变压器油温测量及光纤通信系统的设计

1 引言
    变压器的绝缘老化，主要是由于温度、湿度、氧化和油中分解的劣化物质的影响所致。但老化的速度主要由温度决定，绝缘的工作温度愈高，化学反应进行的愈快，绝缘的机械强度和电气强度丧失的愈快，绝缘老化速度愈快，变压器使用年限也愈短。实际上绕组温度受负荷波动和气温变化的影响，变化范围很大。因此，对变压器的温度进行实时采集，使其维持在一定的范围内，对变压器的寿命有重要的意义。
    在线监测变压器油温对早期诊断变压器故障十分重要，但是因变压器结构复杂，影响其安全运行的因素较多，使得在线监测的难度很大。油温测量过去一般是采用间接的模拟测量方法，准确性差，而且不及时。文中针对以上问题，提出了采用铂电阻作为变压器油温测量的传感器，MSP430F449单片机为核心处理器件，实现对变压器油温测量，采用光纤实现与上位机之间的通信，在上位机运行油温监控软件，实时的监测变压器油温。该电力变压器油温测量系统代替直接输入变压器温度控制器去控制电力变压器冷却系统，具有方便实时在线检测、集中控制等特点。

2 变压器散热原理分析
    变压器在运行时产生的损耗以热的形式通过油、油箱壁和散热器散发到周围的空气中。热量的散发通过导热、对流和辐射三种形式。从绕组和铁心的内部到其表面热量主要靠导热形式散发，从绕组和铁心表面到变压器油中热量主要靠对流的形式散发。散发到变压器油中的热量使油箱中的变压器油温度上升、密度下降、产生热浮力，而变压器油在热浮力的推动下，从油箱上部进人连接油管，通过油管进人散热器。变压器油在散热器中经过和外面空气的热交换，使散热器中的变压器油温度降低，从油箱下部进人连接油管，通过油管重新进入变压器油箱，形成自然循环。变压器的散热量可由式(1)确定：
   

式中，Ql为单位热负荷；Q为变压器的损耗；F变压器的总散热面积；C1与变压器性本身参数有关的常数；ty即变压器温升。

3 系统硬件设计
    电力变压器运行中，对其油温的测量是维护电力变压器安全运行的基础和关键。电力变压器冷却系统的投退和超温报警等都由其安装的温度控制器来实现。
    本变压器油温测量系统以MSP430F449为主控制器件，它是TI公司生产的16位超低功耗特性的功能强大的单片机。MSP430单片机内部具有高、中、低速多个时钟源，可以灵活的配置给各模块使用以及工作于多种低功耗模式，大大降低控制电路的功耗提高整体效率。首先，电力变压器油温经过传感器和信号调理电路采集放大为适合A／D转换的电压值。然后，A／D转换器对模拟信号进行采样并转换位数字信号后经MSP430作预处理。 该监测系统通过MAX3221电平转换电路采用光纤实现与PC机的串行通信，PC机实现对温湿度值的进一步分析和对系统的控制。利用光纤收发模块构建的光纤通信系统完成数据的远程传输，借助MSP430单片机和主机(上位机)之间的串行通信完成人机交互监测，系统框图如图1。

3．1 铂电阻及信号调理电路
    铂电阻具有准确度高、性能稳定、互换性好、耐腐蚀及使用方便等一系列优点，一直是工业测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件。对于铂电阻温度计，电阻R温度t的函数如公式(2)：

    Rt=R0[1+at-bt2]    (2)
式中Rt为t℃时的电阻值，R0为0℃时的电阻值100Ω；A为3．908 02×10-3／℃；B为-5．802×10-7／℃2。
    这一过程将直接影响着系统的测量精度，当然强电磁场的工业环境同样对系统的测控精度与稳定性产生较大的影响。
    在0℃～650℃存在非线性项bt2，因此铂电阻的阻值和温度之间不是线性关系，这就要求在实际应用铂电阻时要考虑到铂电阻线性化校正的问题。对于高精度的铂电阻测温数字显示仪表，可以将铂电阻的电阻温度分度表以A/D转换器的输出数据为地址固化在存储器EPROM中，即在EPROM中，以A／D转换值为单元地址存放与之相对应的温度值。当以A／D转换器的输出结果为地址访问EPROM时，存放在该单元的温度值被读取，并送入LCD显示。
3．2 MSP430接口电路
    温度传感器的输出信号经温度变送模块转化为OV～5V标准的电压信号，进入电压／频率(V／F)转换模块，转换为OkHz～100kHz的频率输出至MSP430的I/O口，经MSP430采样计算后显示在液晶模块(LCD)上。采用P2．4口作为RXD接收数据，P2．5口作为TXD发送数据。F449外围接口电路如图2所示。

3．3 V／F模块设计
    系统用V/F转换芯片将0V～5V电压信号转变成频率输出至单片机，既节省了I/O口，也节省了A／D转换芯片，降低了系统成本。采用压控振荡器LM331芯片，它的突出特点是把模拟电压转换成抗干扰能力强，可远距离传送并能直接输入单片机的脉冲串。
3．4 CMI编解码原理
    CMI码是一种字母型平衡码。根据CMI的编码要求，首先对数据进行判断，如果输入的是数据“0”，则输出的数据为“0l”，如果输入数据“1”时，就要对“1”的奇偶性进行判断，当第一个“1”到来时，输出为“00”，当第二个“1”到来时，输出为“11”，并不断的交替反转，来实现1的编码。CMI解码电路的作用是将光电转换电路接收的电信号解码还原。
3．5 光纤通信电路设计
    光纤通信的原理是利用经过调制的光纤载波在光纤导纤维中的不断反射到达对方，再解调出原始信息实现信息传输的，其主要特点是传输容量大、高速率、传输距离长、抗干扰性强、绝缘性能好等。尤其是抗电磁干扰和绝缘性能好这两大特点，可应用于变电所、高压线路等高电压强电磁干扰环境，是目前电力系统通信中正在逐步广泛应用的通信方式。
    在光发射机端再对信号进行调制然后将调制好的电信号转换成光信号，通过光缆进行长距离传输，在接收端将光信号还原成电信号，再把电信号进行解调放大，还原出原始信号。光端机的发送端内含有载波光源，在此将电信号转换成光信号，并输入光纤传输远方。光端机的接收端内含有光检测器，它将来自光纤的光信号还原成电信号，并输入到光端机的接收端，数据可以全双工传输。中继器将经过长距离传输后被衰减和畸变了的光信号放大、整形再生成一定强度的光信号继续传送。
    系统原理框图如图3所示。

    光纤传输后的输出信号再经过RS-485／232电平转换后，可接到PC机的串口进行通信。

4 软件设计
    软件流程图如图4所示。该系统的软件是在IAR开发环境下采用C语言编写，采用模块化程序设计。系统初始化，显示开机画面之后开启基本定时器，用于定时唤醒MSP430采样并显示实时温度。显示完温度后进入低功耗模式，等待外部键盘中断和定时器中断，中断返回后再次进入低功耗模式，从而降低了电能消耗。

    在变压器油温监测系统中，以MSP430作为下位机，PC机作为上位机，下位机与上位机通过串口进行通信。运行上位机的监控软件后，选择开始通信按钮便与下位机建立了通信，可以对下位机的状态进行监测。远程监测的软件上显示变压器油温值的数字与曲线，保存各测温点的数据，在实际的操作过程中对异常的情况进行报警。

5 测试结果及分析
    郑州西郊变电站160MVA三相变压器，额定电压为220／12l／lO．5kV。该测温系统于2007年1月投入使用，设置正常测试温度在45℃～75℃，调试可使60℃的测量误差为0，这样在的测试范围内误差较小。
    采用该测量系统对变压器顶层油温进行测量，抽取6月2日的一组实验数据，如表1所示。其中标准温度(实温)测量采用高精度的水银温度计，由实验数据可知，系统测量的精度是0．1℃，误差在±0．5℃以内，符合设计的目标。

    实验结果表明，测温系统工作稳定、测量方便、准确度较高。系统产生迟滞的原主要是由传感探头的导热能力引起，同时信号调理电路是装置的关键部分，对输入信号处理质量的好坏对装置的性能有着决定性的影响测量的精度。在实际测量过程中，温度值有时会出现偏差。经温度变送器转换后，如显示的温度不正确。有可能是接线端子积灰、松动使电阻变大造成温度误差。
    一般规定变压器顶层油温达到65℃时投入风扇，或负荷电流达到70%额定值时投入风扇。为防止风扇电机频繁启动，还应调整装置在65℃时投入风扇，油面温度下降至55℃时才退出风扇，或负荷电流低于50％额定值时切除风扇。因此，精确的测量变压器油温，可节省40％以上变压器风扇在做无用功的时间。至2007年系统投入应用以来，节省42．3％的风扇用电量。

6 结语
    由于变压器使用地区不同，运行环境不同变压器冷却系统投入温度值的确定既要考虑安全运行，又要考虑节能降耗。变压器的输出功率要随之改变，所以实时的变压器油温在线监测非常必要。本系统能实现变压器温度信号的远距离光纤传输，对变压器油温的精确测量且功耗超低，具有很高的性价比。