基于LPC1768的地下变压器油温监测系统

杜艳伟，唐亚鸣，叶会然

（河海大学机电工程学院，江苏常州，213002）

0 引言

随着经济的飞速发展，现代化和工业化进步的加快，不管是居民还是工业都需要大量的用电，不管是国民还是工业都对电力的需求越来越大，“十三五”规划期间，电网的建设有了突飞猛进的发展，地热、水电、风力等新能源得到了大量的发展[1]。但是不管什么发电站，随着科技的发展都要求建设智能变电站，而电力变压器是变电站最为重要的一种电力设备。但是随着用电量的激增，电力变压器的工作负荷也大大增加，这就会导致变压器油温会升温，但是油温一直处于高温状态会影响电力变压器的工作[2]。

而现今随着人口的增长和可用建筑土地面积减少，有一部分变电站已经转移到地下或者室内，但是有用电量增加，所以变压器的工作负荷也升高，低下或者室内的散热不如室外，降低变压器的温度就显得非常重要，对于变压器的稳定运行有这重要的意义[3]。而变压器的温度一般不能实时得知，所以基于此本文研究设计一套能够监测变压器散热器油温的监测系统，并且可使用新型材料石墨烯喷涂散热器外层，可提高散热，降低变压器温度。

1 系统总体架构设计

基于LPC1768的变压器油温监测系统主要是由温度传感器、监测终端、交换机、后台主机、打印机组成，温度传感器采用较为高精度的贴片式传感器，在变压器散热器上表面安装此传感器，用来采集散热器上层油温的温度，散热器油温回路一般是下层将冷却后的冷却油回流，所以上层温度是高于下层，只需要监测上层油温即可；温度传感器采集温度数据，将温度数据传输到监测终端，数据经过监测终端计算处理之后上传后台主机，监测终端设计有语音播报模块，一旦变压器上层油温突破临界值就开启声光报警，提示工作人员，并且开启风机来进行强制风冷散热，给变压器进行降温。随后将相关温度数据、报警状态、风气启停状态等上传后台主机，进行数据保存，后台主机放置在中控室，可以进行参数配置、数据保存、历史查询、临界值设定、实时界面查看数据、报表打印等功能[4-5]。对变压器上层油温进行等级划分，不同的等级采取不同的措施，当超过最大阈值时系统做报警处理，并且自动开启风机做降温处理。报警数据、变压器上表面温度等数据上传至后台主机，实时监控界面可以实时查看，并且可以将数据处理，做成报表印。这套监测系统，可以远程在中控室进行监测变压器油温，并且可以自动控制风机的启停来进行降温，降低工作人员的劳动强度，可以做到24 小时不间断监测，更加灵活准确，系统总体架构结构如图1 所示。

图1 系统总体结构设计图

2 系统硬件设计

基于LPC1768的变压器油温监测系统的硬件部分主要是监测终端的硬件电路，主要由风机控制单元、通信单元、电源电路单元、存储单元、时间芯片电路组成，监测终端的硬件设计如2 所示。

本部分监测终端主要是监测变压器温度来做到实时开启风机进行降温，将高精度温度传感器安装到变压器上表面区域，传感器采集到温度数据，将采集到的温度数据产送给检测终端，监测终端对温度数据计算处理，对温度进行判定等级，一旦温度超过设定的阈值，就发出声光报警，随后将数据传送给后台主机服务器。

2.1 电源电路单元

本监测终端终端电路中，有多处需要用到+3.3.V 电压，比如微处理器LPC1768、时钟芯片、看门狗等等，本设计采用电压转换芯片是LM117M3，可以将12V 电压通过LM117M3 芯片转换成+3.3V，以供相关电路使用。图3 主要是由LM1117M3芯片、电感、电容和SMBJ5.0CA 双向瞬态抑制二极管等组成的3.3V 电源转换模块。电路设计中，电感L22 和L23 是输入输出端起到防干扰作用，而电容C2、C3、C5 也可以起到去掉高频抑制干扰的作用，电容C1、C4 为电解电容，起到滤波稳压的作用以及防止模块前后突然功耗增加达到供电续流的作用，确保LM1117M3的稳定性，使得输出电压能够平整。

2.2 通信模块

一般单片机与PC 机的串口通信方式是RS-232 电平，RS232 是一种常用的通讯标准接口，能够将不同的设备方便的连接起来实现通讯。本文选择的芯片是MAX3232 芯片设计相关电路。MAX3232 芯片功耗低，工作电压在+3.0v至+5.5V，具有两路接收器和两路驱动器，仅需要四个外部0.1μF的电荷泵电容，能在120kbps的传输速率下维持RS232的电平输出。

监测终端与后台主机之间的通信是采用RS485 接口来实现的，TD301D485 芯片内置隔离电源，此芯片可以比较方便快速地完成TTL 电平和RS-485 电平之间的转换，并且有总线保护，波特率设置最高可达9600bps，有标准的RS485 接口，A、B 总线内置4.7K的上、下拉电阻。电路设计如图4。

图4 通信电路图

2.3 风机控制电路

通过监测终端对变压器上表面温度进行采集计算分析之后，与自主设置的阈值进行比较，通过单片机来控制继电器触点的闭合来控制风机的启停，单片机输出的信号电流很小，不可能直接来控制继电器，所以要经过达林顿电路来放大电流信号来实现对继电器的控制，KZOUT 是控制风机的继电器信号输出，这里选择ULN2003 达林顿管，继电器和达林顿电路结合电路设计采用的是12V，而继电器信号由单片机输出为3.3V，两者电压不同，因此需要进行电压隔离，这里采用的是P181 光耦进行隔离。

3 系统软件设计

该系统的监测功能的实现要有软件部分，这里的监测终端主要监测变压器上表面温度。监测终端上电后，首先需要进行系统初始化以及其他模块的初始化，设定全局参数和标志量，比如风机开启标志、通信结束标志等等，再配置时钟模块来获得准确的时间，随后进行配置Uart 串口的相关参数；然后配置I/O 口控制、配置看门狗电路等，int main (void)为主函数，来进行初始化等配置，void GPIO_init(void)是继电器配置函数，void relay12v(void)为继电器供电函数，主程序流程图如图5。

本监测系统还有后台监控软件来实时监控变压器温度，后台软件界面时基于Microsoft Visual Studio 2015 环境，利用C#语言来编写来发的，后台监控界面能够实时显示温度、风机状态等，也可以远程控制风机。

4 散热器外层喷涂新型材料石墨烯

石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构的新材料，石墨烯有很多优点，比如石墨烯比表面积大、石墨烯导热率高、表面呈现宏观光洁微观粗糙的形貌结构可大幅度增加散热装置与外部的接触面积，所以在散热方面有很广的应用，本设计将这种新型材料喷涂到散热器表面进行了一些列实验对比，实验结果如表1。

表1 实验结果数据

由上表可以看出，以冷却液为水来进行对比，不难看出，冷却液水或者冷却油时，使用石墨烯喷涂散热器外表时，同样的条件下，使用石墨烯要比常规情况下变压器的温度要低5℃左右，所以新型材料石墨烯在变压器散热方面有很高的应用价值，在本设计之中，变压器也能明显的得到降温。

5 结束语

为了监测地下变压器的油温，设计了基于LPC1768的变压器温度监测终端，通过温度传感器多次采集变压器上表面温度数据，求得平均值，将温度数据上传至监测终端进行等级判定，执行相应的决策，然后将温度数据上传到后台主机，利用监测软件进行远程监测与监控，并且能够远程控制；将新型材料石墨烯喷涂到散热器表面来增加散热，降低变压器温度。经过实际测试，该监测终端能够很好的监测变压器的温度，能够自动控制风机降温，并且经过对比，石墨烯能很大程度上增加散热，降低变压器的温度。该监测系统能很好解决监测变压器温度的精准度，并且石墨烯能够较好地增加散热，将此系统接入电力系统，可以实现数据共享。