变压器油温测量及光纤通信系统的设计

1 引言

变压器的绝缘老化，主要是由于温度、湿度、氧化和油中分解的劣化物质的影响所致。但老化的速度主要由温度决定，绝缘的工作温度愈高，化学反应进行的愈快，绝缘的机械强度和电气强度丧失的愈快，绝缘老化速度愈快，变压器使用年限也愈短。实际上绕组温度受负荷波动和气温变化的影响，变化范围很大。因此，对变压器的温度进行实时采集，使其维持在一定的范围内，对变压器的寿命有重要的意义。

在线监测变压器油温对早期诊断变压器故障十分重要，但是因变压器结构复杂，影响其安全运行的因素较多，使得在线监测的难度很大。油温测量过去一般是采用间接的模拟测量方法，准确性差，而且不及时。文中针对以上问题，提出了采用铂电阻作为变压器油温测量的传感器，MSP430F449单片机为核心处理器件，实现对变压器油温测量，采用光纤实现与上位机之间的通信，在上位机运行油温监控软件，实时的监测变压器油温。该电力变压器油温测量系统代替直接输入变压器温度控制器去控制电力变压器冷却系统，具有方便实时在线检测、集中控制等特点。

2 变压器散热原理分析

变压器在运行时产生的损耗以热的形式通过油、油箱壁和散热器散发到周围的空气中。热量的散发通过导热、对流和辐射三种形式。从绕组和铁心的内部到其表面热量主要靠导热形式散发，从绕组和铁心表面到变压器油中热量主要靠对流的形式散发。散发到变压器油中的热量使油箱中的变压器油温度上升、密度下降、产生热浮力，而变压器油在热浮力的推动下，从油箱上部进人连接油管，通过油管进人散热器。变压器油在散热器中经过和外面空气的热交换，使散热器中的变压器油温度降低，从油箱下部进人连接油管，通过油管重新进入变压器油箱，形成自然循环。变压器的散热量可由式(1)确定：

式中，Ql为单位热负荷；Q为变压器的损耗；F变压器的总散热面积；C1与变压器性本身参数有关的常数；ty即变压器温升。

3 系统硬件设计

电力变压器运行中，对其油温的测量是维护电力变压器安全运行的基础和关键。电力变压器冷却系统的投退和超温报警等都由其安装的温度控制器来实现。

本变压器油温测量系统以MSP430F449为主控制器件，它是TI公司生产的16位超低功耗特性的功能强大的单片机。MSP430单片机内部具有高、中、低速多个时钟源，可以灵活的配置给各模块使用以及工作于多种低功耗模式，大大降低控制电路的功耗提高整体效率。首先，电力变压器油温经过传感器和信号调理电路采集放大为适合A／D转换的电压值。然后，A／D转换器对模拟信号进行采样并转换位数字信号后经MSP430作预处理。 该监测系统通过MAX3221电平转换电路采用光纤实现与PC机的串行通信，PC机实现对温湿度值的进一步分析和对系统的控制。利用光纤收发模块构建的光纤通信系统完成数据的远程传输，借助MSP430单片机和主机(上位机)之间的串行通信完成人机交互监测，系统框图如图1。

3．1 铂电阻及信号调理电路

铂电阻具有准确度高、性能稳定、互换性好、耐腐蚀及使用方便等一系列优点，一直是工业测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件。对于铂电阻温度计，电阻R温度t的函数如公式(2)：

Rt=R0[1+at-bt2] (2)

式中Rt为t℃时的电阻值，R0为0℃时的电阻值100Ω；A为3．908 02×10-3／℃；B为-5．802×10-7／℃2。

这一过程将直接影响着系统的测量精度，当然强电磁场的工业环境同样对系统的测控精度与稳定性产生较大的影响。

在0℃～650℃存在非线性项bt2，因此铂电阻的阻值和温度之间不是线性关系，这就要求在实际应用铂电阻时要考虑到铂电阻线性化校正的问题。对于高精度的铂电阻测温数字显示仪表，可以将铂电阻的电阻温度分度表以A/D转换器的输出数据为地址固化在存储器EPROM中，即在EPROM中，以A／D转换值为单元地址存放与之相对应的温度值。当以A／D转换器的输出结果为地址访问EPROM时，存放在该单元的温度值被读取，并送入LCD显示。

3．2 MSP430接口电路

温度传感器的输出信号经温度变送模块转化为OV～5V标准的电压信号，进入电压／频率(V／F)转换模块，转换为OkHz～100kHz的频率输出至MSP430的I/O口，经MSP430采样计算后显示在液晶模块(LCD)上。采用P2．4口作为RXD接收数据，P2．5口作为TXD发送数据。F449外围接口电路如图2所示。

3．3 V／F模块设计

系统用V/F转换芯片将0V～5V电压信号转变成频率输出至单片机，既节省了I/O口，也节省了A／D转换芯片，降低了系统成本。采用压控振荡器LM331芯片，它的突出特点是把模拟电压转换成抗干扰能力强，可远距离传送并能直接输入单片机的脉冲串。