变压器油温监测系统的设计构想

席先鹏 王兴成 刘 林 张艳华

(三峡大学，湖北 宜昌 443000)

变压器油温监测系统的设计构想

席先鹏 王兴成 刘 林 张艳华

(三峡大学，湖北 宜昌 443000)

为了保证变压器连续安全稳定地工作，就必须确保变压器在一定温度下运行，而油温是变压器温度的一个重要指标，如果油温状况不能得到实时监控，变压器运行异常也就无法及时发现，因此实时监测油温是非常重要的。通过设计变压器油温监测系统，为判断变压器是否正常运行提供有力工具。

变压器；油温；实时监测

0 引言

在我国的电力行业中，有很多变压器不论是大型还是小型都已经快接近超期运行，其中有些变压器可能存在安全隐患，但考虑到经济效益仍让其继续工作。根据不完全统计，我国变压器出现故障有86%是由于绝缘受到损害、老化而引起的。而造成变压器绝缘损害、老化的因素有很多，如铁耗、机械损耗、热损耗等。据专家不完全统计，热损耗造成的绝缘损害、老化占绝大部分。而热损耗又影响油温，因此，对变压器油温进行实时监测对变压器的保护具有十分重要的作用。

当今时代，测试和通讯技术已经很成熟，如果还是让工作人员现场去检测每一台变压器的油温，那样既浪费人力又浪费时间，效率低下。但如果利用温度传感器去检测温度，然后通过光纤或无线设备传给主机，这样既节约了人力，节省了时间，还能使工作人员有充足的时间去处理数据，并对变压器的运行状态进行准确的评估，发现变压器的安全隐患，使之得到及时处理。

1 油温监测流程框图

油温监测流程如图1所示。

图1 油温监测流程框图

2 油温监测装置选择

2.1 压力式温度计测温

压力式温度计属于膨胀式测温仪器，如图2所示，温包中充满了感温的液体或气体，温包放于变压器油中，当温度变化时感温物质膨胀导致压力产生变化，这一变化的压力通过毛细管作用于弹簧管的弹性元件使指针发生偏转，从而指向被测温度。

图2 压力式温度计

2.2 热电阻温度计测温

热电阻温度计的原理是导体本身的电阻值与温度的变化存在一定的比例关系。现在市场上用的比较多的就是铂电阻，铂电阻的抗氧化性好，测量精度高，本身电阻值与温度的变化近似成直线关系(-200～850 ℃)。以下是电阻值与温度的关系式：

R=R0[1+mt+nt2+kt3(t-100)] (-200 ℃≤t<0 ℃)

R=R0(1+mt+nt2) (0 ℃≤t≤850 ℃)

式中，R为温度为t时的电阻值；R0为0 ℃时的电阻值，R0=100 Ω；m为3.908 2×10-3；n为-5.802×10-7；k为4.273 5×10-12。

将铂电阻与稳定的电压源及一些元件连接成一个电路，不同油温下铂电阻的阻值发生改变导致电路中的电压或电流发生改变，通过电压或电流的改变可以计算出变压器油的温度。

2.3 热电偶温度计测温

热电偶温度计(图3)是由2种不同材料的导体a和b焊接成的，2种导体材料一端互相连接，另一端则与测温仪表相连。互相连接的一端叫测量端，与仪表连接的一端叫冷端。测量时测量端放于被测物体中或与被测物体接触，当两端有温差时，回路就会产生电流，通过测量该电流的相关数据来得到温度。

图3 热电偶温度计

由图3可知，热电偶温度计中有热接点和冷接点2个接点。为了方便安装维护，热接点置于变压器外壳顶部，冷接点处于大气当中，T1、T2为2个接点的温度，两导体的接触电动势Eab是2个接点温差的函数，通过Eab可得到当前油温。

Eab(T1T2)=Eab(T1)-Eab(T2)-[Ea(T1T2)-Eb(T1T2)]=

式中，Ea、Eb为单一导体的温差电动势；Eab为两导体的接触电动势；k为玻尔兹曼常数(1.38×10-6)；e是电子电荷(1.602 189 2×10-19)；Na、Nb分别为a、b 2种材料在温度T时的电子密度；δ是汤姆逊系数，它表示温度为1 ℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。

为了保证测得温度的准确度与可靠性，测温探头有3个，分别放在顶部的不同位置，然后综合3个测量值取平均数。

为了保证冷接点的温度不变以及避免外界温度对测温探头的影响，测温探头需用隔热罩密封，隔热罩主要由气凝胶毡制成。气凝胶毡的导热系数极低，保温性能很好。

通过对以上3种测量方法的了解，笔者选择了热电偶温度测量装置来对油温进行测量。原因：(1) 和弹性元件的形变以及铂电阻的变化相比，热电动势的线性度更好。(2) 由于测温显示电信号，便于传输，也有利于集中检测和控制。(3) 体积小、精度高，既可以用来测量点的温度，也可以用来测量壁面的温度。

3 V/F转换器

V/F转换器是一个电压控制的振荡器，即振荡频率随控制电压变化而变化。输出频率F正比于输入电压的瞬时值。V/F转换器与单片机配合使用十分好，可以通过单片机内部计数器记录脉冲数为C，利用其内部一个定时器记录时间T，于是频率F=C/T，最后通过频率、电压转换关系得到电压值。变压器放置的地方一般都有很多电磁干扰，而频率信号的抗干扰性很强，所以频率信号能更好地保护原始信号不受破坏。

4 单片机MSP430F449

I/O口接收到V/F转换器传来的信号并通过采样器采集信号，然后将其转化为电压信号，通过单片机处理后在液晶显示屏上显示温度，另一边通过串行输出端口P2.4把数据发送给主机。图4是MSP430F449部分接口电路图。

图4 MSP430F449外围接口电路

5 转接器

转接器部分的功能是完成RS -485协议和RS -232协议的转换。它把RS -485通信系统传输过来的信息转换成RS -232标准，通过RS -232接口传输给PC机。

6 通信系统

在系统中通信采用RS -232和RS -485 2种通信标准，其中RS -232通信完成硬件和软件的连接，RS -485通信完成远距离数据的传送。RS -232标准规定，驱动器允许有2 500 pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，另外RS -232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20 m以内的通信。RS -485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好，RS -485最大通信距离约为1 219 m，最大传输速率为10 Mb/s，适合远距离传输。

7 温度的显示与报警

主机接收到传来的信号后调用温度脉冲转换公式处理成温度后显示，并与预置温度对比，如果大于预置温度就会发出报警信号。《配电变压器运行规程》规定变压器的顶层油温限值是95 ℃，为防止变压器绝缘加速老化，一般顶层油温不宜经常超过85 ℃。因传感器取的是外壳顶部温度，顶层油温和外壳顶部温度之间有一定的温差，故设置70 ℃为报警温度，如温度传感器传回的温度值大于70 ℃，则进行报警和现场处理。

8 结语

本文采用了热电偶测温装置，将测得的电信号转换成抗干扰性强的脉冲信号，并通过单片机处理后传入主机。由于还没有得到实践检验，可能存在一些隐藏缺陷没有被发现，以后会进一步研究完善。

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2014-06-18

席先鹏(1990—)，男，湖北当阳人，硕士研究生，研究方向：高电压绝缘测试技术、电力设备故障监测与诊断。