譚佳唯，張線媚，劉丹丹，韓旭科，王澤儉

（西安思源學(xué)院，陜西 西安 710038）

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟建設(shè)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(yīng)用，由于干式變壓器系統(tǒng)在運行過程中需要進(jìn)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(tǒng)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(nèi)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(guān)鍵點。而相對傳統(tǒng)干式變壓器設(shè)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(fù)荷工作溫度而使絕緣損壞，是造成變壓器系統(tǒng)設(shè)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(jìn)行冷卻。制冷模式包括自動室內(nèi)空氣制冷（AN）和強制室內(nèi)空氣制冷（AF）。當(dāng)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(fēng)冷時，變壓器設(shè)備的總?cè)萘靠稍黾影俜种迨?。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(guān)鍵的，而實時進(jìn)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(shè)計

本次設(shè)計主要是對干式變壓器工作環(huán)境的溫度進(jìn)行檢測，對實時檢測到的溫度進(jìn)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(jìn)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(biāo)，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(biāo)，溫度信號送入單片機進(jìn)行處理后，由顯示器進(jìn)行顯示、報警蜂鳴器發(fā)出聲響、狀態(tài)指示燈顯示超標(biāo)、語音發(fā)出報警聲響，同時，風(fēng)機啟動進(jìn)行冷卻，最終將溫度控制在合適的工作范圍內(nèi)。如果干式變壓器轉(zhuǎn)子快速轉(zhuǎn)動過程中造成溫度快速上升，并且超過了設(shè)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(tǒng)設(shè)計方案見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

2 主要器件介紹

2.1 主控芯片

該控制系統(tǒng)使用STC89C52 型號單片機主控，其內(nèi)存中含有8KB 的ROM 存儲空間，512 字節(jié)的數(shù)據(jù)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(shè)計系統(tǒng)要求。

2.2 溫度傳感器

在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中，溫度傳感器型號較多，而且使用場合出現(xiàn)頻率高，在以往的應(yīng)用經(jīng)驗中，DS18B20 型號溫度傳感器因為其優(yōu)良性能，得到了很多設(shè)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(zhuǎn)換，無需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片占據(jù)了很大的應(yīng)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(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.062 5 ℃，被測溫度用符號擴展的16 位數(shù)字量方式串行輸出，DS18B20 實現(xiàn)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(dá)到1mA，如果多個溫度傳感器掛在同一條I/O 線路上實現(xiàn)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(dǎo)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(tǒng)，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(nèi)提供適當(dāng)?shù)碾娏?，就可使用一個三極管來實現(xiàn)對總線的上拉。

本設(shè)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(nèi)供給的充足電流，采用了1 個上拉電阻和STC89C52 的P2.2 來實現(xiàn)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(yīng)該是三狀態(tài)的。主機控制DS18B20 為了完成溫度變化，必須進(jìn)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(shè)計有語音播報功能，當(dāng)出現(xiàn)故障時，語音自動播報故障提示音。而且當(dāng)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(shè)計中采用的語音芯片是WT588D 型號。該語音芯片可以讓設(shè)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(shè)計的顯示電路選擇LCD1602 液晶顯示屏來進(jìn)行相關(guān)內(nèi)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(shè)計的需求。

3 軟硬件電路設(shè)計

3.1 控制器硬件電路設(shè)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(fù)位電路、電源電路和晶振電路構(gòu)成了最小系統(tǒng)。使用DS18B20 型號的溫度傳感器配合上拉電阻來進(jìn)行實時溫度信號的檢測，并送入單片機進(jìn)行處理。顯示器件使用LCD1602 型號液晶顯示器，將系統(tǒng)時間、當(dāng)前溫度、正常工作溫度上下限的具體值進(jìn)行顯示。報警電路主要有蜂鳴器和狀態(tài)指示燈，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者工作溫度超標(biāo)的時候，均發(fā)出警報并點亮指示燈，同時語音播報相關(guān)內(nèi)容，提示工作人員注意采取措施。同時，當(dāng)工作溫度超標(biāo)的時候，控制器會自動驅(qū)動風(fēng)機進(jìn)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(tǒng)中使用獨立按鍵，設(shè)計了按鍵操作，利用簡單的按鍵操作可以對報警溫度進(jìn)行上限和下限的設(shè)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(shè)計

硬件電路的正常運行必須靠軟件程序進(jìn)行驅(qū)動，因此在Keil 軟件上應(yīng)用C 語言進(jìn)行了主程序編寫。主程序的功能是負(fù)責(zé)溫度的實時顯示、讀出，并對DS18B20 的測量的當(dāng)前溫度值進(jìn)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(nèi)檢查一次被測溫度，與設(shè)定的報警溫度比較主要是透過調(diào)用讀溫度子程序?qū)⒋嫒雰?nèi)儲存中的整數(shù)部分和小數(shù)部分分別儲存到不同的兩個單位中，最后再通過調(diào)用顯示子程序表示出來。該軟件主程序共調(diào)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(shè)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(shù)據(jù)信息加以處理，并對溫度進(jìn)行判斷和顯示。當(dāng)溫度超過正常溫度時，指示燈亮，風(fēng)機進(jìn)行運轉(zhuǎn)，同時報警器進(jìn)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(tǒng)的顯示部分。按鍵設(shè)定程序：能夠?qū)Φ蜏睾透邷貓缶脑O(shè)定精準(zhǔn)至0.1 攝氏度。也可設(shè)置溫度的上下限。當(dāng)“設(shè)置”按鍵按下時進(jìn)入到報警值的設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)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(tǒng)測試與分析

在軟硬件電路設(shè)計完成后，使用Proteus 軟件對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和調(diào)試，調(diào)試無誤后焊接制作了實物系統(tǒng)。并對實物系統(tǒng)進(jìn)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(shè)定室內(nèi)溫度的上限、下限范圍，然后再把溫度控制器拿進(jìn)室內(nèi)，然后檢測室內(nèi)溫度，并設(shè)置控制器的最小溫度和最大溫度。當(dāng)室內(nèi)溫度在正常溫度范圍內(nèi)，報警指示燈呈熄滅狀態(tài)，蜂鳴器沒有響動，風(fēng)機不轉(zhuǎn)動，語音播報檢測到的實時溫度，其調(diào)試如圖4所示。

圖4 正常溫度測試

（2）測試二：溫度超標(biāo)。在超過正常溫度時，繼電器吸合，報警指示燈點亮，降溫風(fēng)機迅速轉(zhuǎn)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(jié) 論

經(jīng)過上述實物測試，該溫度控制系統(tǒng)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(fēng)機采用強制的風(fēng)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(tǒng)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(xiàn)出良好的測試結(jié)果，并且系統(tǒng)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)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(tǒng)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(nèi)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。