[直流单双臂电桥]变压器油中溶解气体在线监测系统的研究

变压器是电力系统的重要器件，其运行是否可靠，直接决定着供电系统的可靠性。油中溶解气体分析（dissolved gas analysis,DGA）是诊断变压器潜伏性故障zui有效的方法之一。通过对变压器油中溶解气体的在线监测，可以实时或定时监测变压器的运行状况，判断运行是否正常，诊断变压器内部存在的故障性质、类型、严重程度并预测故障发展的趋势，实现变压器的状态检修。

1. 监测系统原理

对于大型电力变压器，目前几乎都是用油来绝缘和散热。变压器油与油中的固体有机绝缘材料（纸和纸板等），在运行电压下随运行时间的增加，因放电和热的作用会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及CO、CO2气体 ，变压器的内部绝缘故障常常伴随着局部过热和局部放电现象，会使油或纸分解产生H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2等气体。当故障不太严重、产气量较少时，所产生的气体形成的气泡会在油里经对流、扩散 、不断地溶解于绝缘油中; 当设备内部存在潜伏性过热或放电故障时，就会加快这些气体的产生速度，产生速率大于溶解速率时，在变压器里会有一部分气体进入气体继电器。此外，发热和放电的产生程度不同，所产生的气体种类、 油中溶解气体的浓度、 各种气体的比例关系也不相同，而与绝缘油的种类与牌号无关。因此，油中溶解气体的组分和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，通过对油中溶解气体进行在线监测，便可发现变压器内部的发热和放电性故障。

2. 监测系统实现

图1为在线监测系统的框图，其主要是采用光声光谱技术对油中H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2 这7种气体的浓度进行测量，利用电容型驻极体微音器作传感器，传感器输出的信号经过放大、滤波后，由AVR单片机进行数据的预处理，并通过串行通信把数据上传给PC机，PC机完成对数据的处理和分析，形成各种气体浓度的趋势图，组建数据库分析变压器内部潜伏性故障。

图1 在线系统监测框图

2.1 传感器系统

采用光声光谱技术（PAS）能够准确计量气室中H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2 这7种气体的浓度，该法（见图2）基于气体的光声效应，即利用光吸收和声激发之间的对应关系，通过对声信号的探测从而了解光吸收的过程，由于光吸收激发的声波频率由调制频率确定，而其强度则只与吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数有关，因此可通过检测气体分子吸收电磁辐射（如红外线）后所产生的压力波来检测气体浓度（该压力波强度与气体浓度呈一定比例关系）。与其它光谱技术相比，该法测量的是样品吸收光能的大小，因而反射、散射光等对测量干扰很小，尤其在对弱吸收样品以及低体积分数的测量中，尽管其吸收很弱，但不需要与入射光强度进行对较，从而提高了测量的准确度。另外，其光声室容积较小（2～3 ml），利于提高油气分离效率。

图2 光声光谱技术流程图

传感器是数据采集的关键部件，本系统采用电容型驻极体微音器作为检测元件，在常温条件下其灵敏度漂移可保证在200年内小于1%，它可以把各种气体的压力波信号转换成电压信号。
 

2.2 数据采集和控制模块

由于传感器输出的信号非常微弱，一方面需要将其放大到足够大，以便后续电路的处理;另一方面小信号在传输时容易受到干扰，所以在对信号进行预处理之前要安装信号调理电路，把信号放大并滤波后，利用AVR单片机（ATmega128）的高速处理能力及丰富的端口资源，完成

数据的采集和控制如图3所示。AVR（Adanced RISC）单片机是Atmel公司生产的8位精简指令集（RISC）单片机。与同类单片机相比，在运算速度、外设资源、灵活性等方面性能均衡、性价比较高。系统使用一路AVR自带的10位A/D转换通道进行数模变换，为了抑制噪声干扰，在程序中加入数字滤波算法进行滤波以进一步提高抗干扰能力。EEPROM采用ATMEL公司生产的8位16K容量的AT24C164芯片,具有两线串行接口，用来存储历史数据。报警输出通常指的是气体浓度、气体浓度的时变化率、日变化率报警和仪器自身故障报警（如掉电或传感器测试失败等）。通过键盘可以很容易地进入内部程序，获得有关的报警信息，也可以通过键盘修改有关的报警设置和其它参数, 各种现场数据和状态均通过LCD显示器显示，还可以通过打印机和通信接口把数据打印出来或传给上位机。LCD显示器件选用北京青云创新公司的图形点阵液晶显示模块LCM12864ZK，该显示模块和单片机接口支持串、并行两种方式，扩展方便;同时带有两级汉字库，使得汉字的显示更加方便。为了操作简便，键盘设置了上翻、下翻、确定、取消等4个按键，与液晶模块菜单显示配合，完成被测参量选择、参量上下限设定、参量测量、测量数据的保存与发送等工作。由于现场条件比较恶劣，程序有跑飞的可能，所以需要启用ATmega128自带的看门狗电路，使系统稳定运行。为了实时记录数据，系统中还包含一个实时时钟芯片DS1302，为系统提供年、月、日、星期、时、分、秒时间数据,与单片机采用3-wire接口，它还包含31个字节的静态RAM，可以反复读写，而且消耗的功率非常低，与时钟共用备用电源，可用它来存储一些重要的系统设置值或默认值信息。

图3 数据采集和控制总体图

2.3 串行通信模块

在本系统中单片机需要和上位机分享资源，因此通信模块是本系统*的重要部分，可以通过RS232接口或USB接口直接与本地计算机通信，也可以通过RS485接口与远程上位机通信。由于变压器运行时可能产生较强的干扰，所以在通信端口处要采用光耦隔离。

RS232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。通常PC 机与单片机用二线方式进行全双工异步通信。由于AVR 单片机输入输出电平为TTL 电平, PC 机配置的是RS232 标准串行接口, 二者电气规范不一致;因此必须进行电平转换。采用MAXIM公司的MAX232E 芯片可方便的进行电平转换器。但RS232接口标准是单端收发，抗共模干扰能力差，接口处各信号容易产生干扰，所以数据传输率低，传输距离短。

随着计算机软硬件的发展，USB接口成为了新一代通用串行口，不仅在传输速度上得到了极大的提高，同时还具有接口简单、真正的即插即用、传输线供电、多设备级联等*的特性。利用CYGNAL公司生产的CP2101芯片（UART—USB桥接器），如图4所示可实现AVR单片机与PC机的USB总线之间的通信，图中CP2101的VBUS和REGIN 引脚被连接到USB 的VBUS信号上，并且在REGIN的输入端加去耦并联电容0.1uF与1.0uF。

图4 基于USB总线的AVR单片机与PC机之间的连接

CP2101芯片包含一个USB 2.0 全速功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的异步串行数据总线（UART），无需其他的外部USB元件，并且它可由USB总线驱动，电源由USB 的VBUS引脚提供。由于芯片内置有与计算机通信的USB协议，可通过CYGNAL公司或销售商提供的免费驱动程序把连接在USB总线上的CP2101作为一个虚拟COM口，用户可以按照传统的串行口控制方式来使用这个带有5V和3.3V供电的“COM 口”。

RS485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。利用美国TI公司生产的RS-485接口芯片SN75LBC184，可以完成UART与RS485之间的转换。该芯片与普通的RS485收发器相比有一个显著的特点，其片内A、B引脚接有高能量瞬变干扰保护装置， 可以承受峰值为400W（典型值）的过压瞬变。由于引起过压瞬变的来源通常是雷电、静电放电、电源系统开关干扰等，因而它能有效的防止雷电损坏器件，对于一些环境比较恶劣的场合，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个*的设计，即当输入端开路时，其输出为高电平，这样，即使在接收器输入端电缆有开路故障时，也不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗为RS-485标准输入阻抗的2倍（≥24KΩ），故可在总线上连接64个收发器。图5是基于RS485总线的AVR单片机和PC机之间的硬件接口电路的框图：

从图中可看出，单片机的通信信号首先通过光隔，然后经过RS485接口芯片，将电平信号转换成电流环信号。经过长距离传输后，再通过另一个RS485接口芯片，将电流环信号转换成电平信号，该电平信号再经过光电隔离，zui后由PC机接收，故无论是PC机还是单片机都不会因数据传输线上可能遭受到的高压静电等的干扰而出现“死机”现象。

2.4 上位机系统

上位机系统即监控站，包括对数据的分析、处理、监控和记录。操作人员可以通过上位机监控变压器的运行状况。一般上位机采用普通PC机即可，其主要功能均由软件完成。该系统软件从功能上可以分为故障诊断和运行状态监控两大部分。其中故障诊断部分使用专家系统进行推理。运行状态监控的核心是计算机的实时数据库系统，它将现场测得的数据作为历史数据记入数据库并进行各种操作，并在上位机的监控界面上进行动态显示的同时对其进行报警处理。串口通信软件设计中，使用VB6.0中的MSComm控件（Mircrosoft Communications Control）非常方便,仅需通过简单的修改控件的属性和使用控件提供的方法，就可以实现对串口的配置，完成串口接收和发送数据等任务。
 

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