基于嵌入式技术的智能回油管路集气监测方法

王能， 崔福星

(1.金华送变电工程有限公司， 浙江，金华 321001；
2.杭州柯林电气股份有限公司， 浙江，杭州 310011)

在变压器的工作过程中，变压器中用来散热和绝缘的油受到电能和热能的影响，会分解产生各类气体，大部分会溶解在油中。油中气体的成分和含量在一定程度上会反应变压器的故障严重程度和故障类型[1-2]。变压器中油色谱监测装置将分析后的油送回变压器本体时，油色谱回油通道可能出现渗漏现象，将空气引入变压器本体。

针对上述存在的问题，文献[3]在变压器回油通道中安装了油分离器，将油中的气体和油分离出来，使油回到压缩机，在蒸发器中设置油体隔离板设置三级油分离，利用引射器将油输入到变压器本体中,但分离出的气体还会进入到变压器中，再次溶解与集油箱中。文献[4]中运用了真空泵防回油装置，进气管在集油箱的下侧与集油箱连通，防止油回流过程中出现渗透的情况，避免变压器设备的污染,但是由于变压器中空间狭小，对设备安装造成困难，占用空间和功率较大。

本研究的创新点在于：

(1) 基于嵌入式技术设计变压器中油气管路气体信息采集系统，对ARM9TDMI处理器改进了16位的Thumb指令集。在无线通信模块中加入滤波电路，并在MMT162气体传感器集成多个其他气体的微传感器。

(2) 设计出一种倒置T式结构的回油管道集气装置，与变压器色谱检测装置相连接。当变压器中有故障特征性气体经过时，会将气体汇聚在色谱分析腔内[5]，供色谱检测装置对气体进行采集检测。

基于上述设计思路，智能回油管道集气监测系统总体架构示意图如图1所示。

图1 系统结构图

系统结构主要包括三个部分：油样采集部分、嵌入式控制单元和通信控制单元。嵌入式控制单元包括电路控制和恒温控制，电路控制系统中包括主控板和控制计算机。通信控制单元和LORA无线通信单元实现了数据传输的功能。油样采集部分将变压器中油进行处理，分析油中的故障特征性气体[5]。将气体通过管道传输给气体检测单元，数据采集单元将检测到的各气体的含量转换为模拟电压信号，经过A/D转换，变为数字信号经过通信单元将数据传送到后台主站单元。根据故障性气体异常指标对传输的数据进行分析，实现变压器故障的在线监测[6]。

目前我国普遍应用的电力变压器是油浸式电力变压器，变压器油保护了铁芯和绕组等部件，使变压器中材料部分吸收到的氧气最低，在一定程度上延缓了氧化作用对变压器设备的损坏[7]。在变压器工作时，由于变压器产生的热能，加上线路中的电能和变压器本身的机械应力，互相作用形成了CH4、C2H6、C2H2、C3H8、C4H10、CO2、H2等气体[8]。通过检测油浸式变压器中绝缘油中的气体成分来检查变压器中是否存在故障，变压器的故障会影响到整个电力系统的正常稳定运行。

因为变压器油中不同元素在高温下活跃度不同，炔系类气体的析出顺序和含量与变压器油的温度有关[8]。如表1所示。

表1 不同温度下气体成分

正常工作状态下的变压器油中主要为氧气和氮气，同时含有少量其他气体，是因为变压器中某些部件材料老化，绝缘油没有进行彻底脱气，再加上故障变压器电气试验产生出故障性气体溶解在变压器油中[9]。又因为变压器各个部分温度的不同，使变压器油在集油箱中发生循环，当特征故障气体含量比变压器油中含量多时，气体继电器发生告警。

2.1 基于嵌入式技术的油管路气体信息采集

本研究采用32位的ARM9处理器作为主控制模块对其他模块进行管理和数据通信，相对于其他芯片具有更快的运行速度，更多的扩展空间。本研究对多个气体传感器进行集成，能够对多种不同类型的气体进行采集，准确测量出变压器油中CH4、C2H6、C2H2、C3H8、C4H10、CO2、H2等气体成分的含量和温度，并将采集到的气体数据传输到ARM控制核心，完成数据采集工作[12]。嵌入式系统中加入无线数据传输模块，通过无线网络将接收端的气体数据发送到远端服务器监控站，完成数据远程传输。嵌入式气体信息采集系统硬件结构如图2所示。

图2 嵌入式气体信息采集系统硬件示意图

本研究ARM指令集合改进了16位的Thumb指令集，提高了变种的ARM/Thumb混合使用效率，增强了DSP指令。本研究ARM处理器采用ARM9TDMI处理器，具体性能指标如表2所示。

表2 ARM9TDMI处理器性能指标

嵌入式处理器核心板为Mini2440开发板，主频为400 MHz、最高可达533 MHz，64 M的SDRAM和32位数据总线，SDRAM的时钟可达100 MHz。其中无线通信模块是在原有的基于电路交换方式的通信网络上引入2个新的通信节点：服务支持节点和网关支持节点。2个通信节点在同一等级水平，跟踪单个MS的存储单元实现安全功能和接入控制，并通过帧中继连接到基站系统。无线通信模块电路如图3所示。

图3 无线通信模块电路

对无线通信电路进行设计时选用220 μF的大容量电解电容并联一个小的瓷介电容0.01 μF用于过滤气体信息信号中的高频噪声信号。用单电压供电，电压为3.4～4.5 V。当电流消耗升至典型峰值2 A时，其传输脉冲的波动可能导致电压下降，所以电源供电必须能够提供足够到2 A的电流。实现了可在EGSM900MHZ、DC1800MHZ、PCS1900MHZ多种通信频率下进行数据传输，并支持CS-1、CS-2、CS-3、CS-4等多种编码方式。

集成气体传感器为气体信息采集的核心，所以选择一个合适的气体传感器是成功实现变压器油中多种气体含量在线监测的关键。本研究采用MMT162气体传感器和其他C2H2、C3H8、C4H1微传感器进行集成，可以在苛刻的环境下测量变压器油中有害气体的的含量，不易被化学物质的腐蚀，保证测量数据的精度和稳定度[15]。MMT162根据变压器油的活性和温度来测量，这种方法不受油的类型、老化和温度的影响。集成气体传感器的电路如图4所示。

图4 集成气体传感器电路示意图

传感器接口电路的1引脚接接收器的输出端连接S3C2440的UART的RXD，连接4引脚接驱动器的输入端连接S3C2440的UART的TXD，2、3引脚是发送端和接收端的使能端口。微传感器的输出有两路模拟信号和一路数字信号输出，输出电流的范围为0～20 mA，输出电压为0～10 V。集成气体传感器得到的数据通过RS-485传输到ARM控制板上，在控制板上进行处理，显示到主界面上控制板负责和传感器进行通信，配置传感器的参数、控制采集的频率、时间以及状态。

2.2 回油管道集气装置及油色谱监测

整体机械结构采用倒置的T式结构，同时和本体及油色谱油管的连接采用模块化设计，方便更换，适配各式回油管路接口。回油管道集气装置结构示意图如图5所示。

图5 回油管道结构图

当含有气泡的气体流过的时候，气泡因为压力集中在油路的上部，当经过装置的时候，气泡汇集到倒置式T字的上部。油路回流轻阻尼技术，回油管集气处采用蜂窝式设计，让油流过的同时将气泡过滤并汇集，将因为油路泄露引入的空气汇集到就地分析腔体内，不会将气体漏入到主变本体。回油管道集气装置的集气流程如图6所示。

图6 集气流程图

回油管路采用回流轻阻尼技术，能够局部改变液流的流通面积,使液流产生压力损失和压力差，流过液压阻尼的油液和阻尼前后的压力差不能用线性表示，之间的关系为

qv=kAΔpm

(1)

其中，qv为油液阻尼，A为油液阻尼的流界面积。

当流体的速度和压力随空间的变化不规律时，流动成为紊流，在这种流体中，油液是不规律运动的。回油管道中固定阻尼空承受的压力更大，压力流量特性可表示为

(2)

式中,ρ表示油液的密度，C表示孔阻尼的流量，Q表流经孔阻尼的流量。设孔口直径与管道比β=d/D较小时，则有：

(3)

可调阻尼孔通过锥阀结构实现，管道中孔倒角不大，则可得到压力流量，可表示为

(4)

将两阻尼合并等效为新的阻尼孔，则有：

(5)

其中,k为阻尼孔的新压力流量系数，表达式为

(6)

式中,Cd表示流量系数，d表示阻尼孔的大小。阻尼系数可表示为

(7)

其中，PLS0为LS油路的额定工作压力。确定了回油管道集气装置的阻尼系数，分析管道的结构参数对控制油路压力变化的影响，并以压力补偿阀流量控制变压器油量回路。

为验证本研究智能回油管道集气检测系统的性能，分别使用文献[3]装置、文献[4]装置和本研究系统对变压器故障特征性气体进行回油，通过色谱检测系统测量变压器主体中故障特征性气体的含量和种类，判断回油集气装置的可靠性。检测到使用3种设备的变压器内气体含量如表3所示。

表3 变压器内气体含量

通过检测使用3种装置后变压器内故障特征性气体含量可知，使用本研究的智能回油管道集气系统，变压器内所含故障特征性气体最少，对变压器正常工作状态的影响最小。表4中各气体含量相对较少，总炔含量低至54.3 uL/L。根据油色谱监测系统中故障判断，故障特征性气体处于较低水平，变压器不存在故障。其中C2H2气体含量为0，说明本研究装置性能较好。

表4 实验样本气体含量(uL/L)

变压器油色谱在线监测技术可以实时监测变压器运行状况能够有效及时发现变压器的潜伏性故障，当发现数据异常时进行气体数据分析以及采取其他监测方法共同诊断设备的故障类型。实验样本的各气体含量如表4所示。

使用3种系统对实验样本进行分析，得到的变压器故障报警时间如图7所示。

图7 实验结果

观察3种系统的故障报警时间可知，本研究最先发现变压器中气体含量异常，发出报警时间最短,对样本3检测中报警时间最短为1.8 s，对样本5做出报警时间最长达到4.2 s。文献[3]系统最高报警时间可达到10.5 s，对样本1检测发生报警时间最短为4.8 s,实验样本1中C2H4气体含量较高，超出正常范围。文献[4]对变压器中异常气体的反应最慢，发出报警信号使用时间最长，平均报警时间高达11.2 s，不适用于实际变压器工作环境。

本研究智能回油管道集气检测系统，使用回油管道集气装置，防止故障特征性气体进入变压器主体内部，影响变压器的正常运行。使用变压器油色谱监测系统，对变压器中油进行采样，经过油气分离单元，将溶解在油中的气体分离出来，进入气体检测单元对气体成分和含量进行分析，根据出现的气体类型和气体含量判断出变压器是否存在故障和出现故障的类型，及时对变压器进行检修，预防对电力系统造成影响。

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