浅析干式变压器温度测控系统

摘要：本文分析了110kV干式变压器温度测控系统需要解决的问题，并采用红外温度传感器代替传统的铂电阻进行非接触式温度测量，从红外温度传感器的测温原理、测温特点等方面进行了详细的阐述。同时该系统采用PLC对各种采样信号进行处理，提高了整个系统运行的安全性和可靠性。

关键词：干式变压器；红外温度传感器；PLC

本测控系统选用红外温度传感器、Ptl00热电阻对变压器的绕组和铁芯温度进行采样；选用电压互感器，电流变送器对低压侧绕组的电压、电流进行采样；选用SIEMENS的S7-300 PLC对各采样数据进行处理；同时根据需要，配合单相可控硅控制器，通过对变压器所配备的风机进行启/停和变速控制，实现对绕组温度的调节。

1 测控系统的方案设计

110kV干式变压器的测控系统主要由5部分组成：传感器、A/D、D/A模块、PLC主机、输入输出模块及可控硅控制器。

2 红外测温系统的设计

2.1 红外传感器系统的工作原理

一个典型的红外传感器系统由光学接收器、红外探测器和信号处理系统等部分组成

2.2 红外温度传感器的选择与安装

经过综合考虑选用了EXERGEN的本安型IRt/c.01-K-240F/120C红外温度传感器，标准包装带1米长电缆和两个安装螺母。

利用变压器用于紧固铁芯的U型上夹件，在绕组上表面的上方各安装一红外温度传感器，共6个，使其距离绕组上表面15mm左右。再将传感器连接到PLC的模拟量输入模块上，所测温度信号经过放大和A/D转换后，送入PLC主机利用软件进行数据处理。系统框图110kV干式变压器测温系统框图略。

IRt/c系列红外温度传感器为K型热电偶信号输出，可直接与PLC的A/D模块相连，采样信号经模块放大、滤波处理后，转换成分辨率为12位的数字信号，送入PLC的CPU。

2.3 红外测温系统的调试

首先给变压器通电，然后改变变压器所加负载的大小。加大负载，在温度上升的过程中，每隔20度对温度值记录一次，直至温度上升至140℃，即分别记录20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃、140℃时的温度；然后减小负载，在温度下降的过程中，再重新测量一遍。

将110kV干式变压器的测控系统所测得的温度值与传统温控器的测量值进行比较，根据红外温度传感器所测温度值与实际温度值(Pt-100所测温度值)的偏差，每20度为一单元，利用PLC软件编程，对温度值进行线性标定。标定后温度的误差在 1℃的范围内。

3 冷却风机控制系统的设计

3.1 冷却风机系统自动操作子程序

在温度较低时，风机停止，变压器通过自然风冷降温；在温度很高时，全速开启风机降温；在温度较高时，采用PID控制对风机转速进行调节，尽可能提前的降低温度。

3.2 冷却风机系统的PID设计

3.2.1 PID模块

S7编程软件V5.1中的标准程序库中，包含有PID控制块，该块中又包含五个于PID控制的功能块(FB)，其中FB58(TCONT_CP)和59(TCONT_S) ［1-4］专门用于温度控制的功能块。

3.2.2 功能块FB58的编制

FB58(TCONT_CP)是S7编程软件提供的基于PID算法的功能块，通过连续的或脉动的控制信号控制温度过程，可用于纯加热或纯降温控制。

FB58的部分输入输出参数如下：

SP_INT:INTERNAL SETPOINT. 设定值以浮点格式从SP_INT端输入。

PV_IN:PROCESS VARIABLE IN.过程变量以浮点格式从PV_IN端输入。

SELECT:SELECTION OF CALL PID AND PULSE GENERATOR.该端有4种输入方式。SELECT=0，功能块被周期性的中断调用，PID算法与脉宽发生器同时作用。SELECT=l，功能块被组织块0B1调用，仅处理PID算法。SELECT=2，功能块被周期性的中断调用，仅脉宽发生器作用。SELECT= 3，功能块被周期性的中断调用，仅处理PID算法。

MAN_ON:MANUAL OPERATION ON.该端置1，进行手动操作。

PVPER_ON:PROCESS VARIABLE PERIPHERT.该端置l时，以外设I/O格式输入过程变量。

LMN:MANIPULATED VARIABLE.操作变量，FB58的输出值。该值以浮点格式输出，并通过限幅函数限制其大小。

CYCLE:SAMPLE TIME OF CONTINUOUS CONTROLLER.PID算法的采样时间。

COM_RST:COMPLETE RESTART.该端为TRUE时，FB58执行重启动，FB58的所有参数将初始化为默认值。

在对功能块FB58进行编制时，首先将该功能块从标准程序库中复制到该项目中，然后为其创建背景数据块。由于该测控系统中，FB58被6次调用，因此共有6个背景DB。温度信号经过PLC数字滤波和标定后，以浮点格式送入VP_NI端，SELECT端输入为1，MAN_N0端为0，PVPER_N0端为0。通过对每组风机的调试，将有效的比例常数GAIN，积分时间常数TI，微分时间常数TD和采样周期CYCLE值以特殊结构保存至FB58的相应背景数据块中。输出值以浮点格式从LMN端输出，经PLC转换后，送至模拟量输出模块，用于驱动可控硅控制器。

3.3 冷却风机电气控制组成及原理图

3.3.1 风机电气控制系统的组成

(1) 六组单相风机M1、M2、M3、M4、M5、M6。每组由4台风机组成。

(2) 六个接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6。任一接触器闭合时，其对应的风机组可进行全速运行；打开时，其对应的风机组可变速运行。

(3) 六个双向晶闸管KS1、KS2、KS3、KS4、KS5、KS6。可对风机组调压调速。

(4) 六块单相可控硅控制器，CF2B(1)—CF2B(6)。利用晶闸管的移相控制原理，通过控制器控制晶闸管的导通角，改变其输出电压。六块控制器的输出保护继电器为KA1、KA2、KA3、KA4、KA5、KA6。

3.3.2 电气控制原理

对冷却风机的电气控制系统，由PLC的数字量输入输出模块输出可控硅控制器的脉冲封锁信号F1~F6，控制风机组的通电与断电；由数字量输出模块输出风机组全速运转信号KM1~MK6；由模拟量输出模块输出经PID处理的模拟信号AGFout~CDFout，控制风机组变速运转时的转速,电气控制原理图略。

正常情况下，F1~F6为高电平，控制器的常闭保护继电器断开，风机无外加电源，停止运行；KM1~KM6为高电平，接触器闭合，使风机组一旦接通，可全速运转。当绕组温度升至90℃时(以A相高压绕组为例)，Fl输出低电平，保护继电器闭合，风机组M1通电，并以全速运转。然后KM1置0，同时控制器根据模拟量信号AGFout的大小进行移相调节，通过晶闸管KS1改变风机组Ml两端的电压，使风机变速运行。当绕组温度升至100℃时，KM1输出高电平，使接触器KM1闭合，晶闸管KS1被短路，风机组Ml全速运行。当绕组温度下降至80℃时，Fl输出高电平，风机组停止运转。

4 结 论

本文所研究的系统是一个较为完整的测控系统，包含了温度信号的采集、处理和控制。该测控系统采用红外温度传感器代替Pt100热电阻，选用SIEMENS的S7-300 PLC代替单片机，对电压、电流、温度同时进行监测、控制风机制冷及报警。特别是专门用于温度控制的功能块FB58，实现纯软件PID控制，方便使用而且宜于维护。

同时配合单相可控硅控制器，通过对变压器所配备的风机进行启/停和变速控制，实现对绕组温度的调节并且能够实现对风机的有效节能。最终实现通过PLC对各样采集数据的处理以及对风机的控制。