油浸式變壓器油溫開關現場檢測裝置的設計

岳 良，張 彪

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

在輸變電線路中，通過油浸式變壓器實現不同電壓等級的變換。油浸式變壓器在工作過程中，繞組會因為通過大電流而產生大量的熱量，這些熱量需由冷卻油作為介質散發至大氣中，以保證油浸式變壓器工作正常。而油浸式變壓器的油溫開關的作用就是在油浸式變壓器冷卻油溫度超過設定值時，發出信號啟動散熱風扇促進冷卻油與大氣的熱量交換，以實現對油浸式變壓器的冷卻。油溫開關一般附著在油溫表上，油溫表的指針在上行程撥動油溫開關時，油溫開關閉合；油溫表的指針在下行程撥動油溫開關時，油溫開關斷開。通過滑動油溫開關在油溫表上的位置，可以設定油溫開關的動作值。

油溫開關的動作值需要定期檢測是否與設定一致，以確保散熱風扇能可靠啟動。目前的現場檢測主要依靠人工，將被檢測的油溫開關所在的油溫表的感溫元件放入試驗油槽中，緩慢加熱試驗油槽，當檢測到油溫開關閉合時，查看試驗油槽的當前溫度，即為油溫開關的動作值。顯然，檢測到油溫開關閉合和查看試驗油槽的當前溫度之間存在時間延遲，因此人工檢測存在誤差。并且，當需要檢測的油溫開關數量較多時，此種方式勞動強度大，效率不高。如果能設計一套檢測裝置代替人工操作，不僅可以提高檢測準確度，還可以提高效率。

1 檢測裝置需求分析

（1）能處理Pt100熱電阻信號

油溫表感溫元件內一般都裝有兩路Pt100熱電阻信號（一用一備）。當把感溫元件插入試驗油槽時，檢測裝置需要通過其中任一路Pt100熱電阻讀取感溫元件所處的溫度。Pt100熱電阻是一種廣泛使用的低溫測溫元件，具有較高的線性度。它能夠將溫度以電阻的形式輸出，讀取電阻值就可以換算出溫度。根據油溫表的量程，檢測裝置必須能夠處理-20～160℃范圍內的Pt100熱電阻信號。

（2）能處理兩路開關狀態信號

油溫表的表盤上一般設置有多個微動開關，但實際使用的只有兩個，一個作為報警輸出，一個啟動散熱風扇。需要檢測的是這兩個使用中的開關，因此檢測裝置必須能夠處理兩路開關狀態信號。

（3）能顯示兩個開關的動作值

在完成兩個開關的檢測后，檢測裝置必須將兩個開關的動作值鎖定并在顯示屏上顯示出來。

2 檢測裝置的設計

根據需求，完成如圖1所示的檢測裝置的設計，裝置接收一路Pt100熱電阻信號和兩路開關信號，微處理器對這些信號進行計算判斷后，將結果輸出到顯示單元。

圖1 檢測裝置功能示意圖Fig.1 Function diagram of the detection device

2.1 Pt100熱電阻信號處理

使用如圖2所示的電路處理Pt100熱電阻信號,其中R1、R2、R3和Pt100構成電橋，電橋的輸出為

式中:電橋電壓VAREF取自微處理器內部產生的穩定的2.56 V參考電壓,R1=R2=2 kΩ,R3為精密可調電阻，將其阻值調整至92.16 Ω并固定,當Pt100熱電阻所處溫度為-20℃時，電阻為92.16 Ω，電橋輸出為0 mV，當Pt100熱電阻所處溫度為160℃時，電阻為161.05 Ω，電橋輸出為78.013 mV。

電橋的輸出通過放大器LM324進行放大，放大后的電壓為Vout，由放大器的特性可以得出

當選取 R6=R7=50 kΩ，R4=R5=1 kΩ時，可以計算出Vout=50×（V+-V-），由此可見，該放大電路的放大倍數為50，因此，當Pt100測量范圍為-20～160℃時，電橋的輸出為0～78.013 mV，Pt100熱電阻信號調理電路的輸出為0～3.900 V。放大后的電壓信號經過A/D轉換后便可以換算出對應的溫度值。

當Pt100斷線時，Pt100熱電阻信號調理電路的輸出為5 V，超出Pt100熱電阻信號調理電路0～3.900 V的輸出范圍。因此在測量范圍-20～160℃內，當微處理器A/D端口電壓過高時，可以判斷為當Pt100斷線，并在顯示器上顯示出來。

2.2 微處理器

Atmel公司的ATmega16是高性能、低功耗的8位可編程微處理器，它的大多數指令執行時間為單個時鐘周期，工作于16 MHz時性能高達16 MIPS。ATmega16集成了8路10位精度的單端A/D通道，轉換時間為 65～260 μs，當 Pt100測量范圍為-20～160℃時，10位精度理論上可以達到的最小分辨率為0.18℃。同時，ATmega16帶有2.56 V內部參考電壓輸出，可作為電橋穩定的電壓源，ATmega16還帶有兩路低電平觸發的外部中斷接口，可以以中斷的方式快速處理油溫開關動作信號，因此，ATmega16能很好滿足該監測裝置的要求。

2.3 顯示輸出

圖2 Pt100熱電阻信號調理電路Fig.2 Pt100 signal processing unit

該裝置需要顯示油溫表的實時溫度，油溫開關1和油溫開關2動作時的溫度值，油溫開關1和油溫開關2是否動作等信號。LCD1602可以顯示兩行每行16個字符的信息，可以作為該裝置的顯示輸出設備。

3 微處理器程序編制

按設計圖制作好電路板，焊接完所有元件后，需要編制微處理器的控制程序。與檢測裝置的需求分析相對應，控制程序主要分為三個部分：溫度信號處理，開關狀態處理和檢測結果顯示輸出。

3.1 溫度信號處理

對Pt100熱電阻信號調理電路的輸出電壓進行A/D轉換，并通過查表法換算出對應的溫度，具體程序如下：

如果A/D轉換結果高于正常設計值，判斷為Pt100斷線，在顯示屏上顯示斷線標志“X”。

3.2 開關狀態處理

為了能快速處理油溫開關1和2的動作信號，采用了“中斷”處理方法。微處理器對“中斷”的響應優先級最高。當檢測到油溫開關1閉合時，AT-mega16暫停其他任務，執行“中斷”服務程序：將當前的溫度值鎖定并在顯示器LCD1602上顯示出來，作為油溫開關1的動作值，同時顯示鎖定標志“L”（Lock），表明油溫開關1動作值檢測完成；當檢測到油溫開關2閉合時，ATmega16暫停其他任務，執行“中斷”服務程序：將當前的溫度值鎖定并在顯示器LCD1602上顯示出來，作為油溫開關2的動作值，同時顯示鎖定標志“L”，表明油溫開關2動作值檢測完成。具體程序如下：

3.3 檢測結果顯示輸出

LCD1602顯示輸出分兩步--確定光標的位置和在確定的位置上輸出字符，具體程序如下：

4 裝置樣品及裝置的標定

最終的樣品如圖3所示，油溫開關檢測的結果由顯示器LCD1602顯示出來。LCD1602分別顯示油溫表實時溫度、傳感器斷線及油溫開關1和2是否完成檢測標志、油溫開關1的動作值和油溫開關2的動作值。

圖1所示的不平衡電橋中，電阻R1和R2的阻值均要求為精確的2 kΩ，但實際阻值會有偏差，若R1＞R2，當Pt100熱電阻所處溫度為-20℃時，電橋輸出為負電壓，放大電路無法處理；若R1＜R2，當Pt100熱電阻所處溫度為-20℃時，電橋輸出為正電壓，造成零點偏移，因此需要對檢測結果進行修正。同時，借助更高精度的標準試驗油槽，對檢測裝置進行標定。將檢測裝置進行修正和標定后，可以獲得較高的精度，能實現小于0.5℃的誤差。

圖3 檢測裝置樣品圖Fig.3 Sample picture of the detection device

5 結語

2017年4月，在荊門特高壓變電站變壓器測溫儀表檢測中，對該檢測裝置進行了試用，結果表明，該裝置體積小攜帶方便，與標準器偏差小于0.5℃，檢測過程中無需人工干預，可滿足對油溫開關現場檢測的要求。