尹春杰，王亞男，宋彥螟，朱孟隆，吳 邊

(山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101)

0 引言

干式變壓器具有安全、無污染、低損耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)，近年來在配電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。干式配電變壓器目前大都采用風(fēng)冷散熱方式，風(fēng)冷系統(tǒng)在很大程度上影響著干式變壓器的可靠性[1]。傳統(tǒng)干式變壓器裝配的溫度控制保護(hù)裝置根據(jù)三相繞組溫度控制冷卻風(fēng)機(jī)電源，未能對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)[2-3]。由于風(fēng)冷系統(tǒng)故障引發(fā)超溫跳閘甚至變壓器燒損事故時(shí)有發(fā)生。本文提出基于風(fēng)冷系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行電參數(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，對(duì)提高干式變壓器現(xiàn)場(chǎng)可靠性具有實(shí)際意義。

1 風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行電參數(shù)在線監(jiān)測(cè)方法

干式配電變壓器大多配用單相冷卻風(fēng)機(jī)，少數(shù)為三相風(fēng)機(jī)。本文采用交流采樣技術(shù)及離散傅里葉變換(DFT)方法實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)機(jī)供電電壓、電流工頻基波有效值及有功功率(P)、無功功率(Q)、功率因數(shù)(PF)等電參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與計(jì)算并據(jù)此實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)故障診斷。

1.1 離散傅里葉變換(DFT)基本原理

設(shè){x(n)}為N點(diǎn)有限長數(shù)列，對(duì)此數(shù)列進(jìn)行離散傅里葉變換為

(1)

根據(jù)歐拉公式將式(1)展開為

(2)

因此，在計(jì)算機(jī)中，為方便計(jì)算，可以將基波分量的實(shí)部與虛部分別提取出來。

實(shí)部的幅值：

(3)

虛部的幅值：

(4)

1.2 風(fēng)機(jī)運(yùn)行基波電參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法

根據(jù)香農(nóng)采樣定理并從提升采樣精度、增強(qiáng)抗干擾能力等方面綜合考慮[4]，本文采用36點(diǎn)等間隔異步采樣，國內(nèi)市電周期為50 Hz，采樣周期為5/9 ms。通過固定周期連續(xù)采樣可以得到風(fēng)機(jī)供電電源電壓、電流連續(xù)一個(gè)周期的采樣數(shù)列，分別記為{u(k)}、{i(k)}?？梢缘贸鲭妷夯▽?shí)部Ur、虛部Ui及有效值U如下：

(5)

(6)

(7)

同理，電流有效值I可由式(8)計(jì)算：

(8)

根據(jù)IEC電功率定義S=UI*，可以推得基波功率計(jì)算公式。

S=UI*=(Ur+jUi)(Ir-jIi)
=(UrIr+UiIi)+j(IrUi-UrIi)

(9)

P=UrIr+UiIi

(10)

Q=IrUi-UrIi

(11)

功率因數(shù)為

(12)

2 風(fēng)冷系統(tǒng)故障診斷與溫控保護(hù)功能

本裝置包括對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及溫控保護(hù)2部分。配置RS485通信接口，電量監(jiān)測(cè)信息與故障信息均可及時(shí)上傳至監(jiān)控計(jì)算機(jī)，進(jìn)一步存儲(chǔ)分析。

2.1 風(fēng)冷系統(tǒng)故障診斷

風(fēng)機(jī)故障主要有風(fēng)機(jī)電機(jī)燒毀、機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞、接線問題及其他不當(dāng)安裝和惡劣環(huán)境帶來的影響[5]。這些故障都可直接或間接地反映到電氣參數(shù)中去。根據(jù)相關(guān)理論與測(cè)試經(jīng)驗(yàn)做出如下分析判定。

2.1.1 電源電壓異常

電網(wǎng)波動(dòng)會(huì)造成電源電壓過壓或欠壓。電壓過高、過低或大幅波動(dòng)都會(huì)使電機(jī)勵(lì)磁電流分量劇增，損耗增加，電機(jī)過熱，甚至燒毀電機(jī)。為避免設(shè)備損害，應(yīng)設(shè)置電壓閾值。

2.1.2 風(fēng)機(jī)電流異常

風(fēng)機(jī)電流異常包括：缺相造成的三相電流不平衡問題；風(fēng)機(jī)受潮或被腐蝕性氣體侵蝕以及絕緣破壞引起單相接地、相間及三相短路；扇葉或齒輪間落入造成風(fēng)機(jī)堵轉(zhuǎn)而電流劇增。若上述問題得不到及時(shí)處理，會(huì)導(dǎo)致絕緣體損壞，易造成觸電事故[6]。此時(shí)可設(shè)置電流閾值及時(shí)監(jiān)測(cè)到短路事故，停機(jī)報(bào)警。

2.1.3 風(fēng)機(jī)功率異常

在一定轉(zhuǎn)速下，電機(jī)負(fù)載功率P0與風(fēng)機(jī)流量正相關(guān)[7]。所以環(huán)境溫度、空氣雜塵及出氣口雜塵堵塞等原因會(huì)改變風(fēng)壓，影響排出流量，造成風(fēng)機(jī)過載或效率低。設(shè)定有功功率、無功功率及功率因數(shù)閾值，可避免風(fēng)機(jī)長時(shí)間的過載工作或低效率。

2.1.4 Pt100溫度傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)

任一路測(cè)量溫度值及溫度變化率偏離正常范圍時(shí)診斷為溫度傳感器異常[8]。溫度變化率dTi(k)由一定時(shí)間內(nèi)溫度的變化量計(jì)算：

(13)

式中：dTi(k)為第i路溫度值在k時(shí)刻的變化率；Ti(k)為第i路k時(shí)刻的溫度采樣值；Ti(k-m)為第i路k-m時(shí)刻的溫度采樣值。

2.1.5 風(fēng)機(jī)控制回路異常

風(fēng)機(jī)開啟控制信號(hào)發(fā)出一定時(shí)間后，監(jiān)測(cè)不到回路電流等電量參數(shù)；風(fēng)機(jī)停機(jī)信號(hào)發(fā)出一定時(shí)間后，仍能監(jiān)測(cè)到回路電流等電量參數(shù)，則直接給出風(fēng)機(jī)控制失靈告警信息。

基于上述分析，為實(shí)現(xiàn)干式變壓器的溫控保護(hù)及風(fēng)冷在線故障診斷，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)手冊(cè)對(duì)以下常見故障類型給出診斷參數(shù)，如表1所示。各參數(shù)也可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要，自行調(diào)整。

表1 干變溫保護(hù)系統(tǒng)主要故障類型與診斷規(guī)則

其中，UN、IN、PN、QN分別為風(fēng)機(jī)的額定電壓、額定電流、有功功率、無功功率；U、I、P、Q、cosα為實(shí)際電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)值；Iwt為設(shè)定無流判斷定值；T為實(shí)際溫度采樣值；Tmax、Tmin為溫度采樣通道最大、最小值；dT為溫度變化比率；dTs為溫度變化比率閾值。

2.2 干變溫控與保護(hù)功能設(shè)計(jì)

參照J(rèn)B/T 7631-2016《變壓器用電子溫控器》中的規(guī)范要求，新型干式變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)與溫控保護(hù)裝置具有如下功能。

2.2.1 風(fēng)機(jī)溫控功能

3路Pt100中，任一路溫度大于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)設(shè)定溫度，持續(xù)2 s，控制開啟風(fēng)機(jī)，點(diǎn)亮面板風(fēng)機(jī)指示燈；3路溫度均低于風(fēng)機(jī)停止設(shè)定溫度，持續(xù)5 s，控制關(guān)閉風(fēng)機(jī)，自動(dòng)熄滅面板風(fēng)機(jī)指示燈。操作人員也根據(jù)實(shí)際需要，手動(dòng)控制操作面板上的風(fēng)機(jī)“啟/?！卑存I，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)手動(dòng)控制。

2.2.2 過溫告警

3路溫度中任一路大于或低于過溫告警設(shè)定溫度，持續(xù)2 s，啟動(dòng)過溫告警繼電器，發(fā)出預(yù)警總信號(hào)；過溫告警事件發(fā)生后，生成順序事件記錄并存儲(chǔ)備查。

2.2.3 超溫跳閘

3路溫度中任一路大于或均低于超溫跳閘設(shè)定溫度，持續(xù)5 s，啟動(dòng)跳閘繼電器，觸發(fā)事故總信號(hào)；超溫跳閘事件發(fā)生后，生成順序事件記錄、跳閘報(bào)告并存儲(chǔ)備查。

2.2.4 箱門位置檢測(cè)及開門跳閘

為避免箱門意外打開，引發(fā)安全事故，裝置標(biāo)配2路外部開關(guān)量采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外箱門的開關(guān)狀態(tài)，通過軟壓板選擇投入或退出開門跳閘功能。

3 軟硬件方案設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能型干變溫保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)如圖1所示。本裝置設(shè)計(jì)采用高性能、低成本32位ARM微控制器STM32F103作為中心單元[9]。鉑熱電阻三線制感知溫度變化。通過電壓互感器與電流互感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)獲取各相電壓、電流信息。經(jīng)過運(yùn)算放大電路后，采用STM32內(nèi)置的12位A/D多通道循環(huán)采樣處理。CAT24WC256擴(kuò)展存儲(chǔ)，IIC方式通訊，提升裝置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。配備RS485接口，實(shí)現(xiàn)與用戶設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通訊等功能。采用LCD12864液晶顯示，8個(gè)功能按鍵菜單式操作方式。5個(gè)LED系統(tǒng)狀態(tài)指示燈與蜂鳴器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)聲光指示報(bào)警。

圖1 智能型干變溫保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)圖

3.1.1 電壓、電流采樣電路設(shè)計(jì)

以電壓互感器PT107獲取電源電壓信號(hào)，待測(cè)電源電壓為220 V左右，選取200 kΩ的限流電阻，將輸入電流限定在額定2 mA，1 000∶1 000變比后采樣電阻兩端電壓限定到0.2 V，經(jīng)LM258同向放大電路放大處理后，再接入STM32的模擬輸入端口，由內(nèi)部12位A/D完成模擬量到數(shù)字量信息的轉(zhuǎn)換。同理，以額定輸入5 A，變比1 000∶1電流互感器CT103獲取電流信號(hào)。電壓、電流采樣電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電壓、電流采樣電路

3.1.2 溫度采樣電路設(shè)計(jì)

在智能干變溫控系統(tǒng)工作時(shí)，預(yù)埋在干式變壓器低壓側(cè)三相繞組中的3支鉑熱電阻傳感器將產(chǎn)生與繞組溫度值相對(duì)應(yīng)的電阻值。為了便于信號(hào)的傳輸、放大、處理，去除導(dǎo)線電阻帶來的零點(diǎn)不準(zhǔn)確問題，采用三線制橋式電路設(shè)計(jì)將電阻阻值變化變換成電壓變化。同樣采用LM258雙運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)差分放大信號(hào)調(diào)理電路處理，方便完成A/D信息采集。溫度采樣電路如圖3所示。

圖3 溫度采樣電路

3.2 軟件方案設(shè)計(jì)

3.2.1 主程序設(shè)計(jì)

軟件部分的主體程序框圖如圖4所示。上電后，首先對(duì)所有時(shí)鐘、I/O端口與變量初始化，開啟定時(shí)器軟件觸發(fā)A/D對(duì)多路通道循環(huán)采樣處理。主循環(huán)內(nèi)進(jìn)行定值存取與鍵盤掃描，如果有鍵按下，則進(jìn)行鍵盤的修改，如果沒有按鍵按下則順序進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及相應(yīng)的運(yùn)行診斷。在傳統(tǒng)溫度閾值診斷的基礎(chǔ)上，新增了對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況監(jiān)視與故障預(yù)警。并考慮了探溫傳感器故障與箱門打開的異常情況。溫升正常的情況下，逐步判斷最高溫所處閾值范圍，操作繼電器控制風(fēng)機(jī)閘門，并以相應(yīng)的LED指示。進(jìn)一步監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)過程中的電量參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)，及時(shí)預(yù)警?？缮晒收蠄?bào)告，為維護(hù)工作提供依據(jù)。

圖4 主程序流程圖

3.2.2 定時(shí)中斷處理程序

定時(shí)器中斷處理流程圖如圖5所示。由12位A/D對(duì)電壓、電流及溫度信號(hào)分通道循環(huán)采樣處理。20 ms為周期，555 μs為中斷周期，36點(diǎn)離散傅里葉變換(DFT)算法進(jìn)行基波提取與幅值計(jì)算，濾除諧波獲得精確穩(wěn)定的電壓值。實(shí)時(shí)由采樣數(shù)據(jù)計(jì)算出P、Q、PF等參數(shù)，為系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

圖5 定時(shí)器中斷處理程序流程圖

4 結(jié)論

本文完成了干式變壓器實(shí)時(shí)溫度自動(dòng)控制及風(fēng)冷系統(tǒng)在線故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。與以往的監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用低成本、低功耗以及高可靠性的STM32F103作為核心控制器；利用其自帶的12位A/D，結(jié)合DFT算法，完成溫度、電壓與電流數(shù)據(jù)采集；實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)檢測(cè)處理及風(fēng)冷系統(tǒng)與溫度系統(tǒng)雙重監(jiān)控與診斷。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，進(jìn)一步穩(wěn)定了變壓器的工作環(huán)境。