基于單片機控制的變壓器油壓油溫故障檢測

閆虹

（大同煤礦集團同家梁礦業公司，山西大同，037003）

0 引言

隨著我國綜合國力的快速進步及提升，各個行業對電力系統供電可靠性的要求也變得越來越高，在工礦企業中，電能的應用極為廣泛，一旦中斷供電，可能造成設備損壞、生產停頓，所以工礦企業供電對于企業生產的正常進行具有十分重要的意義。變壓器作為整個電力系統的重要組成設備之一，一旦出現異常問題，將會對于整個電力系統的安全可靠運行產生巨大的威脅，由于變壓器在結構上的特殊性以及故障上的多樣性，加之人工現場監測油溫油壓值費時又費力，降低了工作效率。所謂的基于單片機控制的變壓器油壓油溫故障檢測，即將采集到的油壓油溫值送入單片機進行分析顯示以及信息融合[1]，進而定義系統故障模型判據，顯示故障信息，系統采取自動降溫或降壓安全措施的同時并進行聲光報警。

1 基于單片機控制變壓器油壓油溫故障檢測系統設計

1.1 變壓器的結構

變壓器是根據電磁感應進而來對交流電壓進行改變的裝置，主要包括初級線圈、次級線圈以及磁芯等一些主要的部件。變壓器的功能根據其所處的位置不同發揮的作用也不相同，包括隔離、變換電流電壓以及穩壓等一些作用，在整個電力系統的輸配電系統中都發揮核心作用。根據變壓器的具體結構來剖析變壓器的故障是一種最為常用的技術手段。

1.2 系統綜述

所謂的基于單片機控制的變壓器油壓油溫故障檢測，即是將采集到的油壓值和油溫值送入單片機進行分析顯示以及信息融合，進而定義系統故障模型判據，顯示故障信息，系統采取自動降溫或降壓措施的同時并進行聲光報警。該系統由溫度及壓力信號檢測處理模塊、A/D 轉換模塊、單片機監控處理模塊、信息融合故障模型判據模塊、自動降溫或降壓模塊、故障預警報警模塊組成。系統采用STC89C51 單片機作為變壓器油溫以及油壓測量的核心控制單元[2]。

2 變壓器故障模型建立

2.1 變壓器油溫升高的原因

在系統實際運行中導致變壓器油溫升高的原因主要有：環境溫度異常；變壓器過負荷；變壓器油質量不達標；變壓器內部故障。其中變壓器的內部故障主要分為三類，分為：（1）開關接觸不良。運行中分接開關的接觸點壓力不夠或接觸處長時間未清理等原因，使接觸電阻阻值增大，從而導致接觸點的溫度升高而發熱，在倒換分接頭以及變壓器過負荷運行時，更易使分接開關因為接觸不良而發熱，進而引起變壓器油溫過高。具體分接開關是否接觸不良可以通過測量線圈直流電阻來確定；（2）線圈匝間短路。當其相鄰線圈匝間的絕緣損壞，則線圈間會發生短路出現短路電流。此短路電流會使變壓器油溫迅速上升而造成線圈絕緣損傷的原因很多，其中外力、高溫、制造工藝等都是引起線圈絕緣損傷原因。而引起匝間短路的主要原因是過電流和過電壓。具體測量線圈匝間是否短路，可以通過測量線圈的直流電阻和取油樣化驗來確定。（3）鐵芯故障，變壓器在空載運行時存在空載損耗，空載損耗的大小可以直接反映變壓器的鐵芯在設計時是否存在缺陷。

2.2 變壓器油壓升高的原因

在系統實際運行中導致變壓器油壓升高的主要原因包括三大類。（1）變壓器呼吸系統堵塞；（2）變壓器油溫過高；（3）變壓器油箱油位升高。

2.3 變壓器故障模型判據建立

利用單片機將采集到的變壓器油壓油溫值進行信息融合，融合后的信息建立系統故障模型判據，進而縮小故障排查范圍，提高故障排查效率。本系統需要測量的主要數據為：變壓器油溫值以及變壓器油壓值。需要實現的功能為當變壓器剛開始工作或需測量的油壓油溫值都處于用戶個人設定的正常范圍值時，系統處于正常狀態；當變壓器的油溫油壓發生異常不在用戶設定的正常范圍值時，則系統通過對變壓器的油溫值與油壓值進行信息的融合分析處理，顯示變壓器故障類型，系統自啟動緊急降溫使風機運行或者緊急降壓啟動壓力釋放閥，同時在監控系統發出報警預警。系統采用AD590溫度傳感器采集變壓器油溫值，采用MPX4115壓力傳感器采集變壓器油壓值，在該系統中溫度傳感器與壓力傳感器都采用多點組網，實現組網多點測溫[3-4]。

根據變壓器油壓油溫故障類型，通過信息融合分析處理，建立系統故障模型判據，主要包括三大類型故障類型，分別為：故障類型一，油溫油壓均異常，系統自動啟動降溫措施，若油壓依然異常，則其故障原因為變壓器呼吸閥異?；蛴臀簧?，若油壓恢復正常，則為油溫異常引起的故障；故障類型二，油溫異常油壓正常，系統自動降溫后，油溫油壓均正常，則其油溫異常剛發生，還未引起其油壓異常，緊急降溫可恢復正常運行；故障類型三，油溫正常油壓異常，則故障原因可能為油位異常，若此原因排除，則此故障故障為呼吸閥故障。

3 基于單片機控制的變壓器油壓油溫故障解決措施

當油溫油壓異常時，降溫或降壓安全措施自動啟動，同時聲光報警裝置自啟動報警，系統根據基于信息融合的故障模型判據判斷出變壓器具體故障，由專業人員對變壓器具體故障進行維修。

針對變壓器油溫升高，采取的緊急降溫措施為通過提前安裝的冷卻風機，使用固態繼電器來控制風機的啟動和停轉，根據變壓器容量大小來選擇安裝冷卻風扇電機的組數，系統采用單片機端口來控制電機風扇的運行，為了實現該裝置的電氣隔離，采用耐高壓的光電耦合器以保證控制電路的正常運行，當采集到的油溫值達到風機啟動值時，固態繼電器接收到來自單片機的運行信號時，風扇電機運轉。風機的啟動則通過多傳感器測量變壓器油溫、變壓器表面溫度和室內溫度，綜合分析需要啟動的數量達到預防化解隱患故障且最大化節能。當測量的變壓器油溫、變壓器表面溫度和室內溫度均低于系統設定值下限時，系統控制全部風機處于停止狀態；當變壓器油溫未達到設定值且室內溫度及變壓器表面溫度超出設定值時，溫度監視系統發出預警，啟動部分風機運行，為避免單一風機長時間工作，應在風機間進行切換；當變壓器油溫處于最低設定值與最高設定值之間時，溫度監視系統發出預警，啟動全部風機運行。當變壓器油溫高于最高設定值，變壓器停止工作，溫度監視系統發出預警，同時啟動全部風機進入運行狀態。

針對變壓器油壓升高，采取的緊急降壓措施為通過提前安裝的壓力釋放閥，采用單片機控制壓力釋放閥的運行，采用耐高壓的光電耦合器以保證控制電路的正常運行，當采集到的油壓值達到壓力釋放閥的啟動值時，壓力釋放閥啟動。

聲光報警裝置由定時器、揚聲器以及發光二極管組成，當系統采集到的油溫或者油壓值超出所設定的閾值時，系統采取降溫或降壓安全措施的同時自啟動聲光報警裝置。

4 變壓器油壓油溫故障檢測系統工作原理

4.1變壓器油壓油溫故障檢測系統電路

對于變壓器油壓油溫故障檢測系統，設計如圖1所示電路框圖。

圖1 電路框

4.2 變壓器油壓油溫故障檢測流程

4.2.1 變壓器油壓油溫故障檢測系統流程

如圖2所示為變壓器油壓油溫故障檢測系統的流程圖。系統主程序流程圖包括系統的初始化，溫度閾值與壓力閾值的設定等[5]，通過串口通信接收上位機的指令，通過信息融合判別顯示故障類型，啟動故障安全措施，確保系統安全穩定運行。

圖2 系統流程圖

4.2.2 變壓器油壓油溫故障檢測工作原理

變壓器油壓油溫故障檢測系統軟件部分一共包括上位機部分和下位機部分。

首先設定變壓器的油溫閾值以及油壓閾值，設定閾值是為了方便用戶在不同情況下對變壓器不同需求所對應的不同油溫油壓要求而設立的模式，它允許用戶根據需要對應測量的測量值的閾值設定不同的降溫啟動系統和降壓啟動系統以及不同程度的報警啟動系統，以此確保本變壓器油壓油溫檢測系統的使用不受到大多數情況的限制，提高了檢測系統的實用性。

將采集到的變壓器油溫值和油壓值進行模數轉換，本系統采用中斷方式判斷溫度信號與壓力信號轉換完成情況。若轉換未完成，就不發送當前溫度值與壓力值至處理器；當轉換結束后，跳入中斷，將轉換后數據讀入單片機并傳輸給上位機，此后即進入正常循環工作狀態，上位機循環發送各油溫油壓檢測回路的編號，若油溫油壓信號轉換完成，則單片機接收此編號信號并將各檢測點數據返回，上位機將對數據進行處理，包括對異常油溫油壓數據的剔除和對數字進行平均，通過進行處理后的數據計算出溫度值以及壓力值并進行顯示。接著進入信息融合處理系統，計算處理后的數據與所設定溫度閾值壓力閾值進行對比，系統判別顯示變壓器油壓油溫異常處于第幾種故障模式，根據故障模式的不同啟動降溫或者降壓措施子系統，同時啟動聲光報警系統。

5 結論

本文以單片機STC89C51 單片機為主控元件，完成了變壓器在系統運行時油壓油溫的實時監測，并將系統監測到的油溫值油壓值與系統設定好的油溫閾值油壓閾值比較，以判斷變壓器的油溫值與油壓值是否正常，同時將變壓器的油溫值與油壓值進行信息的融合分析處理，進而使系統顯示出變壓器的故障類型，與此同時系統自動啟動降溫或者降壓安全措施，即啟用冷卻風機或壓力釋放閥子系統，同時啟動報警，該設計系統大大縮短了變壓器系統故障檢測范圍，提高了檢測效率，縮短了故障檢測時間，提高了系統的工作時效，確保了變壓器的運行效率和安全可靠性得到最大程度的發揮。