微機型排油注氮滅火控制系統的研究與應用

陳宏強 張立 雷乘龍 楊富強

摘要：常規的滅火控制系統主要通過控制器微機化的思路進行火災控制，導致系統存在電磁干擾，影響氮氣注入效果。因此，設計了微機型排油注氮滅火控制系統。硬件上，設計了模塊化微機型排油注氮控制器與ARM處理器。軟件上，建立滅火控制系統功能模塊，以排油注氮的邏輯代替微機化思路，從而減少系統出現的電磁干擾。再利用微機型排油注氮滅火控制算法，精準控制氮氣注入量，進而實現變壓器的高效滅火。采用系統測試的方式，驗證了該系統的氮氣注入量更符合其需求量，能夠保證變壓器的安全使用，具有較高的推廣價值。

關鍵詞：微機型；排油注氮；滅火控制；氮氣注入量；控制器

變壓器在長時間運行條件下，很容易出現故障。當故障發生時，如果無法及時維護，就會出現變壓器火災現象，嚴重危害電力系統的正常使用。變壓器油是導致其火勢較大的主要原因，其內部短路或過載時，就會發生火災，導致整個供電系統發生癱瘓。針對以上問題，研究人員設計了多種變壓器滅火控制系統。而油浸式變壓器注氮滅火控制系統，與油浸式變壓器智能滅火控制系統的應用較為廣泛。油浸式變壓器注氮滅火控制系統，應用微機化的控制思路，在變壓器熱油排出的同時注入氮氣，達成快速滅火的目標[1]。油浸式變壓器智能滅火控制系統，通過電磁繼電器達成控制邏輯，高效地完成滅火控制[2]。以上兩種方法中，均存在電磁干擾，導致注氮控制效果不佳[3]。因此，本文以模塊化微機型排油注氮控制器為主，設計了微機型排油注氮滅火控制系統。

一、硬件設計

（一）模塊化微機型排油注氮控制器

在變壓器起火時，表層油的燃燒溫度較高，帶動下層油溫升高，使變壓器的火勢變大[4]。本文主要是在變壓器起火時，將變壓器內的熱油排放干凈，同時注入氮氣，使其表面溫度降低，以此達成滅火的目的[5]。在此過程中，氮氣注入量的控制至關重要。因此，本文設計了模塊化微機型排油注氮控制器。控制器部分結構如圖1所示。在控制器的外形殼體較為堅硬，能夠保護器內的各個元件。殼體的頂部與底部分別設計了兩個支座，用來固定內部元件。在安裝過程中，以模塊組件、過濾組件、濾網、磁石、鐵質框、固定槽、支座、一體化機箱、殼體的順序進行安裝。使模塊插件能夠更加方便地取出與維護。當控制器的濾網灰塵較多時，將鐵質框與濾網取出進行清洗即可。保證控制器始終處于穩定的運行狀態[6]。通過上述順序安裝之后，在控制器維護過程中，僅需要抽出對應的元件即可，既能維持控制器的正常工作，又能做好控制器的維護工作，有效地提升了控制器的運行效果。

（二）ARM處理器

本文選用的ARM處理器主要是為控制器服務，在控制器運行的過程中，每一次氮氣注入量，均需要在處理器中備份，處理器通過系統回傳的火災情況，對氮氣注入量進行處理，使其更符合氮氣滅火需求[7]。ARM處理器的通信電路至關重要，是系統通信的橋梁。

如表1所示，本文設計的ARM控制器能夠在雙通道DDR4的條件下，進行信息存儲。將系統中回傳的火災信息存儲在處理器中，并將火災圖像轉化為數字信號，再傳輸至控制器中，使控制器能夠了解火災情況，進行針對性的氮氣注入，提高注氮控制精準度[8]。為了保證系統的高效運行，本文在處理器中增加了I/O端口驅動模塊，在運行時存在4種晶振模式，最大頻率可以達到30MHz。同時，該處理器還支持10位數據轉換，可以滿足系統對硬件功能的需求。

二、軟件設計

（一）建立滅火控制系統功能模塊

本文建立的系統功能模塊以通信模塊與交互模塊為主。通信模塊的總線設計為CAN、RS485，以及以太網等三種。其中，CAN總線能夠將變壓器火災的信息進行實時傳輸，并采用CAN協議的擴展幀進行信息傳輸，擴展幀的定義如表2所示。

如表2所示，每發送一幀，優先級計數從0～7遞增；預留計數為0；循環計數達到63后歸零；應答計數是在接收方接收請求之后，每100ms給發送方一個應答幀，隨機分配一個地址，也就是發送方的ID。人機交互模塊是軟件中發送命令的函數程序，當火災數據上傳至系統中時，初始化函數向CAN總線發送通信命令，從而完成控制、邏輯、驅動等功能。系統軟件結構如圖2所示。

圖2 系統軟件結構圖

如圖2所示，在軟件結構中，或是探測信號傳輸至排油注氮控制中心之后，通過電源切換中心，將交互信號傳達至控制中心，再由通信信號向控制中心、邏輯中心、驅動中心傳輸指令，完成交互與通信功能。

（二）設計微機型排油注氮滅火控制算法

在初始狀態下，變壓器油壓狀態的傳遞函數表達式如下：

（1）

式（1）中，f（u）為變壓器油壓狀態的傳遞函數表達式；um （S）、un （S）為變壓器油壓的兩組傳遞向量。當f（u）＜0時，變壓器油壓出現畸變，此時變壓器處于短路狀態，出現了變壓器起火的現象。本文根據變壓器油量情況，對其排油時間進行計算，公式如下：

（2）

式（2）中，P為變壓器排油時間；S為油箱現存油量。將變壓器內的油全部排出的同時，在油箱內注入氮氣，氮氣需求量的計算公式如下：

（3）

式（3）中，X為氮氣需求量；L為氮氣注入頻率。根據變壓器油箱的氮氣注入需求，對其進行注氮控制。也就是說，本文以氮氣需求為主，實時控制氮氣注入情況，當注入量與需求量一致之后，停止注入。當掌握不好注入量時，以增加0.01kg的注入量為主，最大限度地保證注氮量和控制效果。

（三）實現變壓器的高效滅火

為了實現變壓器的高效滅火，本文在控制系統中設計了一個滅火控制數據庫。將上述數據存儲在數據庫中，隨取隨用，縮短火災數據的查詢時間。如下表3所示。

如表3所示，本文將登錄名稱、火情探測數據、油量剩余數據、氮氣注入數據、變壓器溫度數據等，按照系統通信模塊傳輸到數據庫中。并將各個數據標記一個數據類型，搜索數據類型后，點擊相應的字段名，即可得到一個完整數據，為變壓器后續維護與檢修提供支撐。

三、系統測試

為了驗證本文設計的控制系統是否具有實用價值，本文對上述系統進行了測試。首先，安裝系統硬件，并對其性能進行測試。其次，連接軟件，對軟件功能進行調試。最后，將硬件與軟件連接，對系統整體功能進行測試。最終的測試結果以文獻[1]控制系統、文獻[2]控制系統、本文設計的微機型排油注氮滅火控制系統進行對比的形式呈現。具體測試過程及測試結果如下所示。

（一）測試過程

在進行測試之前，本文將模塊化微機型排油注氮控制器，與ARM處理器進行安裝。將模塊組件、固定槽、磁石、鐵質框、濾網、過濾組件、機箱等元件安裝完畢之后，將控制器通電，使其處于正常運行狀態，對控制器的電路電壓進行分析，如圖3所示。

如圖3所示，控制器的電路電壓為23.9V，在25V以內，證明此時控制器運行正常。同時，電壓波形較為穩定，A、B、C、D四個接口的電壓均為23.9V，可以保證硬件電路的可行性。ARM處理器安裝完畢之后通電，綠色指示燈亮起，可以保證該硬件的正常使用。本次測試模擬出變壓器起火狀態，火勢的初始溫度為320℃，對注氮時間250s內的溫度變化情況進行分析，如圖4所示。

如圖4所示，在注氮時間為0s～150s時，溫度持續下降，表明火勢得以控制。在注氮時間超過150s之后，溫度不再變化，且保持在50℃左右，證明此時變壓器火勢已被撲滅。在實際場景中，變壓器在150s之后，火勢被撲滅。由此看來，該系統能夠實時獲得變壓器溫度情況，能夠保證系統的運行可行性。

（二）測試結果

在上述測試條件下，本文模擬出BY_1#～BY_8#共8種火況，火勢較小，便于火情控制，保證測試環境的安全性。不同的火況氮氣需求量不同，需要較高的控制能力控制氮氣注入量。本文將文獻[1]控制系統的氮氣注入量、文獻[2]控制系統的氮氣注入量、本文設計的微機型排油注氮滅火控制系統的氮氣注入量進行對比。測試結果如表4所示。

如表4所示，本文模擬的BY_1#～BY_8#共8種火況中，火勢從高到低，氮氣需求量相應不同。已知，注入氮氣滅火時，氮氣量控制在0.01kg以內，能夠保證變壓器的火勢得到控制。在其他條件均一致的情況下，文獻[1]控制系統的氮氣注入量，與氮氣需求量相差約-0.2kg，且氮氣注入量均少于需求量，導致火情無法被有效控制，造成較大的安全事故。文獻[2]控制系統的氮氣注入量與氮氣需求量相差約-0.02kg，氮氣注入量同樣少于需求量，安全事故仍可能出現。而本文設計的控制系統的氮氣注入量，大部分火況的氮氣注入量與需求量保持一致，BY_3#、BY_5#火況的氮氣注入量與需求量相差+0.01kg，高于需求量，能夠保證變壓器的火情控制效果，安全事故較少，符合本文研究目的。

四、結束語

近些年來，變壓器設備應用較為廣泛，成為人們生活中不可或缺的設備。但是，變壓器在工作過程中，不可能永遠正常運行，故障發生時，不能及時維護，就會導致變壓器起火，造成較大的事故發生。因此，本文設計了微機型排油注氮滅火控制系統。通過注氮控制器、處理器等硬件與軟件相結合的設計方式，使該控制系統能夠高效地控制氮氣注入量，從而提高火災控制效果，為變壓器的安全使用提供保障。

作者單位：陳宏強 張立 雷乘龍 楊富強 國網甘肅省電力公司天水供電公司

參 ?考 ?文 ?獻

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