變壓器油溫監測系統的設計構想

席先鵬 王興成 劉 林 張艷華

(三峽大學，湖北 宜昌 443000)

變壓器油溫監測系統的設計構想

席先鵬 王興成 劉 林 張艷華

(三峽大學，湖北 宜昌 443000)

為了保證變壓器連續安全穩定地工作，就必須確保變壓器在一定溫度下運行，而油溫是變壓器溫度的一個重要指標，如果油溫狀況不能得到實時監控，變壓器運行異常也就無法及時發現，因此實時監測油溫是非常重要的。通過設計變壓器油溫監測系統，為判斷變壓器是否正常運行提供有力工具。

變壓器；油溫；實時監測

0 引言

在我國的電力行業中，有很多變壓器不論是大型還是小型都已經快接近超期運行，其中有些變壓器可能存在安全隱患，但考慮到經濟效益仍讓其繼續工作。根據不完全統計，我國變壓器出現故障有86%是由于絕緣受到損害、老化而引起的。而造成變壓器絕緣損害、老化的因素有很多，如鐵耗、機械損耗、熱損耗等。據專家不完全統計，熱損耗造成的絕緣損害、老化占絕大部分。而熱損耗又影響油溫，因此，對變壓器油溫進行實時監測對變壓器的保護具有十分重要的作用。

當今時代，測試和通訊技術已經很成熟，如果還是讓工作人員現場去檢測每一臺變壓器的油溫，那樣既浪費人力又浪費時間，效率低下。但如果利用溫度傳感器去檢測溫度，然后通過光纖或無線設備傳給主機，這樣既節約了人力，節省了時間，還能使工作人員有充足的時間去處理數據，并對變壓器的運行狀態進行準確的評估，發現變壓器的安全隱患，使之得到及時處理。

1 油溫監測流程框圖

油溫監測流程如圖1所示。

圖1 油溫監測流程框圖

2 油溫監測裝置選擇

2.1 壓力式溫度計測溫

壓力式溫度計屬于膨脹式測溫儀器，如圖2所示，溫包中充滿了感溫的液體或氣體，溫包放于變壓器油中，當溫度變化時感溫物質膨脹導致壓力產生變化，這一變化的壓力通過毛細管作用于彈簧管的彈性元件使指針發生偏轉，從而指向被測溫度。

圖2 壓力式溫度計

2.2 熱電阻溫度計測溫

熱電阻溫度計的原理是導體本身的電阻值與溫度的變化存在一定的比例關系。現在市場上用的比較多的就是鉑電阻，鉑電阻的抗氧化性好，測量精度高，本身電阻值與溫度的變化近似成直線關系(-200～850 ℃)。以下是電阻值與溫度的關系式：

R=R0[1+mt+nt2+kt3(t-100)] (-200 ℃≤t<0 ℃)

R=R0(1+mt+nt2) (0 ℃≤t≤850 ℃)

式中，R為溫度為t時的電阻值；R0為0 ℃時的電阻值，R0=100 Ω；m為3.908 2×10-3；n為-5.802×10-7；k為4.273 5×10-12。

將鉑電阻與穩定的電壓源及一些元件連接成一個電路，不同油溫下鉑電阻的阻值發生改變導致電路中的電壓或電流發生改變，通過電壓或電流的改變可以計算出變壓器油的溫度。

2.3 熱電偶溫度計測溫

熱電偶溫度計(圖3)是由2種不同材料的導體a和b焊接成的，2種導體材料一端互相連接，另一端則與測溫儀表相連。互相連接的一端叫測量端，與儀表連接的一端叫冷端。測量時測量端放于被測物體中或與被測物體接觸，當兩端有溫差時，回路就會產生電流，通過測量該電流的相關數據來得到溫度。

圖3 熱電偶溫度計

由圖3可知，熱電偶溫度計中有熱接點和冷接點2個接點。為了方便安裝維護，熱接點置于變壓器外殼頂部，冷接點處于大氣當中，T1、T2為2個接點的溫度，兩導體的接觸電動勢Eab是2個接點溫差的函數，通過Eab可得到當前油溫。

Eab(T1T2)=Eab(T1)-Eab(T2)-[Ea(T1T2)-Eb(T1T2)]=

式中，Ea、Eb為單一導體的溫差電動勢；Eab為兩導體的接觸電動勢；k為玻爾茲曼常數(1.38×10-6)；e是電子電荷(1.602 189 2×10-19)；Na、Nb分別為a、b 2種材料在溫度T時的電子密度；δ是湯姆遜系數，它表示溫度為1 ℃時所產生的電動勢值，它與材料的性質有關。

為了保證測得溫度的準確度與可靠性，測溫探頭有3個，分別放在頂部的不同位置，然后綜合3個測量值取平均數。

為了保證冷接點的溫度不變以及避免外界溫度對測溫探頭的影響，測溫探頭需用隔熱罩密封，隔熱罩主要由氣凝膠氈制成。氣凝膠氈的導熱系數極低，保溫性能很好。

通過對以上3種測量方法的了解，筆者選擇了熱電偶溫度測量裝置來對油溫進行測量。原因：(1) 和彈性元件的形變以及鉑電阻的變化相比，熱電動勢的線性度更好。(2) 由于測溫顯示電信號，便于傳輸，也有利于集中檢測和控制。(3) 體積小、精度高，既可以用來測量點的溫度，也可以用來測量壁面的溫度。

3 V/F轉換器

V/F轉換器是一個電壓控制的振蕩器，即振蕩頻率隨控制電壓變化而變化。輸出頻率F正比于輸入電壓的瞬時值。V/F轉換器與單片機配合使用十分好，可以通過單片機內部計數器記錄脈沖數為C，利用其內部一個定時器記錄時間T，于是頻率F=C/T，最后通過頻率、電壓轉換關系得到電壓值。變壓器放置的地方一般都有很多電磁干擾，而頻率信號的抗干擾性很強，所以頻率信號能更好地保護原始信號不受破壞。

4 單片機MSP430F449

I/O口接收到V/F轉換器傳來的信號并通過采樣器采集信號，然后將其轉化為電壓信號，通過單片機處理后在液晶顯示屏上顯示溫度，另一邊通過串行輸出端口P2.4把數據發送給主機。圖4是MSP430F449部分接口電路圖。

圖4 MSP430F449外圍接口電路

5 轉接器

轉接器部分的功能是完成RS -485協議和RS -232協議的轉換。它把RS -485通信系統傳輸過來的信息轉換成RS -232標準，通過RS -232接口傳輸給PC機。

6 通信系統

在系統中通信采用RS -232和RS -485 2種通信標準，其中RS -232通信完成硬件和軟件的連接，RS -485通信完成遠距離數據的傳送。RS -232標準規定，驅動器允許有2 500 pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，另外RS -232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20 m以內的通信。RS -485接口采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好，RS -485最大通信距離約為1 219 m，最大傳輸速率為10 Mb/s，適合遠距離傳輸。

7 溫度的顯示與報警

主機接收到傳來的信號后調用溫度脈沖轉換公式處理成溫度后顯示，并與預置溫度對比，如果大于預置溫度就會發出報警信號?！杜潆娮儔浩鬟\行規程》規定變壓器的頂層油溫限值是95 ℃，為防止變壓器絕緣加速老化，一般頂層油溫不宜經常超過85 ℃。因傳感器取的是外殼頂部溫度，頂層油溫和外殼頂部溫度之間有一定的溫差，故設置70 ℃為報警溫度，如溫度傳感器傳回的溫度值大于70 ℃，則進行報警和現場處理。

8 結語

本文采用了熱電偶測溫裝置，將測得的電信號轉換成抗干擾性強的脈沖信號，并通過單片機處理后傳入主機。由于還沒有得到實踐檢驗，可能存在一些隱藏缺陷沒有被發現，以后會進一步研究完善。

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2014-06-18

席先鵬(1990—)，男，湖北當陽人，碩士研究生，研究方向：高電壓絕緣測試技術、電力設備故障監測與診斷。