（电气工程专业论文）电力变压器冷却器自动控制装置的研制.pdf

摘要 电力变压器的安全可靠运行和使用寿命，在很大程度上取决于变压器的运 行条件，而在诸多的影响因素中变压器的运行温度状况起着至关重要的作用，因 此通过变压器冷却控制系统对变压器进行温度监测与控制是十分必要的。 传统的大型变压器冷却系统的自动控制，是采用继电开关为主的电器控制线 路，冷却系统易频繁启动，继电开关易腐蚀、老化而出现故障，且无法于调度自 动化通信。 本文提出了一种以a t 8 9 c 5 1 单片机和固态继电器s s r 为主要控制器件的油 循环风冷变压器冷却系统自动控制装置的原理和实现方法。装置以变压器负荷， 油面温度相结合的控制策略进行冷却器的投切控制，以冷却器组累积运行时间基 本均衡为原则进行循环投切，克服了老式继电开关硬接触易产生的粘连、接触不 良的缺陷。介绍了自动投切功能模块的软件设计和通讯模块软件设计。装置还具 有保护、故障定位、信息显示、通讯等功能。试验运行表明，该装置运行可靠， 控制准确，具有显著节能、延长设备寿命效果。 关键词：变压器冷却系统单片机固态继电器自动控制 a b s t r a c t t h es a f e t yr e l i a b i f i t ya n dl i f e s p a no ft h ep o w e r 仃a n s f o h n e ri sb a s e do n c o n d i t i o no fo p e r a t i o n t h et e m p e r a t u r ea m o n gt h ec o n d i t i o ni s v e r yi m p o r t a n t t r a n s f o r l n e rt e m p e r a t u r em u s tb ec o n t r o lw i t ht h ec o o l i n gu n i t t h e 打e d i t i o nc o o l i n gc o n t r o ld e v i c ei nt h ep o w e tt r a n s f o l r n e rt h e r ei sm a n y s h o r t c o m i n g s ：f r c q u e n ts t a r t i n gm o t o ra n dr e l a ys w i t c ha g e i n ga n du n a b l e c o m m u n i c a t i o nw i md i s p a t c ha u t o m a t i o ne t c t h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o no fan e wc o o l i n gc o n t r 0 1d e v i c ef o rf o r c e d o i l - c i r c u l a t e da i r - c o o l e dt r a i l s f o n n e rb a s e do n 也ec h i pm i c r o c o m p u t e ra t 8 9 c 51a n d s s ri sp r e s e n t e d t h ec o m p r e h e n s i v es w i t c h i n gc o n t r o l i sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h e t r a n s f o r m e rl o a da n dt h et r a n s f o r m e rt e m p e r a t u r e t h es t r a t e g yo f t h ec y c l i cs w i t c h i n g c o n t r o li sb a s e do nt h eb a l a n c eo ft h ea c c u m u l a t e do p e r a t i n gt i m eo ft h ec o o l i n gu n i t g r o u n t h es o r w a r ed e s i g no ft h es w i t c h i n gc o n t r o lm o d u l ea n dt h ec o m m u n i c a t i o n m o d u l ei sd e s c r i b e d t h ed e v i c eh a so t h e rf u n c t i o n ss u c ha sp r o t e c t i o n ，f a u l tl o c a t i n g i n f o r m a t i o nd i s p l a y , c o m m u n i c a t i o na n ds oo n t h er e s u l t so fi t so n s i t ea p p l i c a t i o n s h o wt h a tt h ed e v i c ei so f1 - f i 【曲o p e r a t i o nr e l i a b i l l t ya n dc o n t r o la c c u r a c y a n dc a n p r o l o n gt h es e r v i c el i f eo f t h ec o o l i n gu n i ta n ds a v ee n e r g ye f f e c t i v e l y k e y w o r d ：t r a n s f o r m e r c o o l i n gs y s t e mc h i pm i c r o c o m p u t e rs s r a u t o m a t i cc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弱茳番 签字日期：，j 年萝月矽同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼太兰有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 角，童屏 签字日期：，时年穸月如同 导师虢孝街0 签字日期：五彩厂年扩月乡护r 第一章绪论 第一章绪论 电力系统是由生产、输送、分配、消费电能的发电机、变压器、电力系统 和各种用电设备联系在一起组成的统一整体。在电力系统的送电、变电、配电和 用电等环节中，变压器是一个重要的设备。它对电能的经济传输、灵活分配和安 全使用具有重要的意义。此外，变压器在电能的测试、控制和特殊用电设备上也 应用很广。因此，电力变压器的安全使用就显得十分重要，尤其是保证变压器维 持低的油温是电力变压器安全运行的基础，所以配以功能齐全的、十分可靠的冷 却系统是很重要的。目前对变压器冷却装置的研究比较多，本文将提出我们的研 究方案，以便厂家的选用，提高电力系统的供电可靠性。 1 1 电力变压器的冷却控制系统在变压器运行中的重要性 变压器是一种通过改变电压而传输交流电能的静止感应电器，它有一个公共 的铁心和与其交链的几个绕组，且它们之间的空间位置不变。当一个绕组从电源 接受交流电能时，通过电感生磁、磁感生电的电磁感应原理改变电压( 电流) ， 在其余绕组上以同一频率、不同电压传输交流电能。变压器作为发电厂和变电所 的主要设备之一，其作用有两个，一是满足用户电压等级的需要，二是减少电能 在输送过程中的损失。就其重要性来讲，我们通常称变压器为变电所的“心脏”。 因此，变压器在电力系统中是一个非常重要的设备。它对电能的有效传输、灵活 分配和安全使用具有重要的意义。 电力变压器的基本结构部件是由铁心、绕组和绝缘所组成。与此同时，为了 保证电力变压器的安全运行，还装设有油箱、冷却装置和保护装置。其中，油箱 是油浸变压器的外壳，变压器主体放在油箱中，箱内充满变压器油。铁心是磁力 线的通路，起集中和加强磁通的作用，同时以支持绕组；绕组是电流的通路，产 生感应电动势。在油枕和油箱的联管上装有瓦斯继电器，来反映变压器的内部故 障。冷却装置是将变压器运行中产生的热量散发出去的设备。也是本文所研究讨 论的重点。此外还有温度控制仪来监测温度等。 对于供电部门而言，对变压器的维护就成为供电设旖维护的核心，其主要原 因是：( 1 ) 电力交压器是变电站“心脏”，无论是从位景上还是从作用上来讲都 是最重要的；( 2 ) 油循环冷却变压器的结构和运行环境导致了变压器的出事的几 率较大，当变压器出现故障后，将会引起大面积的停电，就会严重的影响电力系 统的稳定运行和供电可靠性，所以电力变压器的安全维护在电力系统中起着至关 第一章绪论 重要的作用。 变压器的损耗主要是铜耗和铁耗，而这些损耗最终都转化为热量，从而使变 压器的铁心和油温温度升高。而此热量以传导和对流的方式向外扩散，实验与分 析表明，变压器运行时产生的热量8 0 以上集中于绕组和铁心，它将直接影响变 压器的寿命。根据研究，变压器绕组温度每升高6 ，使用年限将缩短一半，也 就是所谓的绝缘老化6 。c 规则，所以对变压器实现降温控制是非常必要的。 变压器的冷却装置是将变压器在运行中由损耗所产生的热量散发出去，以保 证变压器可以安全正常的运行。变压器铁心和线圈的损耗所发出的热量，在使油 受热上升，热油沿箱壁以及散热管片向下流动的过程中，将热量传给箱壁和散热 管片，再由它们向周围冷却介质散发热量，保证变压器在额定温升下能够正常运 行。油冷变压器根据油的循环方式可分为自然循环式和强迫循环式。根据油被冷 却的方式不同又可分为自然风冷、强迫风冷、强迫水冷。 油浸自冷变压器的基本冷却原理为：油吸收油箱中绕组和铁心产生的热量后 上升进入散热器在散热管内，靠对流和辐射作用，油将热量散给周围环境。变压 器容量不同，所需的散热器形式也不同。散热器有单排和多排管式。为了增加散 热量，可在散热器下边加风扇，成为自然循环强迫风冷式变压器，自冷变压器的 冷却方式主要适用于小容量的变压器。近年来大容量的巨型变压器采用了强迫油 循环的导向冷却方式，即用油泵使用定的压力，将变压器油箱上部的热油吸入 冷却器流过冷却管，铁心与绕组中产生的热量被具有一定流速的冷油带走，在空 气侧由风扇将空气吸入，使之流过管组，吸收热量，吹出冷却器外，冷却后的油 从冷却器下端再进入变压器油箱内，从而实现变压器的冷却目的，使变压器在安 全的温度下运行。 根据一般的情况，各种冷却系统的配置情况一般由其电压等级来决定。3 5 k v 以下的电力变压器的冷却系统采用不吹风散热器的自然冷却装置；l l o k v 变压器 的冷却系统一般采用吹风散热器；而2 2 0 k v 及以上的电力变压器的冷却装置采 用强迫油循环风冷或水冷的冷却装置。 1 2 传统的风扇冷却控制系统 1 2 1 变压器冷却方式 变压器的冷却方式有下列几种 ( 1 ) 自然风冷却； ( 2 ) 强迫油循环风冷却： ( 3 3 强迫油循环水冷却； 第一章绪论 ( 4 ) 强迫油循环导向冷却。 小容量变压器一般采用自然风冷却方式。变电所的大容量变压器一般采用 强迫油循环风冷却。在电厂里因水源充足，强迫油循环水冷却及强迫油循环风冷 却均有采用。 1 2 2 传统变压器冷却控制系统的工作情况 1 自然风冷却 自然风冷却变压器的工作情况如下： 风扇电动机电源由接触器供给，其起动回路有手动和自动两种方式。自动 控制由变压器温度和变压器负荷电流起动。当变压器油温达到某一定值( 如4 5 ) 时，通过接触器启动一组风扇：待到变压器温度至第二定值( 如5 5 ) 时， 启动第二组风扇；或变压器负荷电流达到规定值，中间继电器触点闭合起动接触 器。当温度低于第一定值时，风扇停止运行。 2 自动控制强迫油循环风冷式散热器 ( 1 ) 电源自动切换 为了提高运行的可靠性，冷却系统的电源配备两套，它们互为备用，且 进行连动。 ( 2 ) 工作散热器的投、停 把转换开关转到“工作”位置时， 启动，潜油泵和风扇投入运行。 转换开关再转到“停止”位置时， 和风扇停止运行。 接触器线圈通电而合闸，电动机 接触器线圈断电而分闸，潜油泵 ( 3 ) 辅助散热器的投、停 把转换开关转到“辅助”位置时，散热器的投入与停止便由电力变压器的 负荷和温度变化来自动控制，动作原理与前面“自动投、停风扇”相同。 ( 4 ) 备用散热器的投、停 把转换开关转到“备用”位景时，散热器便作为处于“工作”或“辅助” 位置的其他散热器的备用。当运行中任一只“工作”散热器或“辅助”散热器发 生故障时，备用散热器的接触器线圈通电而合闸，潜油泵与风扇投入运行。 ( 5 ) 信号 当发生下面的情况时，发出直流灯光信号 ( a ) “工作”和“辅助”散热器发生故障，“备用”散热器投入时。 ( b ) “工作”电源i 或“工作”电源i i 发生故障时。 ( c ) 散热器全停时。 第一章绪论 1 2 3 传统的风扇冷却控制系统的弊端 电力变压器的安全可靠运行和使用寿命，很大程度上取决于变压器的运行条 件，而在诸多的影响因素中变压器的运行温度状况起着至关重要的作用，因此对 变压器进行温度监测与温度控制是十分必要的。随着科技的进步这种监控必将由 自动控制取代人工控制，这种自动化的实现不但可以节约人力，节省电能，同时 也有助于提高控制的可靠性与实时性。 目前，绝大部分变压器的降温方式是空冷、水冷、油冷，世界上最早的变压 器是1 9 世纪后期出现的以空气作为冷却和绝缘介质的变压器。为保证安全工作， 必须保证足够的绝缘间隙，选择相应的绝缘材料。由于加工技术的限制以及缺乏 适当的绝缘材料，这种变压器很难向大型发展。 变压器油具有绝缘性，且液体的换热系数远远大于气体，因此油冷变压器相 继问世，该冷却方式噪音大，不适合在建筑物内使用。如在散热器与油箱连接处 加一油泵便成为强迫油循环变压器。这时油的流速增加，换热系数增大。采用这 种方式的变压器在满负荷时可采用强迫油循环吹风冷却，而在4 0 负荷时，可采 用油自然循环冷却。强迫油循环水冷却及强迫油循环风冷却均有采用。 强迫油循环水冷却方式能提高散热能力、冷却效率高、节约材料、减少安装 面、变压器油的耗量少。但这种冷却方式需要有一套水冷却系统及较多的附件， 维护工作量较大。 传统的变压器冷却控制装置却存在的主要弊端是： ( 1 ) 冷却器控制回路存在着一定的设计缺陷； ( 2 ) 温度的硬触点控制引起冷却器频繁起停； ( 3 ) 冷却器组设定的运行、辅助、备用、停止四种固定状态不能在线调整； ( 4 ) 继电式开关因腐蚀老化故障率较高； ( 5 ) 无法与调度自动化通讯，或者虽然可以传送信息，但是由于传输误差很 大而使得传输的信息变得没有意义。 1 3 采用单片机或p l c 方式的冷却控制系统 国内的变压器厂家应用户的需要，已经在回路设计、元器件选用、控制箱的 控制等方面作了大量的研究，国外的变压器生产厂家也已经研制了基于可编程控 制p l c 控制的l l o k v 变压器冷却系统的自动控制装置的研制。 1 3 1 可编程序控制器在大型变压器冷却控制系统中的应用 此种方法介绍了如何采用高可靠性的可编程序控制器( p l c ) 及其相应的丌 第一章绪论 关量和模拟量模块、配以变压器温度传感器，冷却器电流、电压传感器。对变压 器的冷却器控制与保护系统进行改造。提出了采用变压器温度及温度变化率结合 冷却器组累积运行的时间，自动均衡控制冷却器组运行状态，并以冷却器组运行 电流、电压对冷却器组进行各种故障自适应保护的原理和方法。 可以实现的功能有，冷却器组电流的数显及联锁，实现冷却器组的缺相、短 路、电流过大与电源缺相等自适应保护与报警；控制装置电源采用交直流2 2 0 v 互备用，具有事件记忆和上电自启动及装置的自诊断功能。 ( 1 ) 将变压器温度与温度变化率相结合，来判定冷却机组的启停。 e = l q k ：n , 6 j _ 1 冷却机组启停的条件是变压器的温度，其温度测量值可表示为： 式中，k 。变压器实际温度转化为模拟量比例系数 k 。一一- - p l c 数模转化比例系数 n i 变压器温度离散测量值 对测量值0 进行均值平滑处理后，可将变压器温度分成几个不同的区域。 在每个区域，根据温度变化值( 0 ) 是上升还是下降的趋势，并考虑机组 的启停时间和实际系统工况形成冷却器组运行综合控制解析式： t = e + 0 t = b 式中，0 变压器温度2 分钟的变化率，摄氏度。 t 冷却器组启停延时时间，分。 a ，b 可调整因子，根据变压器的容量、温度范围、温度变化率、 散热条件和冷却器组功率及运行经验综合考虑取值。 0 值的大小直接反映了变压器负载变化的大小、当变压器负载突然急速增 大时，会引起变压器温度的急速上升，a0 也会随之急剧增大；但当变压器负载 突然降低时，因变压器的散热不会象发热那样快，ao 只能缓慢降低。因此，反 映变压器温度变化率也即变压器负载变化情况的调节系数a 和启停冷却器的时 间系数0 就要适时改变。这样，当变压器的温度还没到达规定值时，就会因变压 器温度的上升趋势使冷却器组提前投入；同样当变压器温度在下降阶段充分冷却 后，才能关闭冷却器组。否则过早关闭冷却器组会使变压器温度再次上升引起冷 却器组频繁启停。滞后投入冷却器组会使变压器温度急剧上升。 ( 2 ) 根据各冷却器组累积运行的时间，选择累积运行时间最小的投入运行。 以温度综合表达式控制的是冷却器的组数。当式( 2 ) 中t 在一定的范围时， 启动相应的冷却器组，至于启停哪几组决定于每个冷却器组目前累积运行时间的 统计和排序。在排序中当冷却器组连续运行一定时间后发出一个重新排序切换命 第一章绪论 令，使冷却器组轮流工作，均衡使用。同样，当有冷却器组投退或故障时也发一 个重新排序切换命令，尽快启动好冷却器组和退出故障或需检修冷却器组，并将 退出或故障冷却器组排在序列最后，以故障( 或退出) 标志及排序将自然被淘汰 但保留退出或故障冷却器组当前累积运行时间值，以备再恢复运行时使用。 ( 3 ) 冷却机缎的自适应保护 为克服传统冷却控制装置热继电器保护方法存在的缺陷、有人采用自适应保 护原理，使冷却器组保护、电源缺相保护和出口时间保护的整定值，随冷却器组 运行状况和故障类型的实际情况而改变，可表示为； id z = 入i n t d = ；t p ：= 0 式中，i 一电流定值，a t 。时间定值，s i 。冷却机组额定电流，a p i 电源三相电压逻辑量( 1 ，0 。i = a 1 ，b 1 ，c 1 ，a 2 ，b 2 ，c 2 ) 入、e 调整系数 为使保护的定值按上式整定，p l c 实时在线检测冷却器组和供电电源的每相 电流、变压器温度和运行冷却器组数，然后根据冷却器组运行状况、故障类型、 变压器湿度和电源状态等实时确定相应的调整系数九、l 。 如电源缺相，在冷却器组运行时发生这种故障其判据为： 1 ) 至少有一个开入逻辑量p i = 0 ； 2 ) i 6 0 r ( 3 9 3 0 a ) ，r 根据不同季节与冷却器组发热积 累值( 见图3 ) 自动调整，确保冷却器组充分发挥潜能。 1 3 2 变频技术在变压器冷却控制中使用 ( 1 ) 变压器运行中温度变化原因分析 引起变压器运行中整体温度变化的原因主要有变压器的损耗和环境气温的 第一章绪论 影响。变压器损耗包括变压器的空载损耗和负载损耗，其空载损耗在变压器投运 后就一直存在，负载损耗则随变压器所带负荷的大小而改变，变压器负载越大， 则损耗越多，变压器的温升就越高；负载变化越大，变压器的温度变化就越大。 另外从全国电力负荷市场全年运行变化的实际情况来看，天气越冷或越 热，用电负荷增长就越快，变压器的温升就越高；即使在同一天，由于昼夜温度 的变化和负荷峰谷差的变化叠加，更是造成变压器温度大幅度变化的一个主要因 素。由于以上各种因素的影响，造成变压器温度在不断变化，从而影响到变压器 的长期安全运行和使用寿命。 ( 2 ) 大型变压器现行的冷却装置配置和运行特点 目前我国大型电力变压器的冷却装置配置情况是：根据变压器容量的大 小，配置数组风冷油循环冷却装置，每组风冷油循环冷却装置由l 台油泵和3 4 台风扇组成。运行中为满足变压器的各种运行工况，一般要求冷却器1 台备用( 运 行冷却器故障时可自动投入运行) 、1 台辅助( 变压器负荷电流大于7 0 i e 或上层 油温高于某一定值时自动投入运行) 、其余所有冷却器全部投入运行。 ( 3 ) 利用变频技术，使控制风扇输出功率与变压器散热功率相吻合 随着变频技术的成熟和在实际生产中的成功应用，改变变压器冷却装置的运 行控制方式为变频方式也是一件较为简单的事情。利用变频技术，控制和调整大 型电力变压器冷却装置的输出功率尽可能与变压器的总损耗相等，同时结合变压 器油温和环境气温的反馈调节，从而将变压器上层油温控制在一个较小的给定范 围，这对变压器的安全、经济运行和延长其使用寿命具有重要的意义。 具体的改动设想如下： ( 1 ) 冷却装置中油泵的原控制方式保持不变，即保持变压器内原设计油 流特性不变，这样不论变压器的油温变化有多大，但其各部的油温仍是一样的， 不会产生温度差。 ( 2 ) 变压器各组冷却装置中风扇的控制方式改为变频控制，即用变动的风 量来调整冷却装置的输出功率，使其达到与变压器的总损耗相致，实现变压器 的发热与冷却装置散热相平衡，以维持变压器上层油温的恒定。 1 3 3 分阶段根据温度变化将几组风扇投入的模糊控制方式 以六组风扇为例： 经过理论推导，变压器的损耗与温度的关系是一条直线：冷却器的散热功 率与温度的关系也是一条直线。所以在设计中只要保证冷却器的散热功率与温度 关系的直线斜率远大于变压器的损耗与温度关系的直线斜率。这样，就能使得变 压器的损耗功率小于散热功率，两条直线必有一个交点即变压器的损耗与散热 功率达到一种平衡关系，就可保证变压器的温升不超标。 第一章绪论 因此，当变压器损耗直线上升时，只要在保持温度1 i 变的条件下i ，做出新 的冷却器散热功率与温度关系直线，直线斜率即对应投入的变压器风扇数。即可 在不同的温度阶段投入最佳数量的风扇。 但由于精确计算难于实现，冷却器投运功率与变压器的损耗之间的量的关 系也难于确定，因此我们可以把冷却器的控制分为5 个运行方式，进行模糊控制。 这5 个运行方式会根据温度的变化进行自动的调整，使得变压器始终工作于一种 比较理想的状态。 第一种方式为低温运行方式，温度低于3 5 全停冷却器；第二种方式为3 5 4 5 ，这时投入3 组冷却器：第三种方式为4 5 5 5 ，投入4 组冷却器；第四种 方式为5 5 6 5 投入5 组冷却器；第五种方式为大于6 5 ，投入所有冷却器。 在上述任何一种情况下，如果有一个冷却器故障退出时，均应投入备用冷却 器，并发出冷却器赦障信号： 如果有两组冷却器故障时，立即投入剩下所有的冷却器，并发出严重冷却 器故障信号； 1 4 本文实现的风扇冷却控制系统的功能 我们采用单片机技术实现对变压器风扇冷却系统进行改造，可以实现变压器 温度的自动检测和自动控制，同时用无触点交流功率开关取代现在普遍采用的会 引起频繁故障的继电式开关来控制风扇的自动投切。并对风扇进行适当分组，同 时根据现场情况采用一些更为灵活可靠的控制策略，提高风扇的使用寿命和整个 变压器系统的安全可靠性。而且由于单片机可以直接与上位机( 微机或通讯管理 机) 进行通讯，因此能把变压器的温度信息及风扇的运行状态信息准确及时的送 到远方。 我们设计开发的一种自动控制设备实现了对变压器温度的自动监控。它是采 用单片机技术以a t 8 9 c 5 1 为控制器设计了对变压器温度进行自动监测和控制的 自动化系统，可用于监测变压器的温度，并实现自动控制风扇投切，变压器过热 报警。同时按照运行条件的不同，系统可以分组分别投入风扇，而且通过数字实 现让用户随时了解每台变压器的温度情况，提高了变压器运行的安全可靠性和维 护性。同时，我们还实现了根据变压器具体运行环境的不同可以自行设置风扇投 入及退出的温度控制值。较之目前正在使用的油循环风扇的冷却控制系统功能更 为垒面，控制更加方便及安全。 因为变压器风冷控制的可靠与否会关系到变压器是否能安全正常的运行， 在风扇的传统控制方式中，含有很多机械触点的元件，机械触点容易因打火而损 坏，这在很大程度上影响了控制回路的可靠性，同时也使控制装置占有较大的体 坏，这在很大程度上影响了控制回路的可靠性，同时也使控制装置占有较大的体 第一章绪论 积，不适应变电站综合自动化和无人职守变电站发展的需要。为此，本文还提出 了采用固态继电器( s s r ) 代替传统的交流接触器，实现变压器无触点风冷控制 的解决方案。 本系统采用了模块化设计，整个系统分成温度信号采集模块、温度信号数据 处理、输入模块、输出模块。实现的功能主要有： ( 1 ) 能够实现变压器温度的监测和数字显示。 ( 2 ) 以变压器负荷电流、顶层油温为依据，实现变压器冷却器组分组投切， 确保变压器运行中的油温控制，并能精确监视变压器油温、冷却器运行工况等信 息。 ( 3 ) 冷却器组的循环运行。根据每组冷却器的累积运行时间，均衡分配运 行时间，使冷却器组循环运行，避免按辅助、工作、备用分组，各组运行时间严 重不均衡的现象。 ( 4 ) 温度等运行参数可通过按键在线调整。 ( 5 ) 固态继电器作为执行元件，控制无触点化。 ( 6 ) 通过检测冷却器组电流电压，实现缺相、短路、过载、电源缺相等保 护，并能对冷却器故障显示、报警。 ( 7 ) 变压器超温、冷却器全停与变压器保护相配合，发出报警信号。 ( 8 ) 与变电站微机监控系统通信，上传变压器油温、冷却器故障等信息。 第二章变压器冷却系统新型控制方式的基础知识 第二章变压器冷却系统新型控制方式的基础知识 传统的变压器冷却系统的控制方式采用继电式接触器进行，它是根据温度测 量系统测得的变压器油温，进行冷却风扇的投切来实现对变压器油温的控制。它 由于开关触头的硬接触以及温度界限的硬限制，因而会造成触头的粘连或烧毁， 降低系统的可靠性。随着科学技术的发展，新型产品的出现，变压器冷却系统开 始逐步向智能化、无触点等方式发展。为此，本章先叙述一下新型控制技术的基 础知识。 2 1 存储逻辑和固态继电器 2 1 1 存储逻辑与p l c 在单片机控制系统中，使用单片机进行程序设计，也涉及了由硬件接线逻辑 向存储逻辑转变的概念。在某些方面，与p l c 类似。用单片机进行自动控制， 具有可靠性高，更改作用功能灵活等优点。因此，对相近的存储逻辑和p l c 也 进行部分阐述。 随着计算机技术的发展，存储逻辑开始进入工业控制领域。可编程控制器作 为通用的工业控制计算机，是存储逻辑在工业应用中的代表性成果。近3 0 年来， p l c 不断发展更新，其功能日益强大，已经成为工业控制领域的主流控制设备。 可编程控制器诞生前，工业电器控制主要使用低压电器构成的继电接触器电 路，它是以接线逻辑实现控制功能的。这样的设备一生产出来，功能就确定了， 若要改变就必须改变控制器内部的硬件接线，使用起来不灵活，也很麻烦。因此， 就需要采用程序修改的方式改变控制功能，这是从接线逻辑向存储逻辑转变的过 程。 单片机系统具有如下特点： t 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性往往是用户选择控制装置的首要条件。继电接触器系统中，由于器 件的老化、脱焊、触点的抖动，以及触点电弧等现象大大降低了系统的可靠性。 而在单片机系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上单 片机系统充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰。在硬件和软件 上采取了一系列抗干扰措施，使其有极高的可靠性。 2 适应性强，应用灵活 由于产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用，模块式的硬件结构，组合 和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简 第二章变压器冷却系统新型控制方式的基础知识 各异的控制要求。更重要的是，单片机系统相对继电接触器控制系统，接线很少， 其主要功能是通过程序实现的，在需要改变设备的控制功能时，只要修改程序， 修改接线的工作量很小。 3 编程方便，易于使用 4 功能强，扩展能力强 5 控制系统设计、安装、调试方便 6 维修方便，维修工作量小 7 体积小，重量轻，易于实现机电一体化。 2 1 2 固态继电器 固态继电器( s s r ) 既有放大驱动作用，又有隔离作用，很适合驱动大功率 开关或执行器件。s s r 是一种四端有源器件，其中的两端为输入控制端，输入功 耗很低，与t t l ，c m o s 电路兼容，另外两端是输出端，内部设有输出保护电 路，单向直流固态继电器( d cs s r ) 的输出端与直流负载适配，双向交流固态 继电器( a cs s r ) 的输出端与交流负载适配。输入电路与输出电路之间采用光 电隔离，绝缘电压可达2 5 0 0 v 以上。 a cs s r 又分为过零触发型( z 型) 和随机开启型( 又称调相型 p 型) 过零 触发型具有零电压关阔的特性，使用中对电网污染少，但它的输入端施加控制电 压后，要等交流电压过零时输出端才能导通，这有可能造成最大为半个供电频率 对应周期( 对于5 0 h z 市电为1 0 m s ) 的延迟。而对于随机开启型s s r ，输入端 施加控制电压后输出端立即导通。在输入电压撤销后，当负载电流低于双向可控 硅的维持电流时，s s r 输出才关断。大功率负载的随机开启有可能对电网造成污 染，导致局部供电系统波形的畸变。 s s r 的输入电路与t t l ，c m o s 电容兼容，输入控制十分方便，任何可以给出 t t l 电平的开关电路都可以用来驱动s s r ，例如晶体管开关电路，按钮开关电 路以及各种电源为+ 5 v 的m 或c m o s 数字逻辑i c 片。 s s r 利用现代微电子技术与电力电子技术而发展起来的，是一种新颖、无触 点电子开关。 基于s s r 自身的结构和工作原理，其具有以下特点： 1 无触点电路工作不产生火花； 2 无机械和电磁等噪声； 3 无机械触点抖动现象，无触点烧蚀和接触不良现象； 4 耐腐蚀、防潮、防露、防爆、防尘： 5 电磁干扰小，自身抗干扰性优良； 6 控制端和负载端之问高达2 5 k v 以上的隔离； 7 可与晶体管、h t l 和c m o s 电路直接接口： 第二章变压器冷却系统新型控制方式的基础知识 8 寿命长，可靠性高。 由于其具有以上特点，越来越多地被应用于电器设备的自动控制中作为自 动开关和遥控开关，作为控制与负载的间隔元件。 2 2 单片机相关技术 2 2 1l2 c 总线技术 i 2 cb u s ( i n t e li cb u s ) 是p h i l i p s 推出的芯片间串行传输总线，与s p i ， m i c r o w i r e p l u s 接口不同，它以二根连线实现了完善地全双工同步数据传 送，可以极方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。1 2 c 总线采用了器件地址 的硬件设置方法，通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址方法，从而使硬件 系统具有最简单而灵活的扩展方法。按照1 2 c 总线规范，总线传输中的所有状态 都生成相对应的状态码，系统中的主机能够依照这些状态码自动地进行总线管 理，用户只要在程序中装入这些标准处理模块，根据数据操作要求完成i 2 c 总线 的初始化，启动i 2 c 总线就能自动完成规定的数据传送操作。 i 2 c 总线应用系统的典型结构如图2 1 所示。 由于1 2 c 总线接口均为开路或开集输出，故需加上上拉电阻r p 。系统中所 有的单片机。外围器件都将s d a ( 数据线) ，s c l ( 时钟线) 的同名端相连在一 起，总线上锁头所有节点都由器件和引脚给定地址。 圈2 - 11 2 c 总线应用系统的典型结构 系统中可以直接连接具有1 2 c 总线接口的单片机，如8 x c 5 5 2 ，8 x c 6 5 2 ， m 8 6 h 0 5 t 7 等，可以通过i 2 c 总线接口扩展器件p c d 8 5 8 4 与不带1 2 c 总线接口的 各类单片机或其他微机处理器相连；通过与t 2 c 总线兼容的a c c e s sb u s 可以 第二章变压器冷却系统新型控制方式的基础知识 与通用计算机进行数据通讯；在1 2 c 总线上可以挂接各种类型的外围器件如 r a m e 2 p r o m ，日历时钟，a d ，d a ，以及y o 口，显示驱动器构成的各种模块。 从上述介绍可知，在单片机应用中，串行外围器件扩展采用1 2 c 总线具有较 好的扩展性能。还可以采用串行扩展总线的模拟传送。 无论s p i ，m i c r o w i r e p l u s 接口还是1 2 c 总线，在数据传输时都有严格的 操作时序，在单片机主系统中扩展数量不多的外围器件时，可以不考虑单片机是 否具有相应的串行接口或总线接口，只要选择合适的串行外围扩展器件，主单片 机可以使用普通i o 口来模拟s p i ，m i c r o w 脚i _ ，u s ，1 2 c 总线接口的数据传送 时序，实现对外围器件的读，写操作。这种模拟传送方式消除了串行扩展的局限 性，扩大了各类串行扩展接口器件的应用范围。 在上述的一些电路中，除与单片机直接相关的程序存储器，并行扩展的数 据存储器外，单片机对许多外围电路之间主要是实现控制功能，而且许多外设并 不要求很高的数据传送速度。为了简化系统，提高系统的可靠性，缩短产品开发 周期，增加硬件构成灵活性，提出了一种高效，可靠方便的串行扩展总线1 2 c 总 线。 1 2 c 总线有以下优点： ( 1 ) 可最大限度地简化结构 ( 2 ) 可实现电路系统的模块化，标准化设计 ( 3 ) 标准1 2 c 总线模块的组合开发大大缩短了新产品的开发周期 ( 4 ) 1 2 c 总线各节点具有独立的电气特性 ( 5 ) 1 2 c 总线系统构成具有最大的灵活性 2 2 2 光电隔离技术 信号的隔离目的之一是从电路上把干扰源与易干扰的部分隔离开来，使测控 装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干 扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。 一般工业应用的微机测控系统既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分。 为了使两者之间既保持控制信号联系，又要隔绝电气方面的联系，即实行弱电与 强电隔离，是保证系统工作稳定，设备与操作人员安全的重要措施。 光电隔离是由光电耦合器件来完成的。光电耦合是7 0 年代发展起来的新型 电子元件，是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端配置受 光器，因而输入与输出在电气上是完全隔离的。开关量输入电路接入光电耦合器 之后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被 挡在输入回路的一侧。除此之外，还能起到很好的安全保障作用，因为在光电耦 第二章变压器冷却系统新型控制方式的基础知识 合器的输入回路之间有很高的耐压值，达5 0 0 v 一1 0 0 0 v ，甚至更高。由于光电 耦合器不是将输入，输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行间接耦 合，具有较高的电气隔离抗于扰能力。具体原因如下： ( 1 ) 光电耦合器的输入阻抗很低( 一般为1 0 0 - 1 0 0 0 欧姆) 。而干扰源电阻一 般都很大( 1 0 5 1 0 6 欧姆) ，按分压比原理，传送到光电耦合器输入端的干扰电 压就变得很小了。 ( 2 ) 由于一般干扰噪声源得内阻都很大，虽然也能供给较大的干扰电压。 但可供出的能量却很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器的发光二极管只 有通过一定的电流才发光。因此，即使电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能 量，也不能使二极管发光，显然，干扰就被抑制了。 ( 3 ) 光电耦舍器的输入输出问的电容很小( 一般为o 5 2 p f ) ，绝缘电阻又 非常大( 一般为1 0 “一l o ”欧姆) 。因而被控设备的各种干扰很难反馈到输入系 统中。 ( 4 ) 光电耦台器的光电耦合部分是在一个密封的管壳内进行的。因而不会 受到外界光的干扰。 2 。2 3 单片机的抗干扰原理与方法 微机测控系统的现场运行环境恶劣，干扰严重，对计算机运行的可靠性与安 全性有很高的要求。这些计算机除了要求硬件的高性能和高千扰能力外，还需要 软件系统的密切配合。 软件抗干扰技术所研究的主要内容，其一是采取软件的方法抑制叠加在模拟 输入信号上噪声的影响，如数字滤波技术：其二是由于干扰而使程序发生混乱， 导致程序乱飞或陷入死循环时，采取使程序纳入正规的措施，如软件冗余，软件 陷阱，“看门狗”技术。 1 指令冗余技术 m c s - - 5 1 所有指令均不超过3 个字节，且多为单字节指令。c p u 复位后， 首先取指令的操作码，而后顺序取出操作数。当一条完楚指令执行完后，紧接取 下一条指令的操作码，操作数。这些操作时序完全由程序计数器p c 控制。因此， 一旦p c 因干扰而出现错误，程序便脱离正常运行轨道，出现“乱飞”。出现操 作数数值改变以及将操作数当作操作码的错误。 为了使“乱飞”程序在程序区迅速纳入正轨，应该多用单字节指令，并在关 键地方人为地插入一些单字节指令n o p ，或将有效单字节指令重写，称之为指 令冗余。 ( 1 ) n o p 的使用 1 4 第二章变压器冷却系统新型控制方式的基础知识 可在双字节指令和3 字节指令之后插入两个单字节n o p 指令，这可保证其 后的指令不被拆散。因为“乱飞”的程序即使落到操作数上，由于两个空操作指 令n o p 的存在，不会将其后的指令当作操作数执行。从而使程序纳入正轨。 对程序流向起决定作用的指令( 如r e t ，r e t i a c a l l ，l c a l l ，u m p ， j z ，n z ，j c ，j n c ，d j n z 等) 和某些对系统工作状态起重要作用的指令( 如 s e t b ，e a 等) 之前插入两条n o p 指令，可保证乱飞程序迅速纳入轨道，确保 这些指令正确执行。 f 2 ) 重要指令冗余 对于程序流向起决定作用的指令( 如如p e t ，r e t i ，a c u 工，l c j 蛆上，】肺伸， j z ，n z ，j c ，n c ，d j n z 等) 和某些对系统状态有重要作用的指令( 如s e t b ， e a 等) 的后面，可重复写下这些指令，以确保这些指令的正确执行。 2 软件陷阱技术 当乱飞程序进入非程序区( 如e p r o m 未使用的空间) 或表格区时，采用冗 余指令使程序入轨条件不满足，此时可以设定软件陷阱，拦截乱飞程序，将其迅 速引向一个指定位置，在那里有一段专门对程序运行出错进行处理的程序。 软件陷阱可采用表2 一l 所示的两种形式： 表2 1 软件陷阱采用的形式 程序软件陷阱形式对应入口程序 形式一 n o p0 0 0 0 h ：u m 呻h i a d i ： n o p 运行程序 l t n 口o o o o h 形式二l 黼0 2 0 2 h 0 0 0 0 h ：l i m pm a i n ；运行 l ，伊o o o o h 主程序 0 2 0 2 h ：啪0 0 0 0 h ：出错 处理程序 形式一机器码：0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 ，形式二：0 2 0 2 0 2 0 2 0 0 0 0 ( 1 ) 软件陷阱的安排 当未使用的中断对于扰开放时，在对应中断服务程序中设置软件陷阱，就 能及时捕捉到出错中断。在中断服务程序中注意：返回指令用r e t i 也可以用 l j m p 。 ( 2 ) 未使用的e p r o m 空间 现在使用的e p r o m 一般为2 7 6 4 ，2 7 1 2 8 芯片，很少全部用完。这些非程序 用区可用0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 或0 2 0 2 0 2 0 2 0 0 0 0 数据填满。但最后一条填入数据为 第二章变压器冷却系统新型控制方式的基础知识 0 2 0 0 0 0 he ( 3 1 非e p r o m 芯片空间 ( 4 ) 运行程序区 ( 5 ) 中断服务程序区 ( 6 ) r a m 数据保护的条件陷阱 3 “看门狗”技术 p c 受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死循环”。指令 冗余技术、软件陷阱技术不能使失控程序摆脱“死循环”的困境，通常采用程序 监视技术，又称“看门狗”技术( w a t c h d o g ) ，使程序脱离“死循环”。测控系统 的应用程序往往采用循环运行方式，每一次循环的时间基本固定。“看门狗”技 术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认 为系统陷入“死循环”，然后强迫程序返回到0 0 0 0 h 入口，在0 0 0 0 h 处安排一段 出错处理程序，使程序运行纳入正规。 “看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合起来实 现。 硬件“看门狗”技术能有效监视程序陷入死循环故障，但对中断关闭故障无 能为力；软件“看门狗”技术对高级中断服务程序陷入死循环无能为力，但能监 视全部中断关闭的故障。若将两者结合，可以互相取长补短，获得良好的抗干扰 能力。 2 2 4 开关量抗干扰措施 1 开关量输入软件抗干扰措施 输入信号的干扰是叠加在有效电平信号上的一系列离散脉冲，作用很短。当 控制系统存在输入干扰，又不能用硬件加以有效的抑制时，可以采用软件重复检 测的方法，达到去伪存真的目的。 对接口中的输入数据信息进行多次检测，若检测结果完全一致，则是真的输 入信号，若相邻的检测内容不一致，或多次检测结果不一致，则是伪输入信号。 两次检测之间应有一定的时间间隔t ，设干扰存在的时间为t ，重复次数为k 则 t =