干式变压器在核电行业经过几十年的发展, 目前干式变压器已广泛应用到各行各业的输配电系统中, 其防火性能好, 免维护, 无污染, 抗短路能力强, 耐热能力强, 安装方便, 可靠性高等优点已为大家所熟知;而作为干式变压器重要附件之一的温度控制器, 其故障率一直相对较高, 运行可靠性较低, 长期以来困扰着众多变压器生产厂家及使用单位。核电行业是一个对设备可靠性要求很高的行业 , 福州英诺科技温控器厂家结合核电行业对干式变压器温控器的使用要求, 提出了核电干式变压器专用温度控制器 的可靠性和功能设计方案, 同时简要地介绍了核电温度控制器的电路系统设计。
目前变压器温度控制器的常见故障主要有以下几点:
(1) 使用一段时间后, 温度测量不准确;
(2) Pt100铂电阻传感器容易损坏, 可靠性不高;
(3) 误报警、误跳闸引发用电安全, 给用户造成损失。
在对上述几点温控器主要故障发生机理进行全面分析的基础上, 核电温控器的设计引入了全新的理念, 通过以下三种设计方法全面提高其可靠性。
1.1温度采集电路的设计
变压器三相低压绕组每相预埋一只Pt100铂电阻, 通过传感总成线的D型插头与温控器插座相连。在变压器投运前或停运后, 如长时间处于潮湿的环境中时 (核电站一般都建在沿海, 空气长年比较潮湿) , 即使IP54防护等级的温控器, 湿气同样会侵入。潮湿的空气会在温控器插座及传感总成插头的金属接插件表面产生氧化层, 当氧化层积累到一定厚度, 就会造成插头座接触电阻增大, 引发温控器测温不准确。
核电温控器可采用由恒流源、多路模拟开关、运放及A/D转换电路构成的新型温度采集电路[2,3]。该电路采用四线制Pt100铂电阻传感器进行温度测量, 可有效防止传感线导线电阻和插头接触电阻引入的测量误差, 实现长距离高精度温度测量, 温度测量准确远高于目前市场上通用的变压器温控器 (一般采用三线制Pt100铂电阻测温) 。
一般来说只要接触电阻超过1欧姆, 就会引起三线制Pt100测温电路的温度测量超差。而对于核电温控器的温度采集电路, 即使接触电阻达到上百欧姆, 都不会影响到其温度测量的精度, 确保对变压器各相绕组温度长期准确的测量。
1.2选用高可靠、高防护Pt100铂电阻传感器, 采用Pt100断续供电延寿设计和多余度温度采集方法
Pt100铂电阻传感器是温度控制器核心部件, 其性能稳定性直接决定温控器的可靠性。目前普通温控器所使用的Pt100铂电阻传感器一般是用不锈钢保护套封装, 对外引出三条引线, 外部防护性比较差, 在变压器安装、运输及调试过程中较易损坏;同时, 由于Pt100铂电阻传感器长期工作在变压器绕组附近, 在电应力、高电场、高磁场的作用下, 其寿命会大大缩短。因此, 对于高可靠性要求的核电温控器必须采用高可靠、高防护的Pt100铂电阻传感器。
目前公认的高可靠性的Pt100铂电阻是从德国进口的薄膜铂电阻芯片, 其具有体积小、抗振性强, 元件一致性好, 热响应时间短, 性能稳定, 复现性好等特点。将Pt100铂电阻芯片密封在不锈钢的保护套中, 引出线外包裹高强度不锈钢屏蔽网, 大幅提高其防护性, 可有效防止在变压器的运输、安装及调试过程损坏铂电阻;同时, 不锈钢的保护套及不锈钢屏蔽网可有效屏蔽低压绕组处的高电场、高磁场, 延长Pt100铂电阻传感器的使用寿命。
为进一步提高铂电阻的使用寿命, 还可采用对铂电阻断续供电的方式:即需要对某相绕组温度测量时, 才给该相的Pt100铂电阻供电, 不测量则不供电, 减少铂电阻的工作时间, 延长其使用寿命;同时也降低了通过传感线引入温控器干扰信号强度, 有效提高温控器运行的可靠性。
当然, 高可靠的铂电阻传感器也会出现个别损坏的现象, 为了保证对变压器绕组温度测量的可靠性及连续性, 核电温控器还可采用多余度温度采集设计:即在变压器每个低压绕组预埋两条Pt100铂电阻传感器, 一条用于主测温, 另一条备用;主测温的Pt100铂电阻与备用Pt100铂电阻各有一套独立的测量电路, 一旦主测温的Pt100铂电阻或其测量电路出故障, 温控器通过逻辑判断, 可自动切除故障Pt100铂电阻, 启用备用Pt100铂电阻测温, 确保变压器始终处于温控器的保护下, 保证变压器输配电的持续性。
1.3屏蔽、滤波等抗干扰措施及内部双重逻辑控制
温控器发生误报警、误跳闸故障的原因比较复杂, 但一般可归结为两类:一类为温控器受到外部的强干扰, 使其软、硬件系统发生紊乱, 引发温控器误报;另一类为温控器的温度采样电路或Pt100铂电阻传感器损坏或漂移, 造成温度采样失真, 引发温控器误报。
针对外部强干扰引发的误报警、误跳闸:一方面可通过屏蔽、滤波的方式从外部降低干扰的侵入[4], 核电温控器可采用铁制箱体对内部电路屏蔽, 能有效降低射频干扰信号的侵入;核电温控器电源电路中增加由电容及电感组成的T型滤波电路, 可通过地线滤除电源上的串模及共模干扰信号。另一方面, 在内部电路上可采用高可靠、抗干扰能力强的AVR芯片作主控制芯片, 并进行合理的电路板布设, 提高电路本身的抗干扰能力。通过上述设计方法, 可大幅提高温控器的抗干扰能力, 防止温控器因外部强干扰作用而运行紊乱, 失效, 引发误报警、误跳闸。
对于温控器温度采样失真引发的误报故障, 在本文2.2条提到的通过选用高可靠的Pt100铂电阻及采用主、备测温方式都可以加以预防。除此之外, 为进一步防止误报的发生, 核电温控器还可采用另一种PTC热敏电阻传感器 (此传感器广泛应用在电机测温保护中) , 用于测量报警点及跳闸点的温度, 该传感器与Pt100铂电阻同样预埋在低压绕组上。核电温控器结合Pt100主、备测点及PTC测点的信息, 通过一系列的逻辑算法, 可有效地防止误报警、误跳闸的发生, 对变压器实现Pt100和PTC双重温度保护。
核电温控器的湿度控制功能设计方案由于核电站一般都是建在沿海地区, 环境空气比较潮湿, 在变压器投运前或停运后, 都要求对变压器外壳内的环境湿度进行控制, 防止变压器受潮。核电温控器可通过专门的环境温、湿度模块来采集变压器外壳内的温度及湿度, 在面板上实时显示, 并可根据用户预先设定湿度控制值, 通过启动加热器来调节变压器外壳内的湿度。
部分核电站不提供独立的外部电源, 其变压器温控器电源直接设计为从变压器低压侧取电。因此, 一旦变压器停运后, 温控器也停止工作, 将直接造成停运变压器湿度失控, 变压器受潮。针对上述问题, 核电温控器专门设计了一个双电源切换电路, 主电源从变压器低压侧取电, 副电源从变压器房间的插座取电 (温控器进行湿度控制时大功率不超过600 W, 一般的电源插座的容量是完全可以满足的) 。当变压器停运后, 核电温控器电源自动切换到房间插座电源处, 温控器继续工作, 控制湿度, 防止变压器受潮;一旦变压器启用后, 电源又自动切回到变压器低压侧, 以确保变压器始终处于温控器的监控保护下。
3核电温控器电路系统设计
核电温控器电路如图1电路框图所示, 由双电源切换电路、电源滤波/整流/稳压电路、主/备Pt100铂电阻采集电路、PTC热敏电阻采集电路、单片机及存储电路、液晶显示及键盘电路、环境温度/湿度采集电路、继电器输出驱动电路、温度量4~20 m A模拟输出电路、RS-485计算机接口电路构成。
双电源切换电路
核电温控器双电源切换电路由多个交流接触器构成, 具备电路互锁保护, 主、副电源可靠切换等功能。同时, 出于用电安全考虑, 在主、副电源输入端都设有空开保护。
电源滤波/变压/整流/稳压电路
(1) 核电温控器在电源输入端设计有金属膜安规电容、陶瓷电容及电感组成的T型滤波电路。
(2) 专门设置有地线接入口, 保证可靠接地。同时, 采用电源变压器隔离降压, 电源变压器外壳接地。
(3) 采用高耐压大功率二极管组成的整流电路将电源变压器输出的交流电源整流成直流后, 经稳压模块稳压成稳定的直流给主板上各功能模块供电。
3.3主/备Pt100铂电阻温度采集电路
(1) 采用四线制Pt100铂电阻测温技术, 由恒流源及模拟开关实现Pt100铂电阻轮流供电及温度采样。
(2) 采用高精度A/D转换器, 对温度信号实现高精度模数转换。
3.4 PTC热敏电阻温度采集电路
由电阻及运放等元器件组成, 利用PTC140及PTC150热敏电阻分别在超温报警温度点、超温跳闸温度点电阻突变的特性, 可有效捕捉到超温报警温度点及超温跳闸温度点, 并结合Pt100的测温结果, 对变压器实现双重温度保护。
单片机及存储电路
新型核电温控器选用Atmel公司生产的AVR芯片作为主控芯片, 该芯片抗干扰能力极强, 内置功能强大, 有8路10位A/D转换器、两路通讯口、8路PMW发生器、64K程序存储器, 64K数据存储器等。该芯片目前广泛应用在工业控制领域。
液晶显示及键盘电路
(1) 显示电路采用大屏幕液晶显示屏, 可同时显示各绕组的温度及环境湿度, 显示界面清淅、明确、直观, 具有使用寿命长, 稳定性高等特点。
(2) 按键采用轻触按键, 可方便地设定和查寻数据。
环境温度/湿度采集电路
采用专用的环境温度/湿度测量模块, 可准确地测量周围环境的温度及湿度。
继电器输出驱动电路
(1) 采用总线控制器及继电器功率驱动芯片组成继电器驱动电路, 抗干扰能力强。
(2) 继电器功率芯片有8路输出, 大每路驱动能力达500 m A, 可实现超温报警、超温跳闸、故障等无源接点输出, 接点容量为2A/110VDC。
(3) 输出风机及加热器有源接点, 控制风机及加热器启停, 以达到降温或除湿目的。
RS-485计算机接口电路及温度量4~20 m A模拟输出电路
采用光耦和MAX485芯片构成计算机接口电路, 温控器可将各相温度值、继电器状态等信息通过此接口上传到用户的主控计算机中, 并与外部通讯电路光电隔离。
采用高精度D/A转换器及运放及三级管组成的4~20 m A模拟输出电路, 每路4~20 m A输出电路大负载大于300Ω。
核电温控器在常规温控器电路设计的基础上, 采用了新型高精度温度采集电路, 选用了抗干扰能力强的主控芯片, 增加了湿度测量/控制及PTC测温电路, 使其无论在功能、性能及可靠性方面都较常规温控器有较大的提高。
核电干式变压器用温度控制器, 是在分析、总结常规干式变压器温控器可靠性薄弱环节的基础上, 严格按照机械工业部标准JB/T7631-2005《变压器用电子温控器》和电磁兼容标准JB/T17626《电磁兼容试验和测量技术》的要求设计的。核电温控器采用了新的设计思路、甄选了新型材料、扩展了新型功能, 有效地提高其性能及运行可靠性。
当然, 从本质上讲, 核电温控器只是一款带湿度控制的变压器温度控制器, 为适应今后仪表智能化、网络化、无线化发展要求的, 还可以发展以下一些扩展功能, 进一步提升其整体性能:
(1) 测量变压器高、低压侧的电压、电流, 进行电能管理, 计算变压器效率, 统计变压器的负荷曲线, 为用户高效使用变压器提供技术方案;
(2) 记录变压器温度数据, 并根据《变压器负载导则》的要求计算变压器剩余使用寿命, 方便用户查寻;
(3) 根据变压器维护要求, 到期提醒用户进行变压器保养维护;
(4) 利用成熟的互联网技术, 增加以太网接口、无线网络接口, 实现仪表的网络化。
通过上述功能的扩展, 核电温控器终可转变为综合功能强大的变压器智能控制器, 进而实现干式变压器的智能化、网络化。