油浸式变压器油温开关现场检测装置的设计

2018-01-16岳良，张彪

湖北电力 2017年11期

岳良，张彪

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北武汉 430077）

0 引言

在输变电线路中，通过油浸式变压器实现不同电压等级的变换。油浸式变压器在工作过程中，绕组会因为通过大电流而产生大量的热量，这些热量需由冷却油作为介质散发至大气中，以保证油浸式变压器工作正常。而油浸式变压器的油温开关的作用就是在油浸式变压器冷却油温度超过设定值时，发出信号启动散热风扇促进冷却油与大气的热量交换，以实现对油浸式变压器的冷却。油温开关一般附着在油温表上，油温表的指针在上行程拨动油温开关时，油温开关闭合；油温表的指针在下行程拨动油温开关时，油温开关断开。通过滑动油温开关在油温表上的位置，可以设定油温开关的动作值。

油温开关的动作值需要定期检测是否与设定一致，以确保散热风扇能可靠启动。目前的现场检测主要依靠人工，将被检测的油温开关所在的油温表的感温元件放入试验油槽中，缓慢加热试验油槽，当检测到油温开关闭合时，查看试验油槽的当前温度，即为油温开关的动作值。显然，检测到油温开关闭合和查看试验油槽的当前温度之间存在时间延迟，因此人工检测存在误差。并且，当需要检测的油温开关数量较多时，此种方式劳动强度大，效率不高。如果能设计一套检测装置代替人工操作，不仅可以提高检测准确度，还可以提高效率。

1 检测装置需求分析

（1）能处理Pt100热电阻信号

油温表感温元件内一般都装有两路Pt100热电阻信号（一用一备）。当把感温元件插入试验油槽时，检测装置需要通过其中任一路Pt100热电阻读取感温元件所处的温度。Pt100热电阻是一种广泛使用的低温测温元件，具有较高的线性度。它能够将温度以电阻的形式输出，读取电阻值就可以换算出温度。根据油温表的量程，检测装置必须能够处理-20～160℃范围内的Pt100热电阻信号。

（2）能处理两路开关状态信号

油温表的表盘上一般设置有多个微动开关，但实际使用的只有两个，一个作为报警输出，一个启动散热风扇。需要检测的是这两个使用中的开关，因此检测装置必须能够处理两路开关状态信号。

（3）能显示两个开关的动作值

在完成两个开关的检测后，检测装置必须将两个开关的动作值锁定并在显示屏上显示出来。

2 检测装置的设计

根据需求，完成如图1所示的检测装置的设计，装置接收一路Pt100热电阻信号和两路开关信号，微处理器对这些信号进行计算判断后，将结果输出到显示单元。

图1 检测装置功能示意图Fig.1 Function diagram of the detection device

2.1 Pt100热电阻信号处理

使用如图2所示的电路处理Pt100热电阻信号,其中R1、R2、R3和Pt100构成电桥，电桥的输出为

式中:电桥电压VAREF取自微处理器内部产生的稳定的2.56 V参考电压,R1=R2=2 kΩ,R3为精密可调电阻，将其阻值调整至92.16 Ω并固定,当Pt100热电阻所处温度为-20℃时，电阻为92.16 Ω，电桥输出为0 mV，当Pt100热电阻所处温度为160℃时，电阻为161.05 Ω，电桥输出为78.013 mV。

电桥的输出通过放大器LM324进行放大，放大后的电压为Vout，由放大器的特性可以得出

当选取 R6=R7=50 kΩ，R4=R5=1 kΩ时，可以计算出Vout=50×（V+-V-），由此可见，该放大电路的放大倍数为50，因此，当Pt100测量范围为-20～160℃时，电桥的输出为0～78.013 mV，Pt100热电阻信号调理电路的输出为0～3.900 V。放大后的电压信号经过A/D转换后便可以换算出对应的温度值。

当Pt100断线时，Pt100热电阻信号调理电路的输出为5 V，超出Pt100热电阻信号调理电路0～3.900 V的输出范围。因此在测量范围-20～160℃内，当微处理器A/D端口电压过高时，可以判断为当Pt100断线，并在显示器上显示出来。

2.2 微处理器

Atmel公司的ATmega16是高性能、低功耗的8位可编程微处理器，它的大多数指令执行时间为单个时钟周期，工作于16 MHz时性能高达16 MIPS。ATmega16集成了8路10位精度的单端A/D通道，转换时间为 65～260 μs，当 Pt100测量范围为-20～160℃时，10位精度理论上可以达到的最小分辨率为0.18℃。同时，ATmega16带有2.56 V内部参考电压输出，可作为电桥稳定的电压源，ATmega16还带有两路低电平触发的外部中断接口，可以以中断的方式快速处理油温开关动作信号，因此，ATmega16能很好满足该监测装置的要求。

2.3 显示输出

图2 Pt100热电阻信号调理电路Fig.2 Pt100 signal processing unit

该装置需要显示油温表的实时温度，油温开关1和油温开关2动作时的温度值，油温开关1和油温开关2是否动作等信号。LCD1602可以显示两行每行16个字符的信息，可以作为该装置的显示输出设备。

3 微处理器程序编制

按设计图制作好电路板，焊接完所有元件后，需要编制微处理器的控制程序。与检测装置的需求分析相对应，控制程序主要分为三个部分：温度信号处理，开关状态处理和检测结果显示输出。

3.1 温度信号处理

对Pt100热电阻信号调理电路的输出电压进行A/D转换，并通过查表法换算出对应的温度，具体程序如下：

如果A/D转换结果高于正常设计值，判断为Pt100断线，在显示屏上显示断线标志“X”。

3.2 开关状态处理

为了能快速处理油温开关1和2的动作信号，采用了“中断”处理方法。微处理器对“中断”的响应优先级最高。当检测到油温开关1闭合时，AT-mega16暂停其他任务，执行“中断”服务程序：将当前的温度值锁定并在显示器LCD1602上显示出来，作为油温开关1的动作值，同时显示锁定标志“L”（Lock），表明油温开关1动作值检测完成；当检测到油温开关2闭合时，ATmega16暂停其他任务，执行“中断”服务程序：将当前的温度值锁定并在显示器LCD1602上显示出来，作为油温开关2的动作值，同时显示锁定标志“L”，表明油温开关2动作值检测完成。具体程序如下：

3.3 检测结果显示输出

LCD1602显示输出分两步--确定光标的位置和在确定的位置上输出字符，具体程序如下：

4 装置样品及装置的标定

最终的样品如图3所示，油温开关检测的结果由显示器LCD1602显示出来。LCD1602分别显示油温表实时温度、传感器断线及油温开关1和2是否完成检测标志、油温开关1的动作值和油温开关2的动作值。

图1所示的不平衡电桥中，电阻R1和R2的阻值均要求为精确的2 kΩ，但实际阻值会有偏差，若R1＞R2，当Pt100热电阻所处温度为-20℃时，电桥输出为负电压，放大电路无法处理；若R1＜R2，当Pt100热电阻所处温度为-20℃时，电桥输出为正电压，造成零点偏移，因此需要对检测结果进行修正。同时，借助更高精度的标准试验油槽，对检测装置进行标定。将检测装置进行修正和标定后，可以获得较高的精度，能实现小于0.5℃的误差。