姚君峰

(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司，山西 呂梁 033000)

0 引 言

煤礦變壓器在持續(xù)施加短路沖擊負(fù)荷的情況下，其運(yùn)行狀況更為惡劣。這就帶來(lái)了“累積效應(yīng)”，會(huì)產(chǎn)生各種變壓器故障，包括發(fā)熱故障和放電故障，這些故障會(huì)使絕緣油和絕緣紙破裂，有害的碳?xì)浠衔餁怏w和水也是在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的。煤礦變壓器絕緣系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)可以判斷其運(yùn)行狀態(tài)，目前變壓器檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確度較低、在線檢測(cè)能力不足，經(jīng)常出現(xiàn)誤檢、漏檢現(xiàn)象。

筆者提出一種新型的變壓器絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用8條輸入通道的數(shù)據(jù)采集模塊、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、精密的外圍電路、為外圍I/O設(shè)備增設(shè)地址解碼器和接口芯片，設(shè)計(jì)靈活，運(yùn)行無(wú)外部干擾，可以安全傳輸數(shù)據(jù)。與其它電路相比，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)具有精度高的特點(diǎn)。由于該電路結(jié)合適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)軟件組件，可以對(duì)變壓器油中的單故障氣體、多故障氣體和水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]。油中水分和溶解氣體的濃度范圍僅為幾微升到幾百微升，為準(zhǔn)確檢測(cè)低范圍的水分和溶解氣體，電路中采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。利用該變換器，輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)非線性度可降至0.003%，16位輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之間無(wú)誤碼。該系統(tǒng)可以及時(shí)預(yù)測(cè)和發(fā)現(xiàn)變壓器故障，對(duì)供電線路的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生熱故障、放電故障或絕緣受潮時(shí)，隨著絕緣材料的老化變質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2等氣體。由于這些氣體的出現(xiàn)伴隨著變壓器各種故障的發(fā)生，監(jiān)測(cè)氣體濃度對(duì)判斷變壓器的運(yùn)行狀態(tài)非常有用。另外，變壓器在制造過(guò)程中會(huì)殘留少量水分，絕緣材料老化會(huì)產(chǎn)生水分。這些殘余水會(huì)降低初始放電電壓和介電強(qiáng)度，從而威脅設(shè)備的運(yùn)行或?qū)е驴膳碌膿舸┦鹿?。因此，?duì)變壓器中的水進(jìn)行監(jiān)測(cè)是非常重要的[2]。

圖1所示為變壓器絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)包括油氣分離單元、氣體分離檢測(cè)單元、水檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集單元、主電路板單元以及電路與計(jì)算機(jī)之間的通信單元。

圖1 變壓器絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

絕緣油通過(guò)放油閥進(jìn)入油氣分離裝置，在油氣分離裝置中，通過(guò)聚酰亞胺制成的滲透膜溶解漏油中的氣體，然后進(jìn)入一個(gè)與兩個(gè)六通閥相連的氣體室。當(dāng)這兩個(gè)六通閥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以獲得恒定量的氣體。當(dāng)兩種氣體在色譜柱中被分離時(shí)，它們又被轉(zhuǎn)換成溶解狀態(tài)。兩個(gè)色譜柱獨(dú)立連接兩個(gè)氣敏元件，一個(gè)氣體傳感器用于檢測(cè)H2、CO和CO2，另一個(gè)氣體傳感器用于檢測(cè)CH4、C2H6、C2H4和C2H2。另外，在油氣分離裝置中嵌入水傳感器可以簡(jiǎn)單地檢測(cè)出油中的水分。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將所有傳感器的模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。采用單片機(jī)控制的針閥和主控閥采用單片機(jī)控制[3]。

2 主控電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)計(jì)

目前，變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按測(cè)試對(duì)象分為單氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、聚合烴在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和多種氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為了保證該主控電路能夠嵌入不同的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)了8條輸入通道，分別適用于單氣體檢測(cè)、多氣體檢測(cè)和水檢測(cè)[4]。用in0到in6的七條路徑檢測(cè)溶解斷層氣的濃度，in7用于檢測(cè)油中的水，路徑切換由鎖存器(74HC574)和模擬開(kāi)關(guān)(CC4051)執(zhí)行。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路框圖

由于氣體和水的濃度變化緩慢，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣周期和逆變速度沒(méi)有特殊要求，AD7705是最合適的轉(zhuǎn)換器之一，它是一個(gè)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要由可編程數(shù)字濾波器、調(diào)制解調(diào)器以及前端模擬調(diào)節(jié)電路組成。該芯片具有自檢能力、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高、工作電壓低、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍寬等特點(diǎn)，可直接將傳感器的微小模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)[5]。該裝置的數(shù)據(jù)非線性度誤差范圍精確在0.003%之內(nèi)，可生成16位無(wú)誤碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。運(yùn)行中可提高編程輸出數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換率和增益，使0～20 mV和0～2.5 V等不同性質(zhì)的信號(hào)源可以預(yù)先得到一定的處理，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

2.2 外圍電路設(shè)計(jì)

變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控制電路由CPU單元、外圍接口單元、依賴單元輸出、電磁閥動(dòng)作信息單元輸入、鍵盤和液晶顯示單元輸入、串行通信單元組成。當(dāng)數(shù)據(jù)采集后，在CPU的控制下啟用電磁閥，然后氣體傳感器或水傳感器輸出模擬信號(hào)。同時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)的入口或與水傳感器相關(guān)的入口通道由CPU選擇。傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路適當(dāng)調(diào)整后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集。從傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換而來(lái)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)濾波和計(jì)算，最后存儲(chǔ)在EEPROM中。當(dāng)計(jì)算機(jī)需要處理來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過(guò)RS232或RS485串行通信線將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)從主控制電路傳輸?shù)接?jì)算機(jī)[6]。

鍵盤用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和查詢歷史數(shù)字信息。例如，可以通過(guò)鍵盤設(shè)置報(bào)警方式、閾值、采集時(shí)間、著陸權(quán)限和通信方式。同時(shí)可以查詢氣體的濃度和濃度的歷史。此外，還可以通過(guò)鍵盤進(jìn)行硬件自檢和手動(dòng)采集。液晶顯示裝置用于顯示與鍵盤操作相對(duì)應(yīng)的所有信息。當(dāng)主控制電路與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，鍵盤的功能可由計(jì)算機(jī)中的系統(tǒng)分析軟件代替。

2.3 基于CPLD的輸入輸出接口設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)中，在增加外圍I/O設(shè)備時(shí)，需要使用地址解碼器和接口芯片。在該主控制電路中，CPU的外圍I/O單元包括LCD單元、鍵盤單元、串行通信單元、電磁閥控制單元、電磁閥動(dòng)作信息輸入單元等，如果采用常規(guī)方法，主控制電路板復(fù)雜，容易受到外界干擾信號(hào)的干擾。為了避免這種缺點(diǎn)，所有的外圍I/O器件都集成在CPLD中。該方案在抗干擾、簡(jiǎn)化電路板的基礎(chǔ)上，保證了電路設(shè)計(jì)的安全性，保護(hù)了系統(tǒng)的產(chǎn)權(quán)[7]。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

將該主控電路系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)上安裝的分析軟件嵌入變壓器絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氣體中H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO和CO2的濃度。表1的數(shù)據(jù)來(lái)自實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)。按照以下流程進(jìn)行測(cè)試。首先在銅容器中分配10 L普通油的絕緣油。然后將集裝箱出油口與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的油氣分離器相結(jié)合。最后一個(gè)過(guò)程是每24 h和48 h檢測(cè)一次氣體。

表1 實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù) /(mg/m3)

第一排氣體的濃度用油相色譜分析儀(AD900)測(cè)定。利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)24 h油氣分離過(guò)程中的第二排氣體濃度進(jìn)行了測(cè)試。第三排是在48 h的油氣分離中。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，從絕緣油中分離出的氣體濃度基本保持不變。與色譜分析儀(AD900)相比，該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確度。其相對(duì)誤差的上限為5%。

4 結(jié) 語(yǔ)

此次變壓器絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，外圍器件以單片機(jī)和復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD為核心。在主控電路與計(jì)算機(jī)的串行通信中，還增加了CRC校驗(yàn)碼。通過(guò)軟件模擬實(shí)驗(yàn)得出該電路具有優(yōu)良性能：所有外圍I/O器件都集成在CPLD中，這種設(shè)計(jì)方法可以提高電路板的密度，減少電磁閥引起的干擾信號(hào)。采用16位CRC碼可以保證主控電路與計(jì)算機(jī)串行通信的安全性；高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器使色譜分析儀與牽引變壓器絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相對(duì)誤差小于5%；該采集電路和主控電路設(shè)計(jì)靈活，結(jié)合適當(dāng)?shù)姆治鲕浖?，可?duì)絕緣油中的單一氣體、多種氣體和水的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此系統(tǒng)可以準(zhǔn)確在線檢測(cè)變壓器受沖擊負(fù)荷產(chǎn)生的水和有害氣體濃度，及時(shí)預(yù)測(cè)和發(fā)現(xiàn)變壓器故障，對(duì)供電線路的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。