基于某電廠油浸式變壓器油色譜數據傳輸問題解析

穆 寶

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

大型油浸式變壓器在正常運行過程中，由于油和絕緣裝置會逐漸老化、變質，會逐漸分解出極少量的氣體，例如氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）等[1，2]。當變壓器內部發生過熱性故障、放電性故障或由于密封老化等造成的內部受潮時，對應的特征氣體會呈現異樣的變化。而這些變化在故障早期很難通過簡單的電氣試驗發現，只有通過對變壓器油進行油質分析時發現，但油質分析的周期一般為1～3個月不等，時效性較低，故油浸式變壓器油色譜在線監測裝置可以在故障早期發現故障隱患，針對故障問題制定相關的處理方案，有利于盡早消除故障[3]。

圖1 一號機組油色譜在線監測裝置分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the distribution of oil chromatography online monitoring devices in unit 1

油浸式變壓器油色譜在線監測裝置，采取氣相色譜法對變壓器油中溶解的氣體進行組分及含量的分析。由于每個特征氣體析出的速度及時間不同，反映在后臺服務器程序中每種氣體對應的波峰不同，即特征峰。通過峰值的大小來對特征氣體的含量進行測量[4，5]，當特征氣體含量超過其設定值時，會根據數值大小觸發一級告警、二級告警、警告。

某電廠兩臺機組共有12臺油浸式變壓器配備油色譜在線監測裝置，由于安裝的時間相差較大，首臺監測裝置安裝于2011年，最后一臺安裝于2022年，設備廠家升級周期較短，12臺油色譜監測裝置的關鍵部件也不一致。油色譜在線監測裝置中的氣體分析探頭及色譜柱分為兩種，一種為單色譜柱模式，另一種為雙色譜柱模式。單色譜柱存在于6臺主變壓器的油色譜在線監測裝置中，其余4臺廠用變壓器及兩臺輔助變壓器的油色譜在線監測裝置均為雙色譜柱模式。

1 油色譜在線監測裝置數據傳輸模式

數據的傳輸一般分為有線傳輸和無線傳輸，無線傳輸利用電磁波進行信息的傳遞，有線傳輸是用線纜進行信息的傳遞，例如光纖、同軸電纜、雙絞線等。

該電廠兩臺機組12臺油色譜在線監測裝置均采用有線傳輸方式，即通過RS485線纜進行數據的傳輸，且油色譜在線監測裝置之間數據線纜均采用星型接法。

1.1 一號機組油色譜在線監測裝置分布及數據傳輸

一號機共布置了7臺油色譜在線監測裝置，分別為3臺主變壓器（主變A、主變B、主變C）油色譜在線監測裝置、兩臺廠用變壓器（廠變A、廠變B）油色譜在線監測裝置、兩臺輔助變壓器（1#輔助變、2#輔助變）油色譜在線監測裝置，各在線監測裝置間均由RS485線纜進行連接，數據傳輸到監測服務器后臺的RS485總線在主變A油色譜在線監測裝置內，總線之下共有4條支路，分別為：

1）1#輔助變油色譜在線監測裝置連接到2#輔助變油色譜在線監測裝置，再由2#輔助變油色譜在線監測裝置連接到主變A油色譜在線監測裝置內。

2）廠變A油色譜在線監測裝置連接到主變A油色譜在線監測裝置內。

3）廠變B油色譜在線監測裝置連接到主變B油色譜在線監測裝置內，主變C油色譜在線監測裝置連接到主變B油色譜在線監測裝置內，再由主變B油色譜在線監測裝置連接到主變A油色譜在線監測裝置內。

4）主變A油色譜在線監測裝置自身。

1.2 二號機組油色譜在線監測裝置分布及數據傳輸

二號機共安裝了5臺油色譜在線監測裝置，分別為3臺主變壓器（主變A、主變B、主變C）油色譜在線監測裝置、兩臺廠用變壓器（廠變A、廠變B）油色譜在線監測裝置，各在線監測裝置間均由RS485線纜進行連接，數據傳輸到監測服務器后臺的RS485總線在主變A油色譜在線監測裝置內，總線之下共有3條支路，分別為：

1）廠變A油色譜在線監測裝置連接到主變A油色譜在線監測裝置內。

2）廠變B油色譜在線監測裝置連接到主變B油色譜在線監測裝置內，主變C油色譜在線監測裝置連接到主變B油色譜在線監測裝置內，再由主變B連接到主變A油色譜在線監測裝置內。

3）主變A油色譜在線監測裝置自身。

2 油色譜在線監測裝置數據傳輸問題及解決方案

RS485線纜有兩線制（半雙工）和四線制（全雙工）兩種接線，四線制可實現點對點的通信方式，但與雙線制接線相比，其數據傳輸穩定性較差。當RS485線纜的應用環境屬于短距離、無干擾的場合時可以采用普通的雙絞線，在干擾惡劣的環境或者有較高使用要求時還應采用帶有鎧裝的雙絞屏蔽線[6]。理論上，當通信速率在100Kbps及以下時，RS485線纜數據信號的最遠傳輸距離為1200m[7，8]。在RS485通信網絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機[9]。

該電廠兩臺機組12臺油色譜在線監測裝置數據傳輸采用的RS485線纜均為帶有鎧裝屏蔽層的雙絞四芯電纜即全雙工方式，四芯電纜分別對應油色譜在線監測裝置的A、B、Z、Y，在接線過程中要注意區分四芯所對應的位置，當線芯對應錯誤時監測服務器后臺將無法接收到數據信息，此時打開后臺調試工具會顯示通訊不通，數據無法上傳。

二號機組5臺油色譜監測裝置數據傳輸采用的RS485線纜均使用四芯一一對應的連接方式，485布線采取的為星型接法，但由于其3條支路與上傳總線之間的距離較近，未產生數據的影響，數據上傳較為穩定，具體連接方式如圖3。

圖2 二號機組油色譜在線監測裝置分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of the distribution of oil chromatography online monitoring devices in unit 2

圖3 二號機組油色譜在線監測裝置485布線方式及數據傳輸示意圖Fig.3 Schematic diagram of wiring method and data transmission of oil chromatography online monitoring device 485 in unit 2

一號機組在兩臺輔助變壓器未加裝油色譜在線監測裝置前與二號機組采取完全相同的方式進行數據傳輸，數據上傳較為穩定。當兩臺輔助變壓器加裝了油色譜在線監測裝置后，連接到總線的支路由原來的3條支路增加為4條支路，如圖4。

圖4 一號機組油色譜在線監測裝置485布線方式及數據傳輸示意圖Fig.4 Schematic diagram of wiring mode and data transmission of oil chromatography online monitoring device 485 in Unit 1

且2#輔助變油色譜在線監測裝置到主變A油色譜在線監測裝置距離接近400m，在上電調試時出現了監測服務器后臺無法實現與兩臺輔助變壓器油色譜在線監測裝置進行數據連接的情況，具體分析及解決方式如下：

首先，考慮是否為兩臺輔助變油色譜在線監測裝置自身存在問題。檢查色譜在線監測裝置進油出油正常，裝置面板無報警信號，使用專用調試軟件對1#輔助變油色譜在線監測裝置及2#輔助變油色譜在線監測裝置進行單體測試，結果顯示數據分析及數據傳輸正常，排除自身存在的問題。

其次，考慮是否為2#輔助變油色譜在線監測裝置到主變A油色譜在線監測裝置新敷設的RS485線纜存在問題。使用絕緣電阻測試儀測量RS485線纜4芯之間及4芯對地的絕緣電阻，滿足使用要求，排除線纜存在問題，且使用萬用表對線纜4芯進行核相并標注，進而排除4芯對應錯誤問題。

再者，考慮是否為多支路數據傳輸衰減嚴重，導致無法連接。將4條支路轉接點處油色譜在線監測裝置內主板上S4/S5/S6跳線帽拔掉以增強數據傳輸的信號，經監測服務器后臺驗證仍無法連接，排除數據衰減導致無法連接。

最后，考慮是否為多支路星型接法產生的信號反射導致總線不穩定，進而導致無法連接的問題。將2#輔助變油色譜在線監測裝置數據線纜在主變A油色譜在線監測裝置內與監測服務器后臺數據線纜直接連接，經監測服務器后臺驗證兩臺輔助變油色譜各項數據顯示正常；將另外3條支路中的兩條支路分別與監測服務器后臺數據線纜進行連接，此時支路為3條，經過3次試驗驗證后，油色譜各項數據均顯示正常。因此得出結論：導致監測服務器后臺無法實現與兩臺輔助變壓器油色譜在線監測裝置進行數據連接的原因為多支路星型接法產生的信號反射導致的總線不穩。

集線器的主要功能是對接收到的信號進行再次放大，同時把所有節點集中在以集線器為中心的節點上。根據使用場景的不同，集線器所對應的信號端口也有一定的差異，有雙端口、四端口、八端口等，還可根據需要對集線器進行串接使用，在高可靠性的前提下最多可同時串接128個集線器。

RS-485集線器（HUB）可解決RS485線纜多支路星型接法產生信號反射的問題，每個輸入端口互相隔離，且均具有短路和開路保護，信號傳輸不受距離的影響。當集線器的任一輸入端口出現故障時，僅會影響到自身數據傳輸而不會影響到整個系統的穩定性，大大提高了數據傳輸及通信的可靠性[10，11]。由于一號機組油色譜在線監測裝置使用的RS485線纜為4芯且與總線連接的為4條支路，因而選用的集線器為4支路輸入（T/R1+、T/R1-、T/R2+、T/R2-、T/R3+、T/R3-、T/R4+、T/R4-），輸 出 端 為485+、485-，24V電源正極為VCC，24V電源負極為GND，輸入端與輸出端分列集線器的兩側。

RS-485集線器每條支路的輸入端為兩個端子，一號機組油色譜在線監測裝置使用的RS485線纜均為4芯，故需要對油色譜在線監測裝置的數據線纜進行改造，即將油色譜在線監測裝置的數據線纜的A/Y短接，B/Z短接，具體布線方式為：2#輔助變油色譜在線監測裝置數據線纜的A/Y短接后接入集線器的T/R1+，線纜的B/Z短接后接入集線器的T/R1-；廠變A油色譜在線監測裝置數據線纜A/Y短接后接入集線器的T/R2+，線纜的B/Z短接后接入集線器的T/R2-；主變B油色譜在線監測裝置數據線纜A/Y短接后接入集線器的T/R3+，線纜的B/Z短接后接入集線器的T/R3-；主變A油色譜在線監測裝置數據線纜A/Y短接后接入集線器的T/R4+，線纜的B/Z短接后接入集線器的T/R4-。監測服務器后臺數據線纜A/Y短接后接入集線器的485+，線纜的B/Z短接后接入集線器的485-。集線器的供電電源選用的為主變A油色譜在線監測裝置內直流24V電源，其中Vcc接入正極，GND接入負極。

油色譜在線監測裝置改造完成之后，數據傳輸方式如圖5。

圖5 改造后一號機組油色譜在線監測裝置485布線方式及數據傳輸示意圖Fig.5 Schematic diagram of wiring mode and data transmission of oil chromatography online monitoring device 485 in unit 1 after renovation

監測服務器后臺主機內有選擇器S1，其作用為匹配上傳總線數據傳輸的方式，可選擇雙線模式或四線模式。由于一號機組與二號機組的數據傳輸方式不同，一號機改造后屬于雙線模式（半雙工），二號機屬于四線模式（全雙工），因而一號機組所對應S1的1端子需要修改為雙線模式，其最終總體數據傳輸模式如圖6，二號機組所對應S1的2端子為四線模式，其最終總體數據傳輸模式如圖7。

圖6 一號機組油色譜在線監測裝置最終數據傳輸示意圖Fig.6 Schematic diagram of the final data transmission of the oil chromatography online monitoring device of unit 1

圖7 二號機組油色譜在線監測裝置最終數據傳輸示意圖Fig.7 Schematic diagram of the final data transmission of the oil chromatography online monitoring device of unit 2

一號機組油色譜在線監測裝置經過集線器及調整S1-1的模式后，經監測服務器后臺驗證數據傳輸及通信正常，且調用數據時一號機組油色譜在線監測裝置應答速度遠超于二號機組，解決了一號機組新增加的兩臺輔助變壓器油色譜在線監測裝置無法與監測服務器后臺進行數據傳輸及通信的難題。

3 結論

油浸式變壓器配備油色譜在線監測裝置的目的是為了能在發生突發事故之前及各種潛伏性故障未爆發前及時發現端倪，通過對特征氣體的分析來給出必要的警告，因此油色譜在線監測裝置的數據傳輸就顯得至關重要。

采用RS485線纜的布線來連接，可以隨意地布置成各種星型連接或樹形連接。當由于現場各種情況的限制影響而無法按照手牽手的方式布線時，容易造成信號反射導致上傳總線不穩定。該電廠油色譜在線監測裝置的布線方式為星型連接，一號機組由于前期數據線纜支路較少且距離相差較小，數據上傳較為穩定。當增加數據線纜支路后且距離相差較大，其信號反射情況顯現明顯，導致上傳總線無法與較遠支路進行數據傳輸及通信。在上傳總線的前端增加485集線器后，并將數據傳輸模式改為雙線模式后，消除了RS485線纜多支路星型連接所帶來的信號反射影響，保證了上傳總線的穩定性，提高了數據傳輸及通信的可靠性，并且改善了油色譜在線監測裝置的應答速度，進而保障了油浸式變壓器的可靠運行。