变压器油色谱分析.docx

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变压器油色谱分析

摘要

随着电力设备运行时刻的增加，其电气性能通常会有不同程度的降低，设备的耐受强度也会慢慢下降，直到最后设备损坏，寿命终结。

大型充油设备的油色谱在线监测分析是目前在线监测技术应用最为普遍的一项，对及时了解变压器等大型充油设备并发觉隐患，保证设备安全、靠得住、优质运行具有重要意义。

本文介绍了变压器色谱分析在线监测装置的数据收集单元的硬件组成、结构特点、各模块的作用及软件特点，主如果选出气体传感器，设计出传感器测量电路，并对所需的单片机芯片进行相应的编程，整个系统采用模块化设计，各功能模块依照现场的要求灵活配置。

关键词：

变压器；色谱分析；数据收集；传感器；单片机

ABSTRACT

Astheelectricpowerequipmentrunningtimegrowth,itselectricperformancewillusuallyhavedifferentratereducebecauseequipmentinoperation;bydifferentroleoutsideanageing,equipment,tolerancedropgradually,untilfinallytheintensity,lifewillbeendedandequipmentwillbedamaged.Largeoilfilledequipmentoilchromatographicanalysisistheon-linemonitoringon-linemonitoringtechnologyawidelyusedtopromptunderstandingtransformer,andotherlargeoilequipmentsandfoundhiddentroublefilling,toensurethatequipmentissafe,reliable,high-qualityoperationtohavetheimportantmeaning.

Thispaperintroducesthetransformeron-linemonitoringdeviceofchromatographicanalysisofdataacquisitioncellhardwarecomposition,structurecharacteristics,eachmodulefunctionandsoftwarecharacteristics,mainiselected,thedesigngivessensorgassensors,andthemeasurementcircuitforchipsforthecorrespondingprogramming,thewholesystemUSESmodulardesign,everyfunctionmoduleaccordingtotherequestflexibleconfiguration.

Keywords:

transformer;Chromatographicanalysis;Dataacquisition;Sensors;microcontroller

第1章绪论

本课题的意义和目的

电力变压器均以电磁感应原理，硅钢片、电磁线和油浸纸绝缘为主体，原理不曾改变，只是在设计参数、工艺材料上有不断的转变，随着科技的进步，先进生产设备日臻完善，因此各项技术参数愈来愈先进。

变压器作为电力行业的重要设备之一，对于电能经济传输和灵活调配具有十分重要的作用。

利用气相色谱分析变压器油中溶解气体组分及含量来判断变压器潜在性故障，已作为变压器保护、监督的有效手腕而取得应用和推行。

通过变压器油中气体的色谱分析这种化学监测的方式，在不断电的情形下，对发觉变压器内部的某些暗藏性故障及其进展程度的初期诊断超级灵敏而有效。

在线色谱技术是色谱技术的一种延伸和应用。

对油中溶解气体氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等气体及总烃进行监测。

常常利用的油色谱分析法是基于实验室的分析技术，通过现场采取油样后在实验室按期进行分析。

其缺点是是油样周期距离中，无法对变压器油中气体进行实时有效地监测，因此有可能漏报某些进展比较快的设备故障，而且在取样实验进程中环节比较多，存在较大的人为误差，影响其准确性。

应用油色谱分析在线监测，则能够实现对设备状态的持续监测，其查验周期能够短到数分钟一次，利于及早发觉故障征兆，并及早采取纠正办法，如此即可测量人工测量所需的工作量，又可减少了故障漏报的风险和损失，为变压器的运行提供保障。

色谱分析在线监测装置简介

随着电力系统容量不断增大，电压品级不断提高，和供电部门对供电靠得住性要求的日趋提高，无人值守变电站愈来愈多，对电力系统的设备实施状态监测势在必行。

利用变压器油色谱在线监测系统对绝缘油中的溶解气体含量进行监测分析，是发觉、诊断变压器潜在故障的一种行之有效的方式。

作为变压器预防性实验的辅助手腕，它实现了对变压器实时在线监测，是开展变压器状态检修的基础。

变压器油色谱在线监测系统不但能实现监测数据的本地存储和显示，还具有网络通信能力，支持监测数据的远程应用。

变压器油色谱分析在线监测具有实时性和持续性等特点，能及时发觉被检测设备存在的故障，作为变压器油气相色谱分析的补充和进展，安装成熟的油气在线监测装置实时监测变压器的运行状态，对保障大型变压器乃至电网的安全靠得住运行是必要的，是变压器从计划检修到状态检修的过渡，是提高其运行靠得住性的重要技术手腕。

国内外研究情形及其进展

随着电力设备运行时刻的增加，其电气性能通常会有不同程度的降低是因为设备运行时受到不同的外施作用，不断老化，设备的耐受强度慢慢下降，直到最后设备损坏，寿命终结。

若在设备运行进程中结合设备的状态能够及时进行合理的维修，则耐受强度及运行时刻就会大大的增加。

状态检修就是通过先进的技术和综合分析，掌握设备的现状和进展趋势做到“应修必修”，对有限的维修经费进行优化分派利用，节省检修经费。

大型充油设备的油色谱在线监测分析是目前在线监测技术应用最为普遍的一项，对及时了解变压器等大型充油设备并发觉隐患，保证设备安全、靠得住、优质运行具有重要意义。

变压器油色谱分析在线监测具有实时性和持续性等特点，能及时发觉被检测设备存在的故障，作为变压器油气相色谱分析的补充和进展，安装成熟的油气在线监测装置实时监测变压器的运行状态，对保障大型变压器乃至电网的安全靠得住运行是必要的，是变压器从计划检修到状态检修的过渡，是提高其运行靠得住性的重要技术手腕。

随着变压器油色谱在线监测技术的进展和装置需求的增加，一些新型、先进的检测原理和方式将不断出现，变压器油色谱在线监测装置的靠得住性、准确性、灵敏度将会进一步提高，将朝着气体种类全面化、监测对象综合化、诊断技术智能化、与其他自动化技术一体化的方向进展。

主要研究内容

本设计主要针对色谱分析在线监测装置的开发，设计了基于CAN总线的模拟量数据收集器。

针对本次设计主要做了一下几个方面的工作：

（1）选择气体传感器：

按照可检测的气体种类选择适当的传感器。

（2）通过A/D转换，将所选的气体模拟量转换为相应的数字量，并进行相应的编程。

（3）设计看门狗电路，电源电路。

（4）选取微处置器芯片，并进行相应的编程。

（5）初步了解CAN通信模块，而且运用CAN通信模块进行设计。

第2章色谱分析数据收集单元整体设计

概述

变压器油色谱在线监测，必需能按实际需要的监测周期，按时自动测出变压器油中可燃气体含量，并打印出谱图及含量值。

按照测出气体含量值判断变压器的运行状况，判断是不是存在暗藏性故障，若是存在，故障是放电性故障或是过热性故障，并应有报警信号传至主控制室。

按照变压器油中溶解的气体：

甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体组分含量来判断变压器是不是存在暗藏性故障。

若是存在，故障是放电性故障或是过热性故障。

对于大型变压器油色谱在线监测选择气体组分量应具有：

（1）必需能判断变压器是不是存在暗藏性故障，是放电性故障仍是过热性故障。

（2）监测气体组分尽可能少些，使监测装置简单稳固。

一般变压器有放电性故障时，乙炔含量明显增大；有过热性故障时，甲烷、乙烯、乙烷的含量增大。

因此，选择甲烷、乙烷、乙烯、乙炔作为监测气体组分，即可知足监测装置的要求。

固然，用户需要时，也可在线监测七种气体含量。

本文设计的变压器色谱分析在线监测装置的数据收集单元，在线监测七种气体的含量，同时检测油温。

使测得的七种气体及油温这八种模拟量转化为相应的数字量，从而达到测量的目的。

数据收集单元的大体组成及工作原理

2.2.1系统的大体组成

电力变压器油色谱分析数据收集单元主要由传感器、传感器测量电路、A/D转换器、串行通信、微处置器、驱动电路等模块组成，其整体框架图如图所示。

图数据收集单元整体框架图

（1）传感器：

传感器位于被测对象与测试系统的接口位置，是一个信号变换器。

它直接从被测对象中提取被测量信息，感受其转变并变换成便于测量的其它量。

该系统的气体传感器应该能够监测七种气体。

（2）测量电路：

将传感器输出的数字信号进行整形或电平调整，最后传输到运算机总线上。

（3）A/D转换器：

是采样通道的核心

（4）微处置器：

由运算机及其外部设备组成。

（5）通信及驱动电路：

采用CAN总线通信。

2.2.2收集单元大体功能

数据收集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量收集转换成数字量以后，再由运算机进行存储、处置、显示或打印的进程，相应的系统成为数据收集系统。

从严格意义上说，数据收集系统应该是用运算机控制的多路数据自动检测，而且能够对数据实行存储、处置、分析，和从监测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描画的系统。

总之，不论在哪个应用领域中，数据收集与处置越及时，工作效率应越高，取得的经济效益越大。

数据收集的任务，具体地说就是传感器从被测对象获取有效的信息，并将其输出信号转换为运算性能够识别的数字信号，然后送入运算机进行相应的处置，得出所需的数据。

同时，将计算取得的数据进行显示、贮存或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部份数据还将被生产进程

中的运算机控制系统用来对进行对某些物理量的控制。

数据收集系统一般由数据输入通道、数据存储与管理、数据处置、数据输出及显示这五个部份组成。

输入通道要实现对被测对象的监测、采样和信号转换等工作。

数据存储与管理要把收集到的数据存储起来，成立相应的数据库，并进行管理和应用。

数据处置就是从收集到的原始数据中，删除干扰噪声，无关信息和没必要要的信息，提掏出反映被测对象特征的重要信息。

另外就是对数据进行统计分析，以便于检索，或反数据恢复成原来的物理量形式，以可输出的形态在输出设备上输出，如打印、显示、画图等。

数据输出及显示就是把数据以适当的形式输出和显示。

数据收集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度，在保证精度的条件下，尽可能的提高速度，以知足实时收集、实时处置和实施控制的要求。

本章小结

本文所设计的数据收集单元是基于现场总线技术，并结合了运算机技术、网络通信技术、自动化、传感器等领域的先进技术，系统具有全数字化信息收集功能，能够实现将气体模拟量转化为运算性能够识别的数字信号。

第3章数据收集系统常常利用传感器

传感器技术、通信技术、运算机技术是信息产业的三大支柱。

它们别离是智能系统的感官、神经和大脑。

传感器作为获取信息的首要部件在工程测试中起到相当重要的作用。

传感器的概念及组成

按照《中华人民共和国国家标准（GB/T7665-87）传感器通用术语》规定，传感器的概念是能感受规定的测量量并按必然的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。

通常由对被测量量敏感的元件和转换元件组成，其中敏感元件是指能够直接感受或响应被测量的部份，比如应式压力传感器中的弹簧膜片，就是敏感元件。

转换元件是指传感器中能将敏感元件感受并响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号，如电阻应变片就是转换元件。

按照以上概念可画出传感器的组成框图，如图所示

图传感器组成框图

传感器的分类与特点

传感器常常利用的分类方式有两种，一种是按被测输入量来分，另一种是按传感器的工作原理来分，另外还有按能量的关系来分等其他分类方式。

3.2.1按被测物理量分类

这种方式是按照被测量的性质进行分类，如被测量别离为温度、湿度、压力、位移、流量、加速度、光，则对应的传感器别离为温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、加速传感器、光电传感器。

这种分类方式的长处是比较明确地表达传感器的用途，为利用者提供了方便，可方便地按照测量对象选择所需要的传感器。

其缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和不同，不便于利用者掌握其大体原理及分析方式。

3.2.2按敏感材料分类

这种分类方式是按制造传感器的材料分类，如半导体传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器、高分子材料传感器和金属传感器等。

这种分类方式是第一类分类方式的子集。

3.2.3按能量的关系分类

按照能量关系分类，可将传感器分为有源传感器和无源泉传感器两大类。

前者一般是将非电能量转换为电能量，称为能量转换型传感器，也称为换能器。

通常它们配有电压测量和放大电路，如压电式、热电式、压阻式等。

无源传感器又称为能量控制型传感器。

它本身不是一个换能装置，被测非电量公对传感器中的能量起控制和调节作用。

所以，它们必需具有辅助能源（电源），这种传感器有电阻式、电容式和电感式等。

无源传感器常常利用电桥电路和谐振电路等测量。

3.2.4其他分类方式

除以上几种常常利用的分类法外，还有按其用途分类、科目分类、功能分类和输出信号的性质分类等方式。

电阻应变式传感器

电阻应变式传感器是目前工程测力传感器中应用最的一种传感器，它有测量精度高，范围广、频率响应特性好、结构简单、尺寸小、易实现小型化，并能在高温、强磁场等恶劣环境下利用，而且工艺性好，价钱低廉等特点。

它主要通过在力的作用下，将材料应变转为电阻值的转变，从而实现力值的测量。

组成电阻应变片的材料一般有金属及半导体材料。

目前汽车衡称重系统主是就是利用电阻应变式传感器进行工作。

热电偶传感器

热电偶传感器是目前利用最普遍的测温元件之一。

其主要长处是测温范围广，能够在269-2800摄氏度的温度范围内利用，精度高、性能稳固、结构简单、动态特性好，而且可直接输出电信号，便于处置和远距离传送，所以在工业测温领域取得普遍的应用，在科研和生产中发挥重要的作用。

热电偶温度传感器以热电效应为基础。

为保证热电偶正常工作，热电偶两电极之间及与保护套之间都需要良好的绝缘，而且高温、耐侵蚀和冲击的保护套管也是必不可少的。

工业热电偶的典型结构有普通型装配式结构和柔性安装恺装结构两种。

电感式传感器

电感式传感器是利用线圈自感或互感的转变来实现测量的一种装置，能够用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩和应变等多种物理量。

电感式传感器的核心部份是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的转变时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。

这种传感器的主要特征是具有绕组。

它的长处是:

结构简单靠得住，输出功率大，抗干扰能力强，对工作环境要求不高，分辨力较高，示值误差一般为示值范围的%%，稳固性好。

缺点是:

频率响应低，不宜用于快速动态测量。

一般来讲，电感式传感口器的分辨力和示值误差与示值范围有关。

示值范围大时，分辨力和示值精度将相应降低。

电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式传感器，有利用互感原理的差动变压器式传感器，有利用涡流原理的涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器和利用互感原理的感应同步器等。

常常利用的是自感式电感传感器，它又分为变间隙型、变面积型和螺管型三种。

A变间隙型灵敏度较高，但非线性误差较大，且制作装配比较困难;B变面积型灵敏度较前者小，但线性较好，量程较大，利用比较普遍;C螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简单易于制作和批量生产，是利用最普遍的一种电感式传感器。

电容式传感器

电容式传感器是一种能将被测物理量转变成传感器的电容量转变，然后再通过必然的电路将此电容的转变转换为电压、电流或频率等信号的输出，从而实现对物理量的测量。

电容式传感器具有如下长处:

A结构简单，轻巧，易于制造;B功率小，阻抗高、灵敏度高;C动态特性好;D能在高低温及强辐射的恶劣环境中工作:

E能进行非接触测量。

但它也有不足的地方，如负载能力差，寄生电容影响较大，输出为非线性等。

随着电子技术的进展，电容式传感器的性能已取得了专门大的改善，在位移、压力、液压等物理量测量中取得了普遍应用。

压电传感器

压电传感器是利用某些半导体材料的压电效应为实现由力至电量的转变，压电传感元件是力敏感元件，属于有源传感器类，它能够最终能变换为力的那些非电物理量，如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量，压电式传感器具有体积小，质量轻，频响高，信噪比大等特点。

由于它没有运动部件，因此结构牢固，靠得住性，稳固性高。

由于它灵敏系数高，信噪比高，利用频带宽，体积小，方便耐用等长处己普遍应用在工业，军事及民用等方面。

本章小结

通过本章对传感器的大致了解，在选择色谱分析数据收集单元的传感器方面，应选择能够测量七种气体的气体传感器和温度传感器。

具体型号及测量气体如下：

ME2-CO：

一氧化碳

ME3-H2：

氢气

MC-101：

甲烷、乙烷、乙烯、乙炔

MG-811：

二氧化碳

第4章运算机接口与数据收集

接口电路得一种介于运算机与外设之间的，起缓冲，转换和匹配作用的电路。

接口电路负责协调CPU与外设之间的数据传送。

由于外设与主机的信息格式不同，数据总线不允许被某个设备长期占用，由于CPU与外设之间速度不匹配等原因，在主机和外设之间需要加入接口电路。

接口功能特点

所谓接口，是指运算机中两个不同部件和设备之间的电路和相关软件。

如图所示，接口通常包括数据端口，状态端口和控制端口，别离用于寄存数据信息、状态信息和控制信息。

图接口电路

1.对输入、输出信息进行传输形式的转换。

2.按照外设的具体情形，提供一种适合的数据互换“调度策略”，即合理的数据输入、输出方式。

3.为数据传送提缓冲、锁存、按时和控制等，协调CPU与外设数据处置速度上的不同。

4.提供输入输出设备状态信息供CPU查询，或CPU送给外设的命令供外设查询。

5.保证输入输出电气特性匹配。

6.保证输入输出负载匹配。

外设接口是为使CPU与外设相连接而专门设计的逻辑电路和相关软件，它是CPU与外设进行信息互换的桥梁。

数据传送方式

CPU和外设之间进行输入输出数据的传送方式通常有三种:

程序控制传送方式、中断传送方式、DMA（直接存储器存取）方式。

程序控制传送方式（l）无条件传送方式又称同步传送方式，无条件传送方式假设外设己做好传送数据的预备，因此CPU直接与外设传送数据而没必要预先查询外设的状态。

（2）查询传送方式又称异步传送方式。

查询传送方式在进行数据传送前，程序第一检测外设状态端口的状态，只有在状态信息知足条件时，才能通过数据端口进行数据传送，不然程序只能循环等待或转入其他程序段。

中断传送方式在中断方式下，当外设“预备就绪”，主动向CPU发出传送数据请求，CPU可暂时中断当前正在执行的程序，转去执行与外设传送数据有关的程序，数据传送完毕后，又恢复执行原被中断的程序。

DMA方式就是在外设与内存或外设之间和内存与内存之间开辟直接的数据通道，内存和外设之间的数据传送在D做控制器的管理下直接进行，而不通过CPU。

数据收集的串行通信接口技术

采用串行通信端口收集数据，即在各个生产参数监测点别离设置数据收集模块，使得模拟信号并成数字信号，然后通过串行通信线、串行端口传送到运算机。

本章小结

本章主要介绍了运算机接口与数据收集，介绍了数据传送方式，和串行通信技术。

运算机接口是数据收集系统中重要的一环，起到了纽带的作用。

数据传送方式有多种，如何选择、选择哪一种传送方式和采用哪一种串行通信技术是设计的关键。

第5章模拟量收集器的硬件设计

概述

整个数据收集系统由以CAN通信控制器和C51系列单片机实现。

由于CAN总线能有效支持散布式控制或实时控制的串行通信网络，在数据通信方面具有靠得住、实时和抗干扰性强的长处。

本系统的数据收集器在设计时也采用了CAN总线通信控制器，具有利用CAN总线的通信能力，各个收集器通过CAN总线连接在一路。

微处置器

5.2.1STC89C51性能参数

微处置器是数据收集器的核心部件，协调各模块稳固工作，在数据收集系统中起着关键性的作用。

本次设计采用宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的STC89C51RC/RD+系列单片机，其指令代码完全兼容传统的8051单片机，12时钟/机械周期和6时钟/机械周期可反复设置。

STC89C51RC/RD+系列单片机主要性能[4]：

（1）增强型6时钟/机械周期，12时钟/机械周期8051CPU；

（2）工作电压：

-（5V单片机）/ -（3V单片机）；

（3）工作频率范围：

0-40MHz，相当于普通8051的0～80MHz.实际工作频率可达48MHz；

（4）用户应用程序空间4K/8K/15K/16K/20K/32K/64K字节；

（5）片上集成512字节/1280字节RAM；

（6）通用I/O口（32/36个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）P0口是开漏输出，作为总线扩展历时，不用加上拉电阻，作为I/O口历时，需加上拉电阻。

（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片。

（8）EEPROM功能；

（9）看门狗；

（10）外部晶体20M以下时，可省外部复位电路；

（11）共3个16位按时器/计数器；

（12）外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；

（13）通用异步串行口（UART）；

（14）工作温度范围：

0-75℃/-40-+85℃

（15）封装：

DIP-40

5.2.2引脚功能说明

●VCC：

电源电压

●GND：

地

●P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向阳口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口历时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1"时，也可作为高阻抗输入利用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时要求外接上拉电阻。

●P1口：

Pl口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，现在也可作输入口。

作为输入口使历时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I，在Flash编程和程序校验期间，输出低八位地址。

●P2口：

P2口是一个带内部上