干式變壓器在核電行業經過幾十年的發展, 目前干式變壓器已廣泛應用到各行各業的輸配電系統中, 其防火性能好, 免維護, 無污染, 抗短路能力強, 耐熱能力強, 安裝方便, 可靠性高等優點已為大家所熟知;而作為干式變壓器重要附件之一的溫度控制器, 其故障率一直相對較高, 運行可靠性較低, 長期以來困擾著眾多變壓器生產廠家及使用單位。核電行業是一個對設備可靠性要求很高的行業 , 福州英諾科技溫控器廠家結合核電行業對干式變壓器溫控器的使用要求, 提出了核電干式變壓器專用溫度控制器的可靠性和功能設計方案, 同時簡要地介紹了核電溫度控制器的電路系統設計。

核電溫控器可靠性設計方案 核電溫控器的設計引入了全新的理念, 通過以下三種設計方法全面提高其可靠性。

以下是網絡轉載，不代表本公司具體產品介紹

溫度采集電路的設計

變壓器三相低壓繞組每相預埋一只Pt100鉑電阻, 通過傳感總成線的D型插頭與溫控器插座相連。在變壓器投運前或停運后, 如長時間處于潮濕的環境中時 (核電站一般都建在沿海, 空氣長年比較潮濕) , 即使IP54防護等級的溫控器, 濕氣同樣會侵入。潮濕的空氣會在溫控器插座及傳感總成插頭的金屬接插件表面產生氧化層, 當氧化層積累到一定厚度, 就會造成插頭座接觸電阻增大, 引發溫控器測溫不準確。

核電溫控器可采用由恒流源、多路模擬開關、運放及A/D轉換電路構成的新型溫度采集電路。該電路采用四線制Pt100鉑電阻傳感器進行溫度測量, 可有效防止傳感線導線電阻和插頭接觸電阻引入的測量誤差, 實現長距離高精度溫度測量, 溫度測量準確遠高于目前市場上通用的變壓器溫控器 (一般采用三線制Pt100鉑電阻測溫) 。

一般來說只要接觸電阻超過1歐姆, 就會引起三線制Pt100測溫電路的溫度測量超差。而對于核電溫控器的溫度采集電路, 即使接觸電阻達到上百歐姆, 都不會影響到其溫度測量的精度, 確保對變壓器各相繞組溫度長期準確的測量。

選用高可靠、高防護Pt100鉑電阻傳感器, 采用Pt100斷續供電延壽設計和多余度溫度采集方法

Pt100鉑電阻傳感器是溫度控制器核心部件, 其性能穩定性直接決定溫控器的可靠性。目前普通溫控器所使用的Pt100鉑電阻傳感器一般是用不銹鋼保護套封裝, 對外引出三條引線, 外部防護性比較差, 在變壓器安裝、運輸及調試過程中較易損壞;同時, 由于Pt100鉑電阻傳感器長期工作在變壓器繞組附近, 在電應力、高電場、高磁場的作用下, 其壽命會大大縮短。因此, 對于高可靠性要求的核電溫控器必須采用高可靠、高防護的Pt100鉑電阻傳感器。

目前公認的高可靠性的Pt100鉑電阻是從德國進口的薄膜鉑電阻芯片, 其具有體積小、抗振性強, 元件一致性好, 熱響應時間短, 性能穩定, 復現性好等特點。將Pt100鉑電阻芯片密封在不銹鋼的保護套中, 引出線外包裹高強度不銹鋼屏蔽網, 大幅提高其防護性, 可有效防止在變壓器的運輸、安裝及調試過程損壞鉑電阻;同時, 不銹鋼的保護套及不銹鋼屏蔽網可有效屏蔽低壓繞組處的高電場、高磁場, 延長Pt100鉑電阻傳感器的使用壽命。

為進一步提高鉑電阻的使用壽命, 還可采用對鉑電阻斷續供電的方式:即需要對某相繞組溫度測量時, 才給該相的Pt100鉑電阻供電, 不測量則不供電, 減少鉑電阻的工作時間, 延長其使用壽命;同時也降低了通過傳感線引入溫控器干擾信號強度, 有效提高溫控器運行的可靠性。

當然, 高可靠的鉑電阻傳感器也會出現個別損壞的現象, 為了保證對變壓器繞組溫度測量的可靠性及連續性, 核電溫控器還可采用多余度溫度采集設計:即在變壓器每個低壓繞組預埋兩條Pt100鉑電阻傳感器, 一條用于主測溫, 另一條備用;主測溫的Pt100鉑電阻與備用Pt100鉑電阻各有一套獨立的測量電路, 一旦主測溫的Pt100鉑電阻或其測量電路出故障, 溫控器通過邏輯判斷, 可自動切除故障Pt100鉑電阻, 啟用備用Pt100鉑電阻測溫, 確保變壓器始終處于溫控器的保護下, 保證變壓器輸配電的持續性。

屏蔽、濾波等抗干擾措施及內部雙重邏輯控制

溫控器發生誤報警、誤跳閘故障的原因比較復雜, 但一般可歸結為兩類:一類為溫控器受到外部的強干擾, 使其軟、硬件系統發生紊亂, 引發溫控器誤報;另一類為溫控器的溫度采樣電路或Pt100鉑電阻傳感器損壞或漂移, 造成溫度采樣失真, 引發溫控器誤報。

針對外部強干擾引發的誤報警、誤跳閘:一方面可通過屏蔽、濾波的方式從外部降低干擾的侵入[4], 核電溫控器可采用鐵制箱體對內部電路屏蔽, 能有效降低射頻干擾信號的侵入;核電溫控器電源電路中增加由電容及電感組成的T型濾波電路, 可通過地線濾除電源上的串模及共模干擾信號。另一方面, 在內部電路上可采用高可靠、抗干擾能力強的AVR芯片作主控制芯片, 并進行合理的電路板布設, 提高電路本身的抗干擾能力。通過上述設計方法, 可大幅提高溫控器的抗干擾能力, 防止溫控器因外部強干擾作用而運行紊亂, 失效, 引發誤報警、誤跳閘。

對于溫控器溫度采樣失真引發的誤報故障, 提到的通過選用高可靠的Pt100鉑電阻及采用主、備測溫方式都可以加以預防。除此之外, 為進一步防止誤報的發生, 核電溫控器還可采用另一種PTC熱敏電阻傳感器 (此傳感器廣泛應用在電機測溫保護中) , 用于測量報警點及跳閘點的溫度, 該傳感器與Pt100鉑電阻同樣預埋在低壓繞組上。核電溫控器結合Pt100主、備測點及PTC測點的信息, 通過一系列的邏輯算法, 可有效地防止誤報警、誤跳閘的發生, 對變壓器實現Pt100和PTC雙重溫度保護。

核電溫控器的濕度控制功能設計方案

由于核電站一般都是建在沿海地區, 環境空氣比較潮濕, 在變壓器投運前或停運后, 都要求對變壓器外殼內的環境濕度進行控制, 防止變壓器受潮。核電溫控器可通過專門的環境溫、濕度模塊來采集變壓器外殼內的溫度及濕度, 在面板上實時顯示, 并可根據用戶預先設定濕度控制值, 通過啟動加熱器來調節變壓器外殼內的濕度。

部分核電站不提供獨立的外部電源, 其變壓器溫控器電源直接設計為從變壓器低壓側取電。因此, 一旦變壓器停運后, 溫控器也停止工作, 將直接造成停運變壓器濕度失控, 變壓器受潮。針對上述問題, 核電溫控器專門設計了一個雙電源切換電路, 主電源從變壓器低壓側取電, 副電源從變壓器房間的插座取電 (溫控器進行濕度控制時最大功率不超過600 W, 一般的電源插座的容量是完全可以滿足的) 。當變壓器停運后, 核電溫控器電源自動切換到房間插座電源處, 溫控器繼續工作, 控制濕度, 防止變壓器受潮;一旦變壓器啟用后, 電源又自動切回到變壓器低壓側, 以確保變壓器始終處于溫控器的監控保護下。

3核電溫控器電路系統設計

雙電源切換電路

核電溫控器雙電源切換電路由多個交流接觸器構成, 具備電路互鎖保護, 主、副電源可靠切換等功能。同時, 出于用電安全考慮, 在主、副電源輸入端都設有空開保護。

電源濾波/變壓/整流/穩壓電路

(1) 核電溫控器在電源輸入端設計有金屬膜安規電容、陶瓷電容及電感組成的T型濾波電路。

(2) 專門設置有地線接入口, 保證可靠接地。同時, 采用電源變壓器隔離降壓, 電源變壓器外殼接地。

(3) 采用高耐壓大功率二極管組成的整流電路將電源變壓器輸出的交流電源整流成直流后, 經穩壓模塊穩壓成穩定的直流給主板上各功能模塊供電。

主/備Pt100鉑電阻溫度采集電路

(1) 采用四線制Pt100鉑電阻測溫技術, 由恒流源及模擬開關實現Pt100鉑電阻輪流供電及溫度采樣。

(2) 采用高精度A/D轉換器, 對溫度信號實現高精度模數轉換。

PTC熱敏電阻溫度采集電路

由電阻及運放等元器件組成, 利用PTC140及PTC150熱敏電阻分別在超溫報警溫度點、超溫跳閘溫度點電阻突變的特性, 可有效捕捉到超溫報警溫度點及超溫跳閘溫度點, 并結合Pt100的測溫結果, 對變壓器實現雙重溫度保護。

單片機及存儲電路

新型核電溫控器選用芯片抗干擾能力極強, 內置功能強大, 有8路10位A/D轉換器、兩路通訊口、8路PMW發生器、64K程序存儲器, 64K數據存儲器等。該芯片目前廣泛應用在工業控制領域。

液晶顯示及鍵盤電路

(1) 顯示電路采用大屏幕液晶顯示屏, 可同時顯示各繞組的溫度及環境濕度, 顯示界面清淅、明確、直觀, 具有使用壽命長, 穩定性高等特點。

(2) 按鍵采用輕觸按鍵, 可方便地設定和查尋數據。

環境溫度/濕度采集電路

采用專用的環境溫度/濕度測量模塊, 可準確地測量周圍環境的溫度及濕度。

繼電器輸出驅動電路

(1) 采用總線控制器及繼電器功率驅動芯片組成繼電器驅動電路, 抗干擾能力強。

(2) 繼電器功率芯片有8路輸出, 最大每路驅動能力達500 m A, 可實現超溫報警、超溫跳閘、故障等無源接點輸出, 接點容量為2A/110VDC。

(3) 輸出風機及加熱器有源接點, 控制風機及加熱器啟停, 以達到降溫或除濕目的。

RS-485計算機接口電路及溫度量4~20 m A模擬輸出電路

采用光耦和MAX485芯片構成計算機接口電路, 溫控器可將各相溫度值、繼電器狀態等信息通過此接口上傳到用戶的主控計算機中, 并與外部通訊電路光電隔離。

采用高精度D/A轉換器及運放及三級管組成的4~20 m A模擬輸出電路, 每路4~20 m A輸出電路最大負載大于300Ω。

核電溫控器在常規溫控器電路設計的基礎上, 采用了新型高精度溫度采集電路, 選用了抗干擾能力強的主控芯片, 增加了濕度測量/控制及PTC測溫電路, 使其無論在功能、性能及可靠性方面都較常規溫控器有較大的提高。

核電干式變壓器用溫度控制器, 是在分析、總結常規干式變壓器溫控器可靠性薄弱環節的基礎上, 嚴格按照機械工業部標準JB/T7631-2005《變壓器用電子溫控器》和電磁兼容標準JB/T17626《電磁兼容試驗和測量技術》的要求設計的。核電溫控器采用了新的設計思路、甄選了新型材料、擴展了新型功能, 有效地提高其性能及運行可靠性。

當然, 從本質上講, 核電溫控器只是一款帶濕度控制的變壓器溫度控制器, 為適應今后儀表智能化、網絡化、無線化發展要求的, 還可以發展以下一些擴展功能, 進一步提升其整體性能:

(1) 測量變壓器高、低壓側的電壓、電流, 進行電能管理, 計算變壓器效率, 統計變壓器的負荷曲線, 為用戶高效使用變壓器提供技術方案;

(2) 記錄變壓器溫度數據, 并根據《變壓器負載導則》的要求計算變壓器剩余使用壽命, 方便用戶查尋;

(3) 根據變壓器維護要求, 到期提醒用戶進行變壓器保養維護;

(4) 利用成熟的互聯網技術, 增加以太網接口、無線網絡接口, 實現儀表的網絡化。

通過上述功能的擴展, 核電溫控器最終可轉變為綜合功能強大的變壓器智能控制器, 進而實現干式變壓器的智能化、網絡化。