吳必瑞 謝善娟

（寧德師范學(xué)院物理與電氣工程系，福建 寧德 352100）

變壓器采用封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，熱積累大、散熱效果差,其運(yùn)行壽命與電氣絕緣性能有關(guān)，而電氣絕緣性能的老化由溫度決定。溫度參數(shù)是衡量變壓器是否安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的決定性因素。當(dāng)變壓器熱量向周圍輻射傳導(dǎo)達(dá)平衡發(fā)熱和散熱時(shí)，引起各部位發(fā)熱，繞組的溫度相比其他部位的溫度要偏高[1]。通過對(duì)變壓器繞組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，判斷其運(yùn)行狀況,進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整和預(yù)知性維修,避免繞組因過熱造成變壓器的毀壞,可以為變壓器安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供重要保證。目前變壓器繞組熱點(diǎn)溫度檢測常用的方法有：光纖傳感器測溫、電信號(hào)傳感器測溫、紅外傳感器測溫等[2-3]。傳統(tǒng)的溫度檢測一般采用由壓力式溫度計(jì)或熱電阻測作為檢測器件，采用有線連接的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。由于毛細(xì)管預(yù)留過長、毛細(xì)管盤放置不當(dāng)或接線端子積灰、松動(dòng)等使檢測電阻比實(shí)際偏大，造成在實(shí)際測量過程中溫度值有時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差。現(xiàn)行較多的電氣設(shè)備檢測信號(hào)的傳輸已開始使用光纖傳感器,尤其是采用光纖光柵溫度傳感器作這變壓器繞組溫度檢測器件，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大型電力變壓器檢測[4-5]。電力設(shè)備監(jiān)測采用無線通信技術(shù)是充滿潛力的研究方向，如果減少設(shè)備監(jiān)測的電力線、導(dǎo)線進(jìn)行信號(hào)傳輸是研究的熱點(diǎn)，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無線工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。文中提出以Zigbee無線技術(shù)的變壓器溫度檢測系統(tǒng)可以很好的避免上述問題。采用鉑電阻溫度傳感器，采用射頻芯片 CC2520構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)變壓器的繞組溫度進(jìn)行高準(zhǔn)確的測量。

1 系統(tǒng)主要功能

測量系統(tǒng)以宏晶公司的STC為主控制器件，主要由溫度采集，Zigbee無線通信以及上位機(jī)監(jiān)控軟件三部分組成。溫度信號(hào)的 AD采集，采用內(nèi)置 8通道的 10位高帶 ADC，最多可同時(shí)采集一臺(tái)變壓器繞組的8個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度。終端監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的采用LCD顯示器件，顯示當(dāng)前變壓器繞組的溫度值，通過鍵盤對(duì)溫度的報(bào)警值進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)輸出低電平驅(qū)動(dòng)繼電器，開啟變壓器冷卻裝置和超溫報(bào)警裝置，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選擇

檢測系統(tǒng)選用宏晶公司的 STC15FF2K60S2單片機(jī)，其具有2048字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；速度比傳統(tǒng)的8051快10位左右；采用低功耗設(shè)計(jì)，具有低速、空閑、掉電三種工作模式。該單片機(jī)內(nèi)置復(fù)位電路、晶振電路、內(nèi)置8通道的10位高帶ADC，3個(gè)通道具有捕獲和比較單元等功能大大精減了單片機(jī)的外圍電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用其內(nèi)置的10位A/D轉(zhuǎn)換對(duì)外接的鉑電阻傳感器信號(hào)進(jìn)行A/D采集。單片機(jī)的外圍接口電路如圖2所示，圖中P2接口與射頻收發(fā)器CC2520連接。

2.2 鉑電阻及信號(hào)調(diào)理電路

要提高變壓器繞組檢測的可靠性、穩(wěn)定性及其精度要求，傳感器的指標(biāo)選擇較為關(guān)鍵。鉑電阻具有性能穩(wěn)定、互換性好，準(zhǔn)確度高、耐腐蝕，調(diào)理電路簡單等一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)測控系統(tǒng)中取得廣泛使用。鉑電阻 Pt100傳感器是利用的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來進(jìn)行測溫，電阻R溫度t的函數(shù)表達(dá)式所示：

式中，R0為溫度為 0℃時(shí)的電阻值 100Ω；Rt為 t℃時(shí)的電阻值；a取常數(shù) 3.908×10-3/℃；b取常數(shù)-5.802×10-7/℃。

圖2 單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì)

由鉑電阻構(gòu)成的電橋電路和調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 溫度檢測電路

2.3 射頻芯片CC2520外圍電路設(shè)計(jì)

CC2520無線射頻收發(fā)器是德州儀器（TI）推出2.4GHz免授權(quán)第2代產(chǎn)品。其功耗極低、外接元件少、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可替代常用的 RS-422或RS-485的有線連接，適合應(yīng)用于變壓器繞組溫度實(shí)時(shí)無線檢測。ZigBee技術(shù)無需人工干預(yù)就能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)感知其他節(jié)點(diǎn)，尋找連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)具有自我修復(fù)功能，同時(shí)可對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，保證整個(gè)檢測系統(tǒng)能正常工作。CC2520收發(fā)器的外圍接口電路如圖4所示。

2.4 CC2591射頻放大器

CC2591是個(gè)射頻前端放大器，和CC2530配對(duì)組成的Zeebig無線收發(fā)系統(tǒng)，能改善RF性能，使傳輸距離由增加到1000m。CC2591內(nèi)部集成有低噪聲放大、功率放大、平衡轉(zhuǎn)換器、交換機(jī)等，外部電路僅需接幾個(gè)電容和電感，即可提高 RF性能，其外圍電路如圖5所示。

圖4 CC2520的外圍接口電路

圖5 CC2591外圍電路原理圖

2.5 報(bào)警和投切電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)溫度超過設(shè)備值時(shí)，為了提高現(xiàn)場工作人員注意，監(jiān)測裝置具有聲光報(bào)警功能。報(bào)警和投切電路是通過單片機(jī)輸出低電平，經(jīng)三極管放大來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和繼電器實(shí)現(xiàn)，通過繼電器的吸合開啟冷卻裝置[6]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制終端的軟件設(shè)計(jì)

軟件程序在Keil uVision4開發(fā)環(huán)境中采用C語言編寫。采用模塊化程序設(shè)計(jì)，軟件程序由主模塊和功能子模塊構(gòu)成，子模塊主要包括溫度采集與處理模塊、按鍵處理模塊、報(bào)警溫度設(shè)置模塊、無線通信模塊和顯示模塊等組成。溫度的AD采集，每次對(duì)同一通道溫度連續(xù)采樣60次，去除其中最高和最低的值，其余各值再求平均。檢測終端主要完成對(duì)變壓器繞組溫度檢測和傳輸。單片機(jī)對(duì)溫度采進(jìn)處理，通過定義好的數(shù)據(jù)收發(fā)協(xié)議，控制ZigBee無線通信，測試數(shù)據(jù)由控制終端傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控軟件。ZigBee無線模塊與單片機(jī)間采用串行異步通訊方式，軟件程序流程圖如圖6所示。

圖6 軟件程序流程圖

3.2 ZigBee無線通信軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后執(zhí)行功能模塊初始化以及或可用數(shù)據(jù)采集的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)搜索。如果檢測到有可用網(wǎng)絡(luò)，則執(zhí)行加入網(wǎng)絡(luò)程序，同時(shí)對(duì)檢測到的信息類型進(jìn)行判別是數(shù)據(jù)，還是控制命令，并執(zhí)行相應(yīng)的程序處理。ZigBee通信處理流程圖如圖7所示。

圖7 ZigBee通信處理流程圖

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)在目前流行的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序 Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境下，采用的是C#語言編寫。根據(jù)用戶權(quán)限開啟相對(duì)應(yīng)功能，主界面主要包含了創(chuàng)建通信、報(bào)警設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄保存、數(shù)據(jù)處理、端口界面設(shè)置等功能。系統(tǒng)可根據(jù)不同的權(quán)限用戶調(diào)用不同的主界面功能；提示用戶身份權(quán)限，顯示本地時(shí)間等功能。系統(tǒng)具有保存歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)當(dāng)天溫度超過設(shè)定值的總次數(shù)，軟件的界面如圖8所示。

圖8 上位機(jī)軟件界面

4 結(jié)論

文中以STC15系統(tǒng)單片機(jī)為控制器，并以鉑電阻 Pt100傳感器為變壓器的繞組溫度檢測器件，完成了變壓器運(yùn)行溫度的檢測，并檢測值與設(shè)定值的比較值，判斷是冷卻裝置是否開啟的依據(jù)。采用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)了檢測系統(tǒng)軟件平臺(tái)，對(duì)變壓器的繞組溫度狀況進(jìn)行評(píng)估，并實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警、故障預(yù)警。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)合理、使用方便、性能可靠等特點(diǎn)，可以滿足變壓器溫度檢測的需要，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 張又力, 王禮, 熊蘭, 等. 10kV干式變壓器溫度在線監(jiān)測與評(píng)價(jià)系統(tǒng)[J]. 電測與儀表, 2012, 49(6): 33-37.

[2] 職迎安, 馬瑜. 35 kV變壓器溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的改進(jìn)[J]. 農(nóng)村電氣化, 2013(4): 40-41.

[3] 杜劍波, 魏玉賓, 劉統(tǒng)玉. 光纖傳感技術(shù)在變壓器狀態(tài)檢測中的應(yīng)用研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2008, 36(23): 36-40.

[4] 劉嬌璇. 基于 80C51單片機(jī)的干式變壓器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 變壓器, 2013, 50(1): 30-32.

[5] 王世閣, 王延峰, 姜學(xué)忠. 干式變壓器溫度保護(hù)研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2012, 20(9): 37-40.

[6] 李化波, 劉連光, 劉宗歧. 一種新型變壓器冷卻控制裝置的研制[J]. 電氣應(yīng)用, 2007, 26(6): 83-85.