外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器設計與實現

宋長勇

（云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 650000）

0 引 言

傳統以PT100作為測溫傳感器，而在JB/T 7631—2016《變壓器用電子溫控器》中規定其測量范圍只能局限在1 000 V以下。該傳感器的材質為金屬，這樣就會在實際應用中存在一定的安全隱患，因此測量傳感器及溫控器急需采用新技術。

近年來，國內關于變壓器溫控器研究已取得較多成就。文獻[1]介紹了變壓器溫控器的功能，變壓器油面和繞組溫度的測量方法，然后分別介紹了BWY-804J（TH）型壓力式變壓器油面溫控器和基于熱模擬技術的BWR-04J（TH）型繞組溫控器的結構、原理以及校驗方法，并重點描述了繞組溫控器熱模擬裝置的整定過程。文獻[2]總結歸納了主變溫控器溫度變送器現場運行中出現的各種異常問題，并進行了詳細分析,，從而提出了現場解決方案，同時對溫度變送器提出了改進方案，驗證了分析和改進方案的正確性，對提高主變壓器運維水平和延長主變壓器的使用壽命有著重要的意義。文獻[3]分析了升溫速率、恒溫設備熱容量以及浸沒深度3個因素對變壓器用油面溫控器接點動作誤差檢測結果的影響因素。文獻[4]針對變壓器繞組溫控器在檢測試驗中發現的問題，通過實驗室檢測試驗，分析繞組溫控器在實驗室檢測與現場安裝測量結果偏差較大的原因，提出改進建議。文獻[5]針對某1 000 MW變壓器繞組溫度顯示異常缺陷，根據現場實測數據進行分析，得到溫度異常的原因，并總結處理方法。而文獻[6]則針對張河灣公司3號機組在勵磁變壓器溫度控制器發生異常溫升和跳變導致機組跳機的現象，分析了勵磁變溫控器存在的問題、改進方案以及運行效果等。

以上研究基本聚焦于溫控器特定場景應用開展分析，少部分情況下是針對產品進行詳細改進研究。為此，本文以此為出發點在光纖溫度傳感器測溫特性的基礎上進行了集成設計，開發出新型外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器，并對系統功能開展測試，證明了本文所設計的溫控器功能完善、可靠。

1 溫度傳感器原理及特點

1.1 測溫原理

光纖溫度傳感器使用熒光測溫技術，基本的原理是封裝在石英玻璃光纖端面的感溫物質物性的變化僅受溫度影響。

感溫物質是經過高溫多次燒結的特定稀土物質，其在受到特定波長激發后，電子吸收光子從低能級躍遷到激發態高能級，從高能級返回到低能級的輻射躍遷中發射熒光。激勵光停止后，受激的發射熒光通常是按指數方式衰減，熒光衰減曲線如圖1所示。

圖1 熒光衰減曲線

激勵脈沖終止時間為t1，衰落信號的強度值為I0，當衰落信號達到第二個值I0/e時，時間為t2。t1和t2的間隔就是指數衰落信號的時間常數τ，時間常數τ可以用來測量熒光壽命。研究證明，在不同的環境溫度下，熒光壽命也不同。熒光壽命與溫度的關系為：

式中，RE、RT、k、ΔE均為常數，T為絕對溫度。由此公式可知，根據測量熒光壽命的長短可以得知當前的環境溫度。

1.2 傳感器設計及特點

本文設計的傳感器是將熒光物質封裝在光纖頂端（感溫探頭位置），然后在光纖另一端輸入激勵光。熒光物質受激發光的余暉通過光纖返回到達輸入端，輸入端通過45°半反半透鏡片將余暉接收，后解析出探頭位置的環境溫度，具體如圖2所示。

圖2 傳感器實現過程

傳感器關鍵參數如表1所示。

表1 關鍵參數詳情

此光纖溫度傳感器傳感器主體由不銹鋼軟管保護，熒光探頭位于不銹鋼管內部，外形結構與PT100油面溫度計相同。整體長度為6 m，光纜露出默認40 cm，傳感器外觀如圖3所示。

圖3 傳感器外觀圖

溫度感溫探頭位于不銹鋼管內部，探頭封裝位置使用環氧樹脂導熱膠，結構如圖4所示。

圖4 溫度探頭封裝結構圖

本文設計的光纖溫度傳感器具有以下特點。一是基于光信號測溫，抗電磁干擾傳感器感溫及傳導部分采用光信號，對電磁環境完全免疫。二是響應快，通道響應速度低于1 s。三是性能穩定、免維護，基于熒光物質的穩定物性，保證全壽命段測溫性能的一致性。四是精度高、可自診斷，配合溫控器可完成自診斷功能。五是壽命長，壽命遠遠大于基于電信號的溫度傳感器。六是不改變使用習慣，采用原PT100封裝及固定形態涉及傳感器，用戶無需改變使用習慣。

2 外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器設計及特點

2.1 整體特點

本文所設計的外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器，物聯網主機以其豐富的顯示畫面、靈活的操作方式、強大的記錄、運算、控制、管理功能以及超薄美觀的鋁合金機身，在各行各業中獲得了極其廣泛的應用。本產品在吸納各種國內外數據記錄儀優點的基礎上增加了全新物聯網遠程監控、局域網無線超遠距離通信等功能。

2.2 硬件組成及工作原理

本文所設計的多通變壓器光纖溫控器分為油面溫度控制器和繞組溫度控器，分別用于測量變壓器油面溫度和繞組模擬溫度，具有直接顯示溫度和超溫分級報警等功能。輸出的信號供冷卻器控制系統及變壓器保護系統使用，多通道變壓器光纖溫控器是變壓器必備的組部件。

多通道變壓器光纖溫控器通過光纖溫度傳感器測量變壓器頂部油杯內的油溫來測量變壓器油面溫度，結合CT取電的方式取得相應繞組負荷電流，利用頂層油溫和負荷電流，通過相應公式計算測得模擬的變壓器繞組溫度[7-10]。

2.2.1 硬件組成

首先是電源，其屬于至關重要的組成部分，主要是為溫控器的運行提供必要的電力支持，保證可以處于相對穩定的供電狀態下。其次是溫度傳感器，可以及時反映溫度情況，確保相應的措施及時采取到位，滿足相關的實踐需要。最后是輸出部分，重點是將相關的信息傳遞出來，反映出基本的情況，以便后續工作的開展有證可循。

2.2.2 工作原理

支持RS485及以太口通信，24路輸出（0～5 A@DC 24 V/0～2 A@AC 220 V）。人機接口選用7寸液晶，提供溫度顯示和參數設置功能。界面以3+1方式顯示通道溫度（3是指3個油面溫度通道，1是指1個繞組溫度通道），界面如圖5所示。

圖5 溫度顯示界面

油面通道的設置界面如圖6所示，設置的內容分別有1～4路繼電器的報警值和行程差以及油面通道的名稱，其中1～4路繼電器的報警值依次遞增才可以設置。

圖6 油面通道設置界面

繼電器的狀態界面如圖7所示，CH1～CH6表示6個油面通道，K1～K4表示通道的1～4路繼電器，繼電器的狀態只有閉合和斷開兩種狀態，閉合是指導通，斷開是指不導通。

圖7 繼電器狀態界面

系統設置界面如圖8所示，可以設置系統時間、屏幕亮度、采集速度以及息屏時間，其中采集速度是指采集熒光模塊溫度的采集速度。

圖8 系統設置界面

3 功能測試

3.1 測試范圍

對外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器的系統設置、系統關機、系統重啟、關于系統、參數設置、無線設置、系統升級、監控油面設置、繞組設置、繼電器狀態、模擬量輸出等功能開展測試。

3.2 測試策略

測試策略包括以下3點。一是回歸測試，新版本在發布前，確認測試發現的缺陷在修復后不會在其他沒有發現缺陷的部分產生新的缺陷，可以包含上述所有測試的部分。二是功能測試，確保測試的功能正常，其中包括系統設置、繼電器狀態、模擬量輸出、系統關機、系統重啟、油面溫度、繞組溫度、溫差、溫升、系統版本、參數設置、通信設置以及系統升級等。三是性能測試，在正常的預期工作量下，核實所指定的事務或業務功能。

3.3 測試結果及分析

功能測試共執行用例91個，發現軟件問題11個，主要集中于值的系統設置、參數設置、繼電器、無線網絡等方面，具體見表2。經過回歸測試后，確認所有問題均已歸零。實際測試過程遵循了原定的測試計劃和測試說明，測評機構客觀完備地記錄了測試過程中發現的問題，測試過程中未發生異常中止情況。測試過程中，開展了質量保證活動，對測試工作產品進行了審查和評審，有效開展配置管理工作，對測試工作產品進行了變更控制和版本管理，測試工作始終處于受控狀態。

表2 測試用例統計表

4 結 論

依照上述相關的測試信息分析，可以將相關結論加以總結，為后續工作的開展提供必要的參考。早期版本的軟件功能存有較多缺陷，面對相關的缺陷，應該及時采取應對方案，促使著相應的軟件功能得以完善，真正達到理想化的應用成效。另外，優化之后的軟件功能體現出十足的可靠性，可以滿足相關領域的實際需求。本文重點概述了PT100存在的問題，通過詳細分析軟件功能存在的缺陷，制定出科學的應對方案將其完善，使其更好的作用于具體的實踐中，保證了基本的應用成效和實踐價值，具有一定的參考價值。此外，建立在光纖溫度傳感器測溫特性分析的基礎上，設計了新型的外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器并對系統功能開展測試，證明了設計的溫控器功能完善、可靠。