楊智麟 王春立

東營(yíng)市計(jì)量測(cè)試檢定所 山東東營(yíng) 257000

干式變壓器溫度傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法是采用熱電阻測(cè)量溫度值。但110KV 干式變壓器電壓等級(jí)高，高壓側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可能干擾熱電阻測(cè)量回路的準(zhǔn)確性，所以采用熱電阻監(jiān)測(cè)溫度不適用于110KV干式變壓器[1]。本文采用TS-18B20B 數(shù)字溫度傳感器監(jiān)測(cè)干式變壓器溫度，TS-18B20B 數(shù)字溫度傳感器由DS18B20 封裝而成，可以避免高壓側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的干擾。無(wú)線監(jiān)測(cè)單元將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)在線分析處理后實(shí)現(xiàn)干式變壓器溫度監(jiān)測(cè)及超溫報(bào)警功能，提前預(yù)防干式變壓器溫度升高引起絕緣老化和變壓器爆炸等問(wèn)題。

1 干式變壓器用智能溫度控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究的多功能智能溫度控制器，采用單片機(jī)技術(shù)，通過(guò)預(yù)埋在變壓器繞組測(cè)溫孔中的溫度傳感器來(lái)測(cè)量三相繞組的實(shí)時(shí)溫度，通過(guò)單片機(jī)處理后實(shí)時(shí)巡回?cái)?shù)字顯示，并與一系列設(shè)定溫度進(jìn)行比較，提供繞組超溫跳閘、繞組超溫報(bào)警以及傳感器故障顯示報(bào)警并輸出功能，還可以根據(jù)設(shè)定溫度點(diǎn)啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)，有效地提高干式變壓器運(yùn)行的安全性、可靠性及使用壽命?？刂破鞑捎肁TMEGA32 單片機(jī)作為處理器，自帶A/D、SPI 結(jié)構(gòu)電路等，使得總體電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，這樣就極大提高了設(shè)備的運(yùn)行可靠性；10K 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）作為溫度傳感器。

2 高精度溫度控制硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 高精度溫度控制電路分析

在早期的干式爐中，系統(tǒng)普遍使用人工調(diào)節(jié)的方法來(lái)對(duì)爐內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過(guò)程中非常依賴(lài)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，控制精度不高，耗費(fèi)人力和時(shí)間，工作效率低下。如今隨著現(xiàn)代科技的突飛猛進(jìn)，自動(dòng)控制理論及其應(yīng)用己經(jīng)發(fā)展到了較高的水平，而且隨著集成電路的發(fā)展都為自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了軟硬件的環(huán)境?，F(xiàn)如今溫度計(jì)量爐中大量使用溫度自控系統(tǒng)技術(shù)與集成電路技術(shù)。在溫度控制的過(guò)程中，溫度控制算、恒溫插塊的隔熱性能、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、散熱裝置以及外部的環(huán)境都會(huì)對(duì)溫度控制結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。溫度計(jì)量爐是一種快速現(xiàn)場(chǎng)溫度校準(zhǔn)的裝置，因此需要能夠快速的進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)人機(jī)交互裝置可以方便操作者快速設(shè)定目標(biāo)溫度，并將被控恒溫插塊的溫度實(shí)時(shí)顯示給用戶(hù)，使溫度計(jì)量爐的整個(gè)操作都處于監(jiān)測(cè)下，安全可靠。溫度控制算法是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，控制算法的優(yōu)劣程度決定了整個(gè)控制系統(tǒng)溫度控制性能的優(yōu)劣程度。傳統(tǒng)溫度控制算法采用單閉環(huán)PID 控制方式，僅把被控恒溫插塊的溫度作為被控參數(shù)。被控溫度通過(guò)溫度傳感器傳遞給控制器，在控制器中將該溫度值與設(shè)定值相比較得到偏差量，將偏差量通過(guò)PID 控制算法進(jìn)行運(yùn)算，得到控制增量，控制驅(qū)動(dòng)電路控制TEC進(jìn)行工作，穩(wěn)定被控溫度在設(shè)定值。該控制方案可以達(dá)到一定的控制效果，但是被控對(duì)象溫度易受各自也因素干擾，因此僅通過(guò)單閉環(huán)溫度控制算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制。因此，本文對(duì)傳統(tǒng)溫度閉環(huán)算法進(jìn)行了改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了前饋一反饋復(fù)合控制算法，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制[2]。

2.2 邊界條件設(shè)置

變壓器室空氣出風(fēng)口及進(jìn)風(fēng)口施加軸流風(fēng)機(jī)平均風(fēng)速，變壓器室進(jìn)口施加平均壓強(qiáng)為1 個(gè)大氣壓的保守設(shè)置，依據(jù)外側(cè)散熱器性能參數(shù)，輸出冷空氣溫度作為變壓器室入口空氣溫度。紅色箭頭是賦予的對(duì)稱(chēng)面屬性，黑色箭頭是代表空氣進(jìn)出方向。借助有限元軟件，進(jìn)行有限元方程求解。

2.3 干式變壓器用智能溫度控制器軟件主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用自上而下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，把程序分解成一個(gè)個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊相互獨(dú)立，每個(gè)模塊都能完成一個(gè)明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體的功能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，程序分為初始化、按鍵判斷、溫度采集、各相溫度計(jì)算、超溫判斷、顯示等模塊。此主程序可以實(shí)現(xiàn)干式變壓器三相繞組的實(shí)時(shí)測(cè)溫，并通過(guò)與設(shè)定溫度的比較，當(dāng)實(shí)時(shí)值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，完成風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)、超溫告警、超溫跳閘等功能，并輪流顯示三相（A、B、C）繞組的實(shí)時(shí)溫度。

3 高精度干式計(jì)量爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證與分析

根據(jù)國(guó)標(biāo)ITS-90 和歐洲計(jì)量組織定制的干式計(jì)量爐標(biāo)定指南EA-10/13 規(guī)定的干式計(jì)量爐的性能指標(biāo)，來(lái)分析本高精度干式計(jì)量爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是否達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。EA-10/13 主要提供出六項(xiàng)技術(shù)參數(shù)：控溫范圍、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、遲滯、負(fù)載影響和軸向均勻性。（1）系統(tǒng)控溫范圍、準(zhǔn)確度：系統(tǒng)為了克服TEC 在工作中其自身電氣特性隨溫差變化的特點(diǎn)，提高系統(tǒng)溫度控制精度。在傳統(tǒng)單控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，將TEC 控制電流也作為新的控制參數(shù)納入了控制環(huán)節(jié)，并基于此建立了溫度一電流雙閉環(huán)控制模型。從上述系統(tǒng)溫度控制范圍與控制精度實(shí)驗(yàn)可以看出，系統(tǒng)的控溫范圍在-30^至130℃之間，控溫準(zhǔn)確度在士0．0020C，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)建立的溫度一電流雙閉環(huán)控制模型發(fā)揮了預(yù)期的效果。（2）系統(tǒng)控溫穩(wěn)定度：EA10/13 將計(jì)量爐的控溫穩(wěn)定度定義為“被控對(duì)象溫度在30 分鐘的內(nèi)的溫度變化”。為了對(duì)系統(tǒng)的控溫穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)試，本文進(jìn)行了控溫穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在系統(tǒng)溫度控制范圍內(nèi)，每隔20℃設(shè)置一個(gè)溫度控制節(jié)點(diǎn)，帶系統(tǒng)控溫穩(wěn)定后每隔30s 采集一次被控溫度值。（3）系統(tǒng)遲滯、負(fù)載影響：本文為了克服溫度控制和反饋控制固有的滯后特性，針對(duì)被控恒溫插塊易受外界環(huán)境變化和負(fù)載改變影響的問(wèn)題，又在溫度一電流雙閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，引入了前饋補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)，對(duì)干擾熱源提前進(jìn)行檢測(cè)，然后對(duì)其進(jìn)行預(yù)估補(bǔ)償[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，干式變壓器溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括檢測(cè)單元、信號(hào)接收單元、上位機(jī)等硬件設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，同時(shí)顯示多組溫度信號(hào)，在干式變壓器復(fù)雜的工作環(huán)境下抗干擾能力強(qiáng)。