油浸式變壓器單氫健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

謝貴久，劉又清，曹勇全，王 棟，龔杰洪，季惠明

(1.中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111；2.薄膜傳感技術(shù)湖南省國防科技重點實驗室，湖南 長沙 410111；3.天津大學(xué)，天津 300072)

電力作為一種涉及國計民生的重要資源，對于社會的正常生產(chǎn)及民眾的日常生活都具有極為重要的意義。隨著當前電力系統(tǒng)向著高電壓、大機組、大容量的發(fā)展，其穩(wěn)定性要求也越來越高。作為電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備，電力變壓器的運行狀態(tài)直接決定了整個電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，因此對變壓器的運行參數(shù)進行在線監(jiān)測研究具有重要意義。隨著變壓器故障診斷技術(shù)的發(fā)展，油中氣體分析法（DGA）已成為變壓器故障診斷最主要的技術(shù)，近年來，由于傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、計算機等技術(shù)的發(fā)展，在線油色譜技術(shù)已得到成熟應(yīng)用，大大提高了變壓器故障預(yù)判的能力，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但是由于在線油色譜系統(tǒng)復(fù)雜、價格昂貴、體積龐大，限制了其在中小型變壓器中的應(yīng)用[1]。

變壓器的常見故障主要有油過熱、紙過熱、油紙絕緣中局部放電、油中火花放電、油中電弧、油和紙中電弧等，無論哪種故障都會產(chǎn)生一定量的氫氣并溶解在油中[2]。本文研制的油浸式變壓器單氫氣健康監(jiān)測系統(tǒng)可以精確檢測油浸式變壓器油中氫氣濃度值，以此來判斷變壓器的健康狀況，滿足變壓器在線監(jiān)測的要求[3]。相對于傳統(tǒng)的在線油色譜技術(shù)，本系統(tǒng)具有體積小、成本低、穩(wěn)定性好、無需定期維護等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體方案及軟硬件框圖設(shè)計

氫氣傳感器實時采集變壓器油中溶解氫氣的濃度信號，該信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量傳輸給微處理器，微處理器負責對其進行相關(guān)算法處理得到相應(yīng)的氫氣濃度信號，具體算法包括標定、線性化、溫度補償?shù)?，處理后的?shù)據(jù)一路經(jīng)過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，另一路轉(zhuǎn)化為4～20 mA模擬量輸出。同時，為了實現(xiàn)氫氣傳感器最佳性能以及消除溫度變化對氫氣傳感器的影響，本系統(tǒng)處理電路還要實現(xiàn)對傳感器芯體的恒溫控制。Zigbee協(xié)調(diào)器將接收到的氫氣濃度信號以及Zigbee網(wǎng)絡(luò)中其它傳感器的相關(guān)信號通過Zigbee轉(zhuǎn)GPRS網(wǎng)關(guān)以GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的形式發(fā)送給遠端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器并進行存儲，用戶通過Internet網(wǎng)絡(luò)即可隨時隨地讀取網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)[4]，以該數(shù)據(jù)為依據(jù)，可以對變壓器的健康狀況進行實時分析，進而實現(xiàn)變壓器健康狀態(tài)的實時監(jiān)測。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要包括氫氣傳感器、處理電路、數(shù)據(jù)傳輸三部分。

系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示，其主要完成功能包括初始化、傳感器芯體恒溫控制、氫氣濃度信號的處理以及Zigbee無線數(shù)據(jù)的發(fā)送[4]。

圖1 系統(tǒng)總框圖

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電源電路

本系統(tǒng)采用工業(yè)標準24 V外部電源供電，系統(tǒng)內(nèi)部需要電源電壓主要有8 V、5 V及電橋激勵精密低溫漂基準電壓3.3 V和1.65 V，具體電路如圖3所示。

2.2 微處理器及外圍電路

根據(jù)氫氣傳感器需要恒溫控制的特點，處理電路采用高速、高精度的數(shù)字電路，因此對微處理器的要求較高，本系統(tǒng)微處理器采用TI的MSP430，其具有功耗低、處理能力強、高性能的模擬技術(shù)以及豐富的片上外圍模塊、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、方便高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點，完全滿足系統(tǒng)速度和精度方面的要求。微處理器電路主要實現(xiàn)處理器最小系統(tǒng)、AD采集、DA轉(zhuǎn)換功能、串口通信和PWM輸出等功能[5]。具體電路圖如圖4所示。

2.3 氫敏信號、溫度信號檢測處理電路

傳感器氫氣濃度原始信號是電阻的變化[6]，本系統(tǒng)采用電橋電路將電阻變化信號轉(zhuǎn)換為差分電壓變化信號，電橋輸出電壓信號經(jīng)過低通濾波電路的濾波后作為儀表運放的輸入，儀表運放采用TI公司的高精度儀表運放INA333，放大倍數(shù)由兩個RG引腳之間電阻確定，儀表運放的輸出經(jīng)過

圖3 系統(tǒng)的電源電路圖

圖4 主處理器及外圍電路圖

濾波之后直接供給STM32的內(nèi)部ADC進行AD轉(zhuǎn)換。溫度信號檢測電路的設(shè)計同氫敏信號處理電路保持一致，采用電橋調(diào)零輸出，儀表運放電壓輸出范圍0～3.3 V。不同處為后級積分環(huán)節(jié)需要正負電壓信號，采用虛地概念，儀表運放REF管腳連接1.65 V電壓作為參考虛地，以滿足積分環(huán)節(jié)的要求，具體電路如圖5所示。

圖5 氫氣敏感信號和溫度信號的檢測處理電路

2.4 4～20 mA輸出電路

4～20 mA標準電流輸出采用集成芯片AD694，該芯片是一款單片電壓-電流轉(zhuǎn)換器，它將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成標準的4～20 mA電流信號，廣泛應(yīng)用于壓力、溫度等傳感器，其具有輸入緩沖放大器、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路、4 mA電流偏置及其選通和微調(diào)電路，功能較強，使用時只需要很少的外部元件，非線性度可達到0.002%。本系統(tǒng)將微處理器MSP430輸出的氫氣濃度信號經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換輸出給AD694，AD694及外圍電路將DA輸出信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)氫氣濃度信號的電流信號，具體電路如圖6所示。

圖6 輸出電路圖

2.5 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，避免了在變電站中增加額外的信號電纜，不僅降低了安裝成本而且增加了系統(tǒng)可靠性，無線傳輸主要包括Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，Zigbee網(wǎng)絡(luò)采用鼎泰克公司成熟Zigbee透明傳輸模塊DRF1605H進行組網(wǎng)，其傳輸距離可達1 600 m，滿足變電站內(nèi)部控制室和變壓器之間距離要求，Zigbee模塊和微處理器通過串口通信并實時將氫氣濃度信號以Zigbee無線協(xié)議形式發(fā)送出去，模塊及外圍電路如圖7所示。

Zigbee轉(zhuǎn)GPRS網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能，它采用了透明傳輸方式，并集合了ZigBee易組網(wǎng)、低功耗、低速率的優(yōu)勢與GPRS的資源利用率高、實時在線、按量計費、無距離限制等優(yōu)點于一身，在本系統(tǒng)中，它通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)信號實時接收氫氣濃度信號，同時，將接收到的氫氣濃度信號以GPRS網(wǎng)絡(luò)的形式發(fā)送給遠端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器最終通過Internet和客戶端連接，客戶即可以在任何有Internet的地方實時監(jiān)測變壓器的健康狀況。

圖7 Zigbee模塊及外圍電路

3 實驗結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)對不同氫氣濃度變壓器油的響應(yīng)特性，實驗配備了6種不同氫氣濃度的變壓器油，將系統(tǒng)探頭插入油中，穩(wěn)定1 h后各濃度點輸出如表1所示，結(jié)果顯示變壓器油中氫氣檢測系統(tǒng)對變壓器油中氫氣檢測精度滿足：單點誤差≤20%或者20×10-6（取兩者中較大值），其精度滿足變壓器健康監(jiān)測的要求。

表1 系統(tǒng)對不同氫氣濃度變壓器油的響應(yīng)特性

此外，還對系統(tǒng)進行了長期穩(wěn)定性測試，將氫氣傳感器長期放置在固定氫氣濃度為150.92×10-6的變壓器油中監(jiān)測系統(tǒng)的輸出，監(jiān)測時間為20 d，結(jié)果如圖8所示，系統(tǒng)顯示濃度值為138×10-6左右，輸出穩(wěn)定，波動小于5×10-6，不存在單向漂移問題，結(jié)果表明系統(tǒng)長期穩(wěn)定性好。

圖8 系統(tǒng)長期穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

通過實驗證明，本文所研制的油浸式變壓器單氫健康監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性高、精度滿足變壓器健康監(jiān)測的需求，相比傳統(tǒng)在線油色譜，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高的特點，同時，采用無線傳輸方式，可以方便快捷的實時獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，特別適用于智能電網(wǎng)的健康監(jiān)測，可以在電力系統(tǒng)中大量推廣應(yīng)用。

[1] 謝貴久，劉利民，何迎輝，等.微型薄膜集成氫氣敏感器件的研制[J].微處理機，2011，32(2)：17-19.

[2] 肖友文，景濤，謝貴久，等.薄膜型鈀-鉻合金氫氣傳感器技術(shù)研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012，48(11)：7-9.

[3] 許金紅.智能變壓器在線監(jiān)測及診斷技術(shù)的應(yīng)用研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2014.

[4] 楊廷方.變壓器在線監(jiān)測與故障診斷新技術(shù)的研究[D].湖北：華中科技大學(xué)，2008.

[5] 祝孝玲.基于GPRS的變壓器故障診斷系統(tǒng)的研究[D].山東：山東大學(xué)，2011.