一種基于DSP的變壓器繞組溫度測量

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(國網成都供電公司變電檢修工區，四川 成都 610041)

0 引 言

變壓器運行中，如果遇到短路、過載、環境溫度過高或冷卻通風不夠等情況時，會造成變壓器過熱。當繞組溫度超過絕緣耐受溫度時會使絕緣破壞，是導致變壓器壽命縮短的主要原因之一。作為變壓器運行工況監測的重要參數，油溫及繞組溫度的測量關系到運行中的變壓器風冷投入，溫高報警，溫度過高跳閘等保護的正常動作。

由于目前變壓器測溫系統均采用壓力式溫度計。繞組溫度的直接測量需要解決高電壓隔離的問題，是一項世界級難題，國內外絕大部分變電站均采用熱模擬方法間接測量變壓器繞組溫度。繞組溫度由變壓器頂層油溫使儀表內彈性波紋管產生對應的角位移量，疊加儀表內發熱元件產生的角位移量，從而指示變壓器繞組溫度，發熱元件通過匹配器及變壓器TA二次側負載情況變化而補償不同的銅油溫差。

基于熱模擬方式的繞組溫度測量方式，由于通過TA二次側電流對加熱元件進行加熱，根據銅油溫差曲線產生模擬溫升，這種方式受環境溫度影響很大，特別是變壓器輕載、重載不同的工況下，變壓器周圍的空氣溫度會有30～40 ℃的差異，導致加熱溫包在不同環境溫度下產生的加熱溫升差異很大，繞組溫度測量誤差很大，在成都電網某220 kV變電站重載運行工況下繞組溫度誤差達15 ℃，同時，由于溫度計安裝于變壓器本體，震動較大，傳統的微動開關受震動影響大，誤動及損壞概率很大，特別是目前大多數220 kV強油循環變壓器，溫度投入跳閘接點后這個問題日趨顯著。

1 壓力式溫度計測量原理

1.1 壓力式溫度計測量原理

壓力式溫度計，主要由彈性元件、毛細管、溫包和微動開關組成。當溫包受熱時，溫包內感溫介質受熱膨脹所產生的體積增量，通過毛細管傳遞到彈性元件上，使彈性元件產生一個位移，這個位移經機構放大后指示出被測溫度并帶動微動開關，從而控制冷卻系統、溫度高報警、溫度高跳閘的投入或退出。壓力式溫度計內部結構如圖1所示。

圖1 壓力式溫度計內部結構

1.2 變壓器用繞組溫度計測量原理

繞組溫度的監測，當前國內外絕大部分變電站均采用熱模擬的方法間接測量。所謂熱模擬是用一個流經電熱元件的加熱電流所產生的附加溫升，當這個附加溫升調整到等同于銅油溫差時就可以間接獲得變壓器繞組溫度，也就是變壓器繞組溫度T1等于變壓器上層油溫T2以及繞組對油的溫升ΔT之和，即T1=T2+ΔT。目前，獲取繞組溫度的方式是校驗前計算并調整好加熱電流，即利用在變壓器容量、額定電壓、額定負荷電流和銅油溫差手動計算出加熱電流，利用標準源通過匹配器輸出加熱電流對繞組溫度計進行校驗。當變壓器帶上負荷后，通過變壓器的電流互感器(一般有專用繞組)二次繞組電流，經匹配器調整后，形成與負荷成正比的加熱電流，流經嵌裝的電熱原件，電熱原件產生的熱量使感溫介質產生附加膨脹，從而使彈性元件產生附加位移，這個位移量就反映變壓器負荷電流對繞組的溫升ΔT。因此，在變壓器加載后，測量元件的位移是由變壓器上層油溫和變壓器加載的電流所決定的，這樣就反映了變壓器上層油溫和繞組對油的溫升之和，即變壓器的繞組溫度。全部通過人工進行計算、調整、校驗。繞組溫度計測溫原理如圖2所示。

圖2 繞組溫度計測溫原理

2 變壓器用繞組溫度計應用現狀

在實際使用中發現，基于熱模擬實驗間接測溫的繞組溫度計存在因環境溫度變化以及匹配電阻長期工作發熱變質而導致的測量不正確的問題。原因在于元件的加熱過程是在溫度計內部直接進行，存在與外部熱交換的過程，當環境溫度較低時加熱效果達不到整定值，環境溫度較高時加熱效果又遠遠超出整定值。更重要的是匹配電阻長期發熱造成調節觸點氧化導致電阻值升高，分流作用減小，加熱電流進一步偏離正常值。因此繞組溫度計的指示值無法正確反應繞組的運行溫度，同時由于溫度指示的影響會使得風冷啟動、溫高報警、溫高跳閘等節點不能正確動作。由于繞組溫度是實時進入SCADA系統的，而調度人員和運行人員都通過綜合數據網來監視繞組溫度的，因此如果繞組溫度指示不正確，可能使調度人員做出錯誤判斷，影響電網的安全穩定運行。

3 基于DSP技術的繞組溫度監測

采用以數字信號處理器(digital signal processing，DSP)為核心控制芯片，專用的數字信號處理芯片Freescale公司的16位DSP，在時鐘頻率80 MHz下，有著40 MIPS的指令執行進度，能夠滿足溫度實時監測及通訊的目的。通過熱電阻作為傳感器，進行基本油溫溫度測量。熱電阻的工作原理是基于熱電效應。如鉑電阻，其特點是精度高、穩定性好、性能可靠，尤其是耐氧化性能很強。鉑在很寬的溫度范圍內約1 200 ℃以下都能保證上述特性。中國已采用IEC標準制作工業鉑電阻。按IEC標淮，使用溫度已擴大到-200～850 ℃，初始電阻有100 Ω和50 Ω兩種，以常用的Pt100為例作為感溫元件。利用護套將Pt100從傳感器到溫度計這部分保護，從而不容易遭到外界的破壞。

3.1 系統硬件設計

圖3是系統的硬件框圖，其中A/D用于采集Pt100的電阻信號，經DSP轉換為電流值，TA二次電流經隔離后同樣經A/D轉換為電流值送給DSP，EEPROM存儲銅油溫差曲線值供繞組溫度計計算使用，RAM用于歷史溫度值記錄，RS232、RS485及mA輸出。

圖3 油溫溫度計工作原理

3.2 繞組溫度計的工作原理

圖4是繞組溫度計工作原理流程圖，其中變壓器的油溫溫度通過感溫元件Pt100，經隔離后到A/D轉換將Pt100的電阻信號轉換為電流值，然后送到DSP；繞組平均溫升則是，首先變壓器TA二次電流通過隔離，然后到A/D轉換將大電流轉換為小電流值后送到DSP，與EEPROM存儲的銅油溫差曲線值進行比較計算，在DSP中繞組平均溫升與油溫溫度進行疊加，疊加后的電流值mA輸出供測控裝置使用和液晶顯示。當溫度到達接點預定設定值，則接點閉合輸出。同時RAM對變壓器的溫度進行統計、累加，反映變壓器在溫度過高區間運行的時間，對變壓器運行溫度區間進行有效統計。并且可以通過RS232、RS485串口直接讀取溫度實時數值和歷史數值。

圖4 繞組溫度計工作原理流程

4 繞組溫度計檢定

溫度計檢定項目包括外觀檢查、示值誤差、設定點誤差、切換差、穩定度、絕緣電阻、絕緣強度等項目。繞組溫度計檢定在一般溫度計的檢定項目基礎上，需增加繞組平均溫升試驗。根據以上檢定項目，基于DSP技術的繞組溫度在檢定前需收集相關數據并進行計算整定，具體檢定接線如圖5所示。

圖5 繞組溫度計檢定接線

為了保證在整定過程中對接點整定的可靠性及準確性，溫度計在整個試驗過程中表頭應垂直安裝，溫包必須全部浸沒，引長管浸沒不得小于管長的1/3～2/3，溫度計均要求表頭和溫包之間的高度差不得大于1 m，由于現場應用的接點會使用在風冷全停延時跳閘回路及溫高跳閘回路，因此要求接點的動作值能真實反映變壓器的溫度，在讀取接點動作值的時候應讀取和被試表溫包位于同一恒溫油槽內的標準水銀溫度計或Pt100標準鉑電阻。

繞組溫度計接點可根據現場啟動風冷、溫高報警、溫高跳閘的要求進行整定，當溫度指示達到整定值時接點閉合動作。

接點動作值設定完畢后，測試接點動作誤差時，除信號電路和試驗點外，采用與示值基本誤差試驗相同的試驗條件、試驗設備和標準儀表，測試點按照標準設定點進行,具體方法是將被測試溫度計和標準二等水銀溫度計或標準Pt100鉑電阻插在恒溫槽中，并將被試溫度計的端子接到信號電路中，然后均勻改變恒溫槽溫度(溫度變化率應不大于1 ℃/min)，使接點產生閉合或斷開的切換動作(信號電路接通或斷開)，在動作的瞬間記錄標準水銀溫度計或標準Pt100鉑電阻的示值，即為接點正行程或反行程的上切換值或下切換值。在同一測試點上，上切換值設定點的差值即為接點動作誤差；上切換值與下切換值的差值即為接點切換差。接點動作誤差和切換差在各試驗點上就接點閉合和斷開各試驗一次。

繞組溫度計熱模擬試驗如下。

例：某220 kV變電站，變壓器的額定容量為180 000 kVA，額定電壓為220 kV，TA變比為600/5，繞組溫度計接于220 kV側B相TA，繞組平均溫升ΔT=20 ℃，則計算如下。

P=UI

I=P/U=180 000/(1.732×220)=472.391(A)

二次額定電流Ip=472.391/120=3.937(A)

根據公式：Y=X2A

式中，Y為溫升ΔT；X為TA二次額定電流。

則：20=3.9372A

A=1.29

先將溫包浸沒入恒定在80 ℃的恒溫油槽中，待繞組溫度計穩定后讀取溫度計示值T1，然后將Ip、溫升ΔT和A的數值分別置入溫度計內EEPROM中，待溫度計示值穩定45 min后讀取T2，T2與T1的差值即為熱模擬裝置的附加溫升。

穩定性試驗(此項目為型式試驗)：首先溫度計在承受24 h、150 ℃的試驗，然后在溫飽處于交變溫度差大于100 ℃且出現頻率不小于50%(每一個變化周期不得超過24 h)的情況下連續工作1 000 h，試驗后溫度計示值基本誤差、示值回差、環境溫度影響、接點動作誤差及切換差應合格。

絕緣電阻試驗: 用額定直流電壓為500 V的絕緣電阻表分別測量溫度計電接點端子之間、電接點端子與接地端子之間的絕緣電阻應不小于20 MΩ。

絕緣強度試驗：試驗應在高壓側電源容量不小于2 500 VA的高壓試驗裝置上進行。輸出接點短接后對地施加2 kV、歷時1 min的正弦交流電壓，漏電電流設定為10 mA，應無擊穿或閃絡現象。

5 結 論

1)基于DSP繞組溫度計，采用了RAM可以對變壓器的運行溫度區間進行統計、累加，反映變壓器在溫度過高區間運行的時間，為合理經濟地安排變壓器的運行、檢修提供依據，特別是在目前電力系統普遍延長檢修周期，全系統推廣狀態檢修的趨勢下，這套變壓器測溫系統將發揮更大作用。

2)DSP繞組溫度計采用Pt100作為感溫元件，精度高、穩定性好、性能可靠，尤其是耐氧化性能很強。鉑電阻在很寬的溫度范圍內約1 200 ℃以下都能保證上述特性。也不會因Pt100出現故障而發生接點誤動的現象。

3)繞組溫度計減少了溫度補償回路，因此不會發生因溫度補償回路故障引起遠傳與本體數據不一致，溫度高報警、溫度高跳閘誤動，嚴重時會導致跳變壓器開關等嚴重后果。

4)DSP繞組溫度計安裝于變壓器場地端子箱內，起到了有效的防震作用，現場配線簡單，調試方便。

5)DSP繞組溫度計采用Pt100作為感溫元件，避免因環境溫度的影響而發生測量誤差。

6) 可以避免出現繞組溫度計匹配電阻長期發熱造成調節觸點氧化導致電阻值升高、分流作用減小、加熱電流進一步偏離正常值的問題。

7)DSP繞組溫度計采用EEPROM存儲銅油溫差曲線值，取代了傳統的加熱元件，能更加準確地反映變壓器內部工作情況。

[1] JJG 310-2002，壓力式溫度計[S].

[2] JJG 874-2007,溫度指示控制儀[S].

[3] JB/T 8450-2005，變壓器用繞組溫控器[S].

[4] Q/GDW 440-2010，油浸式變壓器測溫裝置現場校準規范[S].

[5] 徐科軍，馬修水，李曉林.傳感器與檢測技術[M].北京：電子工業出版社，2004.