1 引言
變壓器的絕緣老化，主要是由于溫度、濕度、氧化和油中分解的劣化物質的影響所致。但老化的速度主要由溫度決定，絕緣的工作溫度愈高，化學反應進行的愈快，絕緣的機械強度和電氣強度喪失的愈快，絕緣老化速度愈快，變壓器使用年限也愈短。實際上繞組溫度受負荷波動和氣溫變化的影響，變化范圍很大。因此，對變壓器的溫度進行實時采集，使其維持在一定的范圍內，對變壓器的壽命有重要的意義。
在線監測變壓器油溫對早期診斷變壓器故障十分重要，但是因變壓器結構復雜，影響其安全運行的因素較多，使得在線監測的難度很大。油溫測量過去一般是采用間接的模擬測量方法，準確性差，而且不及時。文中針對以上問題，提出了采用鉑電阻作為變壓器油溫測量的傳感器，MSP430F449單片機為核心處理器件，實現對變壓器油溫測量，采用光纖實現與上位機之間的通信，在上位機運行油溫監控軟件，實時的監測變壓器油溫。該電力變壓器油溫測量系統代替直接輸入變壓器溫度控制器去控制電力變壓器冷卻系統，具有方便實時在線檢測、集中控制等特點。
2 變壓器散熱原理分析
變壓器在運行時產生的損耗以熱的形式通過油、油箱壁和散熱器散發到周圍的空氣中。熱量的散發通過導熱、對流和輻射三種形式。從繞組和鐵心的內部到其表面熱量主要靠導熱形式散發，從繞組和鐵心表面到變壓器油中熱量主要靠對流的形式散發。散發到變壓器油中的熱量使油箱中的變壓器油溫度上升、密度下降、產生熱浮力，而變壓器油在熱浮力的推動下，從油箱上部進人連接油管，通過油管進人散熱器。變壓器油在散熱器中經過和外面空氣的熱交換，使散熱器中的變壓器油溫度降低，從油箱下部進人連接油管，通過油管重新進入變壓器油箱，形成自然循環。變壓器的散熱量可由式(1)確定：
式中，Ql為單位熱負荷；Q為變壓器的損耗；F變壓器的總散熱面積；C1與變壓器性本身參數有關的常數；ty即變壓器溫升。
3 系統硬件設計
電力變壓器運行中，對其油溫的測量是維護電力變壓器安全運行的基礎和關鍵。電力變壓器冷卻系統的投退和超溫報警等都由其安裝的溫度控制器來實現。
本變壓器油溫測量系統以MSP430F449為主控制器件，它是TI公司生產的16位超低功耗特性的功能強大的單片機。MSP430單片機內部具有高、中、低速多個時鐘源，可以靈活的配置給各模塊使用以及工作于多種低功耗模式，大大降低控制電路的功耗提高整體效率。首先，電力變壓器油溫經過傳感器和信號調理電路采集放大為適合A／D轉換的電壓值。然后，A／D轉換器對模擬信號進行采樣并轉換位數字信號后經MSP430作預處理。 該監測系統通過MAX3221電平轉換電路采用光纖實現與PC機的串行通信，PC機實現對溫濕度值的進一步分析和對系統的控制。利用光纖收發模塊構建的光纖通信系統完成數據的遠程傳輸，借助MSP430單片機和主機(上位機)之間的串行通信完成人機交互監測，系統框圖如圖1。
3．1 鉑電阻及信號調理電路
鉑電阻具有準確度高、性能穩定、互換性好、耐腐蝕及使用方便等一系列優點，一直是工業測控系統中廣泛使用的一種比較理想的測溫元件。對于鉑電阻溫度計，電阻R溫度t的函數如公式(2)：
Rt=R0[1+at-bt2] (2)
式中Rt為t℃時的電阻值，R0為0℃時的電阻值100Ω；A為3．908 02×10-3／℃；B為-5．802×10-7／℃2。
這一過程將直接影響著系統的測量精度，當然強電磁場的工業環境同樣對系統的測控精度與穩定性產生較大的影響。
在0℃～650℃存在非線性項bt2，因此鉑電阻的阻值和溫度之間不是線性關系，這就要求在實際應用鉑電阻時要考慮到鉑電阻線性化校正的問題。對于高精度的鉑電阻測溫數字顯示儀表，可以將鉑電阻的電阻溫度分度表以A/D轉換器的輸出數據為地址固化在存儲器EPROM中，即在EPROM中，以A／D轉換值為單元地址存放與之相對應的溫度值。當以A／D轉換器的輸出結果為地址訪問EPROM時，存放在該單元的溫度值被讀取，并送入LCD顯示。
3．2 MSP430接口電路
溫度傳感器的輸出信號經溫度變送模塊轉化為OV～5V標準的電壓信號，進入電壓／頻率(V／F)轉換模塊，轉換為OkHz～100kHz的頻率輸出至MSP430的I/O口，經MSP430采樣計算后顯示在液晶模塊(LCD)上。采用P2．4口作為RXD接收數據，P2．5口作為TXD發送數據。F449外圍接口電路如圖2所示。
3．3 V／F模塊設計
系統用V/F轉換芯片將0V～5V電壓信號轉變成頻率輸出至單片機，既節省了I/O口，也節省了A／D轉換芯片，降低了系統成本。采用壓控振蕩器LM331芯片，它的突出特點是把模擬電壓轉換成抗干擾能力強，可遠距離傳送并能直接輸入單片機的脈沖串。
3．4 CMI編解碼原理
CMI碼是一種字母型平衡碼。根據CMI的編碼要求，首先對數據進行判斷，如果輸入的是數據“0”，則輸出的數據為“0l”，如果輸入數據“1”時，就要對“1”的奇偶性進行判斷，當第一個“1”到來時，輸出為“00”，當第二個“1”到來時，輸出為“11”，并不斷的交替反轉，來實現1的編碼。CMI解碼電路的作用是將光電轉換電路接收的電信號解碼還原。
3．5 光纖通信電路設計
光纖通信的原理是利用經過調制的光纖載波在光纖導纖維中的不斷反射到達對方，再解調出原始信息實現信息傳輸的，其主要特點是傳輸容量大、高速率、傳輸距離長、抗干擾性強、絕緣性能好等。尤其是抗電磁干擾和絕緣性能好這兩大特點，可應用于變電所、高壓線路等高電壓強電磁干擾環境，是目前電力系統通信中正在逐步廣泛應用的通信方式。
在光發射機端再對信號進行調制然后將調制好的電信號轉換成光信號，通過光纜進行長距離傳輸，在接收端將光信號還原成電信號，再把電信號進行解調放大，還原出原始信號。光端機的發送端內含有載波光源，在此將電信號轉換成光信號，并輸入光纖傳輸遠方。光端機的接收端內含有光檢測器，它將來自光纖的光信號還原成電信號，并輸入到光端機的接收端，數據可以全雙工傳輸。中繼器將經過長距離傳輸后被衰減和畸變了的光信號放大、整形再生成一定強度的光信號繼續傳送。
系統原理框圖如圖3所示。
光纖傳輸后的輸出信號再經過RS-485／232電平轉換后，可接到PC機的串口進行通信。
4 軟件設計
軟件流程圖如圖4所示。該系統的軟件是在IAR開發環境下采用C語言編寫，采用模塊化程序設計。系統初始化，顯示開機畫面之后開啟基本定時器，用于定時喚醒MSP430采樣并顯示實時溫度。顯示完溫度后進入低功耗模式，等待外部鍵盤中斷和定時器中斷，中斷返回后再次進入低功耗模式，從而降低了電能消耗。
在變壓器油溫監測系統中，以MSP430作為下位機，PC機作為上位機，下位機與上位機通過串口進行通信。運行上位機的監控軟件后，選擇開始通信按鈕便與下位機建立了通信，可以對下位機的狀態進行監測。遠程監測的軟件上顯示變壓器油溫值的數字與曲線，保存各測溫點的數據，在實際的操作過程中對異常的情況進行報警。
5 測試結果及分析
鄭州西郊變電站160MVA三相變壓器，額定電壓為220／12l／lO．5kV。該測溫系統于2007年1月投入使用，設置正常測試溫度在45℃～75℃，調試可使60℃的測量誤差為0，這樣在的測試范圍內誤差較小。
采用該測量系統對變壓器頂層油溫進行測量，抽取6月2日的一組實驗數據，如表1所示。其中標準溫度(實溫)測量采用高精度的水銀溫度計，由實驗數據可知，系統測量的精度是0．1℃，誤差在±0．5℃以內，符合設計的目標。
實驗結果表明，測溫系統工作穩定、測量方便、準確度較高。系統產生遲滯的原主要是由傳感探頭的導熱能力引起，同時信號調理電路是裝置的關鍵部分，對輸入信號處理質量的好壞對裝置的性能有著決定性的影響測量的精度。在實際測量過程中，溫度值有時會出現偏差。經溫度變送器轉換后，如顯示的溫度不正確。有可能是接線端子積灰、松動使電阻變大造成溫度誤差。
一般規定變壓器頂層油溫達到65℃時投入風扇，或負荷電流達到70%額定值時投入風扇。為防止風扇電機頻繁啟動，還應調整裝置在65℃時投入風扇，油面溫度下降至55℃時才退出風扇，或負荷電流低于50％額定值時切除風扇。因此，精確的測量變壓器油溫，可節省40％以上變壓器風扇在做無用功的時間。至2007年系統投入應用以來，節省42．3％的風扇用電量。
6 結語
由于變壓器使用地區不同，運行環境不同變壓器冷卻系統投入溫度值的確定既要考慮安全運行，又要考慮節能降耗。變壓器的輸出功率要隨之改變，所以實時的變壓器油溫在線監測非常必要。本系統能實現變壓器溫度信號的遠距離光纖傳輸，對變壓器油溫的精確測量且功耗超低，具有很高的性價比。
