干式變壓器在核電行業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展, 目前干式變壓器已廣泛應用到各行各業(yè)的輸配電系統中, 其防火性能好, 免維護, 無(wú)污染, 抗短路能力強, 耐熱能力強, 安裝方便, 可靠性高等優(yōu)點(diǎn)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(cháng)期以來(lái)困擾著(zhù)眾多變壓器生產(chǎn)廠(chǎng)家及使用單位。核電行業(yè)是一個(gè)對設備可靠性要求很高的行業(yè) , 福州英諾科技溫控器廠(chǎng)家結合核電行業(yè)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(zhuān)用溫度控制器的可靠性和功能設計方案, 同時(shí)簡(jiǎn)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(guò)以下三種設計方法全面提高其可靠性。

以下是網(wǎng)絡(luò )轉載，不代表本公司具體產(chǎn)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(guò)傳感總成線(xiàn)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(cháng)時(shí)間處于潮濕的環(huán)境中時(shí) (核電站一般都建在沿海, 空氣長(cháng)年比較潮濕) , 即使IP54防護等級的溫控器, 濕氣同樣會(huì )侵入。潮濕的空氣會(huì )在溫控器插座及傳感總成插頭的金屬接插件表面產(chǎn)生氧化層, 當氧化層積累到一定厚度, 就會(huì )造成插頭座接觸電阻增大, 引發(fā)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(kāi)關(guān)、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(xiàn)制Pt100鉑電阻傳感器進(jìn)行溫度測量, 可有效防止傳感線(xiàn)導線(xiàn)電阻和插頭接觸電阻引入的測量誤差, 實(shí)現長(cháng)距離高精度溫度測量, 溫度測量準確遠高于目前市場(chǎng)上通用的變壓器溫控器 (一般采用三線(xiàn)制Pt100鉑電阻測溫) 。

一般來(lái)說(shuō)只要接觸電阻超過(guò)1歐姆, 就會(huì )引起三線(xiàn)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(huì )影響到其溫度測量的精度, 確保對變壓器各相繞組溫度長(cháng)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(xiàn), 外部防護性比較差, 在變壓器安裝、運輸及調試過(guò)程中較易損壞;同時(shí), 由于Pt100鉑電阻傳感器長(cháng)期工作在變壓器繞組附近, 在電應力、高電場(chǎng)、高磁場(chǎng)的作用下, 其壽命會(huì )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(jìn)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(shí)間短, 性能穩定, 復現性好等特點(diǎn)。將Pt100鉑電阻芯片密封在不銹鋼的保護套中, 引出線(xiàn)外包裹高強度不銹鋼屏蔽網(wǎng), 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(guò)程損壞鉑電阻;同時(shí), 不銹鋼的保護套及不銹鋼屏蔽網(wǎng)可有效屏蔽低壓繞組處的高電場(chǎng)、高磁場(chǎng), 延長(cháng)Pt100鉑電阻傳感器的使用壽命。

為進(jìn)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(shí), 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(shí)間, 延長(cháng)其使用壽命;同時(shí)也降低了通過(guò)傳感線(xiàn)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(huì )出現個(gè)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(gè)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(guò)邏輯判斷, 可自動(dòng)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(fā)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(lèi):一類(lèi)為溫控器受到外部的強干擾, 使其軟、硬件系統發(fā)生紊亂, 引發(fā)溫控器誤報;另一類(lèi)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(fā)溫控器誤報。

針對外部強干擾引發(fā)的誤報警、誤跳閘:一方面可通過(guò)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(guò)地線(xiàn)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(jìn)行合理的電路板布設, 提高電路本身的抗干擾能力。通過(guò)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(fā)誤報警、誤跳閘。

對于溫控器溫度采樣失真引發(fā)的誤報故障, 提到的通過(guò)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(jìn)一步防止誤報的發(fā)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(diǎn)及跳閘點(diǎn)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(diǎn)及PTC測點(diǎn)的信息, 通過(guò)一系列的邏輯算法, 可有效地防止誤報警、誤跳閘的發(fā)生, 對變壓器實(shí)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(huán)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(huán)境濕度進(jìn)行控制, 防止變壓器受潮。核電溫控器可通過(guò)專(zhuān)門(mén)的環(huán)境溫、濕度模塊來(lái)采集變壓器外殼內的溫度及濕度, 在面板上實(shí)時(shí)顯示, 并可根據用戶(hù)預先設定濕度控制值, 通過(guò)啟動(dòng)加熱器來(lái)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(wèn)題, 核電溫控器專(zhuān)門(mén)設計了一個(gè)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(jìn)行濕度控制時(shí)最大功率不超過(guò)600 W, 一般的電源插座的容量是完全可以滿(mǎn)足的) 。當變壓器停運后, 核電溫控器電源自動(dòng)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(dòng)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(gè)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(shí), 出于用電安全考慮, 在主、副電源輸入端都設有空開(kāi)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(zhuān)門(mén)設置有地線(xiàn)接入口, 保證可靠接地。同時(shí), 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(jīng)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(xiàn)制Pt100鉑電阻測溫技術(shù), 由恒流源及模擬開(kāi)關(guān)實(shí)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(shí)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(diǎn)、超溫跳閘溫度點(diǎn)電阻突變的特性, 可有效捕捉到超溫報警溫度點(diǎn)及超溫跳閘溫度點(diǎn), 并結合Pt100的測溫結果, 對變壓器實(shí)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(fā)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(yè)控制領(lǐng)域。

液晶顯示及鍵盤(pán)電路

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

(2) 按鍵采用輕觸按鍵, 可方便地設定和查尋數據。

環(huán)境溫度/濕度采集電路

采用專(zhuān)用的環(huán)境溫度/濕度測量模塊, 可準確地測量周?chē)h(huán)境的溫度及濕度。

繼電器輸出驅動(dòng)電路

(1) 采用總線(xiàn)控制器及繼電器功率驅動(dòng)芯片組成繼電器驅動(dòng)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(dòng)能力達500 m A, 可實(shí)現超溫報警、超溫跳閘、故障等無(wú)源接點(diǎn)輸出, 接點(diǎn)容量為2A/110VDC。

(3) 輸出風(fēng)機及加熱器有源接點(diǎn), 控制風(fēng)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(tài)等信息通過(guò)此接口上傳到用戶(hù)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(wú)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(huán)節的基礎上, 嚴格按照機械工業(yè)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(shù)》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(zhì)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(wǎng)絡(luò )化、無(wú)線(xiàn)化發(fā)展要求的, 還可以發(fā)展以下一些擴展功能, 進(jìn)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(jìn)行電能管理, 計算變壓器效率, 統計變壓器的負荷曲線(xiàn), 為用戶(hù)高效使用變壓器提供技術(shù)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(hù)查尋;

(3) 根據變壓器維護要求, 到期提醒用戶(hù)進(jìn)行變壓器保養維護;

(4) 利用成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 增加以太網(wǎng)接口、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口, 實(shí)現儀表的網(wǎng)絡(luò )化。

通過(guò)上述功能的擴展, 核電溫控器最終可轉變?yōu)榫C合功能強大的變壓器智能控制器, 進(jìn)而實(shí)現干式變壓器的智能化、網(wǎng)絡(luò )化。