，BY_3#、BY_5#火況的氮气注入量与需求量相差+0.01kg，高于需求量，能够保证变压器的火情控制效果，安全事故较少，符合本文研究目的。

四、结束语

近些年来，变压器设备应用较为广泛，成为人们生活中不可或缺的设备。但是，变压器在工作过程中，不可能永远正常运行，故障发生时，不能及时维护，就会导致变压器起火，造成较大的事故发生。因此，本文设计了微机型排油注氮灭火控制系统。通过注氮控制器、处理器等硬件与软件相结合的设计方式，使该控制系统能够高效地控制氮气注入量，从而提高火灾控制效果，为变压器的安全使用提供保障。

作者单位：陈宏强 张立 雷乘龙 杨富强 国网甘肃省电力公司天水供电公司

参  考  文  献

[1]张立，陈振勇，李党召，等.油浸式变压器的微机型排油注氮灭火控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2021（02）：130-131.

[2]张立，刘栋梁，雷乘龙，刘虹斌.一种适用于油浸变压器的智能灭火控制系统设计[J].电气应用，2022，41（07）：98-102.

[3]张宪锋，于海洋，郭士清，等.室内安防巡逻与灭火多功能机器人控制系统的设计与实现[J].电子产品世界，2021，28（01）：42-44.

[4]谢丹，陈庆伟，洪伟艺，等.多站融合变电站内数据中心智能消防联动系统设计[J].消防科学与技术，2022，41（08）：1106-1110.

[5]曹建忠，赵天雪.基于DMAIC的消防工程系统自动喷水灭火喷头安装返工率控制[J].智能城市，2022，8（07）：40-43.

[6]侯天阳，舒启林.隧道悬挂式轨道灭火机器人远程控制和监测系统的研发[J].成组技术与生产现代化，2021，38（04）：22-26.