主變溫控器校驗(yàn)臺的設(shè)計實(shí)現(xiàn)

楊忠禮，陳 飛，楊忠奎

（河南省電力公司新鄉(xiāng)供電公司，河南 新鄉(xiāng)453002）

主變溫控器校驗(yàn)臺的設(shè)計實(shí)現(xiàn)

楊忠禮，陳 飛，楊忠奎

（河南省電力公司新鄉(xiāng)供電公司，河南 新鄉(xiāng)453002）

設(shè)計了一種主變溫控器校驗(yàn)臺，采用微處理器控制技術(shù)、PID控制技術(shù)及變頻技術(shù)自動控制校驗(yàn)臺恒溫槽的溫度，實(shí)現(xiàn)了對主變溫控器的自動校驗(yàn)，解決了目前溫控器校驗(yàn)方面的難題.

溫控器；校驗(yàn)；PID控制；恒溫槽

主變溫控器是變壓器檢測溫度變化的重要元件，用于測量變壓器油面、線圈繞組或者內(nèi)部某一位置的溫度，并可根據(jù)此溫度值控制相應(yīng)的冷卻裝置、報警裝置，甚至于發(fā)出跳閘信號.主變溫控器依據(jù)變壓器的溫度變化情況實(shí)時進(jìn)行變壓器冷卻、報警及跳閘控制，其性能好壞直接影響到變壓器的運(yùn)行安全.變壓器一旦出現(xiàn)內(nèi)部故障而導(dǎo)致溫升，主變溫控器能及時動作，將故障控制在最小的范圍之內(nèi)，避免將故障范圍擴(kuò)大而造成重大電力事故.

現(xiàn)有主變溫控器的啟動制冷控制信號接點(diǎn)相對工作穩(wěn)定，但關(guān)閉冷卻系統(tǒng)接點(diǎn)、報警接點(diǎn)及跳閘接點(diǎn)因不常動作，常出現(xiàn)動作不靈活、接點(diǎn)接觸不良甚至溫度漂移等現(xiàn)象.當(dāng)變壓器溫度變化時，常會導(dǎo)致主變溫控器誤動作，失去了主變溫控器的保護(hù)意義，易導(dǎo)致重大電力事故.故應(yīng)對其定期校驗(yàn)，以確保主變溫控器準(zhǔn)確、安全、可靠、有效地發(fā)揮作用，保證變壓器穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行［1］.

雖然目前電力行業(yè)中對于主變溫控器的校驗(yàn)有了相當(dāng)?shù)闹匾暎欢鴩鴥?nèi)卻沒有高準(zhǔn)確度、高可靠性的主變溫控器校驗(yàn)臺來完成主變溫控器的上行程及下行程的雙向校驗(yàn)裝置［2］.

我們開發(fā)研制的主變溫控器校驗(yàn)臺采用先進(jìn)的微處理器控制技術(shù)、先進(jìn)的PID控制技術(shù)及變頻技術(shù)，自動完成主變溫控器校驗(yàn)臺恒溫槽的溫度控制，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)對主變溫控器接點(diǎn)動作及示值安全、方便、可靠、準(zhǔn)確的自動校驗(yàn)［3－5］.該主變溫控器校驗(yàn)臺解決了目前電力系統(tǒng)在主變溫控器校驗(yàn)方面存在的校驗(yàn)設(shè)備落后、校驗(yàn)過程不規(guī)范的問題，對安裝前和運(yùn)行中主變溫控器定期校驗(yàn)起到了積極作用.

1 主變溫控器校驗(yàn)臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

本項(xiàng)目包括設(shè)計一款符合要求的恒溫槽，設(shè)計一種滿足校驗(yàn)精度的接點(diǎn)和示值的校驗(yàn)方法，以及設(shè)計一種高精度的PID溫度控制方法等.

1.1 PID控制原理及其程序?qū)崿F(xiàn)

生產(chǎn)過程中對某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動控制稱為過程控制.其中微機(jī)控制系統(tǒng)以微型計算機(jī)作為控制器，可方便地通過修改軟件程序來改變控制規(guī)律，故應(yīng)用廣泛.微型計算機(jī)通過過程輸入通道對一個或多個物理量進(jìn)行檢測，并根據(jù)確定的控制規(guī)律進(jìn)行計算；通過輸出通道直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使各被控量達(dá)到預(yù)定的要求.

PID調(diào)節(jié)器將給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）的偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進(jìn)行控制.其微分方程為：

式中：e（t）＝r（t）－c（t）.

將PID調(diào)節(jié)器控制規(guī)律離散化，得到數(shù)字PID的控制規(guī)律，其差分方程為：

式中：uP（n）為比例項(xiàng)，uP（n）＝KPe（n）；uI（n）為積分項(xiàng)，為微分項(xiàng)，

增量型算法和位置型算法是常用的PID算法.增量型PID算法的算式為：

位置型PID算法的算式為：

增量型算法和位置型算法的程序如圖1所示.

圖1 兩種PID算法的程序圖

1.2 功率控制原理

主變溫控器校驗(yàn)臺通過對加熱管的通斷進(jìn)行控制，改變了加熱器的平均輸出功率，從而控制了校驗(yàn)臺內(nèi)介質(zhì)吸收外部熱量的多少，實(shí)現(xiàn)了不同情況下的多種升溫速率要求.

1.3 降溫控制原理

由于設(shè)備要求達(dá)到的最低溫度為－20℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通實(shí)驗(yàn)室要求的溫度（20℃左右）.在低于這個溫度下進(jìn)行校驗(yàn)時，單純依靠加熱是不可能實(shí)現(xiàn)的，故本項(xiàng)目采用了外部強(qiáng)制制冷系統(tǒng)，假設(shè)外部的強(qiáng)制制冷量為Q1，主變溫控器校驗(yàn)臺從外部環(huán)境吸收的熱量為Q2，在實(shí)際工作中，只需Q1＞Q2，即可實(shí)現(xiàn)對主變溫控器校驗(yàn)臺內(nèi)介質(zhì)降溫，達(dá)到低于環(huán)境溫度校驗(yàn)的目的.

1.4 主變溫控器接點(diǎn)校驗(yàn)原理

將主變溫控器放入主變溫控器校驗(yàn)臺內(nèi)，并將溫控器的接點(diǎn)接入校驗(yàn)臺內(nèi).主變溫控器校驗(yàn)臺控制溫度升高或者降低.利用微控制器讀取主變溫控器接點(diǎn)狀態(tài).在主變溫控器接點(diǎn)動作瞬間，主變溫控器校驗(yàn)臺記錄下此刻的溫度，即為其接點(diǎn)動作的實(shí)際溫度，從而實(shí)現(xiàn)主變溫控器接點(diǎn)的校驗(yàn).

2 主變溫控器校驗(yàn)臺系統(tǒng)設(shè)計方案

基于以上原理，對主變溫控器校驗(yàn)臺進(jìn)行了如下設(shè)計.

2.1 制冷方式的選取

常見的降溫方法有半導(dǎo)體制冷、壓縮機(jī)制冷、風(fēng)冷等方式.本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際要求選擇了壓縮機(jī)制冷這種傳統(tǒng)制冷方式，但傳統(tǒng)壓縮機(jī)不能精準(zhǔn)控制制冷量，故采用世界上先進(jìn)的變頻控制技術(shù)精準(zhǔn)控制制冷量，從而達(dá)到預(yù)期目標(biāo).

2.2 恒溫槽設(shè)計

由于本系統(tǒng)要求恒溫槽穩(wěn)定性好、均勻性高，一般的恒溫槽根本無法滿足本項(xiàng)目的需求.本項(xiàng)目為了滿足溫度均勻性達(dá)到0.02℃的目標(biāo)，專門設(shè)計了一套高精度、高穩(wěn)定性、高均勻性的恒溫槽系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示.

圖2 恒溫槽結(jié)構(gòu)簡圖

圖2中，主槽用于放置被測主變溫控器；主加熱器為1 500W大功率加熱器；輔加熱器的功率為500W，采用PID控制其制熱量；蒸發(fā)盤管用于降溫；攪拌器用來充分混合介質(zhì)溫度；攪拌電機(jī)速度可控，負(fù)責(zé)攪拌主槽和輔助槽的介質(zhì)，保證溫度均勻；溢流孔用于溢流多余的介質(zhì).

在恒溫介質(zhì)選擇方面，由于溫度校驗(yàn)范圍預(yù)期目標(biāo)為－20～200℃，故放棄選擇一種介質(zhì)的方案，采用更換介質(zhì)的方法，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)溫度范圍內(nèi)主變溫控器的自動校驗(yàn).本系統(tǒng)根據(jù)不同的溫度范圍，自動更換介質(zhì)來完成校驗(yàn)過程，在－20～30℃采用無水乙醇作為恒溫介質(zhì)，在10～200℃采用硅油作為恒溫介質(zhì).保溫材料選用能夠在高溫和低溫范圍具有優(yōu)異的保溫性能的硅酸鋁保溫材料，使得保溫效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo).

2.3 溫度的控制及穩(wěn)定性設(shè)計

根據(jù)預(yù)期的“溫度穩(wěn)定性達(dá)到0.05℃”及“上、下行程均需校驗(yàn)”這一目標(biāo)，本項(xiàng)目將溫度控制分為上行程控制、下行程控制和中間溫度控制及穩(wěn)定三部分.

上行程控制分為1 500W功率和500W功率兩檔控制.當(dāng)要求熱量比較大時，選擇1 500W功率進(jìn)行加熱；需要的熱量比較小時，使用500W功率進(jìn)行加熱.在需要的熱量更小時，系統(tǒng)采用數(shù)字精密控制算法——PID控制法，可以將加熱功率根據(jù)需要進(jìn)行更小的細(xì)分，最小加熱功率可小于0.1W.

下行程控制的目標(biāo)是將恒溫槽的溫度勻速降低，降低到預(yù)期值后，穩(wěn)定該溫度.據(jù)此，本項(xiàng)目采用了先進(jìn)的壓縮機(jī)變頻控制技術(shù)，將制冷量進(jìn)行細(xì)分，在需要大制冷量時高頻運(yùn)轉(zhuǎn)制冷機(jī)，在需要小制冷量時低頻運(yùn)轉(zhuǎn)制冷機(jī)，這樣能達(dá)到預(yù)期的制冷量精確控制的目的.

在中間溫度控制方面，為了達(dá)到預(yù)期“溫度穩(wěn)定性在±0.05℃”且“維持溫度時間不低于10min”的目標(biāo)，采用了制冷制熱共存的方案.由于目前壓縮機(jī)變頻技術(shù)的限制，本設(shè)計將恒溫槽的制冷量恒定，采用PID控制加熱量的方法，動態(tài)調(diào)整恒溫槽的溫度.當(dāng)恒溫槽要求溫度高于室溫時，采用PID控制加熱量的方法，逐步補(bǔ)充恒溫槽損失的熱量，將恒溫槽的溫度穩(wěn)定在預(yù)期的范圍內(nèi).

2.4 電器系統(tǒng)設(shè)計

電器系統(tǒng)設(shè)計包括加熱系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計、制冷系統(tǒng)設(shè)計、攪拌電機(jī)控制設(shè)計及溫度傳感器PT100的測量電路的設(shè)計等.其中對加熱系統(tǒng)驅(qū)動電路的設(shè)計采用了光電隔離電路對固態(tài)繼電器進(jìn)行驅(qū)動，既保證了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，又避免了電磁干擾.制冷系統(tǒng)裝配了進(jìn)口大功率專用變頻壓縮機(jī)，采用最新的熱氣旁通技術(shù)和變頻控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)最低溫度－20℃.攪拌電機(jī)采用高扭矩的步進(jìn)電機(jī)，通過調(diào)整驅(qū)動頻率控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制攪拌速度的目的.圖3所示為校驗(yàn)臺系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)框圖.

圖3 校驗(yàn)臺系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)框圖

2.5 系統(tǒng)外觀及主要技術(shù)指標(biāo)

本設(shè)計完成的主變溫控器校驗(yàn)臺外觀如圖4所示，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示.

圖4 主變溫控器校驗(yàn)臺外觀

表1 校驗(yàn)臺主要技術(shù)指標(biāo)

3 試 驗(yàn)

利用上述設(shè)計方案，我們在進(jìn)行了樣機(jī)安裝試驗(yàn)后，對主變溫控器進(jìn)行了校驗(yàn)，并采用二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計進(jìn)行了溫度穩(wěn)定性試驗(yàn)和分析.圖5所示為80℃時的恒溫測試曲線圖，其中Pt1是實(shí)際的控制曲線，Temp是未修正的溫度傳感器.從圖5可以看出，溫度穩(wěn)定度達(dá)到了預(yù)期目標(biāo).

圖5 20min內(nèi)實(shí)時控制恒溫槽溫度測試曲線圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的主變溫控器校驗(yàn)臺通過置換介質(zhì)的方式解決了寬溫度范圍的溫度控制問題，可在一個槽體內(nèi)完成對溫控器校驗(yàn)；采用模糊PID控制和專業(yè)變頻控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了溫度的穩(wěn)定，為準(zhǔn)確校驗(yàn)主變溫控器提供了恒定的溫度源；通過獨(dú)特的加熱和制冷技術(shù)，解決了環(huán)境溫度（20℃）附近溫度不易穩(wěn)定、穩(wěn)定時間較長、穩(wěn)定后可能偏差較大的問題，消除了目前電力系統(tǒng)在主變溫控器校驗(yàn)方面存在的校驗(yàn)設(shè)備落后、校驗(yàn)過程不規(guī)范的缺陷.

本主變溫控器校驗(yàn)臺試運(yùn)行效果良好，具有一定的推廣價值.

［1］ 張愛萍，吳建江，亓長軍，等.干式變壓器溫控儀的研制［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2001，34（1）：86－89.

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［3］ 郝鍇，蔣兆榮.變壓器溫控器接點(diǎn)誤差校驗(yàn)的相關(guān)問題探討［J］.四川電力技術(shù)，2008，31（6）：61－67.

［4］ 羅驥，徐豐民.電力變壓器繞組溫控器檢定方法的探討［J］.四川電力技術(shù)，2008，31（6）：63－65.

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Study and Implementation of Transformers Thermostat Check Station

YANG Zhong－li，CHEN Fei，YANG Zhong－kui
（Xinxiang Electric Power Supply Corporation，Henan Electric Power Corporatio，Xinxiang 453002，China）

Thermometers for transformers designed by this paper is an effective solution to the calibration problem at present，it can control the temperature of thermostat bath automatically through micro processor control，PID control technology and inverter technology，and then achieved the goal of the automatic calibration.

temperature controller；check；PID control；thermostat

TP273

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2011.05.016

1671－6906（2011）05－0061－04

2011－09－02

楊忠禮（1973－），男（回族），河南輝縣人，高級工程師，碩士.