油浸式变压器单氢健康监测系统设计

谢贵久，刘又清，曹勇全，王 栋，龚杰洪，季惠明

(1.中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南 长沙 410111；2.薄膜传感技术湖南省国防科技重点实验室，湖南 长沙 410111；3.天津大学，天津 300072)

电力作为一种涉及国计民生的重要资源，对于社会的正常生产及民众的日常生活都具有极为重要的意义。随着当前电力系统向着高电压、大机组、大容量的发展，其稳定性要求也越来越高。作为电力系统中最重要的设备，电力变压器的运行状态直接决定了整个电力系统的安全、稳定运行，因此对变压器的运行参数进行在线监测研究具有重要意义。随着变压器故障诊断技术的发展，油中气体分析法（DGA）已成为变压器故障诊断最主要的技术，近年来，由于传感器、通信网络、计算机等技术的发展，在线油色谱技术已得到成熟应用，大大提高了变压器故障预判的能力，确保电力系统的稳定运行。但是由于在线油色谱系统复杂、价格昂贵、体积庞大，限制了其在中小型变压器中的应用[1]。

变压器的常见故障主要有油过热、纸过热、油纸绝缘中局部放电、油中火花放电、油中电弧、油和纸中电弧等，无论哪种故障都会产生一定量的氢气并溶解在油中[2]。本文研制的油浸式变压器单氢气健康监测系统可以精确检测油浸式变压器油中氢气浓度值，以此来判断变压器的健康状况，满足变压器在线监测的要求[3]。相对于传统的在线油色谱技术，本系统具有体积小、成本低、稳定性好、无需定期维护等优点。

1 系统总体方案及软硬件框图设计

氢气传感器实时采集变压器油中溶解氢气的浓度信号，该信号经过AD转换变成数字量传输给微处理器，微处理器负责对其进行相关算法处理得到相应的氢气浓度信号，具体算法包括标定、线性化、温度补偿等，处理后的数据一路经过Zigbee无线网络发送给协调器，另一路转化为4～20 mA模拟量输出。同时，为了实现氢气传感器最佳性能以及消除温度变化对氢气传感器的影响，本系统处理电路还要实现对传感器芯体的恒温控制。Zigbee协调器将接收到的氢气浓度信号以及Zigbee网络中其它传感器的相关信号通过Zigbee转GPRS网关以GPRS无线网络的形式发送给远端网络服务器并进行存储，用户通过Internet网络即可随时随地读取网络服务器的数据[4]，以该数据为依据，可以对变压器的健康状况进行实时分析，进而实现变压器健康状态的实时监测。系统总体框图如图1所示，主要包括氢气传感器、处理电路、数据传输三部分。

系统程序流程图如图2所示，其主要完成功能包括初始化、传感器芯体恒温控制、氢气浓度信号的处理以及Zigbee无线数据的发送[4]。

图1 系统总框图

图2 系统程序流程图

2 硬件电路设计

2.1 电源电路

本系统采用工业标准24 V外部电源供电，系统内部需要电源电压主要有8 V、5 V及电桥激励精密低温漂基准电压3.3 V和1.65 V，具体电路如图3所示。

2.2 微处理器及外围电路

根据氢气传感器需要恒温控制的特点，处理电路采用高速、高精度的数字电路，因此对微处理器的要求较高，本系统微处理器采用TI的MSP430，其具有功耗低、处理能力强、高性能的模拟技术以及丰富的片上外围模块、系统工作稳定、方便高效的开发环境等优点，完全满足系统速度和精度方面的要求。微处理器电路主要实现处理器最小系统、AD采集、DA转换功能、串口通信和PWM输出等功能[5]。具体电路图如图4所示。

2.3 氢敏信号、温度信号检测处理电路

传感器氢气浓度原始信号是电阻的变化[6]，本系统采用电桥电路将电阻变化信号转换为差分电压变化信号，电桥输出电压信号经过低通滤波电路的滤波后作为仪表运放的输入，仪表运放采用TI公司的高精度仪表运放INA333，放大倍数由两个RG引脚之间电阻确定，仪表运放的输出经过

图3 系统的电源电路图

图4 主处理器及外围电路图

滤波之后直接供给STM32的内部ADC进行AD转换。温度信号检测电路的设计同氢敏信号处理电路保持一致，采用电桥调零输出，仪表运放电压输出范围0～3.3 V。不同处为后级积分环节需要正负电压信号，采用虚地概念，仪表运放REF管脚连接1.65 V电压作为参考虚地，以满足积分环节的要求，具体电路如图5所示。

图5 氢气敏感信号和温度信号的检测处理电路

2.4 4～20 mA输出电路

4～20 mA标准电流输出采用集成芯片AD694，该芯片是一款单片电压-电流转换器，它将输入电压信号转换成标准的4～20 mA电流信号，广泛应用于压力、温度等传感器，其具有输入缓冲放大器、电压/电流转换电路、4 mA电流偏置及其选通和微调电路，功能较强，使用时只需要很少的外部元件，非线性度可达到0.002%。本系统将微处理器MSP430输出的氢气浓度信号经过DA转换输出给AD694，AD694及外围电路将DA输出信号转换成对应氢气浓度信号的电流信号，具体电路如图6所示。

图6 输出电路图

2.5 数据传输系统设计

本系统采用无线数据传输方式，避免了在变电站中增加额外的信号电缆，不仅降低了安装成本而且增加了系统可靠性，无线传输主要包括Zigbee无线网络和GPRS无线网络，Zigbee网络采用鼎泰克公司成熟Zigbee透明传输模块DRF1605H进行组网，其传输距离可达1 600 m，满足变电站内部控制室和变压器之间距离要求，Zigbee模块和微处理器通过串口通信并实时将氢气浓度信号以Zigbee无线协议形式发送出去，模块及外围电路如图7所示。

Zigbee转GPRS网关实现Zigbee网络数据到GPRS网络数据的收发功能，它采用了透明传输方式，并集合了ZigBee易组网、低功耗、低速率的优势与GPRS的资源利用率高、实时在线、按量计费、无距离限制等优点于一身，在本系统中，它通过Zigbee网络信号实时接收氢气浓度信号，同时，将接收到的氢气浓度信号以GPRS网络的形式发送给远端的网络服务器，网络服务器最终通过Internet和客户端连接，客户即可以在任何有Internet的地方实时监测变压器的健康状况。

图7 Zigbee模块及外围电路

3 实验结果

为了验证系统对不同氢气浓度变压器油的响应特性，实验配备了6种不同氢气浓度的变压器油，将系统探头插入油中，稳定1 h后各浓度点输出如表1所示，结果显示变压器油中氢气检测系统对变压器油中氢气检测精度满足：单点误差≤20%或者20×10-6（取两者中较大值），其精度满足变压器健康监测的要求。

表1 系统对不同氢气浓度变压器油的响应特性

此外，还对系统进行了长期稳定性测试，将氢气传感器长期放置在固定氢气浓度为150.92×10-6的变压器油中监测系统的输出，监测时间为20 d，结果如图8所示，系统显示浓度值为138×10-6左右，输出稳定，波动小于5×10-6，不存在单向漂移问题，结果表明系统长期稳定性好。

图8 系统长期稳定性测试数据

4 结 论

通过实验证明，本文所研制的油浸式变压器单氢健康监测系统稳定性高、精度满足变压器健康监测的需求，相比传统在线油色谱，具有结构简单、成本低、可靠性高的特点，同时，采用无线传输方式，可以方便快捷的实时获取相关数据，特别适用于智能电网的健康监测，可以在电力系统中大量推广应用。

[1] 谢贵久，刘利民，何迎辉，等.微型薄膜集成氢气敏感器件的研制[J].微处理机，2011，32(2)：17-19.

[2] 肖友文，景涛，谢贵久，等.薄膜型钯-铬合金氢气传感器技术研究[J].仪表技术与传感器，2012，48(11)：7-9.

[3] 许金红.智能变压器在线监测及诊断技术的应用研究[D].北京：华北电力大学，2014.

[4] 杨廷方.变压器在线监测与故障诊断新技术的研究[D].湖北：华中科技大学，2008.

[5] 祝孝玲.基于GPRS的变压器故障诊断系统的研究[D].山东：山东大学，2011.