干式变压器智能温控系统的设计

孟凡利 刘 洋

1.山东电力高等专科学校 山东 泰安 271000；2.华北电力大学国际教育学院 北京 102206

0 引言

干式变压器的安全运行和使用寿命在很大程度上取决于绕组的绝缘和负荷情况，但在非长时间过负荷工作时，起决定作用的是其绕组的绝缘状况。绝缘绕组损坏的主要原因之一是绕组的实际温度超过其绝缘的耐受温度。虽然，按“电力设备运行规程”规定，都会定期对变压器进行耐压等试验，但由于没有对其工作过程中绕组的温度进行实时检测，也就不能对运行中的变压器实施及时有效地保护。为此，设计了以AT89C52单片机为核心的温度控制系统，它可以对三相绕组的温度进行实时检测和显示、自动控制冷却风机的开启与关闭，并具有超温报警、超高温跳闸等功能。

1 硬件设计

温控系统的硬件结构如图1所示。

1.1 温度变送电路

温度变送电路由温度传感器及电桥电路和双积分A/D转换器组成。本系统中需要测量变压器三相绕组的温度，可通过将三只铂电阻传感器（Pt100）预埋的方式来获取。在0℃~800℃范围内，铂电阻的阻值与温度的关系为：

图1 干式变压器智能温控系统的硬件结构

式中R0温度为0℃时铂电阻的阻值，分度号为Pt100的铂电阻，其R0=100Ω；

Rt温度为t℃时铂电阻的阻值；

由上式看出，铂电阻的阻值与温度之间呈非线性关系。经电桥电路后，输出电压与被测温度之间的关系仍为非线性，若不对其线性化处理，则会造成较大的测温误差。处理的方法通常是在数据处理中加以修正，如查表法、分段线性法。本设计中采用硬件的方法实现：将电桥输出电压经双积分A/D转换器ICL7135来实现铂电阻测温线性化并实现A/D转换的(多路开关用于三相测温的换接)。线性化的关键在于使积分器的参考电压与积分时间成一次线性关系，这可通过在7、8引脚间加一合适阻值的电阻和一合适容量的电容来实现。

1.2 看门狗、电压监视、EEPROM电路

同其它单片机系统一样，为避免该系统在电磁干扰较强的恶劣环境中出现死机，使系统可靠、稳定地工作，本系统也采用了看门狗技术。看门狗分软件看门狗和硬件看门狗，其中软件看门狗受单片机资源的限制，但其经济性好。

低电压监视电路是当电源电压跌落至预定的最小门限电压以下时，复位单片机系统，从而避免在电源失效或断开的情况下，单片机继续不正常地工作，提高其可靠性。

EEPROM是电可擦除的可编程只读存储器，用于数据的存储，其数据不易丢失或更改。

本系统选用的X5045是一种集看门狗、电压监视和串行EEPROM三种功能于一身的可编程电路。它的应用有利于简化系统的结构、减小对电路板的空间需求 （一片X5045相当于MAX706加24C04的功能，但管脚数仅与一片MAX706或24C04的管脚数相同），降低了系统成本，尤其是大大提高了系统的可靠性。

当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU作出反应。当电源电压降到允许范围以下时，系统也将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045的EEPROM与CPU通过串行通信方式接口，共有4096位，可以按512×8个字节来放置数据。系统设定的数据如下：

设定的第二个数据为冷却风机的开启温度（系统的默认值为90℃），即当任一相绕组的温度超过该值时，冷却风机启动。

设定的第一个数据为冷却风机的关闭温度（系统的默认值为80℃），即当三相绕组的温度都低于该值时，冷却风机关闭。

设定的第三个数据为超温报警温度（系统的默认值为130℃），即当任一相绕组的温度超过该值时，启动报警器。

设定的第四个数据为超高温跳闸温度（系统的默认值为150℃），即当任一相绕组的温度超过该值时，启动一次线路开关的跳闸装置，将变压器从线路上切除。

以上数据存于EEPROM中，同时，为防止数据丢失以及数据恢复的需要，将其备份存于另外一个区段中。正常工作时不用备份数据，对工作数据，系统可随时进行调用或输入密码后人为进行修改。为防止意外写操作，将设定的数据更改，在软件中设置了写保护。

1.3 键盘输入电路

除系统设定的温度值外，用户还可根据需要重新设定该值。其方法是：按动“温度设定”键，显示器第一位显示“H”，要求输入密码后进行操作，密码为三位 （与温度显示复用，温度显示为三位，0℃~200℃），通过键“+”、键“－”输入（共有 8 种组合），不论密码输入为何值，三位密码显示均为“日 ”字，当输入的密码与EEPROM中存储的密码一致时，系统就会将第一个要设定的值调出来并在显示器上显示出来，按动“+”或“－”键，即可对该值进行重新设定，再次按动“温度设定”键，就可设定第二个温度值，依次第三个、第四个，最后再按一次后，重新设定成功。若密码不正确，就进不了系统来重设数据。按键之间的按动时间间隔设定为10s，若在此时段内没有按动下一个按钮，则系统自动回到默认值，继续进行循环检测和控制。

1.4 显示及控制电路

电路由显示器、工作指示灯、继电器输出组成。显示器一是用于正常工作时三相绕组温度的循环显示，由 4位组成，第一位显示相别A、B、C，后三位显示检测的温度值；二是修改设定的数据时，显示密码提示、输入的密码和重设的数据值（在数据设定期间，数字一直为跳显）。

指示灯有4个，分别指示风机的启动、停止、高温报警和超高温跳闸。

继电器输出点有4个，分别控制风机的启动、停止、高温报警和超高温跳闸。另外，由于在风机的二次控制回路中加装了控制按钮，不论控制系统处于怎样的工作状态，都可以用手动进行风机的启、停控制。

2 软件设计

本控制系统由主程序、键盘处理程序、温度测量采样程序、判断输出程序和滤波程序组成，主程序流程框图如图2所示。在温度采样处理中采用了ICL7136双积分式A/D转换器，它具有较好的干扰抑制作用，但为使测量的温度值更准确，本系统中还采用软件对采样值进行了滤波，即每相温度连续采样4次，去掉1个最大值和1个最小值，计算剩余2个数据的平均值作为其温度值，这样可有效地消除采样过程中由尖脉冲干扰引起的温度误差。通过采用双积分A/D及数字滤波，实测温度误差值在0.1℃以下。

图2 主程序流程框图

3 结束语

本智能温控系统具有精确、可靠、灵活、先进之特点，是传统模拟仪表控制所不能比拟的。

［1］纪宗南.单片机外围器件实用手册［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1998.

［2］梁廷贵.积分式 A/D转换器［M］.北京：科学技术出版社，2002.

［3］王章权.提高铂电阻测温线性度的方法［J］.浙江树人大学学报，2004.

［4］白泽生.用 MCS-51 单片机实现温度的检测［J］.现代电子技术，2005.

［5］余锡存等.单片机原理及接口技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2000.