变电站和厂用变压器在线状态监测系统设计应用*

姚君峰

(山西焦煤霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司，山西 吕梁 033000)

0 引 言

煤矿变压器在持续施加短路冲击负荷的情况下，其运行状况更为恶劣。这就带来了“累积效应”，会产生各种变压器故障，包括发热故障和放电故障，这些故障会使绝缘油和绝缘纸破裂，有害的碳氢化合物气体和水也是在这个过程中产生的。煤矿变压器绝缘系统进行在线监测可以判断其运行状态，目前变压器检测系统准确度较低、在线检测能力不足，经常出现误检、漏检现象。

笔者提出一种新型的变压器绝缘在线监测系统。采用8条输入通道的数据采集模块、16位模数转换器、精密的外围电路、为外围I/O设备增设地址解码器和接口芯片，设计灵活，运行无外部干扰，可以安全传输数据。与其它电路相比，模数转换器采集的数据具有精度高的特点。由于该电路结合适当的系统软件组件，可以对变压器油中的单故障气体、多故障气体和水分进行监测[1]。油中水分和溶解气体的浓度范围仅为几微升到几百微升，为准确检测低范围的水分和溶解气体，电路中采用16位模数转换器。利用该变换器，输出数字数据非线性度可降至0.003%，16位输出数字数据之间无误码。该系统可以及时预测和发现变压器故障，对供电线路的稳定运行具有重要意义。

1 系统方案设计

当变压器内部发生热故障、放电故障或绝缘受潮时，随着绝缘材料的老化变质，会产生H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2等气体。由于这些气体的出现伴随着变压器各种故障的发生，监测气体浓度对判断变压器的运行状态非常有用。另外，变压器在制造过程中会残留少量水分，绝缘材料老化会产生水分。这些残余水会降低初始放电电压和介电强度，从而威胁设备的运行或导致可怕的击穿事故。因此，对变压器中的水进行监测是非常重要的[2]。

图1所示为变压器绝缘在线监测系统的结构设计方案。该系统包括油气分离单元、气体分离检测单元、水检测单元、数据采集单元、主电路板单元以及电路与计算机之间的通信单元。

图1 变压器绝缘在线监测系统结构

绝缘油通过放油阀进入油气分离装置，在油气分离装置中，通过聚酰亚胺制成的渗透膜溶解漏油中的气体，然后进入一个与两个六通阀相连的气体室。当这两个六通阀转动时，可以获得恒定量的气体。当两种气体在色谱柱中被分离时，它们又被转换成溶解状态。两个色谱柱独立连接两个气敏元件，一个气体传感器用于检测H2、CO和CO2，另一个气体传感器用于检测CH4、C2H6、C2H4和C2H2。另外，在油气分离装置中嵌入水传感器可以简单地检测出油中的水分。模数转换器将所有传感器的模拟输出信号转换为数字信号。采用单片机控制的针阀和主控阀采用单片机控制[3]。

2 主控电路设计

2.1 数据采集单元的设计

目前，变压器在线监测系统按测试对象分为单气体在线监测系统、聚合烃在线监测系统和多种气体在线监测系统。为了保证该主控电路能够嵌入不同的在线监测系统中，数据采集电路设计了8条输入通道，分别适用于单气体检测、多气体检测和水检测[4]。用in0到in6的七条路径检测溶解断层气的浓度，in7用于检测油中的水，路径切换由锁存器(74HC574)和模拟开关(CC4051)执行。数据采集系统如图2所示。

图2 数据采集电路框图

由于气体和水的浓度变化缓慢，对模数转换器的采样周期和逆变速度没有特殊要求，AD7705是最合适的转换器之一，它是一个16位模数转换器，主要由可编程数字滤波器、调制解调器以及前端模拟调节电路组成。该芯片具有自检能力、抗干扰能力强、分辨率高、工作电压低、功耗低、动态范围宽等特点，可直接将传感器的微小模拟信号转换为数字信号[5]。该装置的数据非线性度误差范围精确在0.003%之内，可生成16位无误码数字数据。运行中可提高编程输出数据的转换率和增益，使0～20 mV和0～2.5 V等不同性质的信号源可以预先得到一定的处理，然后转换成数字信号。

2.2 外围电路设计

变压器在线监测系统的主控制电路由CPU单元、外围接口单元、依赖单元输出、电磁阀动作信息单元输入、键盘和液晶显示单元输入、串行通信单元组成。当数据采集后，在CPU的控制下启用电磁阀，然后气体传感器或水传感器输出模拟信号。同时，模拟开关的入口或与水传感器相关的入口通道由CPU选择。传感器输出的模拟信号经调理电路适当调整后，由模数转换器采集。从传感器输出的模拟信号转换而来的数字数据必须经过滤波和计算，最后存储在EEPROM中。当计算机需要处理来自传感器的数据时，可以通过RS232或RS485串行通信线将数字数据从主控制电路传输到计算机[6]。

键盘用于设置系统参数和查询历史数字信息。例如，可以通过键盘设置报警方式、阈值、采集时间、着陆权限和通信方式。同时可以查询气体的浓度和浓度的历史。此外，还可以通过键盘进行硬件自检和手动采集。液晶显示装置用于显示与键盘操作相对应的所有信息。当主控制电路与计算机连接时，键盘的功能可由计算机中的系统分析软件代替。

2.3 基于CPLD的输入输出接口设计

在传统的单片机系统中，在增加外围I/O设备时，需要使用地址解码器和接口芯片。在该主控制电路中，CPU的外围I/O单元包括LCD单元、键盘单元、串行通信单元、电磁阀控制单元、电磁阀动作信息输入单元等，如果采用常规方法，主控制电路板复杂，容易受到外界干扰信号的干扰。为了避免这种缺点，所有的外围I/O器件都集成在CPLD中。该方案在抗干扰、简化电路板的基础上，保证了电路设计的安全性，保护了系统的产权[7]。

3 系统实现测试及数据分析

将该主控电路系统和计算机上安装的分析软件嵌入变压器绝缘在线监测系统中，可实时监测溶解气体中H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO和CO2的浓度。表1的数据来自实验室系统运行试验。按照以下流程进行测试。首先在铜容器中分配10 L普通油的绝缘油。然后将集装箱出油口与在线监测系统的油气分离器相结合。最后一个过程是每24 h和48 h检测一次气体。

表1 实验室系统运行试验数据 /(mg/m3)

第一排气体的浓度用油相色谱分析仪(AD900)测定。利用在线监测系统对24 h油气分离过程中的第二排气体浓度进行了测试。第三排是在48 h的油气分离中。实验室测试表明，从绝缘油中分离出的气体浓度基本保持不变。与色谱分析仪(AD900)相比，该在线监测系统具有较高的准确度。其相对误差的上限为5%。

4 结 语

此次变压器绝缘在线监测系统电路设计，采用16位模数转换器，外围器件以单片机和复杂可编程逻辑器件CPLD为核心。在主控电路与计算机的串行通信中，还增加了CRC校验码。通过软件模拟实验得出该电路具有优良性能：所有外围I/O器件都集成在CPLD中，这种设计方法可以提高电路板的密度，减少电磁阀引起的干扰信号。采用16位CRC码可以保证主控电路与计算机串行通信的安全性；高精度模数转换器使色谱分析仪与牵引变压器绝缘在线监测系统的相对误差小于5%；该采集电路和主控电路设计灵活，结合适当的分析软件，可对绝缘油中的单一气体、多种气体和水的浓度进行监测。此系统可以准确在线检测变压器受冲击负荷产生的水和有害气体浓度，及时预测和发现变压器故障，对供电线路的稳定运行具有重要意义。