微機型排油注氮滅火控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

陳宏強 張立 雷乘龍 楊富強

摘要：常規(guī)的滅火控制系統(tǒng)主要通過控制器微機化的思路進行火災(zāi)控制，導(dǎo)致系統(tǒng)存在電磁干擾，影響氮氣注入效果。因此，設(shè)計了微機型排油注氮滅火控制系統(tǒng)。硬件上，設(shè)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(tǒng)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(tǒng)出現(xiàn)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(xiàn)變壓器的高效滅火。采用系統(tǒng)測試的方式，驗證了該系統(tǒng)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(guān)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(xiàn)故障。當故障發(fā)生時，如果無法及時維護，就會出現(xiàn)變壓器火災(zāi)現(xiàn)象，嚴重危害電力系統(tǒng)的正常使用。變壓器油是導(dǎo)致其火勢較大的主要原因，其內(nèi)部短路或過載時，就會發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致整個供電系統(tǒng)發(fā)生癱瘓。針對以上問題，研究人員設(shè)計了多種變壓器滅火控制系統(tǒng)。而油浸式變壓器注氮滅火控制系統(tǒng)，與油浸式變壓器智能滅火控制系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛。油浸式變壓器注氮滅火控制系統(tǒng)，應(yīng)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(tǒng)，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(dǎo)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(shè)計了微機型排油注氮滅火控制系統(tǒng)。

一、硬件設(shè)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(nèi)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(guān)重要。因此，本文設(shè)計了模塊化微機型排油注氮控制器?？刂破鞑糠纸Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在控制器的外形殼體較為堅硬，能夠保護器內(nèi)的各個元件。殼體的頂部與底部分別設(shè)計了兩個支座，用來固定內(nèi)部元件。在安裝過程中，以模塊組件、過濾組件、濾網(wǎng)、磁石、鐵質(zhì)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(wǎng)灰塵較多時，將鐵質(zhì)框與濾網(wǎng)取出進行清洗即可。保證控制器始終處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)[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(yīng)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(wù)，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(tǒng)回傳的火災(zāi)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(guān)重要，是系統(tǒng)通信的橋梁。

如表1所示，本文設(shè)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(tǒng)中回傳的火災(zāi)信息存儲在處理器中，并將火災(zāi)圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再傳輸至控制器中，使控制器能夠了解火災(zāi)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(tǒng)的高效運行，本文在處理器中增加了I/O端口驅(qū)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可以滿足系統(tǒng)對硬件功能的需求。

二、軟件設(shè)計

（一）建立滅火控制系統(tǒng)功能模塊

本文建立的系統(tǒng)功能模塊以通信模塊與交互模塊為主。通信模塊的總線設(shè)計為CAN、RS485，以及以太網(wǎng)等三種。其中，CAN總線能夠?qū)⒆儔浩骰馂?zāi)的信息進行實時傳輸，并采用CAN協(xié)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(fā)送一幀，優(yōu)先級計數(shù)從0～7遞增；預(yù)留計數(shù)為0；循環(huán)計數(shù)達到63后歸零；應(yīng)答計數(shù)是在接收方接收請求之后，每100ms給發(fā)送方一個應(yīng)答幀，隨機分配一個地址，也就是發(fā)送方的ID。人機交互模塊是軟件中發(fā)送命令的函數(shù)程序，當火災(zāi)數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)中時，初始化函數(shù)向CAN總線發(fā)送通信命令，從而完成控制、邏輯、驅(qū)動等功能。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，在軟件結(jié)構(gòu)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(qū)動中心傳輸指令，完成交互與通信功能。

（二）設(shè)計微機型排油注氮滅火控制算法

在初始狀態(tài)下，變壓器油壓狀態(tài)的傳遞函數(shù)表達式如下：

（1）

式（1）中，f（u）為變壓器油壓狀態(tài)的傳遞函數(shù)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(xiàn)畸變，此時變壓器處于短路狀態(tài)，出現(xiàn)了變壓器起火的現(xiàn)象。本文根據(jù)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(xiàn)存油量。將變壓器內(nèi)的油全部排出的同時，在油箱內(nèi)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(jù)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(xiàn)變壓器的高效滅火

為了實現(xiàn)變壓器的高效滅火，本文在控制系統(tǒng)中設(shè)計了一個滅火控制數(shù)據(jù)庫。將上述數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，隨取隨用，縮短火災(zāi)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、油量剩余數(shù)據(jù)、氮氣注入數(shù)據(jù)、變壓器溫度數(shù)據(jù)等，按照系統(tǒng)通信模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中。并將各個數(shù)據(jù)標記一個數(shù)據(jù)類型，搜索數(shù)據(jù)類型后，點擊相應(yīng)的字段名，即可得到一個完整數(shù)據(jù)，為變壓器后續(xù)維護與檢修提供支撐。

三、系統(tǒng)測試

為了驗證本文設(shè)計的控制系統(tǒng)是否具有實用價值，本文對上述系統(tǒng)進行了測試。首先，安裝系統(tǒng)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(diào)試。最后，將硬件與軟件連接，對系統(tǒng)整體功能進行測試。最終的測試結(jié)果以文獻[1]控制系統(tǒng)、文獻[2]控制系統(tǒng)、本文設(shè)計的微機型排油注氮滅火控制系統(tǒng)進行對比的形式呈現(xiàn)。具體測試過程及測試結(jié)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(zhì)框、濾網(wǎng)、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(tài)，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(nèi)，證明此時控制器運行正常。同時，電壓波形較為穩(wěn)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(tài)，火勢的初始溫度為320℃，對注氮時間250s內(nèi)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(xù)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(tǒng)能夠?qū)崟r獲得變壓器溫度情況，能夠保證系統(tǒng)的運行可行性。

（二）測試結(jié)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(huán)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(tǒng)的氮氣注入量、文獻[2]控制系統(tǒng)的氮氣注入量、本文設(shè)計的微機型排油注氮滅火控制系統(tǒng)的氮氣注入量進行對比。測試結(jié)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(yīng)不同。已知，注入氮氣滅火時，氮氣量控制在0.01kg以內(nèi)，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(tǒng)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(dǎo)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(tǒng)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(xiàn)。而本文設(shè)計的控制系統(tǒng)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(jié)束語

近些年來，變壓器設(shè)備應(yīng)用較為廣泛，成為人們生活中不可或缺的設(shè)備。但是，變壓器在工作過程中，不可能永遠正常運行，故障發(fā)生時，不能及時維護，就會導(dǎo)致變壓器起火，造成較大的事故發(fā)生。因此，本文設(shè)計了微機型排油注氮滅火控制系統(tǒng)。通過注氮控制器、處理器等硬件與軟件相結(jié)合的設(shè)計方式，使該控制系統(tǒng)能夠高效地控制氮氣注入量，從而提高火災(zāi)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(wǎng)甘肅省電力公司天水供電公司

參 ?考 ?文 ?獻

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