變壓器油溫測量及光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計
變壓器的絕緣老化,主要是由于溫度、濕度、氧化和油中分解的劣化物質(zhì)的影響所致。但老化的速度主要由溫度決定,絕緣的工作溫度愈高,化學(xué)反應(yīng)進行的愈快,絕緣的機械強度和電氣強度喪失的愈快,絕緣老化速度愈快,變壓器使用年限也愈短。實際上繞組溫度受負荷波動和氣溫變化的影響,變化范圍很大。因此,對變壓器的溫度進行實時采集,使其維持在一定的范圍內(nèi),對變壓器的壽命有重要的意義。
在線監(jiān)測變壓器油溫對早期診斷變壓器故障十分重要,但是因變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,影響其安全運行的因素較多,使得在線監(jiān)測的難度很大。油溫測量過去一般是采用間接的模擬測量方法,準確性差,而且不及時。文中針對以上問題,提出了采用鉑電阻作為變壓器油溫測量的傳感器,MSP430F449單片機為核心處理器件,實現(xiàn)對變壓器油溫測量,采用光纖實現(xiàn)與上位機之間的通信,在上位機運行油溫監(jiān)控軟件,實時的監(jiān)測變壓器油溫。該電力變壓器油溫測量系統(tǒng)代替直接輸入變壓器溫度控制器去控制電力變壓器冷卻系統(tǒng),具有方便實時在線檢測、集中控制等特點。
2 變壓器散熱原理分析
變壓器在運行時產(chǎn)生的損耗以熱的形式通過油、油箱壁和散熱器散發(fā)到周圍的空氣中。熱量的散發(fā)通過導(dǎo)熱、對流和輻射三種形式。從繞組和鐵心的內(nèi)部到其表面熱量主要靠導(dǎo)熱形式散發(fā),從繞組和鐵心表面到變壓器油中熱量主要靠對流的形式散發(fā)。散發(fā)到變壓器油中的熱量使油箱中的變壓器油溫度上升、密度下降、產(chǎn)生熱浮力,而變壓器油在熱浮力的推動下,從油箱上部進人連接油管,通過油管進人散熱器。變壓器油在散熱器中經(jīng)過和外面空氣的熱交換,使散熱器中的變壓器油溫度降低,從油箱下部進人連接油管,通過油管重新進入變壓器油箱,形成自然循環(huán)。變壓器的散熱量可由式(1)確定:
式中,Ql為單位熱負荷;Q為變壓器的損耗;F變壓器的總散熱面積;C1與變壓器性本身參數(shù)有關(guān)的常數(shù);ty即變壓器溫升。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
電力變壓器運行中,對其油溫的測量是維護電力變壓器安全運行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。電力變壓器冷卻系統(tǒng)的投退和超溫報警等都由其安裝的溫度控制器來實現(xiàn)。
本變壓器油溫測量系統(tǒng)以MSP430F449為主控制器件,它是TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗特性的功能強大的單片機。MSP430單片機內(nèi)部具有高、中、低速多個時鐘源,可以靈活的配置給各模塊使用以及工作于多種低功耗模式,大大降低控制電路的功耗提高整體效率。首先,電力變壓器油溫經(jīng)過傳感器和信號調(diào)理電路采集放大為適合A/D轉(zhuǎn)換的電壓值。然后,A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行采樣并轉(zhuǎn)換位數(shù)字信號后經(jīng)MSP430作預(yù)處理。 該監(jiān)測系統(tǒng)通過MAX3221電平轉(zhuǎn)換電路采用光纖實現(xiàn)與PC機的串行通信,PC機實現(xiàn)對溫濕度值的進一步分析和對系統(tǒng)的控制。利用光纖收發(fā)模塊構(gòu)建的光纖通信系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的遠程傳輸,借助MSP430單片機和主機(上位機)之間的串行通信完成人機交互監(jiān)測,系統(tǒng)框圖如圖1。
3.1 鉑電阻及信號調(diào)理電路
鉑電阻具有準確度高、性能穩(wěn)定、互換性好、耐腐蝕及使用方便等一系列優(yōu)點,一直是工業(yè)測控系統(tǒng)中廣泛使用的一種比較理想的測溫元件。對于鉑電阻溫度計,電阻R溫度t的函數(shù)如公式(2):
Rt=R0[1+at-bt2] (2)
式中Rt為t℃時的電阻值,R0為0℃時的電阻值100Ω;A為3.908 02×10-3/℃;B為-5.802×10-7/℃2。
這一過程將直接影響著系統(tǒng)的測量精度,當然強電磁場的工業(yè)環(huán)境同樣對系統(tǒng)的測控精度與穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。
在0℃~650℃存在非線性項bt2,因此鉑電阻的阻值和溫度之間不是線性關(guān)系,這就要求在實際應(yīng)用鉑電阻時要考慮到鉑電阻線性化校正的問題。對于高精度的鉑電阻測溫數(shù)字顯示儀表,可以將鉑電阻的電阻溫度分度表以A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)為地址固化在存儲器EPROM中,即在EPROM中,以A/D轉(zhuǎn)換值為單元地址存放與之相對應(yīng)的溫度值。當以A/D轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果為地址訪問EPROM時,存放在該單元的溫度值被讀取,并送入LCD顯示。
3.2 MSP430接口電路
溫度傳感器的輸出信號經(jīng)溫度變送模塊轉(zhuǎn)化為OV~5V標準的電壓信號,進入電壓/頻率(V/F)轉(zhuǎn)換模塊,轉(zhuǎn)換為OkHz~100kHz的頻率輸出至MSP430的I/O口,經(jīng)MSP430采樣計算后顯示在液晶模塊(LCD)上。采用P2.4口作為RXD接收數(shù)據(jù),P2.5口作為TXD發(fā)送數(shù)據(jù)。F449外圍接口電路如圖2所示。
3.3 V/F模塊設(shè)計
系統(tǒng)用V/F轉(zhuǎn)換芯片將0V~5V電壓信號轉(zhuǎn)變成頻率輸出至單片機,既節(jié)省了I/O口,也節(jié)省了A/D轉(zhuǎn)換芯片,降低了系統(tǒng)成本。采用壓控振蕩器LM331芯片,它的突出特點是把模擬電壓轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強,可遠距離傳送并能直接輸入單片機的脈沖串。
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