岳 良，張 彪

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

在輸變電線路中，通過油浸式變壓器實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的變換。油浸式變壓器在工作過程中，繞組會(huì)因?yàn)橥ㄟ^大電流而產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量需由冷卻油作為介質(zhì)散發(fā)至大氣中，以保證油浸式變壓器工作正常。而油浸式變壓器的油溫開關(guān)的作用就是在油浸式變壓器冷卻油溫度超過設(shè)定值時(shí)，發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)散熱風(fēng)扇促進(jìn)冷卻油與大氣的熱量交換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)油浸式變壓器的冷卻。油溫開關(guān)一般附著在油溫表上，油溫表的指針在上行程撥動(dòng)油溫開關(guān)時(shí)，油溫開關(guān)閉合；油溫表的指針在下行程撥動(dòng)油溫開關(guān)時(shí)，油溫開關(guān)斷開。通過滑動(dòng)油溫開關(guān)在油溫表上的位置，可以設(shè)定油溫開關(guān)的動(dòng)作值。

油溫開關(guān)的動(dòng)作值需要定期檢測(cè)是否與設(shè)定一致，以確保散熱風(fēng)扇能可靠啟動(dòng)。目前的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要依靠人工，將被檢測(cè)的油溫開關(guān)所在的油溫表的感溫元件放入試驗(yàn)油槽中，緩慢加熱試驗(yàn)油槽，當(dāng)檢測(cè)到油溫開關(guān)閉合時(shí)，查看試驗(yàn)油槽的當(dāng)前溫度，即為油溫開關(guān)的動(dòng)作值。顯然，檢測(cè)到油溫開關(guān)閉合和查看試驗(yàn)油槽的當(dāng)前溫度之間存在時(shí)間延遲，因此人工檢測(cè)存在誤差。并且，當(dāng)需要檢測(cè)的油溫開關(guān)數(shù)量較多時(shí)，此種方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率不高。如果能設(shè)計(jì)一套檢測(cè)裝置代替人工操作，不僅可以提高檢測(cè)準(zhǔn)確度，還可以提高效率。

1 檢測(cè)裝置需求分析

（1）能處理Pt100熱電阻信號(hào)

油溫表感溫元件內(nèi)一般都裝有兩路Pt100熱電阻信號(hào)（一用一備）。當(dāng)把感溫元件插入試驗(yàn)油槽時(shí)，檢測(cè)裝置需要通過其中任一路Pt100熱電阻讀取感溫元件所處的溫度。Pt100熱電阻是一種廣泛使用的低溫測(cè)溫元件，具有較高的線性度。它能夠?qū)囟纫噪娮璧男问捷敵?，讀取電阻值就可以換算出溫度。根據(jù)油溫表的量程，檢測(cè)裝置必須能夠處理-20～160℃范圍內(nèi)的Pt100熱電阻信號(hào)。

（2）能處理兩路開關(guān)狀態(tài)信號(hào)

油溫表的表盤上一般設(shè)置有多個(gè)微動(dòng)開關(guān)，但實(shí)際使用的只有兩個(gè)，一個(gè)作為報(bào)警輸出，一個(gè)啟動(dòng)散熱風(fēng)扇。需要檢測(cè)的是這兩個(gè)使用中的開關(guān)，因此檢測(cè)裝置必須能夠處理兩路開關(guān)狀態(tài)信號(hào)。

（3）能顯示兩個(gè)開關(guān)的動(dòng)作值

在完成兩個(gè)開關(guān)的檢測(cè)后，檢測(cè)裝置必須將兩個(gè)開關(guān)的動(dòng)作值鎖定并在顯示屏上顯示出來。

2 檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，完成如圖1所示的檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，裝置接收一路Pt100熱電阻信號(hào)和兩路開關(guān)信號(hào)，微處理器對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行計(jì)算判斷后，將結(jié)果輸出到顯示單元。

圖1 檢測(cè)裝置功能示意圖Fig.1 Function diagram of the detection device

2.1 Pt100熱電阻信號(hào)處理

使用如圖2所示的電路處理Pt100熱電阻信號(hào),其中R1、R2、R3和Pt100構(gòu)成電橋，電橋的輸出為

式中:電橋電壓VAREF取自微處理器內(nèi)部產(chǎn)生的穩(wěn)定的2.56 V參考電壓,R1=R2=2 kΩ,R3為精密可調(diào)電阻，將其阻值調(diào)整至92.16 Ω并固定,當(dāng)Pt100熱電阻所處溫度為-20℃時(shí)，電阻為92.16 Ω，電橋輸出為0 mV，當(dāng)Pt100熱電阻所處溫度為160℃時(shí)，電阻為161.05 Ω，電橋輸出為78.013 mV。

電橋的輸出通過放大器LM324進(jìn)行放大，放大后的電壓為Vout，由放大器的特性可以得出

當(dāng)選取 R6=R7=50 kΩ，R4=R5=1 kΩ時(shí)，可以計(jì)算出Vout=50×（V+-V-），由此可見，該放大電路的放大倍數(shù)為50，因此，當(dāng)Pt100測(cè)量范圍為-20～160℃時(shí)，電橋的輸出為0～78.013 mV，Pt100熱電阻信號(hào)調(diào)理電路的輸出為0～3.900 V。放大后的電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后便可以換算出對(duì)應(yīng)的溫度值。

當(dāng)Pt100斷線時(shí)，Pt100熱電阻信號(hào)調(diào)理電路的輸出為5 V，超出Pt100熱電阻信號(hào)調(diào)理電路0～3.900 V的輸出范圍。因此在測(cè)量范圍-20～160℃內(nèi)，當(dāng)微處理器A/D端口電壓過高時(shí)，可以判斷為當(dāng)Pt100斷線，并在顯示器上顯示出來。

2.2 微處理器

Atmel公司的ATmega16是高性能、低功耗的8位可編程微處理器，它的大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，工作于16 MHz時(shí)性能高達(dá)16 MIPS。ATmega16集成了8路10位精度的單端A/D通道，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 65～260 μs，當(dāng) Pt100測(cè)量范圍為-20～160℃時(shí)，10位精度理論上可以達(dá)到的最小分辨率為0.18℃。同時(shí)，ATmega16帶有2.56 V內(nèi)部參考電壓輸出，可作為電橋穩(wěn)定的電壓源，ATmega16還帶有兩路低電平觸發(fā)的外部中斷接口，可以以中斷的方式快速處理油溫開關(guān)動(dòng)作信號(hào)，因此，ATmega16能很好滿足該監(jiān)測(cè)裝置的要求。

2.3 顯示輸出

圖2 Pt100熱電阻信號(hào)調(diào)理電路Fig.2 Pt100 signal processing unit

該裝置需要顯示油溫表的實(shí)時(shí)溫度，油溫開關(guān)1和油溫開關(guān)2動(dòng)作時(shí)的溫度值，油溫開關(guān)1和油溫開關(guān)2是否動(dòng)作等信號(hào)。LCD1602可以顯示兩行每行16個(gè)字符的信息，可以作為該裝置的顯示輸出設(shè)備。

3 微處理器程序編制

按設(shè)計(jì)圖制作好電路板，焊接完所有元件后，需要編制微處理器的控制程序。與檢測(cè)裝置的需求分析相對(duì)應(yīng)，控制程序主要分為三個(gè)部分：溫度信號(hào)處理，開關(guān)狀態(tài)處理和檢測(cè)結(jié)果顯示輸出。

3.1 溫度信號(hào)處理

對(duì)Pt100熱電阻信號(hào)調(diào)理電路的輸出電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并通過查表法換算出對(duì)應(yīng)的溫度，具體程序如下：

如果A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果高于正常設(shè)計(jì)值，判斷為Pt100斷線，在顯示屏上顯示斷線標(biāo)志“X”。

3.2 開關(guān)狀態(tài)處理

為了能快速處理油溫開關(guān)1和2的動(dòng)作信號(hào)，采用了“中斷”處理方法。微處理器對(duì)“中斷”的響應(yīng)優(yōu)先級(jí)最高。當(dāng)檢測(cè)到油溫開關(guān)1閉合時(shí)，AT-mega16暫停其他任務(wù)，執(zhí)行“中斷”服務(wù)程序：將當(dāng)前的溫度值鎖定并在顯示器LCD1602上顯示出來，作為油溫開關(guān)1的動(dòng)作值，同時(shí)顯示鎖定標(biāo)志“L”（Lock），表明油溫開關(guān)1動(dòng)作值檢測(cè)完成；當(dāng)檢測(cè)到油溫開關(guān)2閉合時(shí)，ATmega16暫停其他任務(wù)，執(zhí)行“中斷”服務(wù)程序：將當(dāng)前的溫度值鎖定并在顯示器LCD1602上顯示出來，作為油溫開關(guān)2的動(dòng)作值，同時(shí)顯示鎖定標(biāo)志“L”，表明油溫開關(guān)2動(dòng)作值檢測(cè)完成。具體程序如下：

3.3 檢測(cè)結(jié)果顯示輸出

LCD1602顯示輸出分兩步--確定光標(biāo)的位置和在確定的位置上輸出字符，具體程序如下：

4 裝置樣品及裝置的標(biāo)定

最終的樣品如圖3所示，油溫開關(guān)檢測(cè)的結(jié)果由顯示器LCD1602顯示出來。LCD1602分別顯示油溫表實(shí)時(shí)溫度、傳感器斷線及油溫開關(guān)1和2是否完成檢測(cè)標(biāo)志、油溫開關(guān)1的動(dòng)作值和油溫開關(guān)2的動(dòng)作值。

圖1所示的不平衡電橋中，電阻R1和R2的阻值均要求為精確的2 kΩ，但實(shí)際阻值會(huì)有偏差，若R1＞R2，當(dāng)Pt100熱電阻所處溫度為-20℃時(shí)，電橋輸出為負(fù)電壓，放大電路無法處理；若R1＜R2，當(dāng)Pt100熱電阻所處溫度為-20℃時(shí)，電橋輸出為正電壓，造成零點(diǎn)偏移，因此需要對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。同時(shí)，借助更高精度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)油槽，對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行標(biāo)定。將檢測(cè)裝置進(jìn)行修正和標(biāo)定后，可以獲得較高的精度，能實(shí)現(xiàn)小于0.5℃的誤差。

圖3 檢測(cè)裝置樣品圖Fig.3 Sample picture of the detection device

5 結(jié)語

2017年4月，在荊門特高壓變電站變壓器測(cè)溫儀表檢測(cè)中，對(duì)該檢測(cè)裝置進(jìn)行了試用，結(jié)果表明，該裝置體積小攜帶方便，與標(biāo)準(zhǔn)器偏差小于0.5℃，檢測(cè)過程中無需人工干預(yù)，可滿足對(duì)油溫開關(guān)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求。