煤礦行業(yè)干式變壓器溫控儀解決方案

煤礦行業(yè)為什么要用干式電力變壓器

目前煤礦廣泛使用的油浸式變壓器存在許多不足。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 新材料、新工藝不斷出現(xiàn), 用環(huán)氧樹(shù)脂澆注的干式電力變壓器具有防爆、阻燃、防潮、可在100%濕度環(huán)境下安全運(yùn)行、無(wú)環(huán)境污染、抗短路、耐雷電沖擊、過(guò)載能力強(qiáng)、節(jié)能低耗、噪音低、體積小、重量輕、經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能好等優(yōu)點(diǎn), 將逐步取代油浸式變壓器。 在煤礦電力系統(tǒng)中, 供電的可靠性要求較高, 溫升是環(huán)氧澆注干式變壓器在礦山應(yīng)用需解決的關(guān)鍵問(wèn)題, 為了保證干式電力變壓器能安全運(yùn)行以及做到無(wú)需專(zhuān)門(mén)的維護(hù)管理人員, 就需要配置溫度巡測(cè)控制儀 (簡(jiǎn)稱(chēng)溫控儀) 。

智能干變溫控儀在煤礦行業(yè)使用解決方案

采用單片機(jī)控制技術(shù)制作成智能型干式變壓器用溫控儀, 比采用分立元器件技術(shù)在性能及誤差控制等方面前進(jìn)了一步, 產(chǎn)品精度高、體積小、功能多、性能好、質(zhì)量可靠及操作維護(hù)方便。

1 測(cè)量、控制原理

變壓器是否能正常安全運(yùn)行, 是以其繞組的溫升來(lái)決定的。干式變壓器是三相式的, 由A相、B相和C相3個(gè)繞組組成, 每相繞組都需不停地測(cè)溫, 用3個(gè)溫控儀非常浪費(fèi), 用一個(gè)溫控儀對(duì)A, B, C三相進(jìn)行巡回測(cè)量是最佳方案。

溫控儀采用埋設(shè)在干式變壓器三相繞組中的三只鉑熱電阻 (Pt100) 作為測(cè)溫傳感器。變壓器運(yùn)行時(shí), 鉑熱電阻的阻值變化反映著繞組溫升的變化。利用集成模擬開(kāi)關(guān)將A、B、C三相巡回選通, 經(jīng)過(guò)采樣、放大、信號(hào)優(yōu)化處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換后, 送入芯片進(jìn)行處理, 輸出兩種信號(hào):一種用作溫度和狀態(tài)顯示信號(hào);另一種作為相應(yīng)功能的控制信號(hào)。

溫控儀具有連續(xù)巡回檢測(cè)并顯示三相繞組的溫升變化, 自動(dòng)啟停風(fēng)機(jī), 超溫聲光報(bào)警, 超高溫跳閘, 故障報(bào)警等功能。因而保障了干式變壓器的安全運(yùn)行和提高了經(jīng)濟(jì)效益。

溫控儀的檢測(cè)控制原理 。

2 性能特點(diǎn)、主要技術(shù)指標(biāo)及功能

2.1 性能特點(diǎn)

1) 該溫控儀屬智能化儀器, 是通過(guò)選用微處理器芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的新型儀表。具有對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行記憶、存儲(chǔ)、識(shí)別、分析、處理、命令和邏輯判斷等功能。

2) 微機(jī)軟件技術(shù)與電測(cè)量技術(shù)相結(jié)合, 對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行及時(shí)在線處理, 改善和提高測(cè)量準(zhǔn)確度, 實(shí)現(xiàn)各種誤差的計(jì)算及補(bǔ)償, 提高了性?xún)r(jià)比和可靠性。

3) 考慮到現(xiàn)場(chǎng)使用的惡劣條件, 從軟件、硬件和結(jié)構(gòu)以及微機(jī)“看門(mén)狗”等方面, 全面采用了抗干擾和防死機(jī)措施, 保證溫控儀正常工作。

4) 設(shè)有溫度、時(shí)間漂移自動(dòng)補(bǔ)償電路, 有效地抑制了零點(diǎn)漂移, 確保整體精度和穩(wěn)定性。

5) 可在電壓150~242 V內(nèi)正常工作。

6) 無(wú)調(diào)節(jié)電位器, 儀器安裝后通電即可投入使用。

7) 通過(guò)3個(gè)按鈕就可完成人機(jī)對(duì)話需要的參數(shù)設(shè)定和修改。

8) 采用兩組四位數(shù)碼管直觀顯示三相被測(cè)繞組的溫升及其相應(yīng)的工作狀態(tài)。

2.2 主要性能指標(biāo)

1) 測(cè)量范圍:

0~200 ℃;

2) 測(cè)量精度:

1.0級(jí) (溫控儀0.5級(jí);傳感器0.5級(jí)) ;

3) 分辨率:

0.1 ℃;

4) 環(huán)境溫度:

0~50 ℃;

5) 相對(duì)濕度:

90% (25 ℃) ;

6) 工作電壓:

AC150~242 V, 50 Hz;

7) 參數(shù)預(yù)置設(shè)定范圍:

±20 ℃;

8) 傳感器分度號(hào):

Pt100;

9) 傳感器輸入接線方式:

兩線制或三線制;

10) 傳感器補(bǔ)償范圍:

±9.9 ℃;

11) 抗干擾性能:

共模干擾電壓為250 V/ (0~360 ℃) 時(shí); 串模干擾電壓為100 mV/ (0~360 ℃) 時(shí); 外界磁場(chǎng)影響 (交流50 Hz) 為400 A/m時(shí); 示值附加誤差限的絕對(duì)值不大于0.5 ℃。

2.3 功能

1) 三相溫度巡測(cè)、顯示;

2) 最高溫度顯示;

3) 風(fēng)機(jī)自動(dòng)起、停;

4) 超溫報(bào)警;

5) 超高溫跳閘;

6) 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)人工控制;

7) 故障自診斷;

8) 故障信號(hào)遠(yuǎn)傳;

9) 黑匣子;

10) 人機(jī)對(duì)話參數(shù)設(shè)定;

11) 工作狀態(tài)人工干預(yù)。

3 儀器的結(jié)構(gòu)及硬件測(cè)量電路原理

該溫控儀在電路原理上是模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合, 在結(jié)構(gòu)上是硬件和軟件相結(jié)合, 以微處理器為主體, 工作以軟件控制為特點(diǎn)。

硬件測(cè)量電路原理, 溫控儀輸入信號(hào)是鉑熱電阻Pt100溫度傳感器的電阻值。鉑熱電阻傳感器因其測(cè)溫范圍寬 (-200~850 ℃) 、響應(yīng)時(shí)間短、物理尺寸小、穩(wěn)定性好、線性特性和分辨率高等特點(diǎn)最適合作干式變壓器溫度傳感器。

Pt100傳感器經(jīng)選通采樣及電阻—電壓轉(zhuǎn)換后信號(hào)微弱, 通過(guò)數(shù)據(jù)放大器進(jìn)行放大。設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)放大器特點(diǎn)是:輸入阻抗高、抗共模能力強(qiáng)、頻帶寬、增益高、線性好、漂移和失真度低、輸出阻抗低。

電壓—頻率轉(zhuǎn)換采用功耗小、溫度穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)范圍寬的LM331集成塊, 其轉(zhuǎn)換的線性度可達(dá)0.01%。

溫控儀CPU軟件由按鍵識(shí)別處理模塊、信號(hào)測(cè)量模塊、通訊模塊、運(yùn)算、判斷、處理控制主模塊、定時(shí)模塊、顯示模塊、輸出控制模塊組成。

軟件是該儀器的技術(shù)核心, 幾乎所有的重要技術(shù)性能如誤差計(jì)算、修正、補(bǔ)償、干擾的抑制或消除;準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性等都是依靠軟件技術(shù)來(lái)完成和提高的。同樣, 對(duì)于功能如風(fēng)機(jī)起停、超溫報(bào)警、跳閘、零漂自動(dòng)校準(zhǔn)、上電自動(dòng)檢測(cè)、故障自診斷、人機(jī)對(duì)話參數(shù)設(shè)定、黑匣子等也必須依靠軟件技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。軟件技術(shù)是隱性的, 其水平由整機(jī)技術(shù)性能、功能、質(zhì)量等指標(biāo)來(lái)反映和確定。

4 干擾和干擾的抑制

干擾對(duì)數(shù)字儀器來(lái)說(shuō), 會(huì)使顯示讀數(shù)不準(zhǔn)確, 精度下降, 工作不穩(wěn)定, 以至于不能正常運(yùn)行, 甚至失去使用價(jià)值。因此, 在溫控儀的研制中, 應(yīng)注重干擾的抑制。

干擾分為儀器外界干擾和內(nèi)部干擾。外界干擾有:磁場(chǎng)、電場(chǎng)、靜電、沖擊性快速瞬變脈沖、空間射頻、電源瞬時(shí)中斷、電源電壓降低、串模干擾和共模干擾等。內(nèi)部干擾有:電子元器件的熱噪聲、時(shí)間漂移、溫度漂移、量化誤差和抖動(dòng)等。

溫控儀一般安裝在安全保護(hù)隔離網(wǎng)罩上, 或者鋼結(jié)構(gòu)架上, 長(zhǎng)期受到強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)電場(chǎng)和高溫等影響, 無(wú)疑增加了干擾抑制的難度。

磁場(chǎng)和電場(chǎng)的干擾, 經(jīng)過(guò)交變電磁場(chǎng)作用, 其性質(zhì)已轉(zhuǎn)化為串模干擾。

靜電干擾, 可采取屏蔽加接地來(lái)解決。

沖擊性快速瞬變脈沖干擾, 在溫控儀220 V電源輸入端, 跨接一個(gè)470P/2 kV瓷片電容, 將該快速瞬變脈沖旁路掉, 在三端穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端均接有0.01 μF獨(dú)石電容對(duì)快速瞬變脈沖再次旁路, 同時(shí)三端穩(wěn)壓器本身對(duì)干擾脈沖也有一定抑制作用, 這樣快速瞬變脈沖就得到很好的抑制。

空間射頻干擾有兩種, 一種是通過(guò)長(zhǎng)的信號(hào)傳輸線感應(yīng)而形成的空間射頻干擾, 可采用屏蔽雙絞傳輸線加接地得到抑制;另一種是空間射頻干擾信號(hào)已疊加在有用信號(hào)上進(jìn)入溫控儀輸入端, 屬于串模干擾。

電源瞬時(shí)中斷的干擾, 在溫控儀三端穩(wěn)壓器輸入端和輸出端均設(shè)計(jì)有1 000 μF, 470 μF和100 μF電解電容, 其充電容量可以保證工作電源中斷40 ms時(shí), 溫控儀能正常工作, 不受影響。

若電源電壓降低到150 V時(shí), 通過(guò)合理設(shè)計(jì), 仍保證溫控儀正常工作。

串模干擾, 溫控儀在取樣后的被測(cè)信號(hào)接入隨后的跟隨器之前, 采用了兩組雙節(jié)R—C濾波電路;另外, 在運(yùn)算放大器接入隨后的A/D轉(zhuǎn)換器之前也采用了三組雙節(jié)R—C濾波電路來(lái)抑制串模干擾。

共模干擾, 采用4塊獨(dú)立的印制電路板組成4個(gè)獨(dú)立的接地系統(tǒng), 并將其總的連在一起, 以抑制共模干擾。

為了提高抑制干擾的能力, 在軟件中增加了數(shù)字濾波技術(shù)。將被測(cè)信號(hào)利用軟件程序重復(fù)測(cè)試10次, 去掉兩個(gè)最大值和最小值后取其平均值。這樣也能起到很好的抑制干擾作用。

電子元器件的熱噪聲, 采取補(bǔ)償措施和盡量減小電源阻抗, 加大放大器的反饋和輸入阻抗。量化誤差, 通過(guò)選用LM331集成電路來(lái)解決。

抖動(dòng)引起的儀器不穩(wěn)定, 主要從提高元器件焊接質(zhì)量, 不出現(xiàn)虛焊, 提高所有部件的固定強(qiáng)度來(lái)避免抖動(dòng)。

對(duì)使用中的總體誤差, 軟件技術(shù)可自動(dòng)校準(zhǔn)和對(duì)傳感器線性誤差進(jìn)行修正, 使溫控儀的誤差控制在0.1 ℃以?xún)?nèi)。

通過(guò)使用單片機(jī)控制技術(shù)取代溫控儀的電位器控制, 有效地抑制了干擾, 自動(dòng)修正各種誤差, 使溫控儀功能強(qiáng)、精度高、可靠性好, 操作和維護(hù)方面, 用戶(hù)反映良好。