（电力系统及其自动化专业论文）牵引变压器绝缘在线监测系统的开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t t r a c t i o nt r a n s f o r m e ri sac r i t i c a le l e m e n to fat r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e m i t sr e l i a b l ea n d c o n t i n u e d p e r f o r m a n c e i sk e yt os a f ea n dp r o f i t a b l eo f e l e c t r i c r a i l w a yp o w e rs y s t e m t h et r a d i t i o n a l o f f - l i n e g a sc h r o m a t o g r a m m e t h o di sm a i n l ya p p l i e dt oj u d g et h er u n n i n gs t a t u so ft h er u n n i n gt r a c t i o n t r a n s f o r m e r b u ti tc a n tt r a i lt h ed e v e l o p m e n to ft h ef a u l t y , a n di th a sm a n y o t h e r s h o r t c o m i n g s s u c ha sc o m p l e x i t yo fp r o c e s s i n g s oi t i sa l l u r g e n t p r o b l e mt h a t h o wt o d e v e l o p m e n tat r a c t i o n t r a n s f o f i l l e ro n - l i n em o n i t o r , w h i c hc a nf i n do u ti n n e rf a u l t yt og u a a n t e et h et r a c t i o nt r a n s f o r m e rs a f ea n d h i g h e f f i c i e n to p e r a t i n g ，a s w e l la si m p r o v et h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h e e l e c t r i cr a i l w a y c o m b i n e dw i t ht h es t r o n g p o i n to ft h ed i s s o l v e dg a sa n a l y s i s ( d g a ) a n d t h eo n 1 i n e m o n i t o r i n gm e t h o d ，t h e d g ao n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m f o r e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi sd e v e l o p e da b l et om o n i t o rt h ed i s s o l v e dg a si nt h e o i la n d a n a l y z e i tw i t h o u t s t o p p i n g t h ed e v i c e s a f t e r a n a l y z i n g t h e c h i na c t e r i s t i co ft h et r a c t i o nl o a da n dt h et r a n s f o r m e rf a u l t y , t h ed g ao n 1 i n e t o o l - i t o r i n gs y s t e mf o r t r a c t i o nt r a n s f o r m e rb a s e do nd g a t e c h n o l o g y i s d e v e l o p e d t or e a l i z et h eo n l i n em o n i t o rt ot h et r a c t i o nt r a n s f o r m e ro i l d i s s o l v e dg a sh 2 、c 0 、c 王4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h e “g u i d et ot h ea n a l y s i sa n dt h e d i a g n o s i s o f g a s e sd i s s o l v e di nt r a n s f o r m e ro i l ”，d u v a i st r i a n g l ea p p r o a c ha n d f u z z yt h r e er a t i oa n a l y t i ea p p r o a c ha r ei n t r o d u c e dt o o v e r c o m et h ei n h e r e n t d e f e c to ft r a d i t i o nt h r e er a t i oa p p r o a c h 1 1 他d i a g n o s i sm e t h o dt h a tc o m b i n e s t h ef u z z ya l g o r i t h mw i t hn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h mi sf u r t h e rd i s c u s s e da n d p r a c t i c e d i nt h i st h e s i s t h ed e s i g ni d e a sa n dt h er e a l i z a t i o no ft l l eo n 1 i n em o n i t o ra r e i n t r o d u c e di n d e t a i l ，i n c l u d i n g t h ew h o l es t r u c t u r e ，t h e p r i n c i p l e s o fm a i n m o d u l e s ，a n dt h ed e s i g no f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e y w o r d s ：t r a c t i o nt r a n s f o r m e r ，t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，o n l i n e m o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，i n s u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 第1 章绪论 1 1 牵引变压器在线监测的意义 我国现有电气化铁路约1 _ 8 万千米，而且正以每年约1 0 0 0 千米左右 的速度增长。预计到2 0 0 5 年将建成2 万千米的电气化铁路，约占全国路 网的3 0 3 5 ，将完成铁路总运量的6 5 7 0 ，其中高速或准高速电气 化铁路将达到6 0 0 0 千米左右。牵引变压器是铁路供电系统中最重要的 设备之一，是牵引变电站的心脏，其运行状况直接影响电气化铁路系统能 否安全、高效的运营，运行中，一旦出现故障，将会严重干扰铁路运输生 产。减少牵引变压器故障，则意味着提高电气化铁路的经济效益。 1 2 牵引变压器的运行特点 牵引变压器是电气化铁路最重要的设备之一，它直接担负着为列车供 电的重任。牵引变压器和普通电力变压器相比，工作条件更加恶劣，要不 断的承受过负荷和短路冲击( 一般情况下瞬时短路7 0 次年) 。1 ，寿命损 失严重。牵引变压器的故障首先表现为绝缘体系性能遭到破坏，同时由于 长期运行受到电、热、机械力和环境温度的影响，性能会逐渐降低，最终 丧失其应有的功能。 铁路牵引负荷属于一级负荷，不同于一般电力负荷。电力机车运行过 程中由于受到重量、流量、速度等各种工况以及运行中坡道、弯道、站场、 自然气候、司机操作等因素的影响，电气化铁道的牵引负荷具有了以下特 点【3 l 。 ( 1 ) 负载幅度变化大。当电力机车牵引的重量大、速度快，以及列 车流量增多或上坡时，牵引供电系统负载率就很高。据郑州铁路局记载， 负载可高达1 0 0 0 a 以上：反之，供电系统负载就很低，有时下降到3 0 0 a 以下，甚至没有负载。因此，负载大小变化非常悬殊。 ( 2 ) 平均负荷率低，但过负载能力要求高。牵引供电系统平均负载 并不大，据统计单线电气化铁路牵引变电所无载率占4 0 5 0 f 2 5 j ，但要求 短时过载系数却很高，牵引负荷属于脉冲式变动较大的负荷。在陇海线( 郑 宝段) 牵引变压器国际招标技术条件中，提出要求过载系数为3 时，可持 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 续2 分钟；过载系数为2 时，可持续1 0 分钟；过载系数为1 2 5 时，可持 续6 0 分钟。只所以要求这么高的过载能力，是为了保证电气化铁路运输 能力充分发挥，又能使变压器经济运行。 ( 3 ) 负载周期变化频繁。我国铁路是客货混运，2 4 小时均有列车运 行，因此牵引供电系统不但负载幅度变化很大，而且负载周期变化相对频 繁。铁路列车流量的疏密程度，决定了负载周期变化频繁的程度。例如， 在贵昆线高原型牵引变压器技术条件中，就规定一昼夜负载周期变化6 次，计3 5 小时。 ( 4 ) 负载陡变。牵引供电系统是为移动的电力机车供电，负载变化随 机性很强。电力机车在上、下坡时，可能突然加载或断电运行。使的供电 系统的负载可能突然增加和降低。在一个供电区间内已有一列电力机车运 行，又开迸歹，其负载可能突然增加一倍：反之，开出列，负载又可 能减少一半，因此，牵引供电系统的牵引负载是阶梯形陡变负载。 ( 5 ) 随机波动性强【4 】。由于列车在运行过程中的加速、恒速、惰行、 制动等各种工况以及运行中坡道、弯道、站场、道岔、自然气候、司机操 作过程等因素的影响，使牵引负荷随机波动。本文采集到的一组实际负荷 曲线如图1 - 1 。 图1 1 一组实际的牵引负荷曲线图 ( 6 ) 非线性情l 。现行的电力机车多为交一直( a c d c ) 整流型的，即 用于牵引电机的直流电是经交流电全波整流得到，这是一个非线性过程， 故亦称牵引负荷为非线性负荷。正常运行时牵引电流的波形一般介于方波 与三角波之间，易见它们含有明显的谐波成分。谐波引起附加发热，加速 绝缘介质劣化，降低了绝缘寿命。 根据牵引供电系统的特点，铁道部在广泛调查、大量测试的基础上， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 提出了典型负载曲线如图1 2 ，1 3 ，它们基本反映了牵引变压器的负载特 性。由于牵引冲击性负荷的以上特点，牵引变压器的绕组温升、绝缘破坏 以及线圈之间的电磁力、机械摩擦等都比一般的电力变压器更为严重。 图1 2 典型负载曲线( i ) 图1 - 3 典型负载曲线( i i ) 1 3 牵引变压器油中气体含量与对应故障类型的关系 牵引变压器是特种变压器中的一种，其故障模式主要是机械、热和电 三种类型，以后两种为主，且机械性故障常以热的或电的故障形式表现出 来。牵引变压器的内部故障主要分为过热性故障、放电性故障及绝缘受潮 三种。下面分别分析此三种故障【3 z 】。 ( 1 ) 牵引变压器过热性故障”“” 过热性故障是由于热应力造成的绝缘加速劣化，具有中等水平的能量 密度。牵引变压器过热故障是最常见的内部故障，它对变压器的安全运行 和使用寿命造成了严重威胁，变压器运行时有空载损耗、负载损耗和杂散 损耗等，这些损耗转化为热量，当产生的热量和散出的热量平衡时，温度 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 达到稳定状态。当发热量大于预期值，而散热量小于预期值时，就发生了 过热现象。变压器过热故障的主要原因可归结为：分接开关接触不良引起 的为5 0 ；铁心多点接地和局部短路或漏磁环流占3 3 ：导线过热和接 头不良或紧固件松动占1 4 4 ；因局部油道堵塞造成局部散热不良占2 6 。尤其牵引变压器经常承受冲击负荷的影响，研究表明与同等级的电力 变压器相比寿命损失严重，相对寿命损失率可达1 2 4 5 例。 若热应力只引起热源处绝缘油分解，所产生的特征气体主要是c h 4 、 c 2 h 4 ，且随故障点温度升高c 2 h 4 占总烃的比例平均为6 2 5 ，其次是c 2 h 6 和h 2 ，据统计c 2 h 6 一般低于总烃的2 0 。高、中温h 2 占氯烃( h 2 + c i + c 2 ) 总量的2 5 以下，只有低温过热时，一般为3 0 左右。这是由于 烃类气体随温度上升增长较快所致。过热性故障一般不产生c 2 h 2 ，只在 严重过热时才会产生微量，其最大含量也不会超过总烃的6 。当涉及固 体绝缘材料时还会产生大量的c o 、c 0 2 1 5 】。 ( 2 ) 牵引变压器放电故障p 4 j 放电故障是在高电场作用下造成的绝缘劣化所引起的变压器内部的 主要故障，按能量密度不同分为不同的放电故障类型。 1 、电弧放电：又称为高能量放电。以线圈匝、层间击穿为常见，其 次是引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障模式。其特点是产气急 剧、量大，尤其是匝、层间绝缘故障，因无先兆现象。一般难以预测，最 终以突发性故障暴露出来。故障特征气体主要是c 2 h 2 和h 2 ，其次是大量 的c h t 和c 2 h 4 。由于故障速度发展很快，往往气体来不及溶解于油中就 释放到气体继电器中，故油中气体含量往往与故障点的位置、油流速度和 故障持续时间有很大关系。一般c 2 h e 占总烃量的2 0 , - - 7 0 ，h 2 占氢烃量 的3 0 - - 9 0 ，绝大多数情况下c 2 h 2 的含量高于c h 4 的含量。 2 、火花放电：一般是低能量放电。即一种间隙性放电故障。常发生 在以下情况，引线或套管储油柜对电位未固定的套管、导电管放电：引线 局部或铁芯接地片接触不良，而引起的放电：分接开关拨叉电位悬浮而引 起的放电。故障特征气体以c 2 h 2 、为主，因故障能量小，一般总烃含 量不高，油中溶解的c 2 h 2 在总烃中所占比铡离达2 5 9 0 ，c 2 h 。的含量 则小于2 0 ，h 2 占氢烃总量的3 0 以上。 3 、局部放电：当变压器油纸绝缘中含有气隙时，由于气体的介电系 数小而击穿场强比油和纸的都低，在运行中常因此而发生局部放电。一般 刚放电时放电量不超过几百皮库，但气隙放电发展到油中也出现局部放电 的时候，放电量可达到几千到几十万皮库，往往引起绝缘纸层损坏而逐渐 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 发展到严重事故吲。 局部放电给变压器绝缘带来极大的危害。造成破坏作用的因素有： 热应力作用、带电微粒的轰击、局部放电时产生化学活性物的作用以及冲 击波和辐射线的作用等。变压器发生局部放电时，放电处会产生高温，加 速油纸绝缘材料的老化，影响其绝缘寿命：还会发生化学反应，产生臭氧 和氧化氮等气体，这些气体对绝缘材料起腐蚀作用，给牵引变压器绝缘带 来极大的危害。当变压器内部发生局部放电故障时，油中的气体组分含量 随放电能量密度的不同而不同，一般总烃量不高，主要成分为h 2 ，其次 是c 2 h 4 ，通常h 2 占氢烃量的9 0 以上，c h 4 占总烃量的9 0 以上。局部 放电的能量密度增高时也会出现c 2 h 2 ，但在总烃中所占比例一般小于2 ， 这是与电弧、火花放电现象区别的主要标志。 无论哪种放电，只要涉及固体材料的故障或老化。就会产生c o 、c 0 2 。 ( 3 ) 牵引变压器绝缘受潮故障1 5 - 6 水是变压器绝缘系统的大敌，电力运行部门在历次进行制定的变压 器防事故措施中都规定要防止水分及空气进入变压器，以尽量控制绝缘材 料中的含水量。这是因为，油纸绝缘系统吸潮会使绝缘材料降解老化、 介质损耗增加、绝缘电阻降低、局部放电起始电压也随之降低，最终导致 变压器的运行寿命的缩短。为了提高绝缘材料的电气强度，变压器制造厂 商也都规定了极为严格的干燥工艺标准，推荐新产品的绝缘纸( 板) 含水 量上限为o 5 ，一般都控制在0 1 o 3 的范围内，变压器油含水量控制在 1 5 l z l l 以下1 5 】【10 1 。 1 、水分对变压器运行安全的影响( 1 0 1 2 1 由于水是较强极性的液体( 介电常数为8 l ，比油、纸的介电常数高的 多) ，变压器中含有的水分，更容易被强电场所吸引。含水量的增加会导 致介电强度的下降。使油和介质表面的击穿强度大大降低，对变压器的安 全运行造成极大的危害。d l t 5 9 6 - 1 9 9 6 电力设备预防性试验规程中规 定了油和纸含水量的临界值，如表1 1 中所示 表1 - 1 含水量的临界值 电压等级，k v 投运前的油f ( m g l )。运行油( m e , l )绝缘纸( 扳) 含水量 6 6 1 1 02 0 3 5 2 2 01 52 5 3 3 3 0 5 0 0 1 0 1 5 l 2 、绝缘受潮的原因【1 0 1 2 变压器绝缘受潮主要由以下几种因素引起【1 3 】：1 ) 密封不良。变压 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 器密封部位密封不严会导致雨水侵入变压器。如果水分沿一定的路径渗漏 到线圈上，导致线圈匝间短路，从而引发事故。2 ) 水冷却器漏水。水冷 却器管道开裂或开焊，大量水分进入变压器油中，引起线圈烧毁。3 ) 进 油管道的内部及陶管均压球内部有积水安装时未清理干净，水分随油淋 到器身上，引起绝缘事故。4 ) 凝结水流入。变压器油中的水分蒸发至储 油柜内，遇冷凝结。5 ) 带油运输变压器，运输中发生气侧渗漏，安装时 未发现，投入后引起线圈烧毁。6 ) 吊罩检查，器身暴露空气受潮，注油 前真空处理不彻底，造成水分在绝缘中集中，引发绝缘事故。 3 绝缘受潮的判断方法“”1 d l t 5 9 6 1 9 9 6 电力设备预防性试验规程指出，判断变压器绝缘 受潮主要依靠绕组绝缘电阻、介质损耗以及绝缘油的测试等。当牵引变压 器内部受潮时，油中水分和含湿气的杂质，易形成“小桥”引起局部放电 而产生h 2 ：水分在电场作用下的电解作用和水与铁的化学反应，也可产 生大量的h 2 。故障受潮设备中h 2 在氢烃总量中占比例更高，所以可以通 过检测变压器油中的氢气含量来判断绝缘受潮故障。 牵引变压器油中溶解气体含量与对应故障的关系基本与电力变压器 相同，当由于冲击负荷的作用，油中c o 的浓度相对较高，应弓i 起注意。 表卜2 中给出了不同故障类型对应的特征气体组分“”。 表1 - 2 不同故障类型产生的气体组分 故障类型主要气体成分次要气体成分 油过热c h 4 c 2 h 2h 2c 2 h 6 油和纸过热c h 4 c 2 h 2 c o c 0 2h 2c 2 h 6 油纸绝缘中局部放电h 2 c h 4c oh 2c 2 h 6c 0 2 油中火花放电h 2c 2 h 2 油中电弧 h 2c 2 h 2c h 4c 2 h 4c 2 h 6 油和纸中电弧h 2 c 2 h 2 c o c 0 2c h 4c 2 h 2 c 2 h 6 进水受潮或油中气泡h 2 1 4 牵引变压器在线监测及故障诊断技术的发展现状 国外电力变压器在线监测技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代，经过四十 多年的努力，它已经发展成为了几乎独立的一门学科，在电工领域受到广 泛重视，其研究领域已从理论到实践，直至实用装置的开发。我国从2 0 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 世纪8 0 年代初开始逐步开展了电力设备在线监测方面的研究。 目前变压器在线监测项目主要包括绝缘油中气体含量、局部放电、介 质损耗因数、绕组热点和变形、绝缘油中微水含量等“8 4 ，其中局部放电 和油中溶解气体是最主要的两种在线监测方式”“。这些在线监测的数据可 以及时反映变压器绝缘状况，对于即早发现故障，防止故障进一步扩大很 有帮助。将这些数据引入到变压器的故障诊断中，可以提高诊断的实时性 和准确性。 油中溶解气体分析方法( d i s s o l v e dg a s a n a l y s i s ，简称d g a ) 作为目 前电力系统中对充油电力变压器常规检测使用的最重要监测手段之一，因 能即时发现变压器内部存在的潜伏性故障，在以往的运行中消除了不少事 故隐患。据统计，我国电网中有5 0 以上的故障变压器是通过该方法检测 出来【2 2 】。随着计算机技术的发展，基于d g a 技术的变压器在线监测技术 得到了加快发展，国内外研制成功了一系列变压器油中溶解气体在线监测 装置。这类装置按检测对象可以分为三大类：测量单一氢气、测量可燃性 气体总量、测量多组分气体【2 3 。 ( 1 ) 测量单一氢气组分的在线监测装置【7 】【2 4 。5 】 其中有加拿大s y p r o t e c 公司的h y d r a n ；骏达国际有限公司的 a m s 5 0 0p l u s c a l i s t o 变压器油中溶解氢在线监测仪；北京电子管厂生 产的b g y ：电力科学研究院研制的d o g 1 0 0 0 都是测氢装置，它们对氢 气都有很高的灵敏度和很好的选择性。 ( 2 ) 测量可燃性气体总量的在线监测装置【7 l 可燃性气体总量指h 2 、c o 和各种气态烃类含量的总和。这类装置以 日本三菱电力公司t c g 检测装置为代表，只给出可燃性气体的总量，不 能给出某一组分的单独含量，且结构复杂，造价高。 ( 3 ) 多种气体的在线监测唧2 如 其中美国a v o 公司的t r u e g a s 变压器油中气体在线监测设备；澳大 利亚红相电力设备集团的d r m c c 变压器在线监测控制系统；美国 c o n e d i s o n 利用红外光谱的原理来在线分析并测量变压器油中c h 4 、 c 2 h 4 、c o 、c 0 2 、c 2 h 6 的体积分数，用一个氧化物的电化学传感器测量 h 2 的体积分数。 由于变压器故障的多样性，再加上引发这些故障的原因非常复杂且难 以区别，往往是几种故障伴随同时发生，要准确的判断变压器故障性质及 故障发生的部位相当困难。在过去的二十多年中，国内外专家在这方面作 了大量的工作。目前在变压器故障诊断中应用较多的是传统的油中溶解 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 气体分析法( d g a ) ，即通过对变压器油中溶解气体的分析来判断变压器存 在的故障，形成了一系列故障诊断算法，如i e c 推荐的三比值法、r o g e r s 法、d o r n e r b u r g 法等，它们共同的特点是对变压器油中溶解的h 2 、c 叱、 c ：、c 2 h 4 、c ：h 。、c o 、c 0 ：的比值进行编码，然后由相应的编码查出对应的 故障。为了弥补这些方法存在的“编码盲点”问题，一些学者又在这些方 法的基础上，引入专家系统、人工神经网络、模糊数学、进化遗传算法“”。 等方法来对变压器故障进行判断，取得了一定进展。 国内宁波理工监测设备有限公司，重庆大学，上海交通大学，西南交 通大学等研究机构都在研制相应的电力设备在线监测产品。 在线监测及故障诊断技术在电力系统中已经得到了广泛应用，但是在 牵引供电系统中尚未见到专门的设备【2 6 l 。国外对牵引变压器绝缘的评估主 要沿用电力变压器的标准一i e c 3 5 4 油浸式电力变压器负载导则。国外 牵引变压器的在线监测系统基本上采用电力变压器在线监测及故障诊断 系统来代替，忽略了牵引变压器的特殊性【2 7j 。目前，电力变压器在离线的 情况下，可以通过测量变压器油中糠醛、特征气体的含量、变压器油的击 穿电压、介质损耗等参量来评估其绝缘状况“3 “2 ；在线情况下，普遍采用 检测变压器油中溶解特征气体的含量来对其绝缘状况进行评估。 国内已有少数试点牵引变电所采用了在线监测设备，但是几乎清一色 的使用了国外的在线监测产品口。而参考的标准也是电力变压器的标准 j 。由于铁道供电系统的特殊性，采用国外的产品并不能很好反映中国电 气化铁道牵引变压器的内部状态，而且价格昂贵。因此研制一种低价格、 高性能，可与电气化铁道综合信息管理系统连接，使各部门可随时获取牵 引变压器的状态信息的牵引变压器在线监测及故障诊断装置具有很高的 使用价值和经济价值。 1 5 本论文的主要工作 当前，变压器在线监测及故障诊断技术已经在电力部门得到了广泛应 用，并取得了不错的效果。为提高电气化铁道牵引变压器运行的安全性及 可靠性，研制一种经济高效的在线故障诊断系统成为亟待解决的问题。 论文在研究牵引变压器运行负荷特点及内部故障与油中溶解气体关 系的基础上，开发了基于d g a 技术的牵引变压器在线故障诊断系统 ( t t m ) 。 本论文共分为四章，第二章讲述了牵引变压器在线监测及故障诊断系 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 统的硬件设计；第三章讲述了牵引变压器在线监测及故障诊断系统的信息 管理软件设计；第四章讲述了对牵引变压器在线故障诊断系统的故障诊断 算法的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章牵引变压器在线故障诊断系统硬件设计 本章将讲述论文工作期间研制的牵引变压器油中气体在线监测及故 障诊断系统( t t m ) 的总体设计方案与硬件功能的实现。 2 1 总体设计 牵引变压器在线监测故障诊断系统结构简易，安装方便，运行可靠， 反应灵敏。主要包括油气分离、数据采集及自动控制、上位机信息管理软 件等三大模块，具体结构如图2 1 所示： 图2 一l 牵引变压器油中气体在线故障诊断系统结构图 如图2 2 所示，牵引变压器放油阀上安装只渗透气体而不渗透油的透 气膜以实现自动油气分离，气体信号的转换则是通过一种特制的复合色谱 柱将混合气体逐次分离然后依次接气体传感器，将气体信号转换为电压信 号，经过放大、滤波处理后由数据采集系统进行模数转换、幅值分析、浓 度计算等。同时，检测数据自动传送到主计算机( 上位机) ，进行长期分 析和管理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 系统具有两种工作模式：手动检测模式与自动检测模式，平时整个系 统运行在自动检测模式下，可以由上位机管理系统设置自动检测周期。直 到接受到安装在色谱仪外壳的手动检测键或上位p c 机命令后，手动检测 模式爿被激活并进入相应的处理程序，手动方式是为了便于安装调试。 牵引变压器浊中气体浓度通过数据采集电路的到的数据经过简单计 算存入下位机存储器中( 可以保留两年的采集数据) ，所有保留在存储器 中的溶解气体浓度通过r s 4 8 5 通信接口传给上位机，上位机把接收到的 数据存入相应的数据库，可供故障诊断系统使用。 1 气路扳；0 电路扳：3j 化嚣；4 搬空气袤；j 气# 接感量；6 括涟闲；t 、8 、1 6 电磁问； 9 戚, j l ；1 0 加蠛电阻：1 1 气室；1 2 变压嚣：1 3 敲油翻：1 4 沮度任聃1 5 色谱控 图2 - 2 牵引变压器油中气体在线监测结构图 2 1 1 油气分离模块 牵引变压器在线监测及故障诊断系统，首先要解决的是油气分离问 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 题。油气分离模块主要作用是将油中溶解气体从变压器油中分离出来，它 通过相应的接口装置安装于变压器放油阀上。 油气分离常用的方法有真空法和机械振荡法，但这些方法需要的仪器 较多、操作复杂，不适合在线监测1 3 0 3 1 1 。采用高分子膜的方法，可以克服 上述方法的缺点。高分子膜能阻挡油的渗透，而只要膜两侧的气体存在压 力差，油中气体可以自动地通过高分子膜脱出来。因此在本系统中采用高 分子透气薄膜实现油气分离，有效地透过h 2 、c o 、c h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、 c 2 i - t 6 等6 种气体。这些气体将进入一个密闭性良好的气室储存起来，它和 商分子透气薄膜构成了整个油气分离模块。 高分子膜油气分离效果试验在四川省电力试验研究院完成。试验对比 发现聚酰亚胺c t 复合膜可以达到设计要求。试验数据如表2 - 1 所示： 表2 - 1 高分子膜透气试验数据统计表 时间( h ) 气体组分( p p m ) h 2 c o c 2 h 4c 2 h 2总烃( c l + c 2 ) 3 61 3 5 69 7 53 54 44 8 1 4 21 3 7 31 0 2 54 14 44 9 2 6 01 4 5 69 4 94 14 44 9 4 6 61 3 3 19 7 ，33 84 44 9 1 8 413 8 19 6 13 74 44 9 实验后膜前油样 7 61 5 i5 244 0 根据试验所得到的数据来看，h 2 、c o 、c 2 h 4 、c 2 h 2 和总烃的平衡 系数分别是1 8 、6 4 7 、1 3 5 、1 1 、1 2 5 ( 此平衡系数是指气室中的气体 浓度比油中气体浓度) 。试验结果表明，经过3 6 小时后，高分子膜两侧的 气体基本达到平衡。 2 1 2 特征气体分离单元 本牵引变压器在线监测及故障诊断系统的特征气体分离单元采用色 谱柱的方法。气相色谱柱可分为填充柱和空心毛细管柱两类，都是由柱管 和固定相( 化学药剂) 组成的。填充柱制备简单，性能稳定，是使用最普 遍的一种柱型。色谱柱的分离效能与所选固定相的性质、用量、粒度、柱 管的长度、直径、形状、装柱工艺、操作参数等有直接的关系。减小柱内 径或增加柱长度都有利于提高柱效。但柱内径过小或柱太长，不利于气体 流速、缩短分析时间：而内径过大或柱太短。柱效下降、分离度降低。因 此，在保证分离度的前提下，应尽量缩短柱长、减小柱内径。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 实验室经过长期的试验研究采用将某国产填料与进口填料按一定比 例混合的方法制成了复合色谱柱，对h 2 、c o 、c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h z 、c 2 h 6 混合气体具有良好的分离效果。图2 3 为该色谱柱分离特征混合气体经过 气相色谱仪测试得到谱图。 图2 - 3 色谱柱测试色谱图 2 数据采集及其控制模块设计 电路板由数据采集、数据处理和存储、通信以及人机接口等模块组成， 整个装置的数据可以保存2 年以上，每天可设定定时采样，系统拥有故障 自检的功能，通信方式可以通过跳线选择。数据采集精度达到3 。 2 2 1 下位机硬件总体设计 本系统采用a t 8 9 c 5 8 和c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ) 3 2 1 芯片构成控制系统的核心，并完成大部分的数据暂存、逻辑判 断、片选生成和总线驱动等功能。它们与外围的存储芯片、时钟芯片、通 讯电路、显示电路及开关量输入输出回路共同构成了整个硬件系统。电路 框架如图2 - 4 。下面，论文将介绍采集控制电路的主要功能模块。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 图2 - 4t n d 中的数据采集和功能控制电路板 2 2 2c p u 模块 c u p 选用a t 8 9 c 5 8 ，该芯片拥有3 6 k b 空间的r o m ，有足够的空间 存放下位机程序，不需要额外扩展片外r o m 。a t 8 9 c 5 8 属于m c s 一5 1 系 列单片机的派生产品与标准的8 0 5 2 单片机完全兼容只是增大了内部程序 存储器的容量。它由8 个部件组成，即微处理器( c p u ) 、数据存储器、 程序存储器、i o 口( p 0 口、p l 口、p 2 口、p 3 口) 、串行口( t x d 和r x d ) 、 中断系统及特殊功能寄存器( s p r ) 【4 3 1 。它们都是通过片内单一总线连接 而成，其基本结构依然是通用c p u 加上外围芯片的模式，在功能单元上 采用特殊功能寄存器的集中控制方法。 a t 8 9 c 5 8 单片机在本系统中起着核心作用。一方面，它和c p l d 按 设定的流程完成油中气体在线检测；另一方面，利用其串行口( r x d 和 t x d ) 与主控计算机进行相互通信，并对接收到的命令进行处理。启动一 次检测后，c p u 控制继电器打开电磁阀，使检测气经色谱柱进入传感器； 控制a d 转换器i c l 7 1 3 5 开始采集气敏传感器原始数据，并将数据及数 据采集的周期记录到r a m 中，当完成一次采集后，对r a m 中的原始数 据进行处理，计算特征气体浓度；当上位机发出命令时，c p u 可以通过 串行日将数据传给上机的进行故障分柝：此外该c p u 还能通过键盘设定 采集参数，并通过l c d 模块进行显示。 2 2 3o p l d 模块 c p l d 和f p g a 是8 0 年代中后期出现的，其特点是具有用户可编程的特 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 性。c p l d 主要是由可编程逻辑宏单元( l m c ，l o g i cm a c r oc e l1 ) 围绕中 心的可编程互连矩阵单元组成，其中l m c 逻辑结构较复杂，并具有复杂的 i 0 单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的 功能。由于c p l d 内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以 设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预 测的缺点“”。 总结上面所分析，c p l d 具有如下特点；1 ) 体积小、重量轻、功耗低； 2 ) 可靠性高，用a s i c 芯片进行系统集成后，外部连线减少，因而可靠性 明显提高；3 ) 易于获得高性能，a s i c 是针对专门应用而特别设计的；系 统设计、电路设计、工艺设计之间紧密结合，这种一体化的设计有利于获 得自f 所未有的商性能系统：4 ) 可增强保密性，电子产品中的a s i c 芯片对 用户来说相当于一个“黑匣子”，难于仿造：5 ) 在大批量应用时，可显著 降低系统成本。 在本系统中，利用x i l i n x 9 5 0 0 系列9 5 7 2 c p l d 芯片本身集成的逻辑 门，c p l d 的功能设计采用了原理图方法，把片选译码、开关量输入输出 等电路全部集成在一片c p l d 芯片中大大减小了系统的体积，降低了成 本，提高了可靠性。 在本系统中，c p l d 的主要功能如下：1 ) 生成片选信号，包括r a m ( i s 6 2 c 1 0 2 4 ) 、l c d 、时钟芯片( d s l 2 c 8 8 7 ) 等；2 ) 单片机数据总线驱动； 3 ) 实现r a m 分段存储控制；4 ) 输出控制信号，用于控制继电器、系统状 态指示灯、牵引变压器运行状态指示灯。5 ) 监控继电器的状态。6 ) 开入 多路按键开闭动作信号，经或门触发单片机外部中断；7 ) 将外部时钟频 率进行分频，得到大小不一的多个时钟频率，并供给相应的芯片使用。 2 2 4a d 转换模块 气敏传感器输出信号一般为m v 级，非常微弱，而且色谱信号频率比 较低，不要求很高的采样频率，但需要分辨率较高的a d 转换器件以保 证转换精度。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 图2 - 5i c l 7 1 3 5 与a t 8 9 c 5 8 单片机的连接 本系统选用的a d 转换器是美国i n t e r s i l 公司生产的单片集成4 位半 双积分i c l 7 1 3 5 芯片。由于i c l 7 1 3 5 具有4 位半的精度( 相当于1 4 位二 进制数) 、自动校零、自动极性输出、单一参考电压、动态字位扫描b c d 码输出、自动量程控制信号输出、价格低等特点，所以广泛应用于微控制 的应用系统和各种精度较高的数字仪器等领域。 i c l 7 1 3 5 片内具有电压比较器、极性触发器、过零检测、逻辑控制电 路、b c d 码计数器、5 个锁存器、数字多路选通开关等部件。其中5 个锁 存器分别用来锁存a ，d 转换后个、十、百、千、万位( 该位只有0 和1 ) 的b c d 码值，并通过数字多路开关将转换后的数据由万位到个位将b c d 码分时输出。其与单片机的连接如图2 5 所示。 2 2 5 数据存储模块( e 2 p r o m ) m i c r o c h i p 公司提供的2 4 l c 2 5 6 为容量为3 2 k b 的c m o s 工艺的电可 擦除、可编程的串行程序存储器。该存储芯片具有与微处理器接口连接简 单、占用系统资源少、成本低、抗干扰能力强、功耗低、可断电保存数据 2 0 0 年以上、擦些次数最少1 0 万次等优点。本系统采用两片2 4 l c 2 5 6 将 容量扩展到6 4 k b 进行现场数据的写入和读取。其扩展如图2 - 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图2 6 两片2 4 l c 2 5 6 的扩展图 2 4 l c 2 5 6 遵守2 线传输协议，总线空闲时方可进行数据传输，但所有 操作均起始于初始化条件，结束于停止条件，传送的控制字节，地址及数 据均采用高位在前低位在后的8 位串行格式，都是在s c l 时序信号的激 励下完成的。串行数据传输过程为( a ) s d a 线和s c l 线均为高电平时 表示总线空闲。( b ) 在总线空闲状态下，s d a 线由高电平跳变为低电平 的过程称为本次操作的初始化条件。( c ) 数据传送结束后，在s c l 线为 高电平时，使s d a 线由低电平跳变为高电平的过程称为本次操作的停止 条件。( d ) 数据写入过程：s c l 为低电平期间，允许s d a 线上的数据改 变，即在此时方可将写入的位数据置于s d a 线上；s c l 为高电平期间， s d a 线上的数据不可改变，2 4 l c 2 5 6 内部地址和响应信号有效，完成数 据位的存储。数据读出过程：s c l 为低电平期间，同样允许s d a 线上的 数据改变，此时可将与s d a 引脚相接的c p u 端口设置为输入，为读入数 据做好准备；s c l 为高电平期间，2 4 l c 2 5 6 把读出的位数据放在s d a 线 上，读指令将位数据读入c p u 内。但无论是读操作，还是写操作，每8 位数据传送完成后，在s c l 线上需要增加个额外的时钟信号，以完成 2 4 l c 2 5 6 内部操作。 2 2 6 显示及键盘模块 显示屏采用f y d l 2 8 6 一0 4 0 2 b 液晶显示模块。f y d l 2 8 6 - - 0 4 0 2 b 内置 2 片h d 6 1 2 0 2 液晶显示驱动器、一个h d 6 1 2 0 3 作为驱动器，可显示6 4 k 的点阵图形，其特点为：可以以图形、字符及图形和字符混合三种方式进 行显示；具有6 4 k 的内部存储器。本系统中，液晶显示模块在装置空闲 时主要显示系统当莳的时间、上一次的检测数值等信息。采用6 个按键作 为键盘如图2 7 所示，主要用于完成手动设置报警阀值，电路复位等功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 图2 7 键盘示意图 键1 ：同一级菜单的上个菜单 键2 ：返回 键3 ：确定 键4 ：同一级菜单的下一个菜单 键5 ：数字减小 键6 ：数字增加 2 2 7 通讯模块 系统采用了r s 4 8 5 和r s 2 3 2 两种通信方式，r s 2 3 2 主要用于下载下 位机程序代码以及程序的调试。r s 2 3 2 驱动电路选用m a x 2 0 2 a 芯片。 m a x 2 0 2 a 功耗低、集成度高、片内集成电荷泵，只需外接+ 5 v 电源具 有两个收发通道，接口电路简单、可靠性高。为了防止干扰信号对下载代 码的干扰，同时为了保证计算机的安全，系统在r s 2 3 2 驱动电路中加入 了隔离光耦。 r 8 4 8 5 串口主要用于和上位机管理信息系统之间的通讯，包括上传 检测数据、接收上位机传来的控制指令等等。r s 4 8 5 驱动电路采用的是具 有瞬变电压抑制的r s 4 8 5 收发器m a x l 4 8 0 8 。m a x l 4 8 0 8 片内a 、b 引 脚接有高能量瞬变干扰保护装置，从而显著地提高了器件抗过电压瞬变的 可靠性。过电压瞬变是指超过线路工作电压的非正常高压脉冲，其宽度可 以从几十毫秒至几毫秒。引起过压瞬变的来源通常是雷电、静电放电和交 流电故障。普通的r s 一4 8 5 收发器很容易被过压瞬变损坏，如果要有效地 加以保护，一般需外接包括隔离变压器在内的保护器件。若使用 m a x l 4 8 0 8 ，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件，是一种可 靠、低价和简单的设计方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 3 下位机软件设计 下位机软件采用了c 5 1 计算机语言编写，主要软件模块包括：系统自 检程序、a d 采集程序、显示程序模块、键盘响应程序模块、e 2 p r o m 读 写模块、通信程序包、继电器通断控制程序、时钟芯片读写程序、一次检 测程序模块、气体浓度处理模块( 包括浓度计算、校准程序) 等功能如图 2 - 8 所示。 2 3 1 主程序 模 数 转 换 子 程 序 下位机软件结构圉 数 字 滤 波 子 程 序 通 讯 中 断 服 务 r 程 序 主 程 序 按 链 处 理 子 程 序 检 测 及 浓 度 计 算 子 程 序 图2 8 下位机软件结构图 其 他 子