李如雄

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局,廣東 佛山 528000）

變壓器智能溫度控制器的設(shè)計(jì)

李如雄

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局,廣東 佛山 528000）

設(shè)計(jì)了一種以PIC24FJ64單片機(jī)為核心的干式變壓器溫度控制器，通過(guò)Pt100熱敏電阻和風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)節(jié)、在數(shù)碼管上巡回顯示三相變壓器的溫度、風(fēng)機(jī)故障自動(dòng)檢測(cè)、掉電數(shù)據(jù)保存等功能。

PIC24FJ64；Pt100熱敏電阻；控制器

0 引言

近幾十年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，干式變壓器因其具有安全、防火、無(wú)污染、低損耗、體積小、重量輕、綜合運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于重要負(fù)荷中心和有防火要求的高樓、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、車站、地鐵、大超市及商店、劇院、學(xué)校等場(chǎng)所，尤其在配電變壓器中，干式變壓器所占的比例愈來(lái)愈大。干式變壓器安全運(yùn)行和使用壽命主要取決于變壓器繞組絕緣，繞組溫度超過(guò)絕緣耐受溫度使絕緣破壞,會(huì)導(dǎo)致變壓器不能正常工作，干式變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，溫度越高變壓器的繞組阻值越大，發(fā)熱也就越大，效率就越低。因此對(duì)變壓器運(yùn)行溫度的監(jiān)測(cè)和報(bào)警控制十分重要。本文設(shè)計(jì)了一套變壓器智能溫度控制器，用于變壓器的超溫保護(hù)，它采用智能溫度信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，可以自動(dòng)檢測(cè)和巡回顯示三相繞組各相的工作溫度，可以自動(dòng)啟動(dòng)、停止風(fēng)機(jī)，并有報(bào)警、跳閘等功能。

1 基本功能

智能溫度控制器集溫度檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析、故障報(bào)警、風(fēng)機(jī)控制、數(shù)據(jù)通信等功能于一體，主要功能如下：

（1）風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制：通過(guò)預(yù)埋在低壓繞組最熱處的Pt100熱敏測(cè)溫電阻測(cè)取溫度信號(hào)。變壓器負(fù)荷增大，運(yùn)行溫度上升，當(dāng)繞組溫度達(dá)到110℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻；當(dāng)繞組溫度低至90℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止風(fēng)機(jī)。

（2）超溫報(bào)警、跳閘：通過(guò)預(yù)埋在低壓繞組中的PTC非線性熱敏測(cè)溫電阻采集繞組或鐵心溫度信號(hào)。當(dāng)變壓器繞組溫度繼續(xù)升高，若達(dá)到155℃時(shí)，系統(tǒng)輸出超溫報(bào)警信號(hào)；若溫度繼續(xù)上升達(dá)到170℃，變壓器已不能繼續(xù)運(yùn)行，須向二次保護(hù)回路輸送超溫跳閘信號(hào)，使變壓器迅速跳閘。

（3）溫度顯示系統(tǒng)：通過(guò)預(yù)埋在低壓繞組中的Pt100熱敏電阻測(cè)取溫度變化值，直接顯示各相繞組溫度（三相巡檢及最大值顯示，并可記錄歷史最高溫度），可將最高溫度以4～20mA模擬量輸出，若有需要可傳輸至遠(yuǎn)方（距離可達(dá)1200m）計(jì)算機(jī)。

（4）預(yù)報(bào)警功能：采用人性化智能控制策略、智能化控制結(jié)構(gòu)和超前主動(dòng)防護(hù)模式，當(dāng)接近動(dòng)作參數(shù)時(shí)提前報(bào)警。

（5）對(duì)變壓器運(yùn)行安全狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和控制，顯示并儲(chǔ)存故障發(fā)生點(diǎn)的線路地址、故障類型、故障發(fā)生時(shí)間等。最多可以儲(chǔ)存5條歷史故障記錄，并可實(shí)現(xiàn)查詢歷史故障記錄功能，長(zhǎng)期保存，直到用指令刪除。

（6）具有通訊功能，內(nèi)置RS485通信接口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

智能溫度控制器是一個(gè)以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用電路，硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

單片機(jī)選用Microchip公司設(shè)計(jì)的一款具有豐富的外設(shè)功能集和增強(qiáng)計(jì)算性能的16位RISC單片機(jī)PIC24FJ64，工作速度高達(dá)16 Mbps，是智能型限載斷路器控制系統(tǒng)的核心, 它完成A/D轉(zhuǎn)換、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和關(guān)閉、風(fēng)機(jī)電流的采樣、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警輸出、與上位機(jī)通信、液晶顯示及按鍵等各種控制功能。

2.1 溫度檢測(cè)電路

測(cè)溫原理：電路采用5V的參考電源，如圖2。采用R28、R29、R30、Pt100構(gòu)成測(cè)量電橋（其中R28＝R29，R30為100Ω精密電阻），當(dāng)Pt100的電阻值和R30的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè)mV級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè)壓差信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連接到AD轉(zhuǎn)換芯片或者V/I轉(zhuǎn)換芯片。

電路中R31＝R32,V1=V3,V3=V4,

所以（V1-V3）/R31=（V3-Vout）/R34，

即Vout=11*V2-10*V1，

放大倍數(shù)＝R34/R31=10，運(yùn)算放大器采用單一5V供電。2.2 V/I輸出電路

圖2 溫度檢測(cè)電路

V/I輸出電路為電流環(huán)電路，如圖3。電路中信號(hào)電壓施加在VIN和VG之間，VG相當(dāng)于傳感器部分的參考點(diǎn)。根據(jù)運(yùn)算放大器的基本原路，運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端電壓基本相等，流入運(yùn)算放大器輸入端的電流基本為零。可知，I3=I2；VA=VB=VG；VR1=VR2；

所以：I1R2=I2R1；

I0=I1+I2=I2(R1/R2+1)=100*VIN/RIN。2.3 串行通訊硬件電路

圖3 V/I轉(zhuǎn)換電路

控制器與上位機(jī)之間使用RS485總線通信，采用主從式結(jié)構(gòu)，一臺(tái)主機(jī)可以控制多達(dá)30臺(tái)下位機(jī)，從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，全部由主機(jī)控制。在一個(gè)通訊系統(tǒng)中，只用一臺(tái)上位機(jī)作為主機(jī)，工作人員通過(guò)主機(jī)對(duì)控制器進(jìn)行讀取信息等操作。具體電路由通用串行接口UART的數(shù)據(jù)接收線和數(shù)據(jù)發(fā)送線(RXD、TXD)及選定的發(fā)送允許控制線SD0經(jīng)RS485驅(qū)動(dòng)器MAX485完成。通信硬件電路如圖4：

圖4 串行通訊硬件電路

通過(guò)RS485總線通信可以向上位機(jī)提供變壓器溫度的數(shù)據(jù)，從而為工作人員的檢測(cè)提供方便。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)化的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方案，C語(yǔ)言具有生成代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高，適用范圍大，可移植性好等優(yōu)點(diǎn)。軟件部分包括溫度采樣、繼電器控制、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警輸出、及通信等功能。軟件的系統(tǒng)框圖如圖5。

功能子程序有A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序、按鍵功能子程序、數(shù)碼管顯示等?？刂破魍ㄟ^(guò)Pt100熱敏電阻實(shí)時(shí)檢測(cè)變壓器溫度，并通過(guò)LM324運(yùn)放將測(cè)得電壓信號(hào)送到主控芯片，主控芯片通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行判斷，若檢測(cè)到的溫度值比設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值高，則啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，從而給變壓器散熱；如果檢測(cè)到的溫度值超出設(shè)定溫度最大允許值，則立刻發(fā)出警報(bào)并提供一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)給遠(yuǎn)方的控制柜，關(guān)閉變壓器電源。啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后，對(duì)風(fēng)機(jī)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，若風(fēng)機(jī)電流發(fā)生異常，則立刻關(guān)閉風(fēng)機(jī)并發(fā)出警報(bào)。

4 結(jié)語(yǔ)

用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的變壓器智能溫度檢測(cè)，具有控制靈活、智能化程度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，控制器采取了屏蔽、看門狗及單片機(jī)二級(jí)穩(wěn)壓等一系列軟硬件抗干擾措施，使得控制器具有很好的抗干擾能力，并且能通過(guò)RS485總線通信實(shí)時(shí)監(jiān)控三相變壓器的溫度值，使用更方便。經(jīng)試驗(yàn)，本方案設(shè)計(jì)的變壓器智能溫度控制器性能穩(wěn)定，工作可靠。

圖5 軟件系統(tǒng)框圖

[1]王有緒.PIC系列單片機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué)出版社.

[2]竇振中,汪立森.PIC系列單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)例[M].北京航空航天大學(xué)出版社.