姚君峰

(山西焦煤霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司，山西 呂梁 033000)

0 引 言

煤礦變壓器在持續(xù)施加短路沖擊負荷的情況下，其運行狀況更為惡劣。這就帶來了“累積效應”，會產(chǎn)生各種變壓器故障，包括發(fā)熱故障和放電故障，這些故障會使絕緣油和絕緣紙破裂，有害的碳氫化合物氣體和水也是在這個過程中產(chǎn)生的。煤礦變壓器絕緣系統(tǒng)進行在線監(jiān)測可以判斷其運行狀態(tài)，目前變壓器檢測系統(tǒng)準確度較低、在線檢測能力不足，經(jīng)常出現(xiàn)誤檢、漏檢現(xiàn)象。

筆者提出一種新型的變壓器絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)。采用8條輸入通道的數(shù)據(jù)采集模塊、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、精密的外圍電路、為外圍I/O設備增設地址解碼器和接口芯片，設計靈活，運行無外部干擾，可以安全傳輸數(shù)據(jù)。與其它電路相比，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)具有精度高的特點。由于該電路結(jié)合適當?shù)南到y(tǒng)軟件組件，可以對變壓器油中的單故障氣體、多故障氣體和水分進行監(jiān)測[1]。油中水分和溶解氣體的濃度范圍僅為幾微升到幾百微升，為準確檢測低范圍的水分和溶解氣體，電路中采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。利用該變換器，輸出數(shù)字數(shù)據(jù)非線性度可降至0.003%，16位輸出數(shù)字數(shù)據(jù)之間無誤碼。該系統(tǒng)可以及時預測和發(fā)現(xiàn)變壓器故障，對供電線路的穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 系統(tǒng)方案設計

當變壓器內(nèi)部發(fā)生熱故障、放電故障或絕緣受潮時，隨著絕緣材料的老化變質(zhì)，會產(chǎn)生H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2等氣體。由于這些氣體的出現(xiàn)伴隨著變壓器各種故障的發(fā)生，監(jiān)測氣體濃度對判斷變壓器的運行狀態(tài)非常有用。另外，變壓器在制造過程中會殘留少量水分，絕緣材料老化會產(chǎn)生水分。這些殘余水會降低初始放電電壓和介電強度，從而威脅設備的運行或?qū)е驴膳碌膿舸┦鹿省Ｒ虼?，對變壓器中的水進行監(jiān)測是非常重要的[2]。

圖1所示為變壓器絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計方案。該系統(tǒng)包括油氣分離單元、氣體分離檢測單元、水檢測單元、數(shù)據(jù)采集單元、主電路板單元以及電路與計算機之間的通信單元。

圖1 變壓器絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

絕緣油通過放油閥進入油氣分離裝置，在油氣分離裝置中，通過聚酰亞胺制成的滲透膜溶解漏油中的氣體，然后進入一個與兩個六通閥相連的氣體室。當這兩個六通閥轉(zhuǎn)動時，可以獲得恒定量的氣體。當兩種氣體在色譜柱中被分離時，它們又被轉(zhuǎn)換成溶解狀態(tài)。兩個色譜柱獨立連接兩個氣敏元件，一個氣體傳感器用于檢測H2、CO和CO2，另一個氣體傳感器用于檢測CH4、C2H6、C2H4和C2H2。另外，在油氣分離裝置中嵌入水傳感器可以簡單地檢測出油中的水分。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將所有傳感器的模擬輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。采用單片機控制的針閥和主控閥采用單片機控制[3]。

2 主控電路設計

2.1 數(shù)據(jù)采集單元的設計

目前，變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)按測試對象分為單氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)、聚合烴在線監(jiān)測系統(tǒng)和多種氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)。為了保證該主控電路能夠嵌入不同的在線監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集電路設計了8條輸入通道，分別適用于單氣體檢測、多氣體檢測和水檢測[4]。用in0到in6的七條路徑檢測溶解斷層氣的濃度，in7用于檢測油中的水，路徑切換由鎖存器(74HC574)和模擬開關(CC4051)執(zhí)行。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路框圖

由于氣體和水的濃度變化緩慢，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣周期和逆變速度沒有特殊要求，AD7705是最合適的轉(zhuǎn)換器之一，它是一個16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要由可編程數(shù)字濾波器、調(diào)制解調(diào)器以及前端模擬調(diào)節(jié)電路組成。該芯片具有自檢能力、抗干擾能力強、分辨率高、工作電壓低、功耗低、動態(tài)范圍寬等特點，可直接將傳感器的微小模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號[5]。該裝置的數(shù)據(jù)非線性度誤差范圍精確在0.003%之內(nèi)，可生成16位無誤碼數(shù)字數(shù)據(jù)。運行中可提高編程輸出數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換率和增益，使0～20 mV和0～2.5 V等不同性質(zhì)的信號源可以預先得到一定的處理，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

2.2 外圍電路設計

變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的主控制電路由CPU單元、外圍接口單元、依賴單元輸出、電磁閥動作信息單元輸入、鍵盤和液晶顯示單元輸入、串行通信單元組成。當數(shù)據(jù)采集后，在CPU的控制下啟用電磁閥，然后氣體傳感器或水傳感器輸出模擬信號。同時，模擬開關的入口或與水傳感器相關的入口通道由CPU選擇。傳感器輸出的模擬信號經(jīng)調(diào)理電路適當調(diào)整后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集。從傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換而來的數(shù)字數(shù)據(jù)必須經(jīng)過濾波和計算，最后存儲在EEPROM中。當計算機需要處理來自傳感器的數(shù)據(jù)時，可以通過RS232或RS485串行通信線將數(shù)字數(shù)據(jù)從主控制電路傳輸?shù)接嬎銠C[6]。

鍵盤用于設置系統(tǒng)參數(shù)和查詢歷史數(shù)字信息。例如，可以通過鍵盤設置報警方式、閾值、采集時間、著陸權(quán)限和通信方式。同時可以查詢氣體的濃度和濃度的歷史。此外，還可以通過鍵盤進行硬件自檢和手動采集。液晶顯示裝置用于顯示與鍵盤操作相對應的所有信息。當主控制電路與計算機連接時，鍵盤的功能可由計算機中的系統(tǒng)分析軟件代替。

2.3 基于CPLD的輸入輸出接口設計

在傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)中，在增加外圍I/O設備時，需要使用地址解碼器和接口芯片。在該主控制電路中，CPU的外圍I/O單元包括LCD單元、鍵盤單元、串行通信單元、電磁閥控制單元、電磁閥動作信息輸入單元等，如果采用常規(guī)方法，主控制電路板復雜，容易受到外界干擾信號的干擾。為了避免這種缺點，所有的外圍I/O器件都集成在CPLD中。該方案在抗干擾、簡化電路板的基礎上，保證了電路設計的安全性，保護了系統(tǒng)的產(chǎn)權(quán)[7]。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)測試及數(shù)據(jù)分析

將該主控電路系統(tǒng)和計算機上安裝的分析軟件嵌入變壓器絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)中，可實時監(jiān)測溶解氣體中H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO和CO2的濃度。表1的數(shù)據(jù)來自實驗室系統(tǒng)運行試驗。按照以下流程進行測試。首先在銅容器中分配10 L普通油的絕緣油。然后將集裝箱出油口與在線監(jiān)測系統(tǒng)的油氣分離器相結(jié)合。最后一個過程是每24 h和48 h檢測一次氣體。

表1 實驗室系統(tǒng)運行試驗數(shù)據(jù) /(mg/m3)

第一排氣體的濃度用油相色譜分析儀(AD900)測定。利用在線監(jiān)測系統(tǒng)對24 h油氣分離過程中的第二排氣體濃度進行了測試。第三排是在48 h的油氣分離中。實驗室測試表明，從絕緣油中分離出的氣體濃度基本保持不變。與色譜分析儀(AD900)相比，該在線監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的準確度。其相對誤差的上限為5%。

4 結(jié) 語

此次變壓器絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)電路設計，采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，外圍器件以單片機和復雜可編程邏輯器件CPLD為核心。在主控電路與計算機的串行通信中，還增加了CRC校驗碼。通過軟件模擬實驗得出該電路具有優(yōu)良性能：所有外圍I/O器件都集成在CPLD中，這種設計方法可以提高電路板的密度，減少電磁閥引起的干擾信號。采用16位CRC碼可以保證主控電路與計算機串行通信的安全性；高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器使色譜分析儀與牽引變壓器絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的相對誤差小于5%；該采集電路和主控電路設計靈活，結(jié)合適當?shù)姆治鲕浖蓪^緣油中的單一氣體、多種氣體和水的濃度進行監(jiān)測。此系統(tǒng)可以準確在線檢測變壓器受沖擊負荷產(chǎn)生的水和有害氣體濃度，及時預測和發(fā)現(xiàn)變壓器故障，對供電線路的穩(wěn)定運行具有重要意義。