變電站和廠用變壓器在線狀態監測系統設計應用*

姚君峰

(山西焦煤霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司，山西 呂梁 033000)

0 引 言

煤礦變壓器在持續施加短路沖擊負荷的情況下，其運行狀況更為惡劣。這就帶來了“累積效應”，會產生各種變壓器故障，包括發熱故障和放電故障，這些故障會使絕緣油和絕緣紙破裂，有害的碳氫化合物氣體和水也是在這個過程中產生的。煤礦變壓器絕緣系統進行在線監測可以判斷其運行狀態，目前變壓器檢測系統準確度較低、在線檢測能力不足，經常出現誤檢、漏檢現象。

筆者提出一種新型的變壓器絕緣在線監測系統。采用8條輸入通道的數據采集模塊、16位模數轉換器、精密的外圍電路、為外圍I/O設備增設地址解碼器和接口芯片，設計靈活，運行無外部干擾，可以安全傳輸數據。與其它電路相比，模數轉換器采集的數據具有精度高的特點。由于該電路結合適當的系統軟件組件，可以對變壓器油中的單故障氣體、多故障氣體和水分進行監測[1]。油中水分和溶解氣體的濃度范圍僅為幾微升到幾百微升，為準確檢測低范圍的水分和溶解氣體，電路中采用16位模數轉換器。利用該變換器，輸出數字數據非線性度可降至0.003%，16位輸出數字數據之間無誤碼。該系統可以及時預測和發現變壓器故障，對供電線路的穩定運行具有重要意義。

1 系統方案設計

當變壓器內部發生熱故障、放電故障或絕緣受潮時，隨著絕緣材料的老化變質，會產生H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2等氣體。由于這些氣體的出現伴隨著變壓器各種故障的發生，監測氣體濃度對判斷變壓器的運行狀態非常有用。另外，變壓器在制造過程中會殘留少量水分，絕緣材料老化會產生水分。這些殘余水會降低初始放電電壓和介電強度，從而威脅設備的運行或導致可怕的擊穿事故。因此，對變壓器中的水進行監測是非常重要的[2]。

圖1所示為變壓器絕緣在線監測系統的結構設計方案。該系統包括油氣分離單元、氣體分離檢測單元、水檢測單元、數據采集單元、主電路板單元以及電路與計算機之間的通信單元。

圖1 變壓器絕緣在線監測系統結構

絕緣油通過放油閥進入油氣分離裝置，在油氣分離裝置中，通過聚酰亞胺制成的滲透膜溶解漏油中的氣體，然后進入一個與兩個六通閥相連的氣體室。當這兩個六通閥轉動時，可以獲得恒定量的氣體。當兩種氣體在色譜柱中被分離時，它們又被轉換成溶解狀態。兩個色譜柱獨立連接兩個氣敏元件，一個氣體傳感器用于檢測H2、CO和CO2，另一個氣體傳感器用于檢測CH4、C2H6、C2H4和C2H2。另外，在油氣分離裝置中嵌入水傳感器可以簡單地檢測出油中的水分。模數轉換器將所有傳感器的模擬輸出信號轉換為數字信號。采用單片機控制的針閥和主控閥采用單片機控制[3]。

2 主控電路設計

2.1 數據采集單元的設計

目前，變壓器在線監測系統按測試對象分為單氣體在線監測系統、聚合烴在線監測系統和多種氣體在線監測系統。為了保證該主控電路能夠嵌入不同的在線監測系統中，數據采集電路設計了8條輸入通道，分別適用于單氣體檢測、多氣體檢測和水檢測[4]。用in0到in6的七條路徑檢測溶解斷層氣的濃度，in7用于檢測油中的水，路徑切換由鎖存器(74HC574)和模擬開關(CC4051)執行。數據采集系統如圖2所示。

圖2 數據采集電路框圖

由于氣體和水的濃度變化緩慢，對模數轉換器的采樣周期和逆變速度沒有特殊要求，AD7705是最合適的轉換器之一，它是一個16位模數轉換器，主要由可編程數字濾波器、調制解調器以及前端模擬調節電路組成。該芯片具有自檢能力、抗干擾能力強、分辨率高、工作電壓低、功耗低、動態范圍寬等特點，可直接將傳感器的微小模擬信號轉換為數字信號[5]。該裝置的數據非線性度誤差范圍精確在0.003%之內，可生成16位無誤碼數字數據。運行中可提高編程輸出數據的轉換率和增益，使0～20 mV和0～2.5 V等不同性質的信號源可以預先得到一定的處理，然后轉換成數字信號。

2.2 外圍電路設計

變壓器在線監測系統的主控制電路由CPU單元、外圍接口單元、依賴單元輸出、電磁閥動作信息單元輸入、鍵盤和液晶顯示單元輸入、串行通信單元組成。當數據采集后，在CPU的控制下啟用電磁閥，然后氣體傳感器或水傳感器輸出模擬信號。同時，模擬開關的入口或與水傳感器相關的入口通道由CPU選擇。傳感器輸出的模擬信號經調理電路適當調整后，由模數轉換器采集。從傳感器輸出的模擬信號轉換而來的數字數據必須經過濾波和計算，最后存儲在EEPROM中。當計算機需要處理來自傳感器的數據時，可以通過RS232或RS485串行通信線將數字數據從主控制電路傳輸到計算機[6]。

鍵盤用于設置系統參數和查詢歷史數字信息。例如，可以通過鍵盤設置報警方式、閾值、采集時間、著陸權限和通信方式。同時可以查詢氣體的濃度和濃度的歷史。此外，還可以通過鍵盤進行硬件自檢和手動采集。液晶顯示裝置用于顯示與鍵盤操作相對應的所有信息。當主控制電路與計算機連接時，鍵盤的功能可由計算機中的系統分析軟件代替。

2.3 基于CPLD的輸入輸出接口設計

在傳統的單片機系統中，在增加外圍I/O設備時，需要使用地址解碼器和接口芯片。在該主控制電路中，CPU的外圍I/O單元包括LCD單元、鍵盤單元、串行通信單元、電磁閥控制單元、電磁閥動作信息輸入單元等，如果采用常規方法，主控制電路板復雜，容易受到外界干擾信號的干擾。為了避免這種缺點，所有的外圍I/O器件都集成在CPLD中。該方案在抗干擾、簡化電路板的基礎上，保證了電路設計的安全性，保護了系統的產權[7]。

3 系統實現測試及數據分析

將該主控電路系統和計算機上安裝的分析軟件嵌入變壓器絕緣在線監測系統中，可實時監測溶解氣體中H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO和CO2的濃度。表1的數據來自實驗室系統運行試驗。按照以下流程進行測試。首先在銅容器中分配10 L普通油的絕緣油。然后將集裝箱出油口與在線監測系統的油氣分離器相結合。最后一個過程是每24 h和48 h檢測一次氣體。

表1 實驗室系統運行試驗數據 /(mg/m3)

第一排氣體的濃度用油相色譜分析儀(AD900)測定。利用在線監測系統對24 h油氣分離過程中的第二排氣體濃度進行了測試。第三排是在48 h的油氣分離中。實驗室測試表明，從絕緣油中分離出的氣體濃度基本保持不變。與色譜分析儀(AD900)相比，該在線監測系統具有較高的準確度。其相對誤差的上限為5%。

4 結 語

此次變壓器絕緣在線監測系統電路設計，采用16位模數轉換器，外圍器件以單片機和復雜可編程邏輯器件CPLD為核心。在主控電路與計算機的串行通信中，還增加了CRC校驗碼。通過軟件模擬實驗得出該電路具有優良性能：所有外圍I/O器件都集成在CPLD中，這種設計方法可以提高電路板的密度，減少電磁閥引起的干擾信號。采用16位CRC碼可以保證主控電路與計算機串行通信的安全性；高精度模數轉換器使色譜分析儀與牽引變壓器絕緣在線監測系統的相對誤差小于5%；該采集電路和主控電路設計靈活，結合適當的分析軟件，可對絕緣油中的單一氣體、多種氣體和水的濃度進行監測。此系統可以準確在線檢測變壓器受沖擊負荷產生的水和有害氣體濃度，及時預測和發現變壓器故障，對供電線路的穩定運行具有重要意義。