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无线测温系统在变压器温度监测中的应用
  • 发布日期:2020-07-26      浏览次数:58
    • 蒋超萍

      江苏安科瑞电器制造有限公司  江苏江阴  214400

      摘要:变压器的油温和绕组温度是反映变压器运行状态的重要指标,基于无线传感网络设计实现了变压器温度监测系统,能够实现对变压器油温和绕组表面温度的监测。该系统利用铂电阻进行温度数据的采集,采用Zigbee无线通信模块CC2430实现传感器数据的无线传输,基于Labview设计实现了监控中心监控界面。该系统对于变压器温度的实时监测有重要的应用价值。

      关键词:变压器;温度;无线传感网络

      0引言

      电力变压器是电力系统中用以改变电压的主要电气设备,长期工作在高电压、大电流、强磁场的环境中,使得热量聚集。变压器的温升既影响带负荷能力又影响使用年限,还会增加电力系统的损耗,如果散热不良还会危及设备的正常运行,甚至会造成故障。为了保证变压器安全运行,迫切需要能及时、准确地判断变压器的运行状况,实时监测变压器的温度变化,以及时采取适当措施,保证变压器安全、稳定、经济运行。变压器油温度是变压器安全运行的重要指标之一,按GB1094电力变压器标准设计的油浸式电力变压器,在GB/T15164—9d(油浸式电力变压器负载导则)中规定其热点温度基准值98℃,即在此温度下绝缘的相对老化率为1。在80~140℃范围内,温度每增加6K,老化率就增加1倍。在油浸式变压器中[1],变压器油起着散热和绝缘的作用。当油温超过一定温度时,变压器油的氧化就会加速,并吸收更多水分。带有水分和杂质的变压器油,会缩短变压器的寿命,成为变压器可靠运行的隐患,严重时会导致电力事故的发生,因此运行时需要保证变压器的油温在规定范围内。

      为了保证电力变压器安全运行,需要实时监测油温和绕组温度。关于变压器温度的在线监测,目前已经提出了多种方法,如上海电力学院开发的电力变压器在线监测系统[2],使用气体传感器、电流传感器和红外线传感器分别监视变压器的氢气和一氧化碳含量、局部放电和温度变化。其他还有基于单片机的变压器绕组温度测控系统[3],基于DSP的变压器温度监控系统[4],干式变压器无线温度监测系统[5]等。这些系统都能实现对变压器温度的在线监测,但都存在着同样的问题:使用有线连接方式,由于受供电电源、安装场所、运行和维修环境等条件的限制,系统布设复杂;监测变压器状态的传感器位置固定,很难更改,而且监测点少,不便于扩展,不能保证数据的实时性和完整性,限制了对设备运行状态的正确评估、判断和决策。为了克服这些问题,本文提出使用无线传感网络来监测变压器运行中的温度变化,以保证变压器的安全运行。

      无线传感器网络(WSNs)是由许许多多功能相同或不同的无线传感终端(或称为节点)组成,是以嵌入式技术为核心的数据采集与通信系统。每一个无线传感终端由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块等组成,能够实现对于多路温度传感器数据的实时采集,能够很方便地实现变压器的绕组温度和油温的检测。

      1、系统的总体结构

      变压器运行时会产生铁心损耗、绕组铜损耗及其他的附加损耗,这些损耗转变成热量会使变压器的有关部分温度升高。为了了解监测变压器的温度,识别高温点的位置,采用单个传感器是不够的,在变压器的多个位置布设多个传感器,更有利于掌握变压器的温度状态,及早发现变压器的温度异常并识别高温点位置,才能进行相应的处理。由于需要使用多传感器监测多个监测点的温度,为了便于灵活布设本系统采用的无线传感器不需事先安装在变压器的某个固定位置上而是可以在现场安装布设时再确定监测位置,然后在监控端设置温度监视点为对应位置,实现对该点温度的监视。图1是变压器温度无线传感监测系统的总体结构。

      图1 变压器温度无线传感监测系统总体结构

      由于变压器运行时的主要损耗来源于铁心和绕组,并且只有达到一定的温差后才能向外散热,所以变压器的各部位的温度不一样。一般地,绕组温度很高,铁芯次之,对每一部分来说,温度是自下部到上部逐渐升高的。为了能实现实时温度数据采集和分析,本系统采用智能化的温度分析方法,以识别温度的变化趋势,及时进行温度预测。本系统主要包括无线传感温度采集节点和监控中心主节点两个主要部分,每台变压器都可布设4或6个无线传感温度采集节点,对称安装在变压器的各面,以实现对变压器温度的监测和分析。监控中心主节点由无线传感中心节点和监测分析计算机构成,可实时监视多个变压器的温度状态,并根据温度历史数据预测温度的变化,同时对同一变压器的多个温度传感器的实时数据进行分析,识别高温点的位置,及时发现故障征兆,实现智能温度监测。

      2、无线传感器数据采集节点

      无线传感器数据采集节点由基于Zigbee技术的无线传感节点及无线数据采集终端组成,为了便于传感器的布设和更换,传感器数据采集节点使用变压器表面安装方式。每个无线传感器节点都是一个集成了Zigbee通信模块的无线传感器,每个无线传感节点将其采集的数据通过Zigbee通信传输给变电站监控中心,在监控中心的计算机上进行温度数据的分析和显示以及报警处理。

      系统使用铂电阻测温元件进行温度的检测,各Zigbee无线传感节点硬件的基本结构是完全一样的。Zigbee无线传感节点的基本结构如图2所示,通过传感器检测温度状态数据;并将采集的数据送到信号调理模块,进行信号的放大、滤波处理;由多路复用实现对同一变压器的多点温度检测,再经A/D转换器把模拟信号转换成数字信号;然后送到Zigbee通信模块。

      图2 Zigbee无线传感温度采集节点硬件结构图

      系统使用的铂电阻测温传感器是霍尼韦尔公司的薄膜铂电阻HEL2700的Pt1000系列,在0℃时具有1000Ω的标准阻值,且电阻值随温度的变化而变化,可用于对油温和变压器绕组表面温度的检测。它具有较大的温度-电阻系数(3.8Ω/℃),可以减小导线电阻对温度的影响。由于铂电阻的热电阻与温度的关系存在非线性,在高温区表现更明显,因此需要对铂电阻的非线性进行校正。无线传感节点中的调理电路可以实现电阻与温度关系的校正补偿,获得线性的温度—电阻关系,并将铂电阻传感器的阻值变化转化为0~5V的电压,通过A/D转换之后,送入Zigbee通信模块进行处理。本系统的Zigbee通信模块采用TI公司的CC2430,CC2430的传输距离大概为50~70m,适合构建一般小型变电站变压器的状态监测网络。当用于远距离监测时,可增加使用射频功放,监测距离可达1km,该芯片内部集成了一个高性能和低功耗的8051微控制器,通过该芯片可以控制温度数据的采集和射频发射,集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发模块,在待机模式时仅0.6μA的流耗。CC2430的结构如图3所示。

      图3 功能结构图

      3、监控中心设计

      监控中心是变压器温度无线传感监测系统的核心,它能实现对来自各变压器的温度传感数据的实时显示、存储、查询与融合分析。整个系统的功能框图如图4所示,它由Zigbee中心节点、数据处理、实时数据显示、数据库服务器、数据查询与分析终端等部分组成。

      实时监控终端是变压器温度无线传感监测系统重要的组成部分,Zigbee无线模块接收到来自于各变压器的实时温度数据后,经过数据处理单元将数据帧拆分,得到对应于各传感器的实时数据,由实时监控终端显示系统显示出来,并可对各无线传感温度采集节点的工作状态、参数进行远程控制与查询。实时监控终端需要同时监控显示来自多个变压器的参数,当监控变压器较多时,可以使用多个终端同时显示变压器的温度状态参数。实时监控终端显示软件采用了labview进行开发。图5为可同时监控单个变压器的油温、变压器上部和下部三个点的温度时的监控界面。

      图4 监控中心结构图

      图5 变压器温度监控界面

      为了在变压器温度发生异常时及时发现并进行处理,在监控终端中设计实现了实时分析预警功能。在接收、显示变压器温度数据的同时,可自动对这些数据进行分析,在出现温度偏离正常值时,及时通知监控中心人员注意。监护中心的智能诊断软件主要基于信息融合的方法进行温度异常识别,通过对变压器不同位置的传感器的数据进行实时分析,判别变压器温度变化趋势,根据需要及时发出警报信息以便监控人员关注发生异常变化的变压器。

      数据库服务器是整个系统数据交换的中心,为了确保变压器温度数据的完整性,也为了方便数据的进一步分析,监护中心会将接收到的所有变压器的温度参数存储起来,并可以进行数据回放和分析,以进一步进行变压器温度异常故障的诊断和分析。

      4、安科瑞无线测温产品介绍

      a.电池供电型无线温度传感器

      安装于发热部位,采集温度量并通过无线方式传输的传感器。

      目前无线温度传感器有三款:


      b.CT感应取电无线温度传感器

      安装于断路器触头、母排、电缆搭接点等大电流处,采集温度量并通过无线方式传输的传感器。

      目前无线温度传感器有两款:
       

      安科瑞无线测温就地显示配置:

      ASD300/320智能操控装置可连接12路无线温度传感器,ARTM-Pn无线测温装置可以连接18路无线温度传感器,无源(CT取电)方式为ATE300(捆绑式安装),有源(电池供电)方式为ATE100(螺栓式安装,主要用于电缆/铜排等螺丝固定的搭接点)和ATE200(表带式,主要用于断路器触头等接点捆绑安装,因安装较ATE100更方便,电缆/铜排等搭接点也常选用)。

      图6 无线测温带操显功能(就地显示)

       

      Acrel-2000T/B无线测温壁挂式监控设备,内存4G,硬盘128G,以太网口,显示器12寸,分辨率800*600,可选Web平台/App服务器,柜体尺寸480*420*200(单位mm),配置IPAD,安装ACREL-2000/T软件。就地实时显示温度分布以及报警等详细参数。

       

      图7 无线测温采集设备配置方案

       

      5、结论

      由于技术产品成熟度和成本等原因,变压器上普遍没有安装热点监测系统,从而使变电系统恶性事故的预测、预防和监控缺乏可靠稳定的技术手段。基于Zigbee技术的变压器温度无线传感监测系统利用设置在变压器表面的多个传感器,能实时监测变压器的温度状态,在温度异常时进行报警。相比于传统的有线监测方法,本系统不需布线,可按需贴装在变压器表面任何位置,更加方便灵活,便于更换。由于利用多传感器数据推算变压器中心温度,推算结果更加可信,从而能够更有效地保证变压器的正常运行。该系统经过试用,能够正常监测变压器的温度状态,可用于变电站的变压器油温和绕组表面温度监控,有很重要的实用价值。

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