（电力电子与电力传动专业论文）110kv干式变压器的测控系统.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d r y - t y p e t r a n s f o r m e r s h a v e b e e n w i d e l y u s e d i n h i g l l b u i l d i n g sa n dp o w e r s t a t i o n si nc i t i e sd u et oi t ss u p e r i o r i t i e so ff l a m e r e t a r d a n c y , s a f e t y , e a s ym a i n t e n a n c e , s m a l lv o l u m e , e t c f o l l o w i n gt h ee v e r - g r o w i n gu r b a n i z a t i o n ，1 1 0 k vl e v e lt e r m i n a lw i l l b et h ee m p h a s e so fc i t yp o w e rs u p p l yt oe 1 1 s u g ci t sa v a i l a b i l i t yi nt h ed o w n t o w r li n 1 9 9 9 ，t h ef i r s tl l o k vd r y 4 y p et r a n s f o r m e rw a ss u c c e s s f u l l ym a d eb yj m cg r o u p c o m p a n y , s h a n d o n g ，c h i n a n o wt h i si st h eh i g l l e s tv o l t a g el e v e le p o x yr e s i nc a s t i n g d r y - t y p et r a n s f o r m e r i nt h ew o r l d ii o k vd r y - t y p et r a n s f o r m e ri sak i n do fn e w p o w e r t r a n s m i s s i o nt r a n s f o r m e r f o rd r y - t y p et r a n s f o r m e r , i t so p e r a t i o ns a f e t ya n dd u r a b i l i t yi sm a i n l yd e p e n d i n g o ns a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fi n s u l a t i o n so ft r a n s f o r m e rw i n d i n g i n s u l a t i o nw i l lb e d e s t r o y e dw h e nw i n d i n gt e m p e r a t u r ee x c e e d st h et o l e r a b l ei n s u l a t i o nt e m p e r a t u r e b e s i d e so v e rv o l t a g e ，u n d e rv o l t a g ea n do v e rl o a d i n g , t h i si so n eo ft h em a j o rr e a s o n s l e a d i n gt oa b n o r m a lp e r f o r m a n c eo ft r a n s f o r m e r t h e r e f o r e ，i t sv e r yi m p o r t a n tt o m o n i t o r t h e t r a n s f o r m e r sr u n n i n g t e m p e r a t u r e ，n m n i n g v o l t a g ea n dr u n n i n g c u r r e n t a n dt oc o n t r o li t sa l a r m i nt h i ss y s t e m ，w i n d i n gt e m p e r a t u r ei sm e a s u r e db yi n f r a r e dt e m p e r a t u r es e n s o r , c o r et e m p e r a t u r ei sm e a s u r e db yp t l 0 0t h e r m or e s i s t a n t , v o l t a g ei sm e a s u r e db y v o l t a g em u t u a li n d u c t o r , a n dc u r r e n ti sm e a s u r e db y c u r r e n tt r a n s m i t t e r t h es e l e c t e d p l ci ss i e m e n ss 7 - 3 0 0p l c 。i tp r o c e s s e st h ed a t aw i t ht h y r i s t o rc o n t r o l l e r t o u c h i n gi n d i c a t o ri ss i e m e n s t p2 7 06 t o u c h i n gh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) b e t w e e nh m ia n dp l cm p ic o m m u n i c a t i o nm o d ew a su s e d a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fh i g l l - t e n s i o nb r e a k d o w ni nt h eh i g h t e n s i o ns i d eo f t h e t r a n s f o r m e r , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dak i n do f n e wm e a s u r e m e n t se m p l o y i n ga l l i n f r a r e dt e m p e r a t u r es e n s o rt or e p l a c ep tr e s i s t a n c e ，a n da n a l y z e di t so p e r a t i n g p r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s a tt h es a m et i m e ，t h i ss y s t e ma d o p t sp l ca n dh m it o p r o c e s sa n dd i s p l a ya l lk i n d so fs i g n a l st of u r t h e ri m p r o v e t h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo f 山东大学硕士学位论文 t h ew h o l es y s t e m i n s t a l l i n gf a n sa n da d j u s t i n gt h e i rv o l t a g ea n ds p e e dt oc o o lt h e t r a n s f o r m e ri sf a v o r a b l et oi m p r o v et h el o a d i n ga b i l i t yo ft h et r a n s f o r m e rw i t he n e r g y s a v i n ga n dl o wr u n n i n gn o i s e k e yw o r d ：i n f r a r e dt e m p e r a t u r es e n s o r ；11 0 k vd r y - t y p et r a n s f o r m e r ； t o u c h i n gs c r e e n ；p l c v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：1 兰e t 期：妇，丛 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 3 考 导师签名： 山东大学硕士学位论文 i i 干式变压器的研究现状 第1 章绪论 自从1 9 6 4 年德国a e 6 公司试制出第一台2 0 k v4 0 0 k v a 环氧浇注干式变压 器以来，干式变压器得到迅猛发展在配电变压器中，干式变压器所占比例愈来 愈大，据介绍在欧美等发达国家干式变压器已占到配电变压器的4 0 - - 5 0 。在我 国的大中城市也约占1 5 - 2 0 ，而在北京、上海、广州、深圳等城市约占到5 0 左右 随着我国城市建设规模的扩大，地价的上涨，高层建筑和地下设施的增多， 以及城市用电负荷的不断增加，人们对电力变压器在防火、环保，占地和节能等 方面的要求不断提高干式变压器与传统油浸式变压器相比，在这些方面有着不 可比拟的优势从环境角度看，干式变压器不带油，不存在油对环境的污染、火 灾及爆炸的危险；从安装的角度看，使用干式变压器的变电站无需专用消防设施， 不需设置地下油槽，安装费用低，而且干式变压器可深入负荷中心，几乎可安装 于用电的任何地方，如建筑物的地下室等由于靠近安装地点，因此线路损耗减 少，供电成本也有所降低。另外干式变压器还具有体积小，损耗低，噪声低，过 载能力强，承受突发短路能力强，维护简单，运行可靠等特点。 目前，国内生产干式变压器的厂家已由2 0 世纪9 0 年代初的七，八家，迅速 增加到了数百家，已成为世界上千式变压器产销量最大的国家之一现在生产的 干式变压器大多为最高电压为3 5 k v ，最大容量3 1 5 m v a 以下的。就我国目前城 市电网建设来看，要保证城市电力送得进，供得出，用得上，3 5k v 级干式变压 器已不能满足需要，许多城市都要求在市区建立1 1 0 k v 级终端变电所( 其中一部 分为地下变电所) 。1 1 0 k v 级变压器按照绝缘介质的不同可分为复合油绝缘式、油 浸式、s f 6 气体绝缘式( 简称g i t ) 和r c d t 在我国，1 1 0 k v 级变压器一直以油浸 式为主，但目前，很多厂家生产的1 1 0 k v 级油浸式变压器抗短路能力还欠佳。据 文献资料显示，1 1 0 k v 级及以上电压等级油浸式电力变压器短路事故的台次占同 期事故台次的百分比为5 0 。而且其绝缘介质是一种易燃易爆品，一旦发生短路 山东大学硕士学位论文 事故，可能导致变压器油的燃烧和爆炸，因此不能用于人口密集的城市和防爆要 求高的公共场所。 1 9 9 9 年末，山东金乡金曼克集团公司研制成功单相1 0 5 m v a 1 1 0 k v 干式变 压器。其采用分段圆筒式绕组，经真空浇注后，绕组的匝间、层间、段间均被固 化的树脂和玻璃纤维紧密地结合在一起，抗短路能力强另外耐热性能好，属于 f 级的绝缘材料，最高允许温度为1 9 0 c 后该公司又制成了三相3 1 5 m v a 1 1 0 k v 变压器，已于2 0 0 0 年9 月在山东兖州供电局试运行，运行情况良好这是迄今 为止世界上生产的最高电压等级的环氧浇注千式变压器。于式变压器将向着降低 损耗，降低噪音及更高的电压方向发展 1 2 普通干式变压器的测控系统 由于导线有电阻，会产生铜耗，因而发热。电流越大，发热就越严重，温度 就越高。而绝缘材料都只能承受一定的温度，变压器在规定温度以下运行时，绝 缘材料的老化比较慢，但如果实际的电流大大超出额定值，变压器的发热就很厉 害，绝缘将迅速老化，其寿命便大大缩短 对干式变压器，其安全运行和使用寿命，很大程度上取决于变压器绕组绝缘 的安全可靠绕组温度超过绝缘材料的耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能 正常工作的主要原因之一所谓的使用年限，一般都是以绕组热点“热寿命”的 到期而终结此外还有过压、欠压、过载等因素为确保干式变压器具有2 0 年 的正常设计寿命，需要对变压器的运行温度进行实时监测及报警，并适时控制风 冷装置进行强迫风冷同时还应对运行电压，运行电流进行实时监测。 干式变压器冷却方式分为自然空气冷却( a n ) 和强迫空气冷却( a f ) 自然 空冷时，变压器可在额定容量下长期连续运行。强迫风冷时，变压器输出容量可 提高5 0 ，适用于断续过负荷运行，或应急事故过负荷运行。由于过负荷时负载 损耗和阻抗电压增幅较大，处于非经济运行状态，故变压器通常不处于长时间连 续过负荷运行。 对于普通的干式变压器，目前市场上已出现多种样式的温度控制器( 测控系 统) ，如膨胀式、电子式、及由单片机控制的智能电阻式温控器等。以单片机控 山东大学硕士学位论文 制的智能电阻式温控器为例，该种温控器主要是在变压器绕组顶端表面的绝缘介 质上钻- d , 孑l ，将传感器如p t - 1 0 0 热电阻预埋在测温孔中，来测量绕组的温度， 并进行纯数字循环显示，根据设定温度点自动启停风机对绕组进行风冷，同时还 提供简单的报警、记录等功能。 1 3 测控系统需解决的问题 电力作为一种产品，其可靠性符合产品可靠性的定义在发电及电力传输的 整个过程中，任一环节不可靠，都会影响到电力产品的质量电力变压器，由于 其在电力系统中的重要地位及本身的贵重价值，必须保证其安全可靠，延长使用 寿命，降低维修费用，提高使用效率一旦电力变压器发生故障，将造成严重后 果。 作为世界上首台高电压等级的干式变压器，l l o k v 干式变压器与其他干式变 压器相比，电压等级高，应用场合不同( 输电变压器) ，因此对其测控系统在控 制要求和控制技术上也有所不同。 ( 1 ) 在温度采样方面，该测控系统除对低压绕组的温度进行测量外，还需 同时测量变压器高压绕组和铁芯的温度，若仍采用传统的p t 1 0 0 铂电阻进行接触 式测温，在高压侧会由于强大的感应电动势而损坏铂电阻和测温系统的输入回 路，烧坏温控器芯片，导致高端跳闸，严重时还会造成变压器事故。 ( 2 )在故障报警方面，为保证输电变压器的安全运行，该测控系统必须具 有良好的报警功能。传统的温控器只能指示有故障发生，但对故障产生的具体位 置，以及故障产生的时间、原因等不能提供详细的信息，不利于故障的快速排除 ( 3 )在参数设定方面，传统的温控器多数安装于变压器本体上端，在运行 期间进行调整或设定很不方便，通常需要停机调整。该测控系统应能根据电力调 度的需求，及时、方便的对变压器进行参数设定 ( 4 )在减小损耗方面，l l o k v 干式变压器作为大型变压器在温度升高时， 其损耗增加明显，测控系统应尽可能提前的利用风机对变压器进行降温，从而降 低变压器自身的损耗，同时还应注意降低冷却风机的损耗和噪声。 3 山东大学硕士学位。论文 1 4l l o k v 干式变压器的测控系统 l l o k v 干式变压器作为一种新型的输电变压器，不允许随意跳闸，因此对其 运行的安全性、可靠性要求更高。与传统的干式变压器温控器相比，l l o k v 干式 变压器的测控系统针对上面所提到的问题，进行了改进。 作为l l o k v 干式变压器的重要组件。该测控系统为智能化的综合在线监测系 统，不但对温度进行实时监控，还对变压器的工作电压、工作电流进行在线监测。 通过多级互感器、交送器，对低压绕组的电压，电流进行采集，在出现过压、欠 压、过载时输出报警信号本论文主要对测控系统的温度测控部分进行了设计 对于高电压等级的干式变压器，测控系统需要同时测量高压绕组、低压绕组 和铁芯的温度，并对其进行显示采样后的信号经快速、可靠的处理，产生各种 控制信号。当温度值异常，测控系统可诊断出某传感器故障；当温度值超过设定 值，测控系统将输出超温或跳闸声光报警信号，并指示出故障产生的具体位置， 以便于故障的快速排除，同时对故障产生的时间、原因进行记录，以备将来查看、 分析根据检测的温度信号。测控系统可自动开启、关闭变压器配备的冷却风机， 对变压器的相应绕组进行单独降温。测控系统还具有手动操作功能，如手动启停 风机，手动消音，手动跳闸等。 在温度采样方面，变压器的铁芯温度仍采用传统的p t - 1 0 0 铂电阻，进行接触 式测温；对变压器绕组则采用先进的红外温度传感器进行非接触式温度测量红 外测温是根据辐射测温原理进行温度测量的，不仅可以测量温度很高的、有腐蚀 性的、高电压的、高纯度的物体，而且可以测量微小的目标、运动的物体，以及 固体、液体的表面温度红外测温速度快、测温范围宽、灵敏度高、可用于显微 和远距离测温。现今红外测温已广泛用于钢铁工业、动力和电力工业、电子工业 及军事等领域。此处采用红外非接触式测温能很好的解决测控系统中高电压击穿 这一问题。 ， 在温度控制方面，选用可编程控制器( p l c ) 可编程控制器是计算机与传 统的继电器控制逻辑系统的结合，在操作、控制、效率和精度等方面与单片机控 制系统相比具有无法比拟的优点，而在可靠性上又高于计算机系统，在操作维护 方面也比计算机简单方便。随着可编程控制器技术的发展，模拟量输入输出等模 4 山东大学硕士学位论文 块的推出并在各行各业中的广泛应用，可编程控制器己成为在自动控制中应用最 多的设备之一在p l c 的设计和制造过程中，采取了多层抗干扰及精选元器件等 措施，使p l c 的平均无故障时间通常在2 0 0 0 0 h 以上，这是一般的其它电气设备 做不到的。在硬件方面，p l c 采取的抗干扰措施主要是隔离和滤波技术。p l c 的 输入和输出电路一般都用光电耦合器传递信号，使c p u 与外部电路完全切断电的 联系，有效的抑制外部干扰源对p l c 的影响。在p l c 的电源电路和i o 接口中， 还设置了多种滤波电路，以抑制高频干扰信号在软件方面，p l c 设置了故障检 测及自诊断程序，用来检测系统硬件是否正常采用可编程控制器，提高了整个 系统的可靠性。另外采用单相可控硅控制器对变压器所配备的风机进行调压调 速，可使变压器在风机启动时，实现低损耗、低噪声的运行 在温度显示方面，选用触摸式显示屏触摸显示屏是一种能输入输出信号的 人机界面，可用触摸方式输入开关量、数字信息及控制( 或自动) 输出文字、图 形、工艺流程，具有大容量的储存、能直接连接打印、有强大的通讯功能。采用 触摸显示屏与p l c 相结合，可实现控制过程的智能化和控制参数的可视化，可进 行实时图形显示，随时对各种事件做出反应( 提示报警信息、记录历史数据) 。 使操作简便、直观：使操作人员可方便、快捷地设定系统参数，查看故障记录， 历史数据等；可及时处理各种异常情况，提高运行管理水平 山东大学硕士学位论文 i1 i 第2 章测控系统的方案设计 2 1 测控系统的控制要求 该测控系统不仅要实现对变压器各相温度的实时检测，显示，对风机的自动、 手动控制，还要具备对故障的及时报警、纪录，以及通过通讯接口与调度中心进 行联系等功能。因此，该测控系统主要实现信号检测及显示、变压器正常运行控 制、以及安全保护及处理等三大功能。1 1 0 k v 干式变压器的测控系统主要功能如 下： ( 1 ) 实时检测绕组、铁芯及环境温度，创建实时趋势图； ( 2 ) 实时检测变压器绕组的电压、电流； ( 3 ) 自动控制风机启停及转速； ( 4 ) 手动启停风机，手动消音，手动跳闸； ( 5 ) 监控变压器绕组及铁芯温度保持在要求的范围内； ( 6 ) 绕组超温自动跳闸； ( 7 ) 温度参数设置； ( 8 ) 传感器故障报警； ( 9 ) 绕组超温报警，跳闸报警； ( 1 0 ) 过压报警、欠压报警及过流报警； ( “) 记录并保存报警消息及有用数据： ( 1 2 ) 历史数据查询功能： ( 1 3 ) 与调度中心进行通讯； ( 1 4 ) 打印功能 2 2 测控系统的组成 1 1 0 k v 干式变压器的测控系统主要由6 部分组成：传感器、a d 、d a 模块、 p l c 主机、输入输出模块、可控硅控制器及触摸显示屏等。系统结构原理图如图 2 一l 所示。 山东大学硕士学位论文 圈2 1 系统结构原理图 在该系统的测量部分，绕组温度采用先进的红外温度传感器进行非接触式测 量；铁芯湿度采用p t l 0 0 热电阻插入铁芯叠片中进行接触式测量；另外根据需要 在变压器室内也安装p t l 0 0 测温传感器，对室温进行监控，这样会使变压器处于 更加良好的工作环境，从而减少故障的产生电压测量选用电压互感器，电流测 量选用电流变送器。 在系统的控制部分，选用s i e m e n s 的s 7 3 0 0p l c 对采样信号进行快速、可 靠的处理，组态软件为s i m a t i cs t e p7 ；采用单相可控硅控制器与p l c 软件编 程相结合，实现对冷却风机的调压调速控制 在系统的显示输出部分，显示器选用s i e m e n s 的t p 2 7 06 触摸式人机界面 ( h m i ) ，组态软件为s i m a t i cp r o t 0 0 1 h m i 和p l c 之间采用m p i ( 多点) 通讯 方式，通过对h m i 画面上所设元件属性和与p l c 的数据交换地址的定义，实现 h m i 上相关元件对应的暂存器对p l c 存储单元的读写。 该测控系统将红外温度传感器与p l c 和触摸显示屏结合在一起，并采用p l c 和触摸屏的相应软件对各采样值进行控制、处理，在温度的实时显示、数据记录、 报警等方面具有很大的优越性。 7 山东大学硕士学位论文 2 3 测控系统的l l o 点及地址分配 l l o k v 干式变压器测控系统共包括2 3 个输入点，2 4 个输出点其名称、符 号、及地址编号如表2 1 所示 b 0 1 a d d r e s st d a t at y p ej t c o m m e n t 。 0 0 即0 l 一喇删嵋停于喏一 b f k 止l b 0 唑一j c f i (z 10 2b o o l i h u a n j w b 犷3 2 6 - w o p 霞广 a - v o n a g c 叱3 3 6 一w o 盹一 日v o n a g c i i v ，3 8w o 咂一 c o v o l t a g e a - c u r r o n t 心j 4 吧y o r l i v 3 4 2w o r d b - c u r e n t w 1 4 4 一w o r d f 1；01 。08 0 0 l。1 百百丽1 b 石r 1 f 3 1 厂丽正i 8 ，一：一0一一00一，一00一一一他一n一一幅一垤一一仆一他一挑一烈一役一船一蹦一丛一ls 山东大学硕士学位论文 i a d d r e s sd a t at v 口cc o m 舶c 小 刚 0 1 j8 0 0 l 表2 - 1 系统i o 点及地址分配 2 4s 7 - 3 0 0p l c 的硬件组态 s 7 3 0 0 是西门子公司生产的模块化中小型p l c 系统，它能满足中等性能要求 的应用。它的抗干扰能力强，具有很高的工业环境适应性，具有高电磁兼容性，一 和强抗振动，冲击性；它的c p u 处理速度快，集成功能强：控制任务增加时，模 块扩展方便、灵活其简单的结构使得s 7 3 0 0 控制灵活，方便用户而且宜于维 护。 该测控系统共有开关量输入点7 个，开关量输出点1 8 个，模拟量输入点1 6 个，模拟量输出点6 个。因此该系统p l c 在硬件组态时，包括1 块数字量输入 输出模块s m 3 2 3 ，2 块数字量输出模块s , t 3 2 2 ，3 块模拟量输入模块s m 3 3 1 ，和2 块模拟量输出模块s m 3 3 2 。 9 到型到虬叭西到型别虱必坠玑垂鲥则剑型鲥引蓊 山东大学硕士学位论文 c p u 选用c p u 3 1 4 ，订货号为6 e s 73 1 4 1 a e 0 4 一o a b o 它的工作存储器为2 4 k ， 内置装载存储器为4 0 k ，插入式存储卡为3 2 k ，数据备份为4 k 。无电池时，备份 位存储器、计数器、定时器和数据；带电池时，备份所有的数据块。 电源选用p s 3 0 72 a ，订货号为6 e s 73 0 7 - 1 b a 0 0 一o 从o 。它可以提供电源2 4 vd c ， 电流2 a 。 数字量输入输出模块s m 3 2 3 的订货号为6 e s 73 2 3 - 1 b h o i - o a a o 它为8 端输 入，8 端输出。 数字量输出模块s m 3 2 2 均为6 e s 73 2 2 一l h f o l 加从0 。它为8 点继电器输出， 额定负载电压2 3 0 va c 2 4 vd c 。 模拟量输入模块s m 3 3 1 的订货号均为6 e s 73 3 1 7 k f o i - o a b o 。它可以接电压 和电流传感器、热电偶、电阻和电阻型温度计。输入点数为8 ，用于电阻测量时 为4 ，分辨率为1 2 b i t 。基本的电流电压测量范围由量程卡机械设定。 模拟量输出模块s m 3 3 2 的订货号为6 e s 73 3 2 5 h d o i - o a b o 它的分辨率为 1 2 8 i t ，输出点数为4 。电压输出范围为o l o v 1 0 v o 5 v ，电流输出范围为4 2 0 m a 2 0 i i l a 0 2 0 m a 其硬件组态图形显示如图2 2 所示 一一 s 目i o “l , 一 嘶蛔d f”j r l r i , i t ,仉i l 1 口c - d “ ” 4 4 i i l i 陈新强 澄7 磁i “。 2 圈c p l a 咖) 簖3 n - l l l 0 4 - o 棚 3 i m 瑚i 陀i y 0 j 轧 噔f 如- l 加l 电加 】 s h 1 i 玎 5 研就 l 肿i _ q 加 l 6 慨1 , 1 q 四盟1 肿l - 0 枷 l tm i l 抽t 5 啊i 堋b l 伽姒 e慨m l t晓鼙l 。硼l 删 如 g 强l 孤tb 掰h m i 伽 强 加 。h i a i t瞄7 艘硼l - 0 瑚 垃 图2 - 2p l c 硬件组态图 2 5p l c 的外围接线图 p l c 的部分外围接线图如图2 - 3 所示。( c f 2 b 一2 b 为可控硅控制器) 山东大学硕士学位论文 ( a ) l + l 3 二到f 2 ，b 、- 2 b 6 7 二a d f o u t1 1 7 c f 佗2 b 、- 2 b 三 1 0 。! 磊 i l 刊1 7 c 1 9 f m 2 b - 2 b m 2 0 ( c ) 2 4 v ( b ) ( d ) l 1 山东大学硕士学位论文 2 4 v il + 2 w 厂 3 i b 2 5 6 i 1 wi 厂 1 1 lb 2。至 兰 l 1 2 三 wl 广 1 3 l 出 1 4 1 5 i 1 6 l广 l l l 与生 1 9 i o o nk a ( e ) il + 2 3 5 6 7 至 ， 兰 1 2 1 3 l 1 5 2 0 m 图2 - 3p i c 外围接线 ( f ) l2 山东大学硕士学位论文 3 1 概述 第3 章红外测温系统的设计 根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分为接触式和非接触式两 大类。接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象接触，两者进行充分的 热交换，最后达到热平衡。非接触式温度测量是感温元件不与被测对象直接接触， 通过接收被测物体的热辐射能实现热交换红外测温是近几十年发展起来的新型 测温技术，为非接触式测温其原理是通过测量表征被测温度的物理参数来求得 被测温度的i 它不存在热接触和热平衡带来的缺点和应用范围的限制。红外测温 特别适合用于带电体，高温及高压物体的温度测量。现今红外测温已广泛用于产 品质量控制和监测，故障检测，安全保护以及节约能源等方面但测温大多是在 高温范围，对于常低温运用不是很多，这主要是由于常低温测温仪器通常是选定 长波长的辐射测量，而适于长波长辐射测量的传感器非常少，这就使得开发常低 温领域的辐射测温费用较高i 再者。由于被测物体并非绝对黑体，辐射测量得劲 的结果只是被测对象的假定温度，而不是真实温度，这就使得常温辐射温度的测 量还存在着许多困难。在干式变压器的绕组温度测量中，温度较低，约在0 2 0 0 c 范围内，但高压绕组侧的感应电动势较强，会将与其接触的传感器击穿，无法选 用传统的p t - 1 0 0 热电阻。通过研究，在该测控系统中选了用红外温度传感器进 行非接触式测量。 3 2 红外测温的原理与特点 3 2 i 红外测温的基本原理 自然界的任何物体，只要其温度高于绝对零度( - 2 7 3 c ) ，就会以电磁波的 形式向周围辐射能量。这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产 生的，其中与物体本身温度有关的传播热能的那部分辐射，称为热辐射 物体温度不同，其辐射出的能量不同，且辐射波的波长也不同，但总是包含 l3 山东大学硕士学位论文 着红外辐射在内向外发出的红外辐射，以光的速度传播能量，辐射能量的大小 及其按波长的分布，与它的表面温度有着十分密切的关系对于黑体物质而言( 也 就是能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量的物体) ，辐射的能量完全决定于 该物体的温度。但绝对黑体在自然界中是不存在的。 红外辐射的物理本质是热辐射物体的温度越高，辐射出来的红外线越多， 红外辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红 色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们 又将红外辐射称为热辐射或热射线 辐射测温的物理基础是普朗克( p l a n c k ) 热辐射定律、维恩( w e i n ) 位移定 律和斯忒藩一波耳兹曼( s t e f a n - b o l t z m a n ) 定律。由普朗克定律给出绝对黑体的 光谱辐射亮度l ( ，t ) 与其波长 、热力学温度t 的关系为 地驴石尚( 3 - 1 ) 式中： 为物体发出的辐射波长； c l ：3 7 4 1 8 1 0 1 唧m z ，为普朗克第一辐射常量； c 产1 4 3 8 8 1 0 k ，为普朗克第二辐射常量 根据普朗克公式可 制成图3 - 1 所示的绝对 黑体在不同温度下的光 。l 谱辐射曲线。 蕞 从图中可以看出，曲霎 线互不相交，这意味着辐 墨 射亮度在每一个波长下 纛 是严格的温度函数，通过 测定辐射亮度即可确定 物体的温度；每条曲线均 p l o l p l 一 i 旷 2 i o 1 0 l p l p l 一 4 i o z i 矿 有一个极大值，而且这个极值是随温度的降低而向长波长的方向移动：黑体的红 外辐射中含有各种波长的分量。各波长段的能量大小不同，不同温度下的曲线， l4 山东大学硕士学位论文 - i l l l i i i 一 辐射能量最大的峰值点的波长 和温度t 满足维恩位移定律，即 t = 2 8 9 8 ( u m k ) 。因此对温度在3 0 0 k 5 0 0 k 范围内的物体，其红外辐射的峰值波长约为 5 8 9 6 6 u m 。 物体的温度与辐射功率的斯忒藩一波耳兹曼定律给出 霄= c6r ( 3 2 ) 式中：c 为实际物体的发射率； 6 = 5 6 7 ) ( 1 0 m 2 k ，为斯忒藩一波耳兹曼常数； t 为热力学温度( k ) ； w 为物体单位面积所发射的辐射功率 可见，实际物体的总辐射功率与其热力学温度的四次方呈正比，即物体的温 度越高，发出红外辐射的能量也越大，而且只要温度有微小变化，就可引起辐射 能量明显的变化因此，通过测量物体自身辐射的红外能量就可准确测定该物体 的表面温度。 3 2 2 红外测温的特点 红外测温是比较先进的测温方法与接触式测温相比。其特点如下： ( 1 )红外测温是非接触测温，特别适合用于较远距离的高速运动物体、带 电体、高温及高压物体的温度测量； ( 2 )红外测温反应速度快，它不需要与物体达到热平衡的过程，只要接收 到目标的红外辐射即可测定温度，反应时间一般都在毫秒级甚至微秒级； 一( 3 )红外铡温灵敏度高由于物体的辐射能量与温度的四次方成正比，因 此物体温度微小的变化，就会引起辐射能量较大的变化，红外传感器即可迅速的 检测出来； ( 4 )红外测温准确度较高，由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分 布状况，因此测出的温度比较真实，其测量精度较高； ( 5 )红外测温范围广泛，可测零下数十摄氏度到零上数千摄氏度的温度范 围； ( 6 )红外测温方法安全性极强，由于其检测的是自然界无处不在的红外辐 】5 山东、大学硕士学位论文 射，又检测时不接触被检目标，因此对人员和设备材料都不会构成任何危害，几 乎可在所有温度测量场合使用 另外采用红外测温时，也有一定的要求： ( 1 ) 需知被测物体的发射率； ( 2 )被测物的辐射能充分抵达红外探测器； ( 3 )尽量消除背景噪声 3 2 3 红外传感器系统的工作原理 一个典型的红外传感器系统由光学接收器、红外探测器和信号处理系统等部 分组成，如图3 - 2 所示光学接收器汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的 大小由传感器的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在红外探测器上并转变为 相应的电信号将探测的信号经过信号处理系统进行放大、滤波，并从这些信号 中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或 者显示器中 光学接收器 红外探铡器 雎陟 图3 - 2 红外系统结构原理 红外探测器是红外系统的核心元件，它是把入射的红外辐射能量转变成为其 它形式能量的能量转换器。按照探测器的机理不同，可分为光予探测器和热敏感 探测器两大类。其中根据辐射引起材料升温引起的一些效应而制成的探测器，称 为热敏感探测器，其响应依赖子吸收的辐射功率常用的热敏感探测器有热敏电 阻、热电偶、热电堆和热释电探测器等。利用温差电效应制作的测辐射热电偶， 由一涂黑的接收面及能显示涂黑接收面温度变化的温差热电偶组成。接收面涂黑 16 山东大学硕士学位论文 是为了更有效的吸收外来的辐射热电偶的热端与涂黑接收面接触，其冷端与热 容量较大的物体接触，使冷端保持在环境温度当红外辐射被涂黑接触面吸收并 使其温度升高，进而使热电偶两端出现温度差。于是产生相应的电动势输出，测 量输出电动势即可测量出接收面温度的变化，以此来确定入射辐射的大小。 3 3 红外测温系统的设计 3 3 1l l o k v 千式变压器结构特点 山东金乡金曼克集团公司生产的l l o k v 环氧浇注干式变压器，其高、低压绕 组均采用分段圆筒式结构，并设置多层轴向散热气道该变压器在电气结构上组 成三相变压器，而在物理结构上则为三个独立的单相l o 5 m v a 1 1 0 k v 干式变压器， 其绕组的原边和副边分别套在铁芯的两侧这与现有的其它干式变压器的结构有 所不同变压器的绕组静止，在其上表面，局部有较大的测量平面，而且在其绕 组上方，变压器有一u 型上夹件在该测温系统中，对测量准确度要求不太高， 但对整个系统工作的可靠性要求较高。 3 3 2 红外温度传感器的选择与安装 。4 红外温度传感器有多种不同类型，可从测温范围、结构形式和设计原理等方 面进行划分。选用红外温度传感器也需从多方面进行考虑如在性能指标方面， 需考虑温度范围、光点尺寸、工作波长、测量精度等其它方面还需考虑使用方 便、价格和校准性能等在该测控系统中，经过综合考虑选用了e x e r g e n 公司的 i r t c 系列红外温度传感器。 一 e x e r g e n 的本安型i r t c 0 1 - k - 2 4 0 f 1 2 0 ( 2 红外温度传感器，标准包装带1 米 长电缆和两个安装螺母，其技术规格如下表所示； 测量范围 一4 5 2 9 0 环境温度 - 1 8 7 0 距离系数 l ：l 最小光点尺寸 8 m m l7 山东大学硕士学位论文 光谱响应 6 5 一1 4 u m 输出类型 k 型热电偶信号 阻抗 3 k q 发射率 o 9 0 预标定范围 2 4 0 f 1 2 0 c ( 8 0 _ 一1 2 0 ) 电源要求无需外接电源 响应时间 l o o m s 尺寸 3 2 5 中1 2 6 n n 重量4 0 克，包括电缆线 使用红外温度传感器时，还需选择合理的安装位置。变压器绕组温度的最高 点位于绕组的中上部，但在这个位置进行测量很不方便，因此一般采样绕组的上 表面温度作为变压器绕组的温度最高点1 l o k v 干式变压器有三相绕组，每相绕 组又有高压侧和低压侧之分。利用变压器用于紧固铁芯的u 型上夹件，在绕组上 表面的上方各安装一红外温度传感器，共6 个，使其距离绕组上表面1 5 m 左右 再将传感器连接到p l c 的模拟量输入模块上，所测温度信号经过放大和a d 转换 后。送入p l c 主机利用软件进行数据处理，最后处理过的数据再送显示屏进行显 示。系统框图如图3 - 3 所示 c 相 b 相a 相 图3 - 3l l o k v 干式变压器测温系统框图 山东大学硕士学位论文 3 3 4 温度信号的处理 红外温度传感器测温范围广泛，原理上可从超低温到极高温，但在1 0 0 0 c 以 下，测量误差较大。所选红外温度传感器的预标定温度范围为8 0 1 2 1 2 0 c ，在此 范围内，传感器的测量精度高，温度比较真实而在此范围之外，则需对温度进 行标定。 i r t c 系列红外温度传感器为k 型热电偶信号输出，可直接与p l c 的a d 模 块相连，采样信号经模块放大、滤波处理后，转换成分辨率为1 2 位的数字信号， 送入p l c 的c p u 。为进一步提高测量准确度，减少系统干扰，除在硬件上采取 一定的滤波措施外，还在软件上采用平均值滤波法，对信号进行数字滤波另外 在0 c 8 0 c 和1 2 0 1 3 0 的范围内，以p t - 1 0 0 热电阻所测的温度作为参照，对 p l c 中经过数字滤波的温度信号进行软件编程标定，使触摸显示屏的显示数据与 参照温度一致 经过滤波、标定后的温度信号，一方面送显示屏对当前温度值进行实时显示， 另一方面在p l c 内部作为控制信号，判断系统是否输出报警信号。 3 4 红外测温系统的特点 在1 1 0 k v 干式变压器测控系统中，所设计的红外测温部分具有如下特点： ( 1 ) 采用红外温度传感器进行非接触式测温，无需在绕组的绝缘介质上钻 孔，对变压器无任何损坏 ( 2 ) 响应速度快红外温度传感器不需要与绕组温度达到热平衡的过程， 只要接收到绕组的红外辐射即可测定温度，实时性好 ( 3 ) 所选红外温度传感器的体积小，尺寸为3 2 5 2 0 r a m ，安装使用方便 ( 4 ) 温度范围匹配红外温度传感器的测温范围相当广泛，但这不能由一 种型号的传感器来完成，每种型号都有自己特定的测温范围因此，被测温度范 围一定要考虑准确、周全，既不要过窄，也不要过宽。干式变压器绕组的温度范 围为0 c 2 0 0 c ，主要测控值集中在5 0 c 1 3 0 c ，所选红外温度传感器的测温 范围为一4 5 c 2 9 0 ，预标定范围为8 0 c 1 2 0 c ，满足被测温度范围的要求。 i9 山东大学硕士学位论文 t ( 5 ) 光学分辨率满足光学分辨率是红外温度传感器到目标之间的距离d 与测量光点直径s 之比( d ：s ) ，光学分辨率越高，红外温度传感器的成本也越高。 本系统所选红外温度传感器的光学分辨率为l ：1 该系统中，在绕组上表面，最 大被测光点尺寸可达3 0 r a m ，红外温度传感器安装在距绕组上表面约1 5 m 处。可 见，被测目标与红外温度传感器的距离满足红外温度传感器的光学目标范围。 ( 6 ) 所选红外温度传感器的响应光谱与被测物体辐射段匹配。由于红外辐 射能量微弱，为防止在大气传输中的损失，应考虑到大气窗口( 大气对某些波段 的红外线吸收甚少) 存在2 2 6 哪、3 5 r m 、8 1 4 m m 三个波段。对于不同温 度范围的设备，应用不同工作波段的测温仪器，可接收更多的辐射能量，提高测 温精度。干式变压器被测绕组辐射能量较大波段主要集中在8 1 4u m ，所选 i r t e 系列红外温度传感器的光谱响