變壓器智能溫度控制器的設計

李如雄

（廣東電網有限責任公司佛山供電局,廣東 佛山 528000）

變壓器智能溫度控制器的設計

李如雄

（廣東電網有限責任公司佛山供電局,廣東 佛山 528000）

設計了一種以PIC24FJ64單片機為核心的干式變壓器溫度控制器，通過Pt100熱敏電阻和風機實現了對變壓器溫度的實時監控和自動調節、在數碼管上巡回顯示三相變壓器的溫度、風機故障自動檢測、掉電數據保存等功能。

PIC24FJ64；Pt100熱敏電阻；控制器

0 引言

近幾十年來，隨著我國社會經濟的發展，干式變壓器因其具有安全、防火、無污染、低損耗、體積小、重量輕、綜合運行成本低等優點，被廣泛應用于重要負荷中心和有防火要求的高樓、醫院、機場、車站、地鐵、大超市及商店、劇院、學校等場所，尤其在配電變壓器中，干式變壓器所占的比例愈來愈大。干式變壓器安全運行和使用壽命主要取決于變壓器繞組絕緣，繞組溫度超過絕緣耐受溫度使絕緣破壞,會導致變壓器不能正常工作，干式變壓器在運行過程中，溫度越高變壓器的繞組阻值越大，發熱也就越大，效率就越低。因此對變壓器運行溫度的監測和報警控制十分重要。本文設計了一套變壓器智能溫度控制器，用于變壓器的超溫保護，它采用智能溫度信號檢測系統，可以自動檢測和巡回顯示三相繞組各相的工作溫度，可以自動啟動、停止風機，并有報警、跳閘等功能。

1 基本功能

智能溫度控制器集溫度檢測、數據分析、故障報警、風機控制、數據通信等功能于一體，主要功能如下：

（1）風機自動控制：通過預埋在低壓繞組最熱處的Pt100熱敏測溫電阻測取溫度信號。變壓器負荷增大，運行溫度上升，當繞組溫度達到110℃時，系統自動啟動風機冷卻；當繞組溫度低至90℃時，系統自動停止風機。

（2）超溫報警、跳閘：通過預埋在低壓繞組中的PTC非線性熱敏測溫電阻采集繞組或鐵心溫度信號。當變壓器繞組溫度繼續升高，若達到155℃時，系統輸出超溫報警信號；若溫度繼續上升達到170℃，變壓器已不能繼續運行，須向二次保護回路輸送超溫跳閘信號，使變壓器迅速跳閘。

（3）溫度顯示系統：通過預埋在低壓繞組中的Pt100熱敏電阻測取溫度變化值，直接顯示各相繞組溫度（三相巡檢及最大值顯示，并可記錄歷史最高溫度），可將最高溫度以4～20mA模擬量輸出，若有需要可傳輸至遠方（距離可達1200m）計算機。

（4）預報警功能：采用人性化智能控制策略、智能化控制結構和超前主動防護模式，當接近動作參數時提前報警。

（5）對變壓器運行安全狀況進行數據記錄和控制，顯示并儲存故障發生點的線路地址、故障類型、故障發生時間等。最多可以儲存5條歷史故障記錄，并可實現查詢歷史故障記錄功能，長期保存，直到用指令刪除。

（6）具有通訊功能，內置RS485通信接口與上位機通信，實現遠程監控功能。

2 硬件設計

智能溫度控制器是一個以單片機為核心的嵌入式系統應用電路，硬件系統框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統框圖

單片機選用Microchip公司設計的一款具有豐富的外設功能集和增強計算性能的16位RISC單片機PIC24FJ64，工作速度高達16 Mbps，是智能型限載斷路器控制系統的核心, 它完成A/D轉換、風機啟動和關閉、風機電流的采樣、數據處理、報警輸出、與上位機通信、液晶顯示及按鍵等各種控制功能。

2.1 溫度檢測電路

測溫原理：電路采用5V的參考電源，如圖2。采用R28、R29、R30、Pt100構成測量電橋（其中R28＝R29，R30為100Ω精密電阻），當Pt100的電阻值和R30的電阻值不相等時，電橋輸出一個mV級的壓差信號，這個壓差信號經過運放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連接到AD轉換芯片或者V/I轉換芯片。

電路中R31＝R32,V1=V3,V3=V4,

所以（V1-V3）/R31=（V3-Vout）/R34，

即Vout=11*V2-10*V1，

放大倍數＝R34/R31=10，運算放大器采用單一5V供電。2.2 V/I輸出電路

圖2 溫度檢測電路

V/I輸出電路為電流環電路，如圖3。電路中信號電壓施加在VIN和VG之間，VG相當于傳感器部分的參考點。根據運算放大器的基本原路，運算放大器的兩個輸入端電壓基本相等，流入運算放大器輸入端的電流基本為零。可知，I3=I2；VA=VB=VG；VR1=VR2；

所以：I1R2=I2R1；

I0=I1+I2=I2(R1/R2+1)=100*VIN/RIN。2.3 串行通訊硬件電路

圖3 V/I轉換電路

控制器與上位機之間使用RS485總線通信，采用主從式結構，一臺主機可以控制多達30臺下位機，從機不主動發送命令或數據，全部由主機控制。在一個通訊系統中，只用一臺上位機作為主機，工作人員通過主機對控制器進行讀取信息等操作。具體電路由通用串行接口UART的數據接收線和數據發送線(RXD、TXD)及選定的發送允許控制線SD0經RS485驅動器MAX485完成。通信硬件電路如圖4：

圖4 串行通訊硬件電路

通過RS485總線通信可以向上位機提供變壓器溫度的數據，從而為工作人員的檢測提供方便。

3 軟件設計

軟件采用模塊化結構化的C語言程序設計方案，C語言具有生成代碼質量高，程序執行效率高，適用范圍大，可移植性好等優點。軟件部分包括溫度采樣、繼電器控制、數據處理、報警輸出、及通信等功能。軟件的系統框圖如圖5。

功能子程序有A/D轉換、D/A轉換、風機驅動子程序、按鍵功能子程序、數碼管顯示等。控制器通過Pt100熱敏電阻實時檢測變壓器溫度，并通過LM324運放將測得電壓信號送到主控芯片，主控芯片通過A/D轉換對電壓信號進行判斷，若檢測到的溫度值比設定標準值高，則啟動風機，從而給變壓器散熱；如果檢測到的溫度值超出設定溫度最大允許值，則立刻發出警報并提供一個開關信號給遠方的控制柜，關閉變壓器電源。啟動風機后，對風機電流進行實時監控，若風機電流發生異常，則立刻關閉風機并發出警報。

4 結語

用單片機實現的變壓器智能溫度檢測，具有控制靈活、智能化程度高、使用方便等優點。同時，控制器采取了屏蔽、看門狗及單片機二級穩壓等一系列軟硬件抗干擾措施，使得控制器具有很好的抗干擾能力，并且能通過RS485總線通信實時監控三相變壓器的溫度值，使用更方便。經試驗，本方案設計的變壓器智能溫度控制器性能穩定，工作可靠。

圖5 軟件系統框圖

[1]王有緒.PIC系列單片機接口技術及應用系統設計[M].北京航空航天大學出版社.

[2]竇振中,汪立森.PIC系列單片機應用設計與實例[M].北京航空航天大學出版社.