变压器智能温度控制器的设计

李如雄

（广东电网有限责任公司佛山供电局,广东 佛山 528000）

变压器智能温度控制器的设计

李如雄

（广东电网有限责任公司佛山供电局,广东 佛山 528000）

设计了一种以PIC24FJ64单片机为核心的干式变压器温度控制器，通过Pt100热敏电阻和风机实现了对变压器温度的实时监控和自动调节、在数码管上巡回显示三相变压器的温度、风机故障自动检测、掉电数据保存等功能。

PIC24FJ64；Pt100热敏电阻；控制器

0 引言

近几十年来，随着我国社会经济的发展，干式变压器因其具有安全、防火、无污染、低损耗、体积小、重量轻、综合运行成本低等优点，被广泛应用于重要负荷中心和有防火要求的高楼、医院、机场、车站、地铁、大超市及商店、剧院、学校等场所，尤其在配电变压器中，干式变压器所占的比例愈来愈大。干式变压器安全运行和使用寿命主要取决于变压器绕组绝缘，绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏,会导致变压器不能正常工作，干式变压器在运行过程中，温度越高变压器的绕组阻值越大，发热也就越大，效率就越低。因此对变压器运行温度的监测和报警控制十分重要。本文设计了一套变压器智能温度控制器，用于变压器的超温保护，它采用智能温度信号检测系统，可以自动检测和巡回显示三相绕组各相的工作温度，可以自动启动、停止风机，并有报警、跳闸等功能。

1 基本功能

智能温度控制器集温度检测、数据分析、故障报警、风机控制、数据通信等功能于一体，主要功能如下：

（1）风机自动控制：通过预埋在低压绕组最热处的Pt100热敏测温电阻测取温度信号。变压器负荷增大，运行温度上升，当绕组温度达到110℃时，系统自动启动风机冷却；当绕组温度低至90℃时，系统自动停止风机。

（2）超温报警、跳闸：通过预埋在低压绕组中的PTC非线性热敏测温电阻采集绕组或铁心温度信号。当变压器绕组温度继续升高，若达到155℃时，系统输出超温报警信号；若温度继续上升达到170℃，变压器已不能继续运行，须向二次保护回路输送超温跳闸信号，使变压器迅速跳闸。

（3）温度显示系统：通过预埋在低压绕组中的Pt100热敏电阻测取温度变化值，直接显示各相绕组温度（三相巡检及最大值显示，并可记录历史最高温度），可将最高温度以4～20mA模拟量输出，若有需要可传输至远方（距离可达1200m）计算机。

（4）预报警功能：采用人性化智能控制策略、智能化控制结构和超前主动防护模式，当接近动作参数时提前报警。

（5）对变压器运行安全状况进行数据记录和控制，显示并储存故障发生点的线路地址、故障类型、故障发生时间等。最多可以储存5条历史故障记录，并可实现查询历史故障记录功能，长期保存，直到用指令删除。

（6）具有通讯功能，内置RS485通信接口与上位机通信，实现远程监控功能。

2 硬件设计

智能温度控制器是一个以单片机为核心的嵌入式系统应用电路，硬件系统框图如图1所示。

图1 硬件系统框图

单片机选用Microchip公司设计的一款具有丰富的外设功能集和增强计算性能的16位RISC单片机PIC24FJ64，工作速度高达16 Mbps，是智能型限载断路器控制系统的核心, 它完成A/D转换、风机启动和关闭、风机电流的采样、数据处理、报警输出、与上位机通信、液晶显示及按键等各种控制功能。

2.1 温度检测电路

测温原理：电路采用5V的参考电源，如图2。采用R28、R29、R30、Pt100构成测量电桥（其中R28＝R29，R30为100Ω精密电阻），当Pt100的电阻值和R30的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连接到AD转换芯片或者V/I转换芯片。

电路中R31＝R32,V1=V3,V3=V4,

所以（V1-V3）/R31=（V3-Vout）/R34，

即Vout=11*V2-10*V1，

放大倍数＝R34/R31=10，运算放大器采用单一5V供电。2.2 V/I输出电路

图2 温度检测电路

V/I输出电路为电流环电路，如图3。电路中信号电压施加在VIN和VG之间，VG相当于传感器部分的参考点。根据运算放大器的基本原路，运算放大器的两个输入端电压基本相等，流入运算放大器输入端的电流基本为零。可知，I3=I2；VA=VB=VG；VR1=VR2；

所以：I1R2=I2R1；

I0=I1+I2=I2(R1/R2+1)=100*VIN/RIN。2.3 串行通讯硬件电路

图3 V/I转换电路

控制器与上位机之间使用RS485总线通信，采用主从式结构，一台主机可以控制多达30台下位机，从机不主动发送命令或数据，全部由主机控制。在一个通讯系统中，只用一台上位机作为主机，工作人员通过主机对控制器进行读取信息等操作。具体电路由通用串行接口UART的数据接收线和数据发送线(RXD、TXD)及选定的发送允许控制线SD0经RS485驱动器MAX485完成。通信硬件电路如图4：

图4 串行通讯硬件电路

通过RS485总线通信可以向上位机提供变压器温度的数据，从而为工作人员的检测提供方便。

3 软件设计

软件采用模块化结构化的C语言程序设计方案，C语言具有生成代码质量高，程序执行效率高，适用范围大，可移植性好等优点。软件部分包括温度采样、继电器控制、数据处理、报警输出、及通信等功能。软件的系统框图如图5。

功能子程序有A/D转换、D/A转换、风机驱动子程序、按键功能子程序、数码管显示等。控制器通过Pt100热敏电阻实时检测变压器温度，并通过LM324运放将测得电压信号送到主控芯片，主控芯片通过A/D转换对电压信号进行判断，若检测到的温度值比设定标准值高，则启动风机，从而给变压器散热；如果检测到的温度值超出设定温度最大允许值，则立刻发出警报并提供一个开关信号给远方的控制柜，关闭变压器电源。启动风机后，对风机电流进行实时监控，若风机电流发生异常，则立刻关闭风机并发出警报。

4 结语

用单片机实现的变压器智能温度检测，具有控制灵活、智能化程度高、使用方便等优点。同时，控制器采取了屏蔽、看门狗及单片机二级稳压等一系列软硬件抗干扰措施，使得控制器具有很好的抗干扰能力，并且能通过RS485总线通信实时监控三相变压器的温度值，使用更方便。经试验，本方案设计的变压器智能温度控制器性能稳定，工作可靠。

图5 软件系统框图

[1]王有绪.PIC系列单片机接口技术及应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社.

[2]窦振中,汪立森.PIC系列单片机应用设计与实例[M].北京航空航天大学出版社.