干式变压器温度监控系统的设计

干式变压器温度监控系统的设计
张嘉泉;杨桂华;李怀晖
【摘要】设计了基于PIC16F76单片机的一种新型干式变压器温度监控装置,介绍了系统功能,硬件电路工作原理和软件程序流程.
【期刊名称】《大众科技》
【年(卷),期】2017(019)008
【总页数】3页(P72-74)
【关键词】干式变压器;温度监控;单片机
【作者】张嘉泉;杨桂华;李怀晖
【作者单位】桂林理工大学机械与控制工程学院,广西桂林 541004;桂林理工大学机械与控制工程学院,广西桂林 541004;桂林理工大学管理学院,广西桂林 541004【正文语种】中文
【中图分类】TP27
随着我国电力系统的发展，目前干式变压器逐渐取代油浸式变压器，据有关资料记载，近20 年来干式变压器得到了迅猛发展，特别是在配电变压器中，干式变压器所占比例越来越大[1]。

并且随着干式变压器的应用领域不断扩展，人们对干式变压器运行状态的集中监控也提出了更多和更高的要求。

在变压器运行中，如果遇到短路、过载、环境温度过高或冷却、通风不够等情况时，就会使变压器过热。

对于干式变压器，其热平衡性能差，绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因。

因此，对变压器绕组的运行温度进行监测、驱动风
机实现强迫风冷及报警控制是十分重要的。

干式变压器温度控制系统是维护干式变压器运行的重要部件，能有效防止变压器温升过高引发事故，还能促进变电站的科学管理，通过降低温度实现变压器的经济运行。

温度监控系统以AT89C51单片机作为中央处理器，由预埋在干式变压器三相绕组中的三只铂电阻温度计（Pt100）对三相绕组温度巡回检测。

单片机根据测量数据以及用户设定的各种控制参数进行计算和处理，显示被测绕组的最高温度，并输出相应的驱动风机控制信号，以及报警控制信号。

系统的主要功能包括三相绕组温度巡回检测显示；最高温度显示；自动/手动控制风机启停，超温报警、超高温跳闸等功能。

电路具体包括AT89C51单片机、温度传感器、A/D转换器、键盘及显示电路、报警控制电路和风机控制输出电路等。

系统的结构框图如图1。

温度监控系统的核心处理器采用AT89C51单片机，该型机集成度高、体积小、有很高的可靠性，控制功能强，其结构和指令功能按工业控制设计要求设计，特别适用于工业控制及其数据处理场合，指令系统中均包含丰富的转移指令、I/O口逻辑操作及位处理指令[2]。

单片机与外部交换信息是通过I/O接口电路来实现的。

AT89C51单片机本身有4个8位的并行I/O口P0-P3，但实际使用时往往再增加些I/O口，以便与外部设备交换数据。

温度监控系统中温度的采集主要采用四只铂电阻温度计（Pt100），其中三路对变压器三相绕组温度巡回检测，另一路Pt100用来测量变压器运行时的环境温度。

Pt100，铂电阻在高温下能够保持优良的稳定性，适合在－200℃～650℃的温度下使用，400℃下可连续加热1000h，误差范围: 0℃时为0．02℃以内，的比值为1.3850。

铂电阻的温度与其电阻的关系为[3]：
式中—分别为0°C和t°C的电阻值
A—常数，值为
B—常数，值为
C—常数，值为
从关系式（1）和（2）可以看出，当温度小于200℃时，式子中t 的二次及以上
高次项系数值都非常小，可忽略不计，这时铂电阻与温度的关系几乎是线性的。

干式变压器的工作温度范围：-30℃～200℃，根据以上综合分析，选用Pt100，完
全适应变压器测控系统要求。

Pt1 00的输出为电流型输出，为了将电流量转化为电压量输出，图2为一路传感
器接口电路设计。

图2中A+，A-两端连接传感器Pt100,在没有接入Pt100时，由于集成运放V+= V−=5 V，I=If=0，则输出U0=0。

当接入Pt100时，由于Pt100的电阻值RT随温度的变化而发生变化，打破了电桥平衡，使得LM324输出电压U0发生变化，经分析电压U0随Pt100阻值变化的关系式如下所示：
综合以上式子（3）～（6）得，当Pt100为 100 欧时，U0=0.7V,当Pt100为
200欧时，U0=3.6V。

在本系统中要求达到控制温度范围为-30℃～200℃，测量精度为0.5级，分辨率
为0.1摄氏度，PIC16F76 CPU内部的8位A/D转换分辨率不能满足要求，故本
系统选用12位的A/D转换器TLC2543，该芯片具有精度高，低噪声，低漂移，
具有防尖峰干扰能力，具有11个模拟量输入通道的12位模数转换器[4]。

以上的一路传感器接口电路输出端U0接TLC2543其中一个模拟量输入通道，TLC2543
内部寄存器包括输入数据寄存器与输出数据寄存器。

输入数据寄存器存放从DATA INPUT端串行输入控制字，控制字决定要转换的模拟量通道号、转换后输出数据
的长度、输出数据的格式。

输出数据寄存器存放转换好的数据，以供从DATA OUT端串行输出。

键盘输入电路中设计了1×5个独立式功能按键，分别为：F1键—手动启/停风机；F2键—修改键；F3键—定位键；F4键—加1键；F5—减1键。

各按键均采用一
个10KΩ上拉电阻接入单片机的RB3～RB7，以保证在按键断开时，RB3～RB7输入为高电平，当有键按下时，则为低电平，单片机扫描这5位当中的某一位电平由高到低时，表示跟这一位相连的按键被按下，则进入相应的键盘处理程序。

系统中门槛温度的初始值可在0～200℃范围内任意可调，根据实际情况，各种温度初始值设定如下：
风机停止温度T1=80˚C, 风机启动温度T2=100˚C，超温报警温度T3=130˚C，超温跳闸温度T4=150˚C。

门槛温度的设置，由键盘输入设定，首先按F2修改键，按1下，确定修改T1，连续按2，3，4下分别确定修改T2,T3,T4。

然后按F3定位键，按1下，确定修改个位，连续按2，3下分别确定修改十位、百位，再按F4键，在确定的数位上加1，按F5键，在确定的数位上减1。

系统对变压器三相绕组温度巡回检测显示，每相显示5s，该显示电路包括信号灯指示电路和五位数码管显示电路。

每相温度由五位七段数码显示（十进制表示），第一位用于相显示，其余四位用于该相温度显示，精确到小数点后一位。

信号灯指示电路显示不同的工作状态，当检测到某相温度低于T1时，风机停止，点亮红色信号灯 LED1。

温度超过设置的门槛温度T2时，启动风机，点亮绿色信号灯LED2，温度超过T3时，蜂鸣器发出声音报警信号，温度超过T4时，跳闸电路切断变压器输入电源，同时点亮黄色信号灯LED3。

监控系统中，有 3组风机对变压器的三相绕组降温，每组风机最大功率500W。

风机控制电路[5]如图3，当温度超过设置的门槛温度T2时，启动风机，单片机的PC1输出高电平时，三极管 9013导通，继电器线圈通电，其常开触点闭合，输出端接通A、B、C共3组单相风机。

当温度超过T3时,单片机PC2端输出高电平时，晶体管导通，继电器线圈通电，其触点闭合，接通超温报警蜂鸣器。

当温度达到超高温时，PC3端输出高电平，三极管导通，继电器线圈得电，其常闭触点断
开，切断变压器输入电源，常开触点闭合，接通信号指示灯LED3。

监控系统软件主要包括主程序、键盘扫描、键盘处理、测量数据处理、风机状态判断、风机控制、超温报警跳闸子程序等。

程序流程如图4所示。

系统软件的设计，包括系统初始化，即对T0，T1两个计数器初始化、中断控制程序初始化。

定时器工作于中断服务方式，每当定时器产生中断时，即对键盘进行扫描，看是否对门槛温度进行修改，进入键盘处理子程序，如果没有按键按下，则对三相绕组的温度及环境温度定时采样，温度采样值采用中值滤波技术，然后调用温度处理子程序，一方面通过显示系统动态显示实时温度，另一方面判断实时温度所在工作范围，将其结果送输出通道（包括报警控制、风机控制、跳闸控制）。

通过实践表明，所设计的干式变压器监控系统以单片机PIC16F76为控制核心，充分利用了PIC16F76、TLC2543等芯片的内部功能，使外围电路简单化，提高了系统可靠性，提高了温度控制系统的自动化水平，操作员可根据实际情况，对风机的自动起、停温度，变压器绕组的超温报警温度，超高温跳闸温度进行任意设置和调整，系统的功能由软件主程序及子程序设计及完成。

【相关文献】
[1] 李文才,路文梅,李燕,等.干式变压器温度控制系统的设计[J].变压器,2009,46(4):P57-60.
[2] 深圳市深威志电子有限公司.PIC16F76中文资料[Z].2008.
[3] 丁镇生.传感器及传感器技术应用[M].北京:电子工业出版社,2002.
[4] 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001.
[5] 孙肖子.使用电子电路手册[M].北京:高等教育出版社,1991.。