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        干式變壓器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

        2022-08-29 02:21:26譚佳唯張線媚劉丹丹韓旭科王澤儉
        現(xiàn)代信息科技 2022年12期
        關(guān)鍵詞:工作溫度干式按鍵

        譚佳唯,張線媚,劉丹丹,韓旭科,王澤儉

        (西安思源學(xué)院,陜西 西安 710038)

        0 引 言

        隨著國家經(jīng)濟建設(shè)和電力工業(yè)的快速發(fā)展,干式電力變壓器也將受到廣泛應(yīng)用,由于干式變壓器系統(tǒng)在運行過程中需要進(jìn)行冷卻,因此實際工作環(huán)境溫度必須及時觀察并控制,一旦過熱將會造成變壓器系統(tǒng)繞組絕緣破裂甚至毀壞。干式變壓器就是指鐵芯和繞組不浸漬在絕緣油中的變壓器,在運行過程中很容易造成高溫環(huán)境,如果變壓器長時間在溫度很高的情況下運行,會縮短內(nèi)部絕緣紙板的壽命。但因具備難燃、安全可靠、維修簡單、容積小等優(yōu)點,己在都市的高樓大廈和發(fā)電廠等公共場所獲得普遍的使用。隨著城市建筑規(guī)模的增加,為提高城市供電送的到、供得到、用得上,級終端將作為城市供電的關(guān)鍵點。而相對傳統(tǒng)干式變壓器設(shè)備來說,其運行與延壽,在較大程度上依賴變壓器繞組絕緣的可靠性,繞組高溫高于絕緣負(fù)荷工作溫度而使絕緣損壞,是造成變壓器系統(tǒng)設(shè)備無法使用的原因之一,而運行過程中造成的高溫環(huán)境是對其壽命影響的最主要因素,因此必須進(jìn)行冷卻。制冷模式包括自動室內(nèi)空氣制冷(AN)和強制室內(nèi)空氣制冷(AF)。當(dāng)自動空冷時,變壓器能在一定容積下長期時間并持續(xù)工作。強迫風(fēng)冷時,變壓器設(shè)備的總?cè)萘靠稍黾影俜种迨K?,對干式變壓器的工作環(huán)境溫度的監(jiān)視和管理是非常關(guān)鍵的,而實時進(jìn)行工作環(huán)境溫度監(jiān)視和管理則是對其正常工作和延長壽命的主要保證。

        1 總體方案設(shè)計

        本次設(shè)計主要是對干式變壓器工作環(huán)境的溫度進(jìn)行檢測,對實時檢測到的溫度進(jìn)行顯示,并且將檢測到的溫度值與安全運行的正常溫度范圍進(jìn)行比對。如若實時溫度在不低于而且也不高于正常工作溫度,沒有超標(biāo),則將溫度信號輸送給單片機,由單片機處理后送到顯示器,做出正常的溫度顯示;如若實時檢測溫度比正常工作溫度的下限值低,或者比上限值高,則判定溫度超標(biāo),溫度信號送入單片機進(jìn)行處理后,由顯示器進(jìn)行顯示、報警蜂鳴器發(fā)出聲響、狀態(tài)指示燈顯示超標(biāo)、語音發(fā)出報警聲響,同時,風(fēng)機啟動進(jìn)行冷卻,最終將溫度控制在合適的工作范圍內(nèi)。如果干式變壓器轉(zhuǎn)子快速轉(zhuǎn)動過程中造成溫度快速上升,并且超過了設(shè)定的超高溫報警值,此時直接繼電器吸合,將跳閘信號輸送給變壓器,做緊急停機處理。具體的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計方案見圖1。

        圖1 控制系統(tǒng)框圖

        2 主要器件介紹

        2.1 主控芯片

        該控制系統(tǒng)使用STC89C52 型號單片機主控,其內(nèi)存中含有8KB 的ROM 存儲空間,512 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間,并含有2K 字節(jié)的EEPROM 存儲空間,具有抑郁集成、兼容性好、功能強等優(yōu)良性能,尤其是整體占空間小、自重比較輕、電能消耗少、可靠性高、抗干擾能力強且使用方便等獨特優(yōu)點,再有就是STC89C52 也能夠使用串行接口下載,擴展比較簡單,因此符合本設(shè)計系統(tǒng)要求。

        2.2 溫度傳感器

        在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中,溫度傳感器型號較多,而且使用場合出現(xiàn)頻率高,在以往的應(yīng)用經(jīng)驗中,DS18B20 型號溫度傳感器因為其優(yōu)良性能,得到了很多設(shè)計者青睞。該型號傳感器具備微小化、低功率、效率高、抗干擾工作能力好、可配置微處理器的優(yōu)勢,且自帶A/D 轉(zhuǎn)換,無需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片占據(jù)了很大的應(yīng)用市場。

        它具有三引腳TO-92 小體積封裝形式,溫度測量范圍-55 ℃~+ 125 ℃,可編程為9 ~12 位A/D 轉(zhuǎn)換精度,測溫分辨率可達(dá)0.062 5 ℃,被測溫度用符號擴展的16 位數(shù)字量方式串行輸出,DS18B20 實現(xiàn)精確的溫度切換,I/O 線需要確保在溫度切換時間供給充足的電能,因為每個DS18B20 的溫度切換時間的電流達(dá)到1mA,如果多個溫度傳感器掛在同一條I/O 線路上實現(xiàn)多點測溫時,僅靠10 kΩ上拉電阻就不能供給充足的電能,會導(dǎo)致無法切換溫度或溫度偏差較大。DS18B20 可通過以下兩種方式供電系統(tǒng),一是使用電源供電方式,此時將DS18B20 的1 引腳接地,2 引腳用作信號線,3引腳接電源。另一個則是寄生電源供電方法,為了確保在合理的DS18B20 時鐘階段內(nèi)提供適當(dāng)?shù)碾娏鳎涂墒褂靡粋€三極管來實現(xiàn)對總線的上拉。

        本設(shè)計使用了電源供電方法,P2.2 口接單線總線為確保在合理的DS18B20 時鐘工作循環(huán)內(nèi)供給的充足電流,采用了1 個上拉電阻和STC89C52 的P2.2 來實現(xiàn)了對總線的上拉。在DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度A/D 的切換狀態(tài)運行時,在總線上需要有很強的上拉,而上拉啟動時間最大為10 μs。使用的寄生電源供電工作方式,是在VDD 與GND 端均連接地。但因為單線制只能一條線,所以發(fā)射與接收口都應(yīng)該是三狀態(tài)的。主機控制DS18B20 為了完成溫度變化,必須進(jìn)行以下三種步驟:(1)初始化;(2)ROM 動作指令(3)存儲器操作命令。

        2.3 語音播報芯片

        此溫度控制器中設(shè)計有語音播報功能,當(dāng)出現(xiàn)故障時,語音自動播報故障提示音。而且當(dāng)控制器檢測到干式變壓器工作溫度過高的時候,除了蜂鳴器警報和液晶顯示外,語音模塊會自動播報溫度過高,提示工作人員注意采取措施。設(shè)計中采用的語音芯片是WT588D 型號。該語音芯片可以讓設(shè)計者多次擦除和燒寫控制程序,能使用的場合比較豐富,而且呈現(xiàn)出來的性能比較穩(wěn)定,相比于其他語音芯片具有很好的優(yōu)勢。此芯片自動處置閃存,數(shù)據(jù)傳輸口居多,使用起來相對容易,價格比較人性化,控制模式可以使用上位機隨意更換,只需將信息下載即可。

        2.4 LCD1602 液晶顯示器

        本次設(shè)計的顯示電路選擇LCD1602 液晶顯示屏來進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的顯示,它是一款很成熟、使用率極高的液晶顯示器,一次可顯示兩行32 個字符,可滿足本次設(shè)計的需求。

        3 軟硬件電路設(shè)計

        3.1 控制器硬件電路設(shè)計

        通過上述主控芯片和核心檢測傳感器的選型,控制器硬件主電路中采用STC89C52 芯片,配合復(fù)位電路、電源電路和晶振電路構(gòu)成了最小系統(tǒng)。使用DS18B20 型號的溫度傳感器配合上拉電阻來進(jìn)行實時溫度信號的檢測,并送入單片機進(jìn)行處理。顯示器件使用LCD1602 型號液晶顯示器,將系統(tǒng)時間、當(dāng)前溫度、正常工作溫度上下限的具體值進(jìn)行顯示。報警電路主要有蜂鳴器和狀態(tài)指示燈,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者工作溫度超標(biāo)的時候,均發(fā)出警報并點亮指示燈,同時語音播報相關(guān)內(nèi)容,提示工作人員注意采取措施。同時,當(dāng)工作溫度超標(biāo)的時候,控制器會自動驅(qū)動風(fēng)機進(jìn)行散熱冷卻,將干式變壓器工作溫度以最快的速度降低到合適值,確保其工作效率。此外,為了使得此控制器使用在較多場合,控制系統(tǒng)中使用獨立按鍵,設(shè)計了按鍵操作,利用簡單的按鍵操作可以對報警溫度進(jìn)行上限和下限的設(shè)定,整體的硬件電路如圖2所示。

        圖2 硬件電路圖

        3.2 軟件程序設(shè)計

        硬件電路的正常運行必須靠軟件程序進(jìn)行驅(qū)動,因此在Keil 軟件上應(yīng)用C 語言進(jìn)行了主程序編寫。主程序的功能是負(fù)責(zé)溫度的實時顯示、讀出,并對DS18B20 的測量的當(dāng)前溫度值進(jìn)行處理,溫度測量一般每1 s 完成一次。如此就能夠在一秒之內(nèi)檢查一次被測溫度,與設(shè)定的報警溫度比較主要是透過調(diào)用讀溫度子程序?qū)⒋嫒雰?nèi)儲存中的整數(shù)部分和小數(shù)部分分別儲存到不同的兩個單位中,最后再通過調(diào)用顯示子程序表示出來。該軟件主程序共調(diào)用了三個子程序,依次為LCD1602 液晶顯示程序、溫度信號處理程序、按鍵設(shè)定的報警溫度程序。溫度信號處理程序:對溫度控制芯片送過來的數(shù)據(jù)信息加以處理,并對溫度進(jìn)行判斷和顯示。當(dāng)溫度超過正常溫度時,指示燈亮,風(fēng)機進(jìn)行運轉(zhuǎn),同時報警器進(jìn)行語音報警;LCD1602 液晶顯示程序:向LCD1602 液晶的顯示傳送信號,控制系統(tǒng)的顯示部分。按鍵設(shè)定程序:能夠?qū)Φ蜏睾透邷貓缶脑O(shè)定精準(zhǔn)至0.1 攝氏度。也可設(shè)置溫度的上下限。當(dāng)“設(shè)置”按鍵按下時進(jìn)入到報警值的設(shè)置界面,然后判斷“加”按鍵是否按下,如果是,則報警值加1,循環(huán)檢測“加”按鍵有沒有被按下;如若沒有被按下,則檢測“減”按鍵有沒有被按下,如果確實被按下,則報警閾值降低1 個,接著再來判定“減”按鍵有沒有被按下;如果沒有被按下,則檢測“設(shè)置”按鍵有沒有接著被按下,如果確定是再次被按下,則退出該報警值的范圍設(shè)定環(huán)節(jié),如果沒有再次按下,則繼續(xù)檢測有無按鍵按下,如此不斷執(zhí)行,直到結(jié)束。主程序具體流程如圖3所示。

        圖3 主程序具體流程

        4 系統(tǒng)測試與分析

        在軟硬件電路設(shè)計完成后,使用Proteus 軟件對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和調(diào)試,調(diào)試無誤后焊接制作了實物系統(tǒng)。并對實物系統(tǒng)進(jìn)行了上電測試。具體測試情況如下:

        (1)測試一:正常溫度。首先設(shè)定室內(nèi)溫度的上限、下限范圍,然后再把溫度控制器拿進(jìn)室內(nèi),然后檢測室內(nèi)溫度,并設(shè)置控制器的最小溫度和最大溫度。當(dāng)室內(nèi)溫度在正常溫度范圍內(nèi),報警指示燈呈熄滅狀態(tài),蜂鳴器沒有響動,風(fēng)機不轉(zhuǎn)動,語音播報檢測到的實時溫度,其調(diào)試如圖4所示。

        圖4 正常溫度測試

        (2)測試二:溫度超標(biāo)。在超過正常溫度時,繼電器吸合,報警指示燈點亮,降溫風(fēng)機迅速轉(zhuǎn)動,同時語音播報,提示溫度過高,如圖5所示。

        圖5 超出正常溫度測試

        5 結(jié) 論

        經(jīng)過上述實物測試,該溫度控制系統(tǒng)具備對干式變壓器溫度測試的基本功外,能夠迅速檢測實時溫度并做出判斷,具有語音播報和實時顯示功能。在高溫時起動風(fēng)機采用強制的風(fēng)冷降溫和超過溫度極限時的跳閘保護(hù)等功能。以此增長其壽命,從而保證了輸、變電系統(tǒng)工作時的安全性和穩(wěn)定性。通過不同情況的測試實驗,該控制器能夠表現(xiàn)出良好的測試結(jié)果,并且系統(tǒng)穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)故障,且降溫效果明顯,能夠確保干式變壓器工作在正常溫度范圍,具有很好的推廣意義。對變壓器系統(tǒng)的工作溫度加以監(jiān)測是干式變壓器安全管理工作所需要的重要內(nèi)容,也就規(guī)定了干式變壓器必須具有工作溫度顯示和控制需求。

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