高精度干式溫度計量爐關(guān)鍵問題研究

楊智麟 王春立

東營市計量測試檢定所 山東東營 257000

干式變壓器溫度傳統(tǒng)監(jiān)測方法是采用熱電阻測量溫度值。但110KV 干式變壓器電壓等級高，高壓側(cè)感應(yīng)電動勢可能干擾熱電阻測量回路的準確性，所以采用熱電阻監(jiān)測溫度不適用于110KV干式變壓器[1]。本文采用TS-18B20B 數(shù)字溫度傳感器監(jiān)測干式變壓器溫度，TS-18B20B 數(shù)字溫度傳感器由DS18B20 封裝而成，可以避免高壓側(cè)感應(yīng)電動勢的干擾。無線監(jiān)測單元將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控平臺，通過在線分析處理后實現(xiàn)干式變壓器溫度監(jiān)測及超溫報警功能，提前預防干式變壓器溫度升高引起絕緣老化和變壓器爆炸等問題。

1 干式變壓器用智能溫度控制器系統(tǒng)設(shè)計

本文研究的多功能智能溫度控制器，采用單片機技術(shù)，通過預埋在變壓器繞組測溫孔中的溫度傳感器來測量三相繞組的實時溫度，通過單片機處理后實時巡回數(shù)字顯示，并與一系列設(shè)定溫度進行比較，提供繞組超溫跳閘、繞組超溫報警以及傳感器故障顯示報警并輸出功能，還可以根據(jù)設(shè)定溫度點啟動冷卻風機，有效地提高干式變壓器運行的安全性、可靠性及使用壽命。控制器采用ATMEGA32 單片機作為處理器，自帶A/D、SPI 結(jié)構(gòu)電路等，使得總體電路設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計大大簡化，這樣就極大提高了設(shè)備的運行可靠性；10K 負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）作為溫度傳感器。

2 高精度溫度控制硬件電路設(shè)計

2.1 高精度溫度控制電路分析

在早期的干式爐中，系統(tǒng)普遍使用人工調(diào)節(jié)的方法來對爐內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過程中非常依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗，控制精度不高，耗費人力和時間，工作效率低下。如今隨著現(xiàn)代科技的突飛猛進，自動控制理論及其應(yīng)用己經(jīng)發(fā)展到了較高的水平，而且隨著集成電路的發(fā)展都為自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了軟硬件的環(huán)境。現(xiàn)如今溫度計量爐中大量使用溫度自控系統(tǒng)技術(shù)與集成電路技術(shù)。在溫度控制的過程中，溫度控制算、恒溫插塊的隔熱性能、系統(tǒng)的硬件設(shè)計、散熱裝置以及外部的環(huán)境都會對溫度控制結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。溫度計量爐是一種快速現(xiàn)場溫度校準的裝置，因此需要能夠快速的進行溫度調(diào)節(jié)人機交互裝置可以方便操作者快速設(shè)定目標溫度，并將被控恒溫插塊的溫度實時顯示給用戶，使溫度計量爐的整個操作都處于監(jiān)測下，安全可靠。溫度控制算法是整個系統(tǒng)的核心部分，控制算法的優(yōu)劣程度決定了整個控制系統(tǒng)溫度控制性能的優(yōu)劣程度。傳統(tǒng)溫度控制算法采用單閉環(huán)PID 控制方式，僅把被控恒溫插塊的溫度作為被控參數(shù)。被控溫度通過溫度傳感器傳遞給控制器，在控制器中將該溫度值與設(shè)定值相比較得到偏差量，將偏差量通過PID 控制算法進行運算，得到控制增量，控制驅(qū)動電路控制TEC進行工作，穩(wěn)定被控溫度在設(shè)定值。該控制方案可以達到一定的控制效果，但是被控對象溫度易受各自也因素干擾，因此僅通過單閉環(huán)溫度控制算法無法實現(xiàn)高精度的溫度控制。因此，本文對傳統(tǒng)溫度閉環(huán)算法進行了改進，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了前饋一反饋復合控制算法，可實現(xiàn)高精度的溫度控制[2]。

2.2 邊界條件設(shè)置

變壓器室空氣出風口及進風口施加軸流風機平均風速，變壓器室進口施加平均壓強為1 個大氣壓的保守設(shè)置，依據(jù)外側(cè)散熱器性能參數(shù)，輸出冷空氣溫度作為變壓器室入口空氣溫度。紅色箭頭是賦予的對稱面屬性，黑色箭頭是代表空氣進出方向。借助有限元軟件，進行有限元方程求解。

2.3 干式變壓器用智能溫度控制器軟件主程序設(shè)計

系統(tǒng)程序設(shè)計采用自上而下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法，把程序分解成一個個功能模塊，每個功能模塊相互獨立，每個模塊都能完成一個明確的任務(wù)，實現(xiàn)某個具體的功能。根據(jù)設(shè)計要求，程序分為初始化、按鍵判斷、溫度采集、各相溫度計算、超溫判斷、顯示等模塊。此主程序可以實現(xiàn)干式變壓器三相繞組的實時測溫，并通過與設(shè)定溫度的比較，當實時值超過設(shè)定值時，完成風機自動啟動、超溫告警、超溫跳閘等功能，并輪流顯示三相（A、B、C）繞組的實時溫度。

3 高精度干式計量爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計方案驗證與分析

根據(jù)國標ITS-90 和歐洲計量組織定制的干式計量爐標定指南EA-10/13 規(guī)定的干式計量爐的性能指標，來分析本高精度干式計量爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計方案是否達到了設(shè)計目標。EA-10/13 主要提供出六項技術(shù)參數(shù)：控溫范圍、準確度、穩(wěn)定度、遲滯、負載影響和軸向均勻性。（1）系統(tǒng)控溫范圍、準確度：系統(tǒng)為了克服TEC 在工作中其自身電氣特性隨溫差變化的特點，提高系統(tǒng)溫度控制精度。在傳統(tǒng)單控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，將TEC 控制電流也作為新的控制參數(shù)納入了控制環(huán)節(jié)，并基于此建立了溫度一電流雙閉環(huán)控制模型。從上述系統(tǒng)溫度控制范圍與控制精度實驗可以看出，系統(tǒng)的控溫范圍在-30^至130℃之間，控溫準確度在士0．0020C，達到了預期的設(shè)計目標，系統(tǒng)建立的溫度一電流雙閉環(huán)控制模型發(fā)揮了預期的效果。（2）系統(tǒng)控溫穩(wěn)定度：EA10/13 將計量爐的控溫穩(wěn)定度定義為“被控對象溫度在30 分鐘的內(nèi)的溫度變化”。為了對系統(tǒng)的控溫穩(wěn)定度進行測試，本文進行了控溫穩(wěn)定度實驗，實驗在系統(tǒng)溫度控制范圍內(nèi)，每隔20℃設(shè)置一個溫度控制節(jié)點，帶系統(tǒng)控溫穩(wěn)定后每隔30s 采集一次被控溫度值。（3）系統(tǒng)遲滯、負載影響：本文為了克服溫度控制和反饋控制固有的滯后特性，針對被控恒溫插塊易受外界環(huán)境變化和負載改變影響的問題，又在溫度一電流雙閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，引入了前饋補償控制環(huán)節(jié)，對干擾熱源提前進行檢測，然后對其進行預估補償[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，干式變壓器溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括檢測單元、信號接收單元、上位機等硬件設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度在線實時監(jiān)測功能，同時顯示多組溫度信號，在干式變壓器復雜的工作環(huán)境下抗干擾能力強。