基于嵌入式技術(shù)的智能回油管路集氣監(jiān)測(cè)方法

王能， 崔福星

(1.金華送變電工程有限公司， 浙江，金華 321001；2.杭州柯林電氣股份有限公司， 浙江，杭州 310011)

0 引言

在變壓器的工作過(guò)程中，變壓器中用來(lái)散熱和絕緣的油受到電能和熱能的影響，會(huì)分解產(chǎn)生各類(lèi)氣體，大部分會(huì)溶解在油中。油中氣體的成分和含量在一定程度上會(huì)反應(yīng)變壓器的故障嚴(yán)重程度和故障類(lèi)型[1-2]。變壓器中油色譜監(jiān)測(cè)裝置將分析后的油送回變壓器本體時(shí)，油色譜回油通道可能出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，將空氣引入變壓器本體。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]在變壓器回油通道中安裝了油分離器，將油中的氣體和油分離出來(lái)，使油回到壓縮機(jī)，在蒸發(fā)器中設(shè)置油體隔離板設(shè)置三級(jí)油分離，利用引射器將油輸入到變壓器本體中,但分離出的氣體還會(huì)進(jìn)入到變壓器中，再次溶解與集油箱中。文獻(xiàn)[4]中運(yùn)用了真空泵防回油裝置，進(jìn)氣管在集油箱的下側(cè)與集油箱連通，防止油回流過(guò)程中出現(xiàn)滲透的情況，避免變壓器設(shè)備的污染,但是由于變壓器中空間狹小，對(duì)設(shè)備安裝造成困難，占用空間和功率較大。

1 智能回油管道集氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

(1) 基于嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)變壓器中油氣管路氣體信息采集系統(tǒng)，對(duì)ARM9TDMI處理器改進(jìn)了16位的Thumb指令集。在無(wú)線通信模塊中加入濾波電路，并在MMT162氣體傳感器集成多個(gè)其他氣體的微傳感器。

(2) 設(shè)計(jì)出一種倒置T式結(jié)構(gòu)的回油管道集氣裝置，與變壓器色譜檢測(cè)裝置相連接。當(dāng)變壓器中有故障特征性氣體經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)將氣體匯聚在色譜分析腔內(nèi)[5]，供色譜檢測(cè)裝置對(duì)氣體進(jìn)行采集檢測(cè)。

基于上述設(shè)計(jì)思路，智能回油管道集氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)部分：油樣采集部分、嵌入式控制單元和通信控制單元。嵌入式控制單元包括電路控制和恒溫控制，電路控制系統(tǒng)中包括主控板和控制計(jì)算機(jī)。通信控制單元和LORA無(wú)線通信單元實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｓ蜆硬杉糠謱⒆儔浩髦杏瓦M(jìn)行處理，分析油中的故障特征性氣體[5]。將氣體通過(guò)管道傳輸給氣體檢測(cè)單元，數(shù)據(jù)采集單元將檢測(cè)到的各氣體的含量轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)通信單元將數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)主站單元。根據(jù)故障性氣體異常指標(biāo)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)變壓器故障的在線監(jiān)測(cè)[6]。

目前我國(guó)普遍應(yīng)用的電力變壓器是油浸式電力變壓器，變壓器油保護(hù)了鐵芯和繞組等部件，使變壓器中材料部分吸收到的氧氣最低，在一定程度上延緩了氧化作用對(duì)變壓器設(shè)備的損壞[7]。在變壓器工作時(shí)，由于變壓器產(chǎn)生的熱能，加上線路中的電能和變壓器本身的機(jī)械應(yīng)力，互相作用形成了CH4、C2H6、C2H2、C3H8、C4H10、CO2、H2等氣體[8]。通過(guò)檢測(cè)油浸式變壓器中絕緣油中的氣體成分來(lái)檢查變壓器中是否存在故障，變壓器的故障會(huì)影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

因?yàn)樽儔浩饔椭胁煌卦诟邷叵禄钴S度不同，炔系類(lèi)氣體的析出順序和含量與變壓器油的溫度有關(guān)[8]。如表1所示。

表1 不同溫度下氣體成分

正常工作狀態(tài)下的變壓器油中主要為氧氣和氮?dú)猓瑫r(shí)含有少量其他氣體，是因?yàn)樽儔浩髦心承┎考牧侠匣^緣油沒(méi)有進(jìn)行徹底脫氣，再加上故障變壓器電氣試驗(yàn)產(chǎn)生出故障性氣體溶解在變壓器油中[9]。又因?yàn)樽儔浩鞲鱾€(gè)部分溫度的不同，使變壓器油在集油箱中發(fā)生循環(huán)，當(dāng)特征故障氣體含量比變壓器油中含量多時(shí)，氣體繼電器發(fā)生告警。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 基于嵌入式技術(shù)的油管路氣體信息采集

本研究采用32位的ARM9處理器作為主控制模塊對(duì)其他模塊進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)通信，相對(duì)于其他芯片具有更快的運(yùn)行速度，更多的擴(kuò)展空間。本研究對(duì)多個(gè)氣體傳感器進(jìn)行集成，能夠?qū)Χ喾N不同類(lèi)型的氣體進(jìn)行采集，準(zhǔn)確測(cè)量出變壓器油中CH4、C2H6、C2H2、C3H8、C4H10、CO2、H2等氣體成分的含量和溫度，并將采集到的氣體數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM控制核心，完成數(shù)據(jù)采集工作[12]。嵌入式系統(tǒng)中加入無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將接收端的氣體數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器監(jiān)控站，完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。嵌入式氣體信息采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入式氣體信息采集系統(tǒng)硬件示意圖

本研究ARM指令集合改進(jìn)了16位的Thumb指令集，提高了變種的ARM/Thumb混合使用效率，增強(qiáng)了DSP指令。本研究ARM處理器采用ARM9TDMI處理器，具體性能指標(biāo)如表2所示。

表2 ARM9TDMI處理器性能指標(biāo)

嵌入式處理器核心板為Mini2440開(kāi)發(fā)板，主頻為400 MHz、最高可達(dá)533 MHz，64 M的SDRAM和32位數(shù)據(jù)總線，SDRAM的時(shí)鐘可達(dá)100 MHz。其中無(wú)線通信模塊是在原有的基于電路交換方式的通信網(wǎng)絡(luò)上引入2個(gè)新的通信節(jié)點(diǎn)：服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)。2個(gè)通信節(jié)點(diǎn)在同一等級(jí)水平，跟蹤單個(gè)MS的存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)安全功能和接入控制，并通過(guò)幀中繼連接到基站系統(tǒng)。無(wú)線通信模塊電路如圖3所示。

圖3 無(wú)線通信模塊電路

對(duì)無(wú)線通信電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)選用220 μF的大容量電解電容并聯(lián)一個(gè)小的瓷介電容0.01 μF用于過(guò)濾氣體信息信號(hào)中的高頻噪聲信號(hào)。用單電壓供電，電壓為3.4～4.5 V。當(dāng)電流消耗升至典型峰值2 A時(shí)，其傳輸脈沖的波動(dòng)可能導(dǎo)致電壓下降，所以電源供電必須能夠提供足夠到2 A的電流。實(shí)現(xiàn)了可在EGSM900MHZ、DC1800MHZ、PCS1900MHZ多種通信頻率下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并支持CS-1、CS-2、CS-3、CS-4等多種編碼方式。

集成氣體傳感器為氣體信息采集的核心，所以選擇一個(gè)合適的氣體傳感器是成功實(shí)現(xiàn)變壓器油中多種氣體含量在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。本研究采用MMT162氣體傳感器和其他C2H2、C3H8、C4H1微傳感器進(jìn)行集成，可以在苛刻的環(huán)境下測(cè)量變壓器油中有害氣體的的含量，不易被化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定度[15]。MMT162根據(jù)變壓器油的活性和溫度來(lái)測(cè)量，這種方法不受油的類(lèi)型、老化和溫度的影響。集成氣體傳感器的電路如圖4所示。

圖4 集成氣體傳感器電路示意圖

傳感器接口電路的1引腳接接收器的輸出端連接S3C2440的UART的RXD，連接4引腳接驅(qū)動(dòng)器的輸入端連接S3C2440的UART的TXD，2、3引腳是發(fā)送端和接收端的使能端口。微傳感器的輸出有兩路模擬信號(hào)和一路數(shù)字信號(hào)輸出，輸出電流的范圍為0～20 mA，輸出電壓為0～10 V。集成氣體傳感器得到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485傳輸?shù)紸RM控制板上，在控制板上進(jìn)行處理，顯示到主界面上控制板負(fù)責(zé)和傳感器進(jìn)行通信，配置傳感器的參數(shù)、控制采集的頻率、時(shí)間以及狀態(tài)。

2.2 回油管道集氣裝置及油色譜監(jiān)測(cè)

整體機(jī)械結(jié)構(gòu)采用倒置的T式結(jié)構(gòu)，同時(shí)和本體及油色譜油管的連接采用模塊化設(shè)計(jì)，方便更換，適配各式回油管路接口。回油管道集氣裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 回油管道結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)含有氣泡的氣體流過(guò)的時(shí)候，氣泡因?yàn)閴毫性谟吐返纳喜浚?dāng)經(jīng)過(guò)裝置的時(shí)候，氣泡匯集到倒置式T字的上部。油路回流輕阻尼技術(shù)，回油管集氣處采用蜂窩式設(shè)計(jì)，讓油流過(guò)的同時(shí)將氣泡過(guò)濾并匯集，將因?yàn)橛吐沸孤兑氲目諝鈪R集到就地分析腔體內(nèi)，不會(huì)將氣體漏入到主變本體。回油管道集氣裝置的集氣流程如圖6所示。

圖6 集氣流程圖

回油管路采用回流輕阻尼技術(shù)，能夠局部改變液流的流通面積,使液流產(chǎn)生壓力損失和壓力差，流過(guò)液壓阻尼的油液和阻尼前后的壓力差不能用線性表示，之間的關(guān)系為

qv=kAΔpm

(1)

其中，qv為油液阻尼，A為油液阻尼的流界面積。

當(dāng)流體的速度和壓力隨空間的變化不規(guī)律時(shí)，流動(dòng)成為紊流，在這種流體中，油液是不規(guī)律運(yùn)動(dòng)的。回油管道中固定阻尼空承受的壓力更大，壓力流量特性可表示為

(2)

式中,ρ表示油液的密度，C表示孔阻尼的流量，Q表流經(jīng)孔阻尼的流量。設(shè)孔口直徑與管道比β=d/D較小時(shí)，則有：

(3)

可調(diào)阻尼孔通過(guò)錐閥結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，管道中孔倒角不大，則可得到壓力流量，可表示為

(4)

將兩阻尼合并等效為新的阻尼孔，則有：

(5)

其中,k為阻尼孔的新壓力流量系數(shù)，表達(dá)式為

(6)

式中,Cd表示流量系數(shù)，d表示阻尼孔的大小。阻尼系數(shù)可表示為

(7)

其中，PLS0為L(zhǎng)S油路的額定工作壓力。確定了回油管道集氣裝置的阻尼系數(shù)，分析管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)控制油路壓力變化的影響，并以壓力補(bǔ)償閥流量控制變壓器油量回路。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本研究智能回油管道集氣檢測(cè)系統(tǒng)的性能，分別使用文獻(xiàn)[3]裝置、文獻(xiàn)[4]裝置和本研究系統(tǒng)對(duì)變壓器故障特征性氣體進(jìn)行回油，通過(guò)色譜檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量變壓器主體中故障特征性氣體的含量和種類(lèi)，判斷回油集氣裝置的可靠性。檢測(cè)到使用3種設(shè)備的變壓器內(nèi)氣體含量如表3所示。

表3 變壓器內(nèi)氣體含量

通過(guò)檢測(cè)使用3種裝置后變壓器內(nèi)故障特征性氣體含量可知，使用本研究的智能回油管道集氣系統(tǒng)，變壓器內(nèi)所含故障特征性氣體最少，對(duì)變壓器正常工作狀態(tài)的影響最小。表4中各氣體含量相對(duì)較少，總?cè)埠康椭?4.3 uL/L。根據(jù)油色譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中故障判斷，故障特征性氣體處于較低水平，變壓器不存在故障。其中C2H2氣體含量為0，說(shuō)明本研究裝置性能較好。

表4 實(shí)驗(yàn)樣本氣體含量(uL/L)

變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器運(yùn)行狀況能夠有效及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器的潛伏性故障，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)進(jìn)行氣體數(shù)據(jù)分析以及采取其他監(jiān)測(cè)方法共同診斷設(shè)備的故障類(lèi)型。實(shí)驗(yàn)樣本的各氣體含量如表4所示。

使用3種系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行分析，得到的變壓器故障報(bào)警時(shí)間如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察3種系統(tǒng)的故障報(bào)警時(shí)間可知，本研究最先發(fā)現(xiàn)變壓器中氣體含量異常，發(fā)出報(bào)警時(shí)間最短,對(duì)樣本3檢測(cè)中報(bào)警時(shí)間最短為1.8 s，對(duì)樣本5做出報(bào)警時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)到4.2 s。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)最高報(bào)警時(shí)間可達(dá)到10.5 s，對(duì)樣本1檢測(cè)發(fā)生報(bào)警時(shí)間最短為4.8 s,實(shí)驗(yàn)樣本1中C2H4氣體含量較高，超出正常范圍。文獻(xiàn)[4]對(duì)變壓器中異常氣體的反應(yīng)最慢，發(fā)出報(bào)警信號(hào)使用時(shí)間最長(zhǎng)，平均報(bào)警時(shí)間高達(dá)11.2 s，不適用于實(shí)際變壓器工作環(huán)境。

4 總結(jié)

本研究智能回油管道集氣檢測(cè)系統(tǒng)，使用回油管道集氣裝置，防止故障特征性氣體進(jìn)入變壓器主體內(nèi)部，影響變壓器的正常運(yùn)行。使用變壓器油色譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)變壓器中油進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)油氣分離單元，將溶解在油中的氣體分離出來(lái)，進(jìn)入氣體檢測(cè)單元對(duì)氣體成分和含量進(jìn)行分析，根據(jù)出現(xiàn)的氣體類(lèi)型和氣體含量判斷出變壓器是否存在故障和出現(xiàn)故障的類(lèi)型，及時(shí)對(duì)變壓器進(jìn)行檢修，預(yù)防對(duì)電力系統(tǒng)造成影響。