外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋長勇

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明 650000）

0 引 言

傳統(tǒng)以PT100作為測(cè)溫傳感器，而在JB/T 7631—2016《變壓器用電子溫控器》中規(guī)定其測(cè)量范圍只能局限在1 000 V以下。該傳感器的材質(zhì)為金屬，這樣就會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的安全隱患，因此測(cè)量傳感器及溫控器急需采用新技術(shù)。

近年來，國內(nèi)關(guān)于變壓器溫控器研究已取得較多成就。文獻(xiàn)[1]介紹了變壓器溫控器的功能，變壓器油面和繞組溫度的測(cè)量方法，然后分別介紹了BWY-804J（TH）型壓力式變壓器油面溫控器和基于熱模擬技術(shù)的BWR-04J（TH）型繞組溫控器的結(jié)構(gòu)、原理以及校驗(yàn)方法，并重點(diǎn)描述了繞組溫控器熱模擬裝置的整定過程。文獻(xiàn)[2]總結(jié)歸納了主變溫控器溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)的各種異常問題，并進(jìn)行了詳細(xì)分析,，從而提出了現(xiàn)場(chǎng)解決方案，同時(shí)對(duì)溫度變送器提出了改進(jìn)方案，驗(yàn)證了分析和改進(jìn)方案的正確性，對(duì)提高主變壓器運(yùn)維水平和延長主變壓器的使用壽命有著重要的意義。文獻(xiàn)[3]分析了升溫速率、恒溫設(shè)備熱容量以及浸沒深度3個(gè)因素對(duì)變壓器用油面溫控器接點(diǎn)動(dòng)作誤差檢測(cè)結(jié)果的影響因素。文獻(xiàn)[4]針對(duì)變壓器繞組溫控器在檢測(cè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題，通過實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)試驗(yàn)，分析繞組溫控器在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)量結(jié)果偏差較大的原因，提出改進(jìn)建議。文獻(xiàn)[5]針對(duì)某1 000 MW變壓器繞組溫度顯示異常缺陷，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到溫度異常的原因，并總結(jié)處理方法。而文獻(xiàn)[6]則針對(duì)張河灣公司3號(hào)機(jī)組在勵(lì)磁變壓器溫度控制器發(fā)生異常溫升和跳變導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)的現(xiàn)象，分析了勵(lì)磁變溫控器存在的問題、改進(jìn)方案以及運(yùn)行效果等。

以上研究基本聚焦于溫控器特定場(chǎng)景應(yīng)用開展分析，少部分情況下是針對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)改進(jìn)研究。為此，本文以此為出發(fā)點(diǎn)在光纖溫度傳感器測(cè)溫特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，開發(fā)出新型外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器，并對(duì)系統(tǒng)功能開展測(cè)試，證明了本文所設(shè)計(jì)的溫控器功能完善、可靠。

1 溫度傳感器原理及特點(diǎn)

1.1 測(cè)溫原理

光纖溫度傳感器使用熒光測(cè)溫技術(shù)，基本的原理是封裝在石英玻璃光纖端面的感溫物質(zhì)物性的變化僅受溫度影響。

感溫物質(zhì)是經(jīng)過高溫多次燒結(jié)的特定稀土物質(zhì)，其在受到特定波長激發(fā)后，電子吸收光子從低能級(jí)躍遷到激發(fā)態(tài)高能級(jí)，從高能級(jí)返回到低能級(jí)的輻射躍遷中發(fā)射熒光。激勵(lì)光停止后，受激的發(fā)射熒光通常是按指數(shù)方式衰減，熒光衰減曲線如圖1所示。

圖1 熒光衰減曲線

激勵(lì)脈沖終止時(shí)間為t1，衰落信號(hào)的強(qiáng)度值為I0，當(dāng)衰落信號(hào)達(dá)到第二個(gè)值I0/e時(shí)，時(shí)間為t2。t1和t2的間隔就是指數(shù)衰落信號(hào)的時(shí)間常數(shù)τ，時(shí)間常數(shù)τ可以用來測(cè)量熒光壽命。研究證明，在不同的環(huán)境溫度下，熒光壽命也不同。熒光壽命與溫度的關(guān)系為：

式中，RE、RT、k、ΔE均為常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。由此公式可知，根據(jù)測(cè)量熒光壽命的長短可以得知當(dāng)前的環(huán)境溫度。

1.2 傳感器設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的傳感器是將熒光物質(zhì)封裝在光纖頂端（感溫探頭位置），然后在光纖另一端輸入激勵(lì)光。熒光物質(zhì)受激發(fā)光的余暉通過光纖返回到達(dá)輸入端，輸入端通過45°半反半透鏡片將余暉接收，后解析出探頭位置的環(huán)境溫度，具體如圖2所示。

圖2 傳感器實(shí)現(xiàn)過程

傳感器關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 關(guān)鍵參數(shù)詳情

此光纖溫度傳感器傳感器主體由不銹鋼軟管保護(hù)，熒光探頭位于不銹鋼管內(nèi)部，外形結(jié)構(gòu)與PT100油面溫度計(jì)相同。整體長度為6 m，光纜露出默認(rèn)40 cm，傳感器外觀如圖3所示。

圖3 傳感器外觀圖

溫度感溫探頭位于不銹鋼管內(nèi)部，探頭封裝位置使用環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱膠，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 溫度探頭封裝結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的光纖溫度傳感器具有以下特點(diǎn)。一是基于光信號(hào)測(cè)溫，抗電磁干擾傳感器感溫及傳導(dǎo)部分采用光信號(hào)，對(duì)電磁環(huán)境完全免疫。二是響應(yīng)快，通道響應(yīng)速度低于1 s。三是性能穩(wěn)定、免維護(hù)，基于熒光物質(zhì)的穩(wěn)定物性，保證全壽命段測(cè)溫性能的一致性。四是精度高、可自診斷，配合溫控器可完成自診斷功能。五是壽命長，壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基于電信號(hào)的溫度傳感器。六是不改變使用習(xí)慣，采用原PT100封裝及固定形態(tài)涉及傳感器，用戶無需改變使用習(xí)慣。

2 外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

2.1 整體特點(diǎn)

本文所設(shè)計(jì)的外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器，物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)以其豐富的顯示畫面、靈活的操作方式、強(qiáng)大的記錄、運(yùn)算、控制、管理功能以及超薄美觀的鋁合金機(jī)身，在各行各業(yè)中獲得了極其廣泛的應(yīng)用。本產(chǎn)品在吸納各種國內(nèi)外數(shù)據(jù)記錄儀優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加了全新物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、局域網(wǎng)無線超遠(yuǎn)距離通信等功能。

2.2 硬件組成及工作原理

本文所設(shè)計(jì)的多通變壓器光纖溫控器分為油面溫度控制器和繞組溫度控器，分別用于測(cè)量變壓器油面溫度和繞組模擬溫度，具有直接顯示溫度和超溫分級(jí)報(bào)警等功能。輸出的信號(hào)供冷卻器控制系統(tǒng)及變壓器保護(hù)系統(tǒng)使用，多通道變壓器光纖溫控器是變壓器必備的組部件。

多通道變壓器光纖溫控器通過光纖溫度傳感器測(cè)量變壓器頂部油杯內(nèi)的油溫來測(cè)量變壓器油面溫度，結(jié)合CT取電的方式取得相應(yīng)繞組負(fù)荷電流，利用頂層油溫和負(fù)荷電流，通過相應(yīng)公式計(jì)算測(cè)得模擬的變壓器繞組溫度[7-10]。

2.2.1 硬件組成

首先是電源，其屬于至關(guān)重要的組成部分，主要是為溫控器的運(yùn)行提供必要的電力支持，保證可以處于相對(duì)穩(wěn)定的供電狀態(tài)下。其次是溫度傳感器，可以及時(shí)反映溫度情況，確保相應(yīng)的措施及時(shí)采取到位，滿足相關(guān)的實(shí)踐需要。最后是輸出部分，重點(diǎn)是將相關(guān)的信息傳遞出來，反映出基本的情況，以便后續(xù)工作的開展有證可循。

2.2.2 工作原理

支持RS485及以太口通信，24路輸出（0～5 A@DC 24 V/0～2 A@AC 220 V）。人機(jī)接口選用7寸液晶，提供溫度顯示和參數(shù)設(shè)置功能。界面以3+1方式顯示通道溫度（3是指3個(gè)油面溫度通道，1是指1個(gè)繞組溫度通道），界面如圖5所示。

圖5 溫度顯示界面

油面通道的設(shè)置界面如圖6所示，設(shè)置的內(nèi)容分別有1～4路繼電器的報(bào)警值和行程差以及油面通道的名稱，其中1～4路繼電器的報(bào)警值依次遞增才可以設(shè)置。

圖6 油面通道設(shè)置界面

繼電器的狀態(tài)界面如圖7所示，CH1～CH6表示6個(gè)油面通道，K1～K4表示通道的1～4路繼電器，繼電器的狀態(tài)只有閉合和斷開兩種狀態(tài)，閉合是指導(dǎo)通，斷開是指不導(dǎo)通。

圖7 繼電器狀態(tài)界面

系統(tǒng)設(shè)置界面如圖8所示，可以設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間、屏幕亮度、采集速度以及息屏?xí)r間，其中采集速度是指采集熒光模塊溫度的采集速度。

圖8 系統(tǒng)設(shè)置界面

3 功能測(cè)試

3.1 測(cè)試范圍

對(duì)外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器的系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)關(guān)機(jī)、系統(tǒng)重啟、關(guān)于系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)置、無線設(shè)置、系統(tǒng)升級(jí)、監(jiān)控油面設(shè)置、繞組設(shè)置、繼電器狀態(tài)、模擬量輸出等功能開展測(cè)試。

3.2 測(cè)試策略

測(cè)試策略包括以下3點(diǎn)。一是回歸測(cè)試，新版本在發(fā)布前，確認(rèn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)的缺陷在修復(fù)后不會(huì)在其他沒有發(fā)現(xiàn)缺陷的部分產(chǎn)生新的缺陷，可以包含上述所有測(cè)試的部分。二是功能測(cè)試，確保測(cè)試的功能正常，其中包括系統(tǒng)設(shè)置、繼電器狀態(tài)、模擬量輸出、系統(tǒng)關(guān)機(jī)、系統(tǒng)重啟、油面溫度、繞組溫度、溫差、溫升、系統(tǒng)版本、參數(shù)設(shè)置、通信設(shè)置以及系統(tǒng)升級(jí)等。三是性能測(cè)試，在正常的預(yù)期工作量下，核實(shí)所指定的事務(wù)或業(yè)務(wù)功能。

3.3 測(cè)試結(jié)果及分析

功能測(cè)試共執(zhí)行用例91個(gè)，發(fā)現(xiàn)軟件問題11個(gè)，主要集中于值的系統(tǒng)設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、繼電器、無線網(wǎng)絡(luò)等方面，具體見表2。經(jīng)過回歸測(cè)試后，確認(rèn)所有問題均已歸零。實(shí)際測(cè)試過程遵循了原定的測(cè)試計(jì)劃和測(cè)試說明，測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)客觀完備地記錄了測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，測(cè)試過程中未發(fā)生異常中止情況。測(cè)試過程中，開展了質(zhì)量保證活動(dòng)，對(duì)測(cè)試工作產(chǎn)品進(jìn)行了審查和評(píng)審，有效開展配置管理工作，對(duì)測(cè)試工作產(chǎn)品進(jìn)行了變更控制和版本管理，測(cè)試工作始終處于受控狀態(tài)。

表2 測(cè)試用例統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

依照上述相關(guān)的測(cè)試信息分析，可以將相關(guān)結(jié)論加以總結(jié)，為后續(xù)工作的開展提供必要的參考。早期版本的軟件功能存有較多缺陷，面對(duì)相關(guān)的缺陷，應(yīng)該及時(shí)采取應(yīng)對(duì)方案，促使著相應(yīng)的軟件功能得以完善，真正達(dá)到理想化的應(yīng)用成效。另外，優(yōu)化之后的軟件功能體現(xiàn)出十足的可靠性，可以滿足相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際需求。本文重點(diǎn)概述了PT100存在的問題，通過詳細(xì)分析軟件功能存在的缺陷，制定出科學(xué)的應(yīng)對(duì)方案將其完善，使其更好的作用于具體的實(shí)踐中，保證了基本的應(yīng)用成效和實(shí)踐價(jià)值，具有一定的參考價(jià)值。此外，建立在光纖溫度傳感器測(cè)溫特性分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新型的外置式自診斷熒光光纖繞組溫控器并對(duì)系統(tǒng)功能開展測(cè)試，證明了設(shè)計(jì)的溫控器功能完善、可靠。