【正文】 電力變壓器溫度監(jiān)控冷卻系統(tǒng) 摘 要 本設(shè)計(jì)針對(duì)電力變壓器冷卻系統(tǒng)中使用常規(guī)控制系統(tǒng)時(shí)存在的控制回路復(fù)雜、可靠性低、風(fēng)機(jī)保護(hù)方式簡(jiǎn)單、油溫測(cè)量精度低、控制誤差大、無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套智能化變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)以 PIC16F877單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器油溫的實(shí)時(shí)采集、 LED顯示、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，并參考油溫變化對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。風(fēng)機(jī)側(cè)完善的保護(hù)裝置為 CPU提供準(zhǔn)確的風(fēng)機(jī)故障信號(hào)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 關(guān)鍵詞 ： 單片機(jī) 、 變壓器 冷卻系統(tǒng) 、風(fēng)機(jī)故障、油溫采集 目 錄 摘 要 ................................................................ 1 ABSTRACT ............................................................. 2 緒 論 ................................................................ 5 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 ................................................. 6 第一節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù) ................................................ 6 第二節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求 ................................................ 6 第二章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 .................................................. 8 第一節(jié) 系統(tǒng)工作的一般原理 ............................................ 8 第二節(jié) 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 .................................... 8 方案一 ........................................................ 9 方案二 ....................................................... 10 方案三 ....................................................... 12 第三節(jié) 設(shè)計(jì)方案的確定 ............................................... 13 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) ................................................... 16 第一節(jié) 單片機(jī)的選型 ................................................. 16 第二節(jié) 振蕩器配置選擇 ............................................... 18 晶體振蕩器 /陶瓷諧振器方式 .................................... 18 RC 振蕩器 .................................................... 20 第三節(jié) 溫度采集電路模塊設(shè)計(jì) ......................................... 22 溫度檢測(cè)電路 ................................................. 22 光電耦合隔離放大電路 ......................................... 24 第四節(jié) 按鍵輸入和顯示電路部分設(shè)計(jì) ................................... 29 按鍵輸入電路模塊設(shè)計(jì) ......................................... 29 顯示電路部分設(shè)計(jì) ............................................. 29 第五節(jié) 無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ........................................... 33 第六節(jié) 主回路部分設(shè)計(jì) ............................................... 38 風(fēng)冷機(jī)的保護(hù)簡(jiǎn)要介紹 ......................................... 38 輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ............................................. 38 第七節(jié) 直流電源的設(shè)計(jì) ............................................... 46 第四章 軟件部分設(shè)計(jì) ................................................... 50 第一節(jié) 軟件需求分析 ................................................. 50 第二節(jié) 各模塊的流程圖 .............................................. 52 緒 論 近年來(lái)，隨著我國(guó)電力事業(yè)的飛速發(fā)展， 電力變壓器是發(fā)、輸、變、配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，它的性能、質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和運(yùn)營(yíng)效益 。 電力變壓器是電力系統(tǒng)運(yùn)行的核心設(shè)備之一，因此，電力變壓器安全可靠的運(yùn)行是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的根本保障。 隨著變壓器容量的增大，變壓器的損耗同樣會(huì)增大，單靠箱壁和散熱器已不能滿足散熱要求，需采用子循環(huán)風(fēng)冷或強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)（水）冷，使熱油經(jīng)過(guò)強(qiáng)風(fēng)（水）冷卻器，冷卻后再用油泵送回變壓器。大容量的變壓器已經(jīng)采用導(dǎo)向冷卻 ，在繞組和鐵心內(nèi)部，設(shè)有一定的油路，使進(jìn)入油箱內(nèi)的冷油全部通過(guò)繞組和鐵芯內(nèi)部流出，這樣帶走了大量的熱量，可以提高散熱效率。變壓器冷卻系統(tǒng)決定了變壓器的正常使用壽命及能否正常運(yùn)行，因此變壓器的冷卻系統(tǒng)對(duì)變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行又極其重要的意義。在發(fā)電廠或變電所，風(fēng)冷式變壓器采用多組風(fēng)機(jī)降溫，控制變壓器的油溫在額定范圍之內(nèi)，保證變壓器正常工作。 為了提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和延長(zhǎng)變壓器的使用壽命，應(yīng)該對(duì)變壓器的油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 目前，還有許多變壓器采用由電接點(diǎn)式溫度計(jì)采集、顯示變壓器油溫，控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn) 變壓器的溫度控制，在實(shí)際運(yùn)行中，由于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)全部投入，同時(shí)全部停止，沖擊電流較大，嚴(yán)重影響了電機(jī)的使用壽命。且由于無(wú)法和控制室聯(lián)系，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)變壓器的無(wú)人控制，增加了運(yùn)行成本。 變壓器溫控器總存在一些問(wèn)題，如測(cè)溫誤差大、抗干擾能力差等，這些都是在工程界非常棘手的問(wèn)題。而早期的溫度控制器，由于體積大、操作復(fù)雜、抗干擾能力差，給工程現(xiàn)場(chǎng)的使用也帶來(lái)了很大不便。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫度控制器正向單片集成化、智能化的方向迅速發(fā)展。 針對(duì)電力變壓器在運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題，可以采用的智能溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度的自 動(dòng)采集、顯示、風(fēng)機(jī)的順序起停。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求，本設(shè)計(jì)選用了 PIC16F877單片機(jī)構(gòu)成變壓器溫度控制系統(tǒng)，設(shè)備操作簡(jiǎn)單，用戶可通過(guò)面板按鍵輕松設(shè)定控制風(fēng)機(jī)起停、報(bào)警及跳閘閥值，所有設(shè)定參數(shù)掉電后均不會(huì)丟失。溫度采集精度很高， 并且采取了很多措施來(lái)保護(hù)電機(jī)，如過(guò)載、缺相保護(hù)等。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境較惡劣，會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾，設(shè)計(jì)采取了抗干擾措施，在集成電路的電源入口處加了濾波電容，且送入單片機(jī)的信號(hào)都經(jīng)過(guò)了光耦隔離。 最后通過(guò)無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控， 控制室通過(guò)無(wú)線通信及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，可任意對(duì)各 種事故做出及時(shí)地反映， 實(shí)現(xiàn)了變壓器的無(wú)人控制。系統(tǒng)整體具有測(cè)溫誤差 小、分辨力高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，所有器件的選擇均滿足工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并適合高溫環(huán)境。 由于采取了以上措施，可以保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作，設(shè)計(jì)具有很好的擴(kuò)展性，能滿足各種型號(hào)變壓器的要求。 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù) 在我們的生活中，電力安全是至關(guān)重要的，而電力變壓器又是電力系統(tǒng)的重要組成部分。電力系統(tǒng)中常用的油浸風(fēng)冷式電力變壓器多采用多組風(fēng)機(jī)降溫，控制變壓器的油溫在工藝要求的范圍之內(nèi)。目前現(xiàn)場(chǎng)還有相當(dāng)數(shù)量的油浸風(fēng)冷電力變壓器由電接 點(diǎn)式溫度計(jì)采集、顯示變壓器油溫，控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)變壓器的溫度控制，即在變壓器油溫大于上限溫度時(shí)啟動(dòng)全部風(fēng)機(jī)，當(dāng)油溫降至下限溫度時(shí)停止全部風(fēng)機(jī)。而實(shí)際運(yùn)行中這種控制方式有不少的缺點(diǎn)，如風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)全部投入，沖擊電流太大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。 針對(duì)以上種種問(wèn)題，要求本設(shè)計(jì)選用一款集成度較高的單片機(jī)，并采用無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有落后的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，滿足自動(dòng)化要求。 設(shè)計(jì)主要完成的工作。 本設(shè)計(jì)須完成風(fēng)冷式電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)部分的設(shè)計(jì)，主要包括以下工作 ： （ 1）收集電力變壓器溫度控制系統(tǒng)的控制原理的實(shí)際資料，確定要保證變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)正常運(yùn)行及實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班所需的遠(yuǎn)程通訊功能，必須采用以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)來(lái)完成；為保證風(fēng)機(jī)能可靠安全運(yùn)行，必須收集一既能被單片機(jī)驅(qū)動(dòng)又能保證風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)行的元件。 （ 2）方案設(shè)計(jì)。 （ 3）確定系統(tǒng)配置及功能，并根據(jù)系統(tǒng)功能要求完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。 （ 4）根據(jù)設(shè)計(jì)原則完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 （ 5）撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，繪制系統(tǒng)電路原理圖。 （ 6）完成指定內(nèi)容的外文資料翻譯。 第二節(jié) 設(shè)計(jì)要求 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 （ 1）完 成系統(tǒng)設(shè)計(jì)； （ 2）選擇合適的單片機(jī)，作為主機(jī) CPU； （ 3）獨(dú)自完成主機(jī)硬件、軟件設(shè)計(jì)，其中硬件部分主要包括溫度采集、 LED 顯示、主控電路、無(wú)線通訊、電源電路等，軟件部分主要包括流程圖設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)及調(diào)試； （ 4）完成相關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙繪制和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能 （ 1）將采集到的油溫在就地和遠(yuǎn)端（控制室）用 LED 實(shí)時(shí)顯示油溫，主機(jī)和從機(jī)之間的通訊采用無(wú)線通信方式； （ 2）系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)、手動(dòng)、停止三種運(yùn)行方式，正常時(shí)采用自動(dòng)方式運(yùn)行，主控板檢修時(shí)采用手動(dòng)方式運(yùn)行，并且 能夠靈活選擇運(yùn)行方式。 （ 3）在自動(dòng)方式運(yùn)行下，當(dāng)變壓器油溫超過(guò)上限時(shí)，風(fēng)機(jī)全部投入；當(dāng)溫度低于工藝下限時(shí)，風(fēng)機(jī)全部停止；當(dāng)溫度由高下降到上限和下限的中間值時(shí)，只投入 3 組風(fēng)機(jī)；在投入 3 組風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，先運(yùn)行的 3 組風(fēng)機(jī)運(yùn)行 1小時(shí)后（這三組風(fēng)機(jī)在變壓器周圍間隔安裝），自動(dòng)切換到另外 3 組（這三組風(fēng)機(jī)也在變壓器周圍間隔安裝）， 1 小時(shí)后又切換到原來(lái)的 3 組，如此交替運(yùn)行，既延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的使用壽命，又能使變壓器均勻降溫。溫度上限值和下限值可以通過(guò)硬件靈活設(shè)置，以適應(yīng)不同類型和不同環(huán)境使用的變壓器；變壓器油溫超過(guò)上限值時(shí)，風(fēng)機(jī)群 全部投入運(yùn)行時(shí)，采用順序啟動(dòng)方式依次啟動(dòng)，防止啟動(dòng)電流過(guò)大情況發(fā)生造成設(shè)備損壞； （ 4）系統(tǒng)具有故障自診斷功能，當(dāng)某一風(fēng)機(jī)工作異常時(shí)如過(guò)壓、缺相、過(guò)載時(shí)，系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場(chǎng)和控制室發(fā)出報(bào)警信號(hào)，顯示故障類型和故障發(fā)生的位置，便于工作人員及時(shí)進(jìn)行設(shè)備檢修； （ 5）系統(tǒng)設(shè)置正常運(yùn)行、故障運(yùn)行、油溫超過(guò) 75℃三項(xiàng)遠(yuǎn)傳開(kāi)關(guān)信號(hào)； （ 6）本設(shè)計(jì)中油溫的上限缺省值為 55℃，下限缺省值為 45℃，要求上限值和下限缺省值能夠方便的通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)； （ 7）系統(tǒng)要采用必要的抗干擾措施（包括硬件和軟件）。 主要技術(shù)指 標(biāo) 控制系統(tǒng)的工作電源為 220V/50HZ 的工頻交流電，容量為 31500KVA；風(fēng)機(jī)有 6 組， 每組 2 個(gè)風(fēng)機(jī)，均勻排列在變壓器四周，每個(gè)風(fēng)機(jī)功率為 ；溫度測(cè)量范圍為0100℃，溫度采集精度為177。 2℃，溫度控制精度為177。 5℃。 第二章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 第一節(jié) 系統(tǒng)工作的一般原理 傳統(tǒng)的電力變壓器由人工控制風(fēng)機(jī)，每臺(tái)變壓器有 6組風(fēng)冷式電動(dòng)機(jī)需要控制，每組風(fēng)機(jī)的保護(hù)通過(guò)熱繼電器實(shí)現(xiàn)，控制風(fēng)機(jī)電源回路通過(guò)接觸器，而風(fēng)機(jī)啟停的邏輯判斷通過(guò)測(cè)量變壓器的油溫和變壓器的過(guò)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)，工作原理如圖 21所示。主 電路控制元件采用了接觸器，靠機(jī)械觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。這種方式對(duì)風(fēng)機(jī)的控制只能由人工完成，風(fēng)機(jī)同時(shí)全部投入，同時(shí)全部停止，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很大，會(huì)對(duì)器件造成損傷。當(dāng)溫度在 45℃ 55℃ 時(shí)，通常采用全部投入的方式，不利于節(jié)能，也不利于設(shè)備的維護(hù)?？刂破飨到y(tǒng)采用繼電器、熱繼電器、接觸器邏輯電路控制，控制邏輯顯得很復(fù)雜，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)接觸器的觸點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間接觸及多次開(kāi)斷造成觸點(diǎn)燒毀問(wèn)題。風(fēng)機(jī)缺乏必要的過(guò)壓、過(guò)載、缺相保護(hù)，實(shí)際運(yùn)行中降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，增加運(yùn)行成本。 圖 21 傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)工作原理圖 第二節(jié) 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)以 PIC16F877 單片機(jī)為核心完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求對(duì)油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集結(jié)果送入 MCU 進(jìn)行處理，然后按照工藝要求進(jìn)行相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器溫度的全自動(dòng)遠(yuǎn)程和就地監(jiān)控，系統(tǒng)要具有完善的保護(hù)功能，包括過(guò)壓、過(guò)載、缺相檢測(cè)和保護(hù)，還要具備故障自診斷功能，在故障出現(xiàn)時(shí)，給出故障信息，顯示故障類型，便于工作人員