基于某电厂油浸式变压器油色谱数据传输问题解析

穆 宝

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

大型油浸式变压器在正常运行过程中，由于油和绝缘装置会逐渐老化、变质，会逐渐分解出极少量的气体，例如氢气（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）等[1，2]。当变压器内部发生过热性故障、放电性故障或由于密封老化等造成的内部受潮时，对应的特征气体会呈现异样的变化。而这些变化在故障早期很难通过简单的电气试验发现，只有通过对变压器油进行油质分析时发现，但油质分析的周期一般为1～3个月不等，时效性较低，故油浸式变压器油色谱在线监测装置可以在故障早期发现故障隐患，针对故障问题制定相关的处理方案，有利于尽早消除故障[3]。

图1 一号机组油色谱在线监测装置分布示意图Fig.1 Schematic diagram of the distribution of oil chromatography online monitoring devices in unit 1

油浸式变压器油色谱在线监测装置，采取气相色谱法对变压器油中溶解的气体进行组分及含量的分析。由于每个特征气体析出的速度及时间不同，反映在后台服务器程序中每种气体对应的波峰不同，即特征峰。通过峰值的大小来对特征气体的含量进行测量[4，5]，当特征气体含量超过其设定值时，会根据数值大小触发一级告警、二级告警、警告。

某电厂两台机组共有12台油浸式变压器配备油色谱在线监测装置，由于安装的时间相差较大，首台监测装置安装于2011年，最后一台安装于2022年，设备厂家升级周期较短，12台油色谱监测装置的关键部件也不一致。油色谱在线监测装置中的气体分析探头及色谱柱分为两种，一种为单色谱柱模式，另一种为双色谱柱模式。单色谱柱存在于6台主变压器的油色谱在线监测装置中，其余4台厂用变压器及两台辅助变压器的油色谱在线监测装置均为双色谱柱模式。

1 油色谱在线监测装置数据传输模式

数据的传输一般分为有线传输和无线传输，无线传输利用电磁波进行信息的传递，有线传输是用线缆进行信息的传递，例如光纤、同轴电缆、双绞线等。

该电厂两台机组12台油色谱在线监测装置均采用有线传输方式，即通过RS485线缆进行数据的传输，且油色谱在线监测装置之间数据线缆均采用星型接法。

1.1 一号机组油色谱在线监测装置分布及数据传输

一号机共布置了7台油色谱在线监测装置，分别为3台主变压器（主变A、主变B、主变C）油色谱在线监测装置、两台厂用变压器（厂变A、厂变B）油色谱在线监测装置、两台辅助变压器（1#辅助变、2#辅助变）油色谱在线监测装置，各在线监测装置间均由RS485线缆进行连接，数据传输到监测服务器后台的RS485总线在主变A油色谱在线监测装置内，总线之下共有4条支路，分别为：

1）1#辅助变油色谱在线监测装置连接到2#辅助变油色谱在线监测装置，再由2#辅助变油色谱在线监测装置连接到主变A油色谱在线监测装置内。

2）厂变A油色谱在线监测装置连接到主变A油色谱在线监测装置内。

3）厂变B油色谱在线监测装置连接到主变B油色谱在线监测装置内，主变C油色谱在线监测装置连接到主变B油色谱在线监测装置内，再由主变B油色谱在线监测装置连接到主变A油色谱在线监测装置内。

4）主变A油色谱在线监测装置自身。

1.2 二号机组油色谱在线监测装置分布及数据传输

二号机共安装了5台油色谱在线监测装置，分别为3台主变压器（主变A、主变B、主变C）油色谱在线监测装置、两台厂用变压器（厂变A、厂变B）油色谱在线监测装置，各在线监测装置间均由RS485线缆进行连接，数据传输到监测服务器后台的RS485总线在主变A油色谱在线监测装置内，总线之下共有3条支路，分别为：

1）厂变A油色谱在线监测装置连接到主变A油色谱在线监测装置内。

2）厂变B油色谱在线监测装置连接到主变B油色谱在线监测装置内，主变C油色谱在线监测装置连接到主变B油色谱在线监测装置内，再由主变B连接到主变A油色谱在线监测装置内。

3）主变A油色谱在线监测装置自身。

2 油色谱在线监测装置数据传输问题及解决方案

RS485线缆有两线制（半双工）和四线制（全双工）两种接线，四线制可实现点对点的通信方式，但与双线制接线相比，其数据传输稳定性较差。当RS485线缆的应用环境属于短距离、无干扰的场合时可以采用普通的双绞线，在干扰恶劣的环境或者有较高使用要求时还应采用带有铠装的双绞屏蔽线[6]。理论上，当通信速率在100Kbps及以下时，RS485线缆数据信号的最远传输距离为1200m[7，8]。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机[9]。

该电厂两台机组12台油色谱在线监测装置数据传输采用的RS485线缆均为带有铠装屏蔽层的双绞四芯电缆即全双工方式，四芯电缆分别对应油色谱在线监测装置的A、B、Z、Y，在接线过程中要注意区分四芯所对应的位置，当线芯对应错误时监测服务器后台将无法接收到数据信息，此时打开后台调试工具会显示通讯不通，数据无法上传。

二号机组5台油色谱监测装置数据传输采用的RS485线缆均使用四芯一一对应的连接方式，485布线采取的为星型接法，但由于其3条支路与上传总线之间的距离较近，未产生数据的影响，数据上传较为稳定，具体连接方式如图3。

图2 二号机组油色谱在线监测装置分布示意图Fig.2 Schematic diagram of the distribution of oil chromatography online monitoring devices in unit 2

图3 二号机组油色谱在线监测装置485布线方式及数据传输示意图Fig.3 Schematic diagram of wiring method and data transmission of oil chromatography online monitoring device 485 in unit 2

一号机组在两台辅助变压器未加装油色谱在线监测装置前与二号机组采取完全相同的方式进行数据传输，数据上传较为稳定。当两台辅助变压器加装了油色谱在线监测装置后，连接到总线的支路由原来的3条支路增加为4条支路，如图4。

图4 一号机组油色谱在线监测装置485布线方式及数据传输示意图Fig.4 Schematic diagram of wiring mode and data transmission of oil chromatography online monitoring device 485 in Unit 1

且2#辅助变油色谱在线监测装置到主变A油色谱在线监测装置距离接近400m，在上电调试时出现了监测服务器后台无法实现与两台辅助变压器油色谱在线监测装置进行数据连接的情况，具体分析及解决方式如下：

首先，考虑是否为两台辅助变油色谱在线监测装置自身存在问题。检查色谱在线监测装置进油出油正常，装置面板无报警信号，使用专用调试软件对1#辅助变油色谱在线监测装置及2#辅助变油色谱在线监测装置进行单体测试，结果显示数据分析及数据传输正常，排除自身存在的问题。

其次，考虑是否为2#辅助变油色谱在线监测装置到主变A油色谱在线监测装置新敷设的RS485线缆存在问题。使用绝缘电阻测试仪测量RS485线缆4芯之间及4芯对地的绝缘电阻，满足使用要求，排除线缆存在问题，且使用万用表对线缆4芯进行核相并标注，进而排除4芯对应错误问题。

再者，考虑是否为多支路数据传输衰减严重，导致无法连接。将4条支路转接点处油色谱在线监测装置内主板上S4/S5/S6跳线帽拔掉以增强数据传输的信号，经监测服务器后台验证仍无法连接，排除数据衰减导致无法连接。

最后，考虑是否为多支路星型接法产生的信号反射导致总线不稳定，进而导致无法连接的问题。将2#辅助变油色谱在线监测装置数据线缆在主变A油色谱在线监测装置内与监测服务器后台数据线缆直接连接，经监测服务器后台验证两台辅助变油色谱各项数据显示正常；将另外3条支路中的两条支路分别与监测服务器后台数据线缆进行连接，此时支路为3条，经过3次试验验证后，油色谱各项数据均显示正常。因此得出结论：导致监测服务器后台无法实现与两台辅助变压器油色谱在线监测装置进行数据连接的原因为多支路星型接法产生的信号反射导致的总线不稳。

集线器的主要功能是对接收到的信号进行再次放大，同时把所有节点集中在以集线器为中心的节点上。根据使用场景的不同，集线器所对应的信号端口也有一定的差异，有双端口、四端口、八端口等，还可根据需要对集线器进行串接使用，在高可靠性的前提下最多可同时串接128个集线器。

RS-485集线器（HUB）可解决RS485线缆多支路星型接法产生信号反射的问题，每个输入端口互相隔离，且均具有短路和开路保护，信号传输不受距离的影响。当集线器的任一输入端口出现故障时，仅会影响到自身数据传输而不会影响到整个系统的稳定性，大大提高了数据传输及通信的可靠性[10，11]。由于一号机组油色谱在线监测装置使用的RS485线缆为4芯且与总线连接的为4条支路，因而选用的集线器为4支路输入（T/R1+、T/R1-、T/R2+、T/R2-、T/R3+、T/R3-、T/R4+、T/R4-），输 出 端 为485+、485-，24V电源正极为VCC，24V电源负极为GND，输入端与输出端分列集线器的两侧。

RS-485集线器每条支路的输入端为两个端子，一号机组油色谱在线监测装置使用的RS485线缆均为4芯，故需要对油色谱在线监测装置的数据线缆进行改造，即将油色谱在线监测装置的数据线缆的A/Y短接，B/Z短接，具体布线方式为：2#辅助变油色谱在线监测装置数据线缆的A/Y短接后接入集线器的T/R1+，线缆的B/Z短接后接入集线器的T/R1-；厂变A油色谱在线监测装置数据线缆A/Y短接后接入集线器的T/R2+，线缆的B/Z短接后接入集线器的T/R2-；主变B油色谱在线监测装置数据线缆A/Y短接后接入集线器的T/R3+，线缆的B/Z短接后接入集线器的T/R3-；主变A油色谱在线监测装置数据线缆A/Y短接后接入集线器的T/R4+，线缆的B/Z短接后接入集线器的T/R4-。监测服务器后台数据线缆A/Y短接后接入集线器的485+，线缆的B/Z短接后接入集线器的485-。集线器的供电电源选用的为主变A油色谱在线监测装置内直流24V电源，其中Vcc接入正极，GND接入负极。

油色谱在线监测装置改造完成之后，数据传输方式如图5。

图5 改造后一号机组油色谱在线监测装置485布线方式及数据传输示意图Fig.5 Schematic diagram of wiring mode and data transmission of oil chromatography online monitoring device 485 in unit 1 after renovation

监测服务器后台主机内有选择器S1，其作用为匹配上传总线数据传输的方式，可选择双线模式或四线模式。由于一号机组与二号机组的数据传输方式不同，一号机改造后属于双线模式（半双工），二号机属于四线模式（全双工），因而一号机组所对应S1的1端子需要修改为双线模式，其最终总体数据传输模式如图6，二号机组所对应S1的2端子为四线模式，其最终总体数据传输模式如图7。

图6 一号机组油色谱在线监测装置最终数据传输示意图Fig.6 Schematic diagram of the final data transmission of the oil chromatography online monitoring device of unit 1

图7 二号机组油色谱在线监测装置最终数据传输示意图Fig.7 Schematic diagram of the final data transmission of the oil chromatography online monitoring device of unit 2

一号机组油色谱在线监测装置经过集线器及调整S1-1的模式后，经监测服务器后台验证数据传输及通信正常，且调用数据时一号机组油色谱在线监测装置应答速度远超于二号机组，解决了一号机组新增加的两台辅助变压器油色谱在线监测装置无法与监测服务器后台进行数据传输及通信的难题。

3 结论

油浸式变压器配备油色谱在线监测装置的目的是为了能在发生突发事故之前及各种潜伏性故障未爆发前及时发现端倪，通过对特征气体的分析来给出必要的警告，因此油色谱在线监测装置的数据传输就显得至关重要。

采用RS485线缆的布线来连接，可以随意地布置成各种星型连接或树形连接。当由于现场各种情况的限制影响而无法按照手牵手的方式布线时，容易造成信号反射导致上传总线不稳定。该电厂油色谱在线监测装置的布线方式为星型连接，一号机组由于前期数据线缆支路较少且距离相差较小，数据上传较为稳定。当增加数据线缆支路后且距离相差较大，其信号反射情况显现明显，导致上传总线无法与较远支路进行数据传输及通信。在上传总线的前端增加485集线器后，并将数据传输模式改为双线模式后，消除了RS485线缆多支路星型连接所带来的信号反射影响，保证了上传总线的稳定性，提高了数据传输及通信的可靠性，并且改善了油色谱在线监测装置的应答速度，进而保障了油浸式变压器的可靠运行。