油浸式變壓器單氫健康監測系統設計

謝貴久，劉又清，曹勇全，王 棟，龔杰洪，季惠明

(1.中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111；2.薄膜傳感技術湖南省國防科技重點實驗室，湖南 長沙 410111；3.天津大學，天津 300072)

電力作為一種涉及國計民生的重要資源，對于社會的正常生產及民眾的日常生活都具有極為重要的意義。隨著當前電力系統向著高電壓、大機組、大容量的發展，其穩定性要求也越來越高。作為電力系統中最重要的設備，電力變壓器的運行狀態直接決定了整個電力系統的安全、穩定運行，因此對變壓器的運行參數進行在線監測研究具有重要意義。隨著變壓器故障診斷技術的發展，油中氣體分析法（DGA）已成為變壓器故障診斷最主要的技術，近年來，由于傳感器、通信網絡、計算機等技術的發展，在線油色譜技術已得到成熟應用，大大提高了變壓器故障預判的能力，確保電力系統的穩定運行。但是由于在線油色譜系統復雜、價格昂貴、體積龐大，限制了其在中小型變壓器中的應用[1]。

變壓器的常見故障主要有油過熱、紙過熱、油紙絕緣中局部放電、油中火花放電、油中電弧、油和紙中電弧等，無論哪種故障都會產生一定量的氫氣并溶解在油中[2]。本文研制的油浸式變壓器單氫氣健康監測系統可以精確檢測油浸式變壓器油中氫氣濃度值，以此來判斷變壓器的健康狀況，滿足變壓器在線監測的要求[3]。相對于傳統的在線油色譜技術，本系統具有體積小、成本低、穩定性好、無需定期維護等優點。

1 系統總體方案及軟硬件框圖設計

氫氣傳感器實時采集變壓器油中溶解氫氣的濃度信號，該信號經過AD轉換變成數字量傳輸給微處理器，微處理器負責對其進行相關算法處理得到相應的氫氣濃度信號，具體算法包括標定、線性化、溫度補償等，處理后的數據一路經過Zigbee無線網絡發送給協調器，另一路轉化為4～20 mA模擬量輸出。同時，為了實現氫氣傳感器最佳性能以及消除溫度變化對氫氣傳感器的影響，本系統處理電路還要實現對傳感器芯體的恒溫控制。Zigbee協調器將接收到的氫氣濃度信號以及Zigbee網絡中其它傳感器的相關信號通過Zigbee轉GPRS網關以GPRS無線網絡的形式發送給遠端網絡服務器并進行存儲，用戶通過Internet網絡即可隨時隨地讀取網絡服務器的數據[4]，以該數據為依據，可以對變壓器的健康狀況進行實時分析，進而實現變壓器健康狀態的實時監測。系統總體框圖如圖1所示，主要包括氫氣傳感器、處理電路、數據傳輸三部分。

系統程序流程圖如圖2所示，其主要完成功能包括初始化、傳感器芯體恒溫控制、氫氣濃度信號的處理以及Zigbee無線數據的發送[4]。

圖1 系統總框圖

圖2 系統程序流程圖

2 硬件電路設計

2.1 電源電路

本系統采用工業標準24 V外部電源供電，系統內部需要電源電壓主要有8 V、5 V及電橋激勵精密低溫漂基準電壓3.3 V和1.65 V，具體電路如圖3所示。

2.2 微處理器及外圍電路

根據氫氣傳感器需要恒溫控制的特點，處理電路采用高速、高精度的數字電路，因此對微處理器的要求較高，本系統微處理器采用TI的MSP430，其具有功耗低、處理能力強、高性能的模擬技術以及豐富的片上外圍模塊、系統工作穩定、方便高效的開發環境等優點，完全滿足系統速度和精度方面的要求。微處理器電路主要實現處理器最小系統、AD采集、DA轉換功能、串口通信和PWM輸出等功能[5]。具體電路圖如圖4所示。

2.3 氫敏信號、溫度信號檢測處理電路

傳感器氫氣濃度原始信號是電阻的變化[6]，本系統采用電橋電路將電阻變化信號轉換為差分電壓變化信號，電橋輸出電壓信號經過低通濾波電路的濾波后作為儀表運放的輸入，儀表運放采用TI公司的高精度儀表運放INA333，放大倍數由兩個RG引腳之間電阻確定，儀表運放的輸出經過

圖3 系統的電源電路圖

圖4 主處理器及外圍電路圖

濾波之后直接供給STM32的內部ADC進行AD轉換。溫度信號檢測電路的設計同氫敏信號處理電路保持一致，采用電橋調零輸出，儀表運放電壓輸出范圍0～3.3 V。不同處為后級積分環節需要正負電壓信號，采用虛地概念，儀表運放REF管腳連接1.65 V電壓作為參考虛地，以滿足積分環節的要求，具體電路如圖5所示。

圖5 氫氣敏感信號和溫度信號的檢測處理電路

2.4 4～20 mA輸出電路

4～20 mA標準電流輸出采用集成芯片AD694，該芯片是一款單片電壓-電流轉換器，它將輸入電壓信號轉換成標準的4～20 mA電流信號，廣泛應用于壓力、溫度等傳感器，其具有輸入緩沖放大器、電壓/電流轉換電路、4 mA電流偏置及其選通和微調電路，功能較強，使用時只需要很少的外部元件，非線性度可達到0.002%。本系統將微處理器MSP430輸出的氫氣濃度信號經過DA轉換輸出給AD694，AD694及外圍電路將DA輸出信號轉換成對應氫氣濃度信號的電流信號，具體電路如圖6所示。

圖6 輸出電路圖

2.5 數據傳輸系統設計

本系統采用無線數據傳輸方式，避免了在變電站中增加額外的信號電纜，不僅降低了安裝成本而且增加了系統可靠性，無線傳輸主要包括Zigbee無線網絡和GPRS無線網絡，Zigbee網絡采用鼎泰克公司成熟Zigbee透明傳輸模塊DRF1605H進行組網，其傳輸距離可達1 600 m，滿足變電站內部控制室和變壓器之間距離要求，Zigbee模塊和微處理器通過串口通信并實時將氫氣濃度信號以Zigbee無線協議形式發送出去，模塊及外圍電路如圖7所示。

Zigbee轉GPRS網關實現Zigbee網絡數據到GPRS網絡數據的收發功能，它采用了透明傳輸方式，并集合了ZigBee易組網、低功耗、低速率的優勢與GPRS的資源利用率高、實時在線、按量計費、無距離限制等優點于一身，在本系統中，它通過Zigbee網絡信號實時接收氫氣濃度信號，同時，將接收到的氫氣濃度信號以GPRS網絡的形式發送給遠端的網絡服務器，網絡服務器最終通過Internet和客戶端連接，客戶即可以在任何有Internet的地方實時監測變壓器的健康狀況。

圖7 Zigbee模塊及外圍電路

3 實驗結果

為了驗證系統對不同氫氣濃度變壓器油的響應特性，實驗配備了6種不同氫氣濃度的變壓器油，將系統探頭插入油中，穩定1 h后各濃度點輸出如表1所示，結果顯示變壓器油中氫氣檢測系統對變壓器油中氫氣檢測精度滿足：單點誤差≤20%或者20×10-6（取兩者中較大值），其精度滿足變壓器健康監測的要求。

表1 系統對不同氫氣濃度變壓器油的響應特性

此外，還對系統進行了長期穩定性測試，將氫氣傳感器長期放置在固定氫氣濃度為150.92×10-6的變壓器油中監測系統的輸出，監測時間為20 d，結果如圖8所示，系統顯示濃度值為138×10-6左右，輸出穩定，波動小于5×10-6，不存在單向漂移問題，結果表明系統長期穩定性好。

圖8 系統長期穩定性測試數據

4 結 論

通過實驗證明，本文所研制的油浸式變壓器單氫健康監測系統穩定性高、精度滿足變壓器健康監測的需求，相比傳統在線油色譜，具有結構簡單、成本低、可靠性高的特點，同時，采用無線傳輸方式，可以方便快捷的實時獲取相關數據，特別適用于智能電網的健康監測，可以在電力系統中大量推廣應用。

[1] 謝貴久，劉利民，何迎輝，等.微型薄膜集成氫氣敏感器件的研制[J].微處理機，2011，32(2)：17-19.

[2] 肖友文，景濤，謝貴久，等.薄膜型鈀-鉻合金氫氣傳感器技術研究[J].儀表技術與傳感器，2012，48(11)：7-9.

[3] 許金紅.智能變壓器在線監測及診斷技術的應用研究[D].北京：華北電力大學，2014.

[4] 楊廷方.變壓器在線監測與故障診斷新技術的研究[D].湖北：華中科技大學，2008.

[5] 祝孝玲.基于GPRS的變壓器故障診斷系統的研究[D].山東：山東大學，2011.