干式变压器介绍

1、1、引言十式变压器在生产生活中，有着广泛的应用，但是十式变压器使用中出现绕组线圈 低温过热的问题大大缩短变压器使用寿命。针对这个问题，本文设计了一种新型智能温 度控制仪，具有绕组温度测量、变压器温度控制和远程通信等基本功能。首先，本文分析智能温度控制仪的功能和技术要求，对智能温度控制仪进行了总体 分析和设计。然后，设计智能温度控制仪的温度测量电路和软件，就温度测量中的温度 漂移误差，传感器引线电阻误差和电磁干扰问题进行分析，提出具体的解决办法。其次， 设计智能温度控制仪的监控系统，分别设计了温度显示、变压器温度控制，工作参数设 定和RS 一 485串口通信等功能单元，对由智能温度控制仪组成集散

2、监控系统的问题进行 讨论。此外，对智能温度控制仪的电磁兼容问题进行分析和设计。最后，对本文工作做出总结，展望了干式变压器智能温度控制仪的发展趋势。关键字 智能仪器温度测量变压器微处理器RS 一 485集散控制系统2、智能温度控制仪介绍2. 1智能温度控制仪是一种智能仪器智能仪器是计算机技术车u洳量仪器相绪合的产物，是台有微型计算机或微塑处理 器的测量仪器，由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，其有 一定耪能的作用（表现为智能浆延神和由B强等），函而称之为智熊仪器智能温度控制仪 内部采用了美国Cygnal公司生产的C8051F206单片机实现多通道潺度信号采集和采集数 据处理

3、，根据测蠡到平斌变噩器实对温度控制降温风枫，保证于式变压器工作在设定滠 度范围内，并具有一定的故障渗断功能和于武变压器工作温度纪录的功能。智能温度控 制仪是一种智能仪器，集中表现为以下三个特点：1、实现对测量过程软件控制。微处理 器控制测量通道切换，铡量故障自动诊甑；2、具有数据处理功能。对测量数据进行存储 及运芽豹数掘置理功能是智能仪器最突出的特点，智能温度控制仪的微处理器对溅量数 据的处理改善测量精度，补偿温度漂移的造成误差；并能储存设定羽工作参数；3、智能 仪器具有多种功能。智能温痉控制纹具有最机控带功能、通倍葫能和报警功能。2. 2智能温度控制仪的课题背景十式交援器在生产生活中有广泛的

4、使甩。僵燕，千式变压器绕组低温过热的试题， 大大缩短了十式交压器的使用寿命，是运行和制造部门蟥待研究解决的重要问题之一“。 电力变雉器在媾行过程中绝缘系统一直承受着化学性质的老化，该过程是积累性的，且 能罨致绝缘系统失去绝缘性骞良蠢喾亳力设备的安全运行，缩短变雎器使用寿命，造成 了巨大的浪费。保诞千式变压器绕组始终工作在额定温度范围内，是提高变压器使用寿 命，保证电力设备安全置作的重要措施。针对这种情况和工业实际需要，人工智能与机 器入研究所商沈阳菜公司的请求，开展了这方筒的研究工作，井设计了一种薪型智能溢 度控制仪。这种智能濑度控制仪采用了最新的微型处理器C8051F206,具有独特的温度信

5、 号采集系统，融合了电磁兼容技术，使得它能够具有高精度、高可靠性、高安全性。使 用智能温度控制仪能够控制变压器绕组工作在额定温度范围内，大大提高了十式变压嚣 使用寿命，保证千式变压器安全工作，具有非常重要的社会意义和怠好的经济效益。2. 3智能温度控制仪的功能要求温度测量和显示功能：对十式变压器绕组的温度实时测量，根据需要显示绕组的 最高温度或分别显示三个绕组温度；仪器故障诊断和显示功能：传感器开路或出现故障时，智能温度控制仪能够诊断 出故障，并发出卢、光信号报警，给出相应的开路指示信号；干式变压器智能保护功能：干式变压器温度达到一定值时，智能温度控制仪开启 风机，对变压器降温以保证于式变压器

6、绕组运行在额定工作温度范围内；当变压器绕组 温度持续升高超出额定温度范围时，智能温度控制仪发出报警；如果变压器绕组温度达 到危险温度时，智能温度控制仪发出跳闸信号.切断电源、保护变压器：“黑匣子”功能：智能温度控制仪可以记录变压器超过危险温度时刻的各相戈皇 温度告，片能k期深存和查阅；LjJ上作参数设定功能；智能温度控制仪的工作参数可重 新设定，方便于根据实际情况调整十式变压器的工作温度；降温风机的手动控制功能：用户可以手动控制风机的开关；智能温度控制仪在30 分钟后，重新恢复风机的自动控制；远程通信的功能：智能温度控制仪可以把十式变压器、降温风机和自身工作状态 和参数传输给远处的监控计算机：

7、也可以接受监控计算机的命令。2. 4智能温度控制仪的技术要求智能温度控制仪的技术要求以JB/T 一 763卜1994变压器用电阻温度计标准为 依据，确定智能温度控制仪的主要技术要求如下：传感器：Pt100测量范围：0. OC 200. 012涮量精度：0. 5级分辨力：0. 122使用条件：环境温度一 20C+55C相对湿度85% 电源电压单相220VAC(+lo%、一 15%)电源频率50Hz 一 60Hz电磁兼容性能：串模干扰和共模干扰：智能温度控制仪对共模2207(AC, 50Hz)或串模200mY(AC, 50Hz)干扰电压，显示和控制附加误差限的绝对值均满足标准要求；电快瞬变试验：智

8、能温度控制仪的电源线和输/k/输出端能承受频率为5KHz、 电压分别为IKV和0. 5KV的电快瞬变试验，显示值和控制附加误差限绝对值均满足标准 要求；静电干扰：智能温度控制仪能承受4KV的静电放电试验，显示值和控制附加争差 限的绝对值均满足标准要求；空问射频干扰：智能温度控制仪能承受频率为27MHz-5000MHz,场强为3v / m的 辐射电磁场试验，其显示值和控制附加误差限的绝对值均满足要求。3、智能温度控制器设计介绍完成的基本内容：智能温度控制仪总体设计。智能温度控制仪的温度信号测量系统设计。智能温度控制仪的监控系统设计；智能温度控制仪的电磁兼容性设计；特色内容：提出了一种全新的静态多

9、路数据采集系统的温度漂移误差的补偿方法。该方法只要 少量的元器件，配以适当的补偿算法，解决了环境温度变化造成的测量误差。4、智能温度控制仪的基本工作原理智能温度控制仪的基本工作原理图用2.1说明:图2.1智能温度控制仪工作原理图智能温度控制仪不断巡回监测变压器三相绕组的表面温度，一方面实时显示绕组的温度； 另一方面根据测得绕组的温度值控制降温风机的开启和关闭；绕组温度高于正常温度时， 启动风机对变压器降温；当绕组温度在正常温度范围内时，关闭风机。风机加快干式变 压器周围空气流速，使十式变压器的散出的热量尽快将周围空气带走，从而降低干式变 压器的工作温度。如果绕组温度持续升高，智能温度控制仪发出

10、报警信号，若绕组温度 再升高，切断变压器电源来保护变压器。另外，人们可根据需要设定智能温度控制仪的 工作状态和工作参数。可见智能温度控制仪具有测量和监测两大功能。5、智能温度控制仪的总体构想智能温度控制仪基本功能是测量绕组的温度，按JB/T-76311994变压器用电阻 温度计标准规定，确定传感器是Pt100（铂电阻）。当环境温度变化时，Pt100的电阻阻 值变化；采用激励源，把Pt 100的这种阻抗变化转化成电信号；采用小信号放大技术把 这个电信号放大、调理后输入A/D转换器变成数字量；微处理器对这个转换结果（采样 值）进行处理，最后得至H温度。这实际上是个数据采集过程，完成温度测量的功能。

11、可 以把这部分结构定义为智能温度控制仪的一个子系统温度测量子系统。根据智能温度控制仪功能要求，它不仅能够完成温度的测量，它还能够实时显示变 压器绕组温度，通过降温风机控制变压器的工作温度，并且可以根据需要设定温度控制 仪的工作参数等其他功能，把完成这部分功能的部分称为智能温度控制仪的一个子系统 监控子系统。电源在智能仪器中具有特殊的地位，一方面它为系统提供正常工作所需要的电能， 另一方面，它是各种电磁干扰传输的重要通道。为了突出电源的重要性，把电源定义为 智能温度控制仪的一个子系统一一电源子系统。综合上述，智能温度控制仪系统分解为相对独立的温度测量子系统、监控r系统和 电源予系统。整个系统结构

12、可以用图2. 2表示。图2. 2智能温度控制仅系统组成图6、智能温度控制仪的微处理器的选择和使用3. 1 C8051F206单片机的特点【3】丰富的模拟外设12位高精度模数转换器C8051F206I内部集成12位32通道ADc, 32个外部输入每个I / 0 口都可在运行中配 置为AOC输入，可编程转换速率最大达lOOksps,转换无失码，参考电压可以自外部引脚 或VDD,含有可编程增益放大器。两个电压比较器具有可编程回差比较电压，可以用于产生中断或复位：电源电压监视器和节电降压检测器方便的片内JTAG调试片PqJTA6调试电路提供全速非侵入式的在系统调试，不需仿真器，支持观察和修改 存储器和

13、寄存器，支持断点、观察点，堆栈指示器及单步执行，性能优于采用仿真芯片、 目标仿真头和仿真插座的仿真系统。高速增强的8051微控制器内核流水线指令结构，70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期，速度可达 25MIPS；增强的中断系统可有最多21个中断源。存储器1280字节数据存储器，可满足复杂算法对内存的需要；8K字节FLASH程序存储器，在系统编程扇区大小为512字节。丰富的数字外设32个I/O 口线所有口线均容许5V电压；可同时使用的硬件SpI和UART串口；3个通用16位计数器/定时器；专用的看门狗定时器，双向复位。灵活的时钟源内部可编程振荡器z 16MHz；外部振荡器品体RC、C或

14、外部时钟：可在运行中切换时钟源供节电模式时使用。使用温度范围大工作的温度范围：-40C-+85C，是工业级的芯片。3. 2采用C8051F206单片机的依据丰富的可编程I/O 口资源，完全能满足智能温度控制仪的接口扩展的需要。具有大容量的RAM和高速增强的8051微控制器内核，为实现复杂的数据算法提 供了基础，满足系统实时性的要求；方便的片内JTAG调试，支持在线系统调试，提高工作效率；丰富的模拟外设，为系统进一步扩展提供了硬件基础片内集成的SPI接口电路，方便系统外设扩展。片内的看门狗定时器，电源监视器和时钟源，减少了外部电路，提高了系统可靠 性；3. 3 C8051F206单片机应用的几个

15、问题(1)5V外围接I=1芯片和3v微处理器的驱动问题这里包括两个方面问题：一个是5V输出驱动3V输入；另一个是3V输出驱动5v输 入。首先讨论第一个问题，将一个5V驱动器接到一个标准3V输入时，由于有电流输入 内部ESD保护器件，可能导致器件损坏或减少使用寿命。C8051F206单片机使用耐5V电 压的输入结构，因此可以用5V输出驱动3V输入，对C8051F206单片机正常使用无影响。7、温度测量子系统设计温度测量子系统在智能温度控制仪中处丁蛰础造&。温度测量子系统完成智能温度 控制仪最主要功能绕组温度测量，温度测量子系统的精度决定蹩个系统的精度：测 量结果是智能温度控制仪完成控制、报警等其

16、他功能的基本依掘，它琵惯止常上作对整 个系统起翥决定性作用。参照JB/T 一 7631-1994变压器用电阻滠度计标准，确定对温度测量子系统的 性能指标有：L1)测量范围：0. OC-200. OC：C2)测量精度：0.5级.分辨力：O. 1C；测量系统的时间常数不大于5秒：工作环境温度变化：正常工作环境温度为O. OC60. 0C,在该范围内，工作 环境湿度以10C为一个变化量时，测量绝对误差不大于0.5Co传感器引线电阻变化：传感器引线电阳从0.0Q100.0Q变化时，测量绝对误差不 大于0.5 Co(6)共模电压干扰：频率为50tlz、干扰电压为lOOmV / (0360 )时，测量绝对

17、误差 不大于0. 5C。(7)串模电压干扰：频率为50Hz、等扰电压为250V / (0360 )时，测量绝对误差不 大于0. 5C。在本章中，首先设计温度测量子系统的电路结构和参数，给出测量电路的静态特性 方程。在此基础上，分别讨论温度测量子系统对工频干扰的抑制，温度漂移的产生和补 偿方法，去除引线电阻误差和温度换算方法四个问题，最后进行微处理嚣接口设计和测 量子系统的系统软析设计，并且对温度铡量子系统豹性能做出分折。1温度测量子系统的电路结构参数设计对测量任务的几点认识：温度信号是缓慢变化的信号，可以认为湿度测量予系统是 个静念测最系统；考虑到需要测嚣兰个绕组的温度，该测量系统是个多通道数

18、据采集系 统；并且这三个信号的信号类型和变亿范围相同，需要作相同的放大与调理，可以共用 放大和调理电路。根据这几点分析，确定湿度测量子系统的基本结构如图3. 1所示：测量基本过程可以描述为：传感器的电信号传给多路模拟开关，在微型处理器的控 制下，把其中的一路传给放大器，放大器放大该信号，调理电路把放大的信号做一定的 处理后输入模/数转换器，微型计算机读入模/数转换器转换结果。微型计算机对该信 号做数据处理得到温度值。从而完成温度的测量功能。1. 1 A/D数模转换器的选定在设计数据采集系统时，首先根据测量精度和输入信号的特性确定选用的A/D模 数转换器。干式变压器智能温度控制仪的分辨力是虢lC

19、，测量范围是O. 0C 200. 0C，可以确定人/D数模转换器的位数应大于11。滠度是个缓慢变化的信号，可以选择转换速 度慢的A/D数模转换器，并考虑到成本问题。最后选定双积分A/D转换器ICL7135。ICL7135的最大显示值为19999,最小分辨力为100ur,准确度达1个字；采用BCD 码扫描输出，设有六路输入输出辅助信号，和微处理嚣连接方便。采用5V供电，工 作电流为3mh。只要求单一外接基准氡压。能够自动校零，保证输入电压为0V时，读数 为零。有适用于自动转换量程瓣超量程和欠置程信号，能用闪烁显示方式表示超量程状 态。典型时钟频率为1251(Hz，转换速率为3次/秒。并且选择恰当

20、的工作频率，能对工 频干扰具有很强的抑劁能力。这里初步确定输入电压范围是一 lV+1V。7.1. 2传感器和信号放大部分电路结构根据设计要求，传感器是Ptl00温度传感器，传感器的连线采用三线制连接方式(在 图3. 2中给出了相应的表示)。传感器能够把温度变化变换成电阻阻值变化。为了便于信 号的传输、放大、处理和转换，需要把电阻阻值变化变换成电压变化。为了保证测量的 高精度，这里选用电流源，把Ptl00温度传感器电阻阻值变换比例变换成电压变化。恒流 源选用DH906，它是浙江大学多项科研成果发展而成的产品。它不仅延伸了电流范围、 拓宽了应用的领域：更重要的进展还在于高性能指标上取得了重要突破，

21、解决了传统恒 流器件温度稳定性不佳等难题。从而使电子应用技术中许多原需采用复杂电路或需作复 杂调试才能获得的恒流源提供了卜分简捷方便的解决途径。恒流源nI-1906的工作电压范 围大，使用方便，只包括要外接一个电流调节电阻就可以得到稳定的恒流源，并且改变 外投电阻阻值就可以得到不同的电流。测量放大器的选择是设计采集系统的重要部分，这里选用仪表放大器INAl28,它是 美国BURRBROWN公司生产的低电压高精度通用仪表放大器。具有F常低的偏置电 压，最大是50uV，非常低的偏置电压温漂(O. 5uV/ 口 12max)和低偏置电流(5nA“kLx)： I岛共模抑制比120dB，宽工作电压。可以

22、用于电桥放大器、热电偶放大器、限j放人 器年.数据采集。它的非线性误差在增益是10条件下，最大为O. 002%，小于双积分 数模转换器ICL7135的量化误差0. 005%。从传感器到测量放大器需要多路模拟开关 器件，多路模拟开关的配置方式有两种，一种是单端方式，此种方式应用在所有的输入 信号相对于公共地测量上.而且信号的电平显著大于出现在系统中的共模电压。此时测 量放大器共模抑制能力基本没发挥，但是系统可以得到最大通道数：另外一种方式是差 动配置，此种方式应用于各个输入信号有各自独立的参考电位，或者是应用在信号长线 传输引起严苇的共模干扰时。考虑到智能温度控制仪和传感器的距离比较远，并且传感

23、 器在变压器的安放位置不同，受到的电磁干扰不问，参考电位不同，这里选用差动配置 方式，保持信号传输电路阻抗平衡，并且充分发挥测量放大器的高共模抑制力。低频使 用时，模拟开关的选择主要考虑影响信号传输精度的开关电阻和泄漏电流，在经济条件 允许的条件下，尽可能的选择泄漏电流和开关电阻小的模拟开关。根据通道数目摄后确 定模拟开关的型号为8选1的模拟开关CD4051，两片模拟开关CD4051联用，构成差动 配置方式。这里采用一个谯流源分时驱动不同传感器的方法，为了消除模拟开关导通电 阻的影响，也需要一片模拟开关CD4051。为了消除高频噪声的干扰，在测量放大器的输 入端加入电阻和电容组成的一阶滤波器。

24、根据上面的分析给出传感器和信号放大部分电 路原理图。由于采用三线制的传感器接法，测量电阻包括传感器电阻和导线电阻，用晨 表示，用，表示恒流源输出电流，用埯表示测量电阻两端电压，有关系式(3. 1)。Vs=IxR测量放大器的输入电压是纷，放大器放大系数用世表示，这可以得到这几个变量的 关系为：VS=I*R表示。这可以得到这几个变量的关系为：V01 = K*Vs1. 3信号调理部分电路测量信号经测量放大器放大后，输出的电压信号是单极性；双积分 A/D转换器 ICL7135输入电压是双极性的。为了充分发挥双积分A巾转换器的转换范围，提高测量 精度，有必要把放大器输出电压通过模拟加法器减去一个固定电压

25、值，形成双极性信号， 在输入双积分A/D转换器ICL7135。采用的模拟加法器电路如图3. 3。在图中，4个电 阻阻值相同，用V01表示测量放大器输出电压，用Vref1表示固定比较电压，用表示模拟 加法器的输出电压V02,三者如下表示：V02=V01- Vref1这里选用运算放大器OP-07为核心，构成加法器电路，它是种高精度集成运算放 大器，这种运算放大器的主要特征是增益和共模抑制比很高(一般为100dB). 1而其失调 电压和失调电流、温漂以及噪声又很小，其广泛的应用于稳定积分、精密加法、比较、 阎值电压检测、微弱信号精确放人等场合，是.I诅用性极强的运算放大器。7. 1. 4基准电压源电

26、路模数转换器ICL7135和模拟加法器都需要一个基准电压，这里选用精密电压基准芯 片LM336作为电贬蔓准源，8专jF常低的温度系数和宽范围的工作电流，它能够提供2.5V 电压，通过电阻分压分别得到模拟加法器需要的基准电压Vrell和模数转换器ICL7135需 要的基准电压许可2。7. 1. 5温度测量子系统的静态特性方程经过上面的设计分析，温度测量子系统的电路结构框图可以表示成图3图3. 4温度测量子系统电路系统结构图测量电阻阻值R和测量电阻两端电压跆的关系可以表示为:Vs=1XR (3. 4)从被测量电阻两端电压酚到测量放大器输出电压Fol关系可以表示为：1=KXIts (3. 5) 从测

27、量放大器输出电压 Vol到模拟加法器的输出电压V02的关系可以表示为：It02=Fol-Vrefl(3. 6)模拟加法器的输出电压F02就是模数转换器的输入电压，如果用W表 示模数转换器的输出结果，模数转换器的转换结果_W和输入电压V02关系表示为：W =HXV02 (3： 7),其中H是个常数。可以推导出采样子系统的静态特性方程式：N=HKIxRHxVerfl(3. 8)定义：A=HKI, B=HXVrP, l,采样子系统的静态特性方程式邀步表示为：N=ARB (3. 9)同时也得到这样一个结论：整个测量电路构成的系统是个线性系统。该系统的输入 量是测量电阻阻值R和模拟加法器的固定比较电压值

28、玢盯l,输出量是模数转换器的转换 结果W。7. 1. 6采样子系统电路几个重要参数的确定确定恒定电流源的输出电流J和电流调节电阻也根据公式蚌尺，通过恒流源的输出电流把传感器Ptl00的电阻变化，转换成电压变 化，通过传感器电缆传输到测量放大器，从提高抗干扰能力和信噪比角度看,，取值越大 越好；另一方面，传感器Ptl00流过电流时。传感器要发热，根据公式W=R12知，电流 增加，发热量增加，传感器自身发热会影响测量精度，产生测量误差。从这个角度来说， 流过传感器的电流J越小越好。工程上推荐的取值范围是0. 5mA-2. OmA,考虑便于和 后面的电路匹配，这里取I=1. OmA。恒流源HD906

29、的电流调节电阻的计算公式为：RA “1200 / I(J以mA为单位，玛以Q为单位)t确定电阻凡的阻值是1200(1。确定测量放大器的放大系数K根据传感器的连接方式，得到信号的传输过程等效电路如图3.6。考虑到测量放大 器的输入阻抗非常大，可以认为恒流源的输出电流全部流过传感器Ptl00，从图中可以看 到测量放大器的输入电压由两部分组成：一部分是传感器Ptl00两端的电压，另外一部分 是导线电阻两端的电压。温度测量范围是0. OC 200. 0C,根据Ptl00分度表确定Ptl00 的阻值变化从100. OQ到175. 84n:根据变压器用电阻温度计标准规定，导线电阻 阻值变化范围是0. Of

30、f 一 100. 0(1。恒定电流源输出电流确定为ImA,测量放大器的输 熬泡嚣范围是0. 1000V-O. 27584V,为了使测量放大器的输出电压范围和双积分A/d转换 器ICL7135的电压输入范围(-iv 一+IV)相当，测量放大器的放大系数K取为O。(3)确定 模拟加法器的固定比较电压Vrefl在放大系数K为10的条件下，灏垂躲表器的输出电压范围是1. 000V-2. 7584V：双积分A/D转换器ICL7135的电压输入范围是一lV+1V, 并且在输处电压小于电压输入范围的9%时，即输入电压小于-0.82V时，给出欠量程信号。 模拟加法器的输出电压直接输入模数转换器，所以合理的Vrefl应使模拟加法器的输出电 压满足：V02=VolVreflM0.82V和V02=VolVrefl1V，并且考虑留出一定余量，最 后确定固定比较电压Vrefl =1.870V2温度测量子系统的抗干扰设计在工业环境中使用的温度测量子系统受到频率为50Hz的串模千扰和共模干扰，造成 测量误差，甚至使采集系统不能正常工作。智能温度控制仪在这样的干扰下能够正常工 作，必须使智能温度控制仪的温度测最子系统具有较强的抗干扰能力。在这部分里，先 介绍串模干扰、共模