干式變壓器溫度控制系統設計

譚佳唯，張線媚，劉丹丹，韓旭科，王澤儉

（西安思源學院，陜西 西安 710038）

0 引 言

隨著國家經濟建設和電力工業(yè)的快速發(fā)展，干式電力變壓器也將受到廣泛應用，由于干式變壓器系統在運行過程中需要進行冷卻，因此實際工作環(huán)境溫度必須及時觀察并控制，一旦過熱將會造成變壓器系統繞組絕緣破裂甚至毀壞。干式變壓器就是指鐵芯和繞組不浸漬在絕緣油中的變壓器，在運行過程中很容易造成高溫環(huán)境，如果變壓器長時間在溫度很高的情況下運行，會縮短內部絕緣紙板的壽命。但因具備難燃、安全可靠、維修簡單、容積小等優(yōu)點，己在都市的高樓大廈和發(fā)電廠等公共場所獲得普遍的使用。隨著城市建筑規(guī)模的增加，為提高城市供電送的到、供得到、用得上，級終端將作為城市供電的關鍵點。而相對傳統干式變壓器設備來說，其運行與延壽，在較大程度上依賴變壓器繞組絕緣的可靠性，繞組高溫高于絕緣負荷工作溫度而使絕緣損壞，是造成變壓器系統設備無法使用的原因之一，而運行過程中造成的高溫環(huán)境是對其壽命影響的最主要因素，因此必須進行冷卻。制冷模式包括自動室內空氣制冷（AN）和強制室內空氣制冷（AF）。當自動空冷時，變壓器能在一定容積下長期時間并持續(xù)工作。強迫風冷時，變壓器設備的總容量可增加百分之五十。所以，對干式變壓器的工作環(huán)境溫度的監(jiān)視和管理是非常關鍵的，而實時進行工作環(huán)境溫度監(jiān)視和管理則是對其正常工作和延長壽命的主要保證。

1 總體方案設計

本次設計主要是對干式變壓器工作環(huán)境的溫度進行檢測，對實時檢測到的溫度進行顯示，并且將檢測到的溫度值與安全運行的正常溫度范圍進行比對。如若實時溫度在不低于而且也不高于正常工作溫度，沒有超標，則將溫度信號輸送給單片機，由單片機處理后送到顯示器，做出正常的溫度顯示；如若實時檢測溫度比正常工作溫度的下限值低，或者比上限值高，則判定溫度超標，溫度信號送入單片機進行處理后，由顯示器進行顯示、報警蜂鳴器發(fā)出聲響、狀態(tài)指示燈顯示超標、語音發(fā)出報警聲響，同時，風機啟動進行冷卻，最終將溫度控制在合適的工作范圍內。如果干式變壓器轉子快速轉動過程中造成溫度快速上升，并且超過了設定的超高溫報警值，此時直接繼電器吸合，將跳閘信號輸送給變壓器，做緊急停機處理。具體的溫度控制系統設計方案見圖1。

圖1 控制系統框圖

2 主要器件介紹

2.1 主控芯片

該控制系統使用STC89C52 型號單片機主控，其內存中含有8KB 的ROM 存儲空間，512 字節(jié)的數據存儲空間，并含有2K 字節(jié)的EEPROM 存儲空間，具有抑郁集成、兼容性好、功能強等優(yōu)良性能，尤其是整體占空間小、自重比較輕、電能消耗少、可靠性高、抗干擾能力強且使用方便等獨特優(yōu)點，再有就是STC89C52 也能夠使用串行接口下載，擴展比較簡單，因此符合本設計系統要求。

2.2 溫度傳感器

在單片機的應用系統中，溫度傳感器型號較多，而且使用場合出現頻率高，在以往的應用經驗中，DS18B20 型號溫度傳感器因為其優(yōu)良性能，得到了很多設計者青睞。該型號傳感器具備微小化、低功率、效率高、抗干擾工作能力好、可配置微處理器的優(yōu)勢，且自帶A/D 轉換，無需外接模數轉換芯片占據了很大的應用市場。

它具有三引腳TO-92 小體積封裝形式，溫度測量范圍－55 ℃～＋ 125 ℃，可編程為9 ～12 位A/D 轉換精度，測溫分辨率可達0.062 5 ℃，被測溫度用符號擴展的16 位數字量方式串行輸出，DS18B20 實現精確的溫度切換，I/O 線需要確保在溫度切換時間供給充足的電能，因為每個DS18B20 的溫度切換時間的電流達到1mA，如果多個溫度傳感器掛在同一條I/O 線路上實現多點測溫時，僅靠10 kΩ上拉電阻就不能供給充足的電能，會導致無法切換溫度或溫度偏差較大。DS18B20 可通過以下兩種方式供電系統，一是使用電源供電方式，此時將DS18B20 的1 引腳接地，2 引腳用作信號線，3引腳接電源。另一個則是寄生電源供電方法，為了確保在合理的DS18B20 時鐘階段內提供適當的電流，就可使用一個三極管來實現對總線的上拉。

本設計使用了電源供電方法，P2.2 口接單線總線為確保在合理的DS18B20 時鐘工作循環(huán)內供給的充足電流，采用了1 個上拉電阻和STC89C52 的P2.2 來實現了對總線的上拉。在DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度A/D 的切換狀態(tài)運行時，在總線上需要有很強的上拉，而上拉啟動時間最大為10 μs。使用的寄生電源供電工作方式，是在VDD 與GND 端均連接地。但因為單線制只能一條線，所以發(fā)射與接收口都應該是三狀態(tài)的。主機控制DS18B20 為了完成溫度變化，必須進行以下三種步驟：（1）初始化；（2）ROM 動作指令（3）存儲器操作命令。

2.3 語音播報芯片

此溫度控制器中設計有語音播報功能，當出現故障時，語音自動播報故障提示音。而且當控制器檢測到干式變壓器工作溫度過高的時候，除了蜂鳴器警報和液晶顯示外，語音模塊會自動播報溫度過高，提示工作人員注意采取措施。設計中采用的語音芯片是WT588D 型號。該語音芯片可以讓設計者多次擦除和燒寫控制程序，能使用的場合比較豐富，而且呈現出來的性能比較穩(wěn)定，相比于其他語音芯片具有很好的優(yōu)勢。此芯片自動處置閃存，數據傳輸口居多，使用起來相對容易，價格比較人性化，控制模式可以使用上位機隨意更換，只需將信息下載即可。

2.4 LCD1602 液晶顯示器

本次設計的顯示電路選擇LCD1602 液晶顯示屏來進行相關內容的顯示，它是一款很成熟、使用率極高的液晶顯示器，一次可顯示兩行32 個字符，可滿足本次設計的需求。

3 軟硬件電路設計

3.1 控制器硬件電路設計

通過上述主控芯片和核心檢測傳感器的選型，控制器硬件主電路中采用STC89C52 芯片，配合復位電路、電源電路和晶振電路構成了最小系統。使用DS18B20 型號的溫度傳感器配合上拉電阻來進行實時溫度信號的檢測，并送入單片機進行處理。顯示器件使用LCD1602 型號液晶顯示器，將系統時間、當前溫度、正常工作溫度上下限的具體值進行顯示。報警電路主要有蜂鳴器和狀態(tài)指示燈，當系統出現故障或者工作溫度超標的時候，均發(fā)出警報并點亮指示燈，同時語音播報相關內容，提示工作人員注意采取措施。同時，當工作溫度超標的時候，控制器會自動驅動風機進行散熱冷卻，將干式變壓器工作溫度以最快的速度降低到合適值，確保其工作效率。此外，為了使得此控制器使用在較多場合，控制系統中使用獨立按鍵，設計了按鍵操作，利用簡單的按鍵操作可以對報警溫度進行上限和下限的設定，整體的硬件電路如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

3.2 軟件程序設計

硬件電路的正常運行必須靠軟件程序進行驅動，因此在Keil 軟件上應用C 語言進行了主程序編寫。主程序的功能是負責溫度的實時顯示、讀出，并對DS18B20 的測量的當前溫度值進行處理，溫度測量一般每1 s 完成一次。如此就能夠在一秒之內檢查一次被測溫度，與設定的報警溫度比較主要是透過調用讀溫度子程序將存入內儲存中的整數部分和小數部分分別儲存到不同的兩個單位中，最后再通過調用顯示子程序表示出來。該軟件主程序共調用了三個子程序，依次為LCD1602 液晶顯示程序、溫度信號處理程序、按鍵設定的報警溫度程序。溫度信號處理程序：對溫度控制芯片送過來的數據信息加以處理，并對溫度進行判斷和顯示。當溫度超過正常溫度時，指示燈亮，風機進行運轉，同時報警器進行語音報警；LCD1602 液晶顯示程序：向LCD1602 液晶的顯示傳送信號，控制系統的顯示部分。按鍵設定程序：能夠對低溫和高溫報警的設定精準至0.1 攝氏度。也可設置溫度的上下限。當“設置”按鍵按下時進入到報警值的設置界面，然后判斷“加”按鍵是否按下，如果是，則報警值加1，循環(huán)檢測“加”按鍵有沒有被按下；如若沒有被按下，則檢測“減”按鍵有沒有被按下，如果確實被按下，則報警閾值降低1 個，接著再來判定“減”按鍵有沒有被按下；如果沒有被按下，則檢測“設置”按鍵有沒有接著被按下，如果確定是再次被按下，則退出該報警值的范圍設定環(huán)節(jié)，如果沒有再次按下，則繼續(xù)檢測有無按鍵按下，如此不斷執(zhí)行，直到結束。主程序具體流程如圖3所示。

圖3 主程序具體流程

4 系統測試與分析

在軟硬件電路設計完成后，使用Proteus 軟件對溫度控制系統進行了仿真和調試，調試無誤后焊接制作了實物系統。并對實物系統進行了上電測試。具體測試情況如下：

（1）測試一：正常溫度。首先設定室內溫度的上限、下限范圍，然后再把溫度控制器拿進室內，然后檢測室內溫度，并設置控制器的最小溫度和最大溫度。當室內溫度在正常溫度范圍內，報警指示燈呈熄滅狀態(tài)，蜂鳴器沒有響動，風機不轉動，語音播報檢測到的實時溫度，其調試如圖4所示。

圖4 正常溫度測試

（2）測試二：溫度超標。在超過正常溫度時，繼電器吸合，報警指示燈點亮，降溫風機迅速轉動，同時語音播報，提示溫度過高，如圖5所示。

圖5 超出正常溫度測試

5 結 論

經過上述實物測試，該溫度控制系統具備對干式變壓器溫度測試的基本功外，能夠迅速檢測實時溫度并做出判斷，具有語音播報和實時顯示功能。在高溫時起動風機采用強制的風冷降溫和超過溫度極限時的跳閘保護等功能。以此增長其壽命，從而保證了輸、變電系統工作時的安全性和穩(wěn)定性。通過不同情況的測試實驗，該控制器能夠表現出良好的測試結果，并且系統穩(wěn)定，沒有出現故障，且降溫效果明顯，能夠確保干式變壓器工作在正常溫度范圍，具有很好的推廣意義。對變壓器系統的工作溫度加以監(jiān)測是干式變壓器安全管理工作所需要的重要內容，也就規(guī)定了干式變壓器必須具有工作溫度顯示和控制需求。