基于单片机控制的变压器油压油温故障检测

闫虹

（大同煤矿集团同家梁矿业公司，山西大同，037003）

0 引言

随着我国综合国力的快速进步及提升，各个行业对电力系统供电可靠性的要求也变得越来越高，在工矿企业中，电能的应用极为广泛，一旦中断供电，可能造成设备损坏、生产停顿，所以工矿企业供电对于企业生产的正常进行具有十分重要的意义。变压器作为整个电力系统的重要组成设备之一，一旦出现异常问题，将会对于整个电力系统的安全可靠运行产生巨大的威胁，由于变压器在结构上的特殊性以及故障上的多样性，加之人工现场监测油温油压值费时又费力，降低了工作效率。所谓的基于单片机控制的变压器油压油温故障检测，即将采集到的油压油温值送入单片机进行分析显示以及信息融合[1]，进而定义系统故障模型判据，显示故障信息，系统采取自动降温或降压安全措施的同时并进行声光报警。

1 基于单片机控制变压器油压油温故障检测系统设计

1.1 变压器的结构

变压器是根据电磁感应进而来对交流电压进行改变的装置，主要包括初级线圈、次级线圈以及磁芯等一些主要的部件。变压器的功能根据其所处的位置不同发挥的作用也不相同，包括隔离、变换电流电压以及稳压等一些作用，在整个电力系统的输配电系统中都发挥核心作用。根据变压器的具体结构来剖析变压器的故障是一种最为常用的技术手段。

1.2 系统综述

所谓的基于单片机控制的变压器油压油温故障检测，即是将采集到的油压值和油温值送入单片机进行分析显示以及信息融合，进而定义系统故障模型判据，显示故障信息，系统采取自动降温或降压措施的同时并进行声光报警。该系统由温度及压力信号检测处理模块、A/D 转换模块、单片机监控处理模块、信息融合故障模型判据模块、自动降温或降压模块、故障预警报警模块组成。系统采用STC89C51 单片机作为变压器油温以及油压测量的核心控制单元[2]。

2 变压器故障模型建立

2.1 变压器油温升高的原因

在系统实际运行中导致变压器油温升高的原因主要有：环境温度异常；变压器过负荷；变压器油质量不达标；变压器内部故障。其中变压器的内部故障主要分为三类，分为：（1）开关接触不良。运行中分接开关的接触点压力不够或接触处长时间未清理等原因，使接触电阻阻值增大，从而导致接触点的温度升高而发热，在倒换分接头以及变压器过负荷运行时，更易使分接开关因为接触不良而发热，进而引起变压器油温过高。具体分接开关是否接触不良可以通过测量线圈直流电阻来确定；（2）线圈匝间短路。当其相邻线圈匝间的绝缘损坏，则线圈间会发生短路出现短路电流。此短路电流会使变压器油温迅速上升而造成线圈绝缘损伤的原因很多，其中外力、高温、制造工艺等都是引起线圈绝缘损伤原因。而引起匝间短路的主要原因是过电流和过电压。具体测量线圈匝间是否短路，可以通过测量线圈的直流电阻和取油样化验来确定。（3）铁芯故障，变压器在空载运行时存在空载损耗，空载损耗的大小可以直接反映变压器的铁芯在设计时是否存在缺陷。

2.2 变压器油压升高的原因

在系统实际运行中导致变压器油压升高的主要原因包括三大类。（1）变压器呼吸系统堵塞；（2）变压器油温过高；（3）变压器油箱油位升高。

2.3 变压器故障模型判据建立

利用单片机将采集到的变压器油压油温值进行信息融合，融合后的信息建立系统故障模型判据，进而缩小故障排查范围，提高故障排查效率。本系统需要测量的主要数据为：变压器油温值以及变压器油压值。需要实现的功能为当变压器刚开始工作或需测量的油压油温值都处于用户个人设定的正常范围值时，系统处于正常状态；当变压器的油温油压发生异常不在用户设定的正常范围值时，则系统通过对变压器的油温值与油压值进行信息的融合分析处理，显示变压器故障类型，系统自启动紧急降温使风机运行或者紧急降压启动压力释放阀，同时在监控系统发出报警预警。系统采用AD590温度传感器采集变压器油温值，采用MPX4115压力传感器采集变压器油压值，在该系统中温度传感器与压力传感器都采用多点组网，实现组网多点测温[3-4]。

根据变压器油压油温故障类型，通过信息融合分析处理，建立系统故障模型判据，主要包括三大类型故障类型，分别为：故障类型一，油温油压均异常，系统自动启动降温措施，若油压依然异常，则其故障原因为变压器呼吸阀异常或油位升高，若油压恢复正常，则为油温异常引起的故障；故障类型二，油温异常油压正常，系统自动降温后，油温油压均正常，则其油温异常刚发生，还未引起其油压异常，紧急降温可恢复正常运行；故障类型三，油温正常油压异常，则故障原因可能为油位异常，若此原因排除，则此故障故障为呼吸阀故障。

3 基于单片机控制的变压器油压油温故障解决措施

当油温油压异常时，降温或降压安全措施自动启动，同时声光报警装置自启动报警，系统根据基于信息融合的故障模型判据判断出变压器具体故障，由专业人员对变压器具体故障进行维修。

针对变压器油温升高，采取的紧急降温措施为通过提前安装的冷却风机，使用固态继电器来控制风机的启动和停转，根据变压器容量大小来选择安装冷却风扇电机的组数，系统采用单片机端口来控制电机风扇的运行，为了实现该装置的电气隔离，采用耐高压的光电耦合器以保证控制电路的正常运行，当采集到的油温值达到风机启动值时，固态继电器接收到来自单片机的运行信号时，风扇电机运转。风机的启动则通过多传感器测量变压器油温、变压器表面温度和室内温度，综合分析需要启动的数量达到预防化解隐患故障且最大化节能。当测量的变压器油温、变压器表面温度和室内温度均低于系统设定值下限时，系统控制全部风机处于停止状态；当变压器油温未达到设定值且室内温度及变压器表面温度超出设定值时，温度监视系统发出预警，启动部分风机运行，为避免单一风机长时间工作，应在风机间进行切换；当变压器油温处于最低设定值与最高设定值之间时，温度监视系统发出预警，启动全部风机运行。当变压器油温高于最高设定值，变压器停止工作，温度监视系统发出预警，同时启动全部风机进入运行状态。

针对变压器油压升高，采取的紧急降压措施为通过提前安装的压力释放阀，采用单片机控制压力释放阀的运行，采用耐高压的光电耦合器以保证控制电路的正常运行，当采集到的油压值达到压力释放阀的启动值时，压力释放阀启动。

声光报警装置由定时器、扬声器以及发光二极管组成，当系统采集到的油温或者油压值超出所设定的阈值时，系统采取降温或降压安全措施的同时自启动声光报警装置。

4 变压器油压油温故障检测系统工作原理

4.1变压器油压油温故障检测系统电路

对于变压器油压油温故障检测系统，设计如图1所示电路框图。

图1 电路框

4.2 变压器油压油温故障检测流程

4.2.1 变压器油压油温故障检测系统流程

如图2所示为变压器油压油温故障检测系统的流程图。系统主程序流程图包括系统的初始化，温度阈值与压力阈值的设定等[5]，通过串口通信接收上位机的指令，通过信息融合判别显示故障类型，启动故障安全措施，确保系统安全稳定运行。

图2 系统流程图

4.2.2 变压器油压油温故障检测工作原理

变压器油压油温故障检测系统软件部分一共包括上位机部分和下位机部分。

首先设定变压器的油温阈值以及油压阈值，设定阈值是为了方便用户在不同情况下对变压器不同需求所对应的不同油温油压要求而设立的模式，它允许用户根据需要对应测量的测量值的阈值设定不同的降温启动系统和降压启动系统以及不同程度的报警启动系统，以此确保本变压器油压油温检测系统的使用不受到大多数情况的限制，提高了检测系统的实用性。

将采集到的变压器油温值和油压值进行模数转换，本系统采用中断方式判断温度信号与压力信号转换完成情况。若转换未完成，就不发送当前温度值与压力值至处理器；当转换结束后，跳入中断，将转换后数据读入单片机并传输给上位机，此后即进入正常循环工作状态，上位机循环发送各油温油压检测回路的编号，若油温油压信号转换完成，则单片机接收此编号信号并将各检测点数据返回，上位机将对数据进行处理，包括对异常油温油压数据的剔除和对数字进行平均，通过进行处理后的数据计算出温度值以及压力值并进行显示。接着进入信息融合处理系统，计算处理后的数据与所设定温度阈值压力阈值进行对比，系统判别显示变压器油压油温异常处于第几种故障模式，根据故障模式的不同启动降温或者降压措施子系统，同时启动声光报警系统。

5 结论

本文以单片机STC89C51 单片机为主控元件，完成了变压器在系统运行时油压油温的实时监测，并将系统监测到的油温值油压值与系统设定好的油温阈值油压阈值比较，以判断变压器的油温值与油压值是否正常，同时将变压器的油温值与油压值进行信息的融合分析处理，进而使系统显示出变压器的故障类型，与此同时系统自动启动降温或者降压安全措施，即启用冷却风机或压力释放阀子系统，同时启动报警，该设计系统大大缩短了变压器系统故障检测范围，提高了检测效率，缩短了故障检测时间，提高了系统的工作时效，确保了变压器的运行效率和安全可靠性得到最大程度的发挥。