变压器油中气体在线监测系统论文和设计-杨鹏

全文摘要

本发明提供一种变压器油中气体在线监测系统。该系统以ATmega16单片机为控制核心，设计总框图主要包括电源电路，用于提供电源；传感器信号输入电路，用于检测气体的成分或者测量其浓度；信号放大电路，用于将信号进行放大处理；ATmega16单片机主控电路，用于对数据进行运算处理；LCD显示电路，用于显示气体浓度；声光报警电路，用于自动发出声光报警信号；串口通信电路，用于将数据发送至PC机。监测系统以传感器热传导池为核心，通过监测油中气体含量并将其转化为热电阻的变化从而得到待测组分含量，当气体浓度高于设定值时，控制模块自动实现报警功能，提醒运行人员掌握变压器的工作状态，避免变压器因内部故障引发跳闸的情况。

主设计要求

1.变压器油中气体在线监测系统，其特征在于，所述变压器油中气体在线监测系统包括传感器信号输入电路，信号放大电路，滤波电路，声光报警电路，串口通信电。

设计方案

2.根据权利要求1所述的变压器油中气体在线监测系统，其特征在于，传感器信号输入电路，与信号放大电路连接，采用MQ半导体气体传感器，利用半导体气敏元件性质造成热传导池热电阻的变化来检测气体的浓度。

3.根据权利要求1所述的变压器油中气体在线监测系统，其特征在于，信号放大电路，经过滤波电路与ATmega16单片机微控制器连接，采用通用型集成放大器为前置放大器用于将信号进行放大，送至ATmega16单片机微控制器处理。

4.根据权利要求1所述的变压器油中气体在线监测系统，其特征在于，声光报警电路，经由ATmega16单片机内部PD4口高低电平变化控制，其逻辑根据气体浓度是否达到报警值，控制三极管Q1触发导通，使报警电路形成回路，蜂鸣器发出报警声，同时发光二级管闪烁，从而达到报警效果。

设计说明书

技术领域

本发明涉及变压器监测领域，尤其是电力油浸式变压器油中气体在线监测系统。

背景技术

电力变压器是电力系统中最关键的设备之一，它承载着电压变换、电能分配和传输的任务，其工作是否安全可靠直接影响电力系统的可靠运行，而变压器又是电力系统中绝缘最容易发生劣化的设备之一，它通常采用变压器油作为绝缘和散热的媒介，而电力变压器油又是碳氢化合物的混合物，其主要由烃类物质组成，在变压器长期运行过程中，内部可能出现过热或放电故障，这会导致油的分子结构破坏，随之发生裂解生成部分氢气。此外，CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO和CO2等气体也会产生一部分。但当变压器出现故障时，绝缘油受到高温或电弧作用后分解，上述气体的含量会加速增加，产生大量可燃性气体(据统计80％是氢气)，因此，油中溶解的氢气的含量可以作为变压器健康状况的指示气体。至此，通过在线监测变压器油中特征气体，然后对其进行定性定量分析，对实时监测变压器的运行情况具有重要的研究意义，这不仅降低了变压器发生重大故障的几率，而且对提高电力系统供电的可靠性和安全性具有重要的意义。

然而，目前监测变压器内部气体的装置和方法又存在如下缺点：

第一，运维人员需要到达现场从变压器中取样，然后往返于实验室与现场之间，这其中将会浪费大量的时间，降低运维人员工作效率，增加运维人员工作负担。

第二，在检测样品的过程中，油样内溶解气体可能已发生变化，整个过程存在较大的时间与人为误差，这些误差叠加会严重影响分析结果的准确性。

第三，由于取样之后到确定结果之前需要一定的时间，这期间变压器内部倘若存在故障继续恶化的情况，可能在出结果之前就会造成变压器保护跳闸或者变压器爆炸的情况。

发明内容

针对现有技术的不足，为克服如上所述缺点，本发明特此提供了一种变压器油中气体在线监测系统，解决了现阶段实验往返时间差、样品人为误差、变压器持续恶化等技术问题。

本发明提供了一种变压器油中气体在线监测系统，采用的技术方案是：

所述变压器油中气体在线监测系统，以ATmega16为控制核心，该处理器为16K字节的在线编程\/应用编程(ISP\/IAP)Flash程序存储器，512字节E^{2<\/sup>PROME，32个通用工作寄存器；32个通用I\/O接口，1个可编程的USART接口，1个8位I^{2<\/sup>C总线接口；内部自带8路10位A\/D转换器。设计总框图主要包括电源电路、传感器信号输入电路、信号放大电路、ATmega16单片机主控电路、显示电路、声光报警电路、串口通信等电路。}}

所述传感器信号输入电路，与信号放大电路连接，采用的是MQ半导体气体传感器，该传感器的优点具有反应速度快，结构简单、检测灵敏度高等特点。其原理是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质的变化来检测气体的成分或者测量其浓度。

所述信号放大电路，经过滤波电路与ATmega16单片机微控制器连接，选用通用型集成放大器为前置放大器。仪用放大器内部基本电路结构是上下互为对称结构，当R_{1<\/sub>＝R_{2<\/sub>，R_{3<\/sub>＝R_{4<\/sub>＝R_{5<\/sub>＝R_{6<\/sub>，则放大器的闭环增益为：}}}}}}

A_{v<\/sub>＝-(1+2R_{1<\/sub>\/R_g<\/sub>)}}

式中：R_{1<\/sub>为定值，R_{g<\/sub>为外接电阻，通过调节R_{g<\/sub>可调节仪用放大器的闭环增益。}}}

所述键盘设计电路共设置4个按键，其功能主要分为：加1、减1、复位键(REST)、确认键(OK)。加1、减1键用来设置报警值的大小，以便适用于不同的场所。按确认键设置并返回。按复位键用来清零及停止报警。

所述LCD显示电路选用SMC12864液晶显示器作为显示器件，用来显示当前所检测到的气体浓度，该LCD模块具有功耗小、显示字符多、功能可靠等特点，该芯片的工作电压为4.5V。

所述声光报警电路与ATmega16主控制器相连接，其逻辑是根据当检测的气体浓度值超过分析仪的设定值时，自动发出指令。

本发明中，由于ATmega16单片机自带8路10位A\/D转换器，精度满足现场要求，故没有额外设计A\/D转换电路。该便携式气体检测装置预留有RS232串行通信接口，以便扩展。

附图说明

图1是本发明变压器油中气体在线监测系统的设计总框图；

图2是本发明变压器油中气体在线监测系统的信号放大电路；

图3是本发明变压器油中气体在线监测系统的声光报警电路；

图4是本发明变压器油中气体在线监测系统的热传导池结构图。

具体实施方式

如图1所示,本发明所提供的变压器油中气体在线监测系统，包括传感器信号输入电路，信号放大电路，滤波电路，ATmega16单片机主控电路，LCD显示电路，声光报警电路，串口通信电路；传感器信号输入电路与信号放大电路连接，经由滤波电路之后再与ATmega16单片机主控电路连接；键盘设计电路，复位键(REST)用于清零及停止报警，与ATmega16单片机主控电路连接；ATmega16单片机主控电路分别与声光报警电路、LCD显示电路、串口通信电路连接。

由于不同的气体具有不同的热传导率，且混合气体随着组分的含量的不同而总热传导率也不同，利用传导率的变化，通过传感器热传导池，将其转化为热电阻的变化，从而得到油中待测组分含量的情况。传感器核心部件为热传导池，如图4所示，热传导池工作原理是利用导热性好的金属制成的圆柱形腔体，腔体中垂直悬挂一根热敏电阻元件。电阻元件与腔体保持良好的绝缘。电阻元件通过两端的引线通以恒定电流I，使之维持一定的温度t_{n<\/sub>。当t_{n<\/sub>高于室壁温度t_{c<\/sub>，被测气体由热传导池的下入口进入，从上出口流出，热传导池的热敏电阻既是加热元件也是测量元件，电阻丝上产生的热量通过混合气体向室上产生的热量通过混合气体向室壁传递。如果利用热传导池测量混合气体中的浓度，当浓度增加时，混合气体的平均热导率增加，电阻丝产生的热量通过气体传导给室壁的热量也会增加，电阻丝的温度t_{n<\/sub>就会下降，从而使电阻丝的阻值下降。通过测量电阻丝的阻值的大小就可以得知混合气体中的浓度。}}}}

传感器信号输入电路与放大电路连接，热传导池将混合气体中的浓度转换为电阻值，如图2所示，由于仪用放大器具有很高的共模抑制比，利用共模抑制比可将信号从噪声信号中分离出来，此时原始信号经过检测、放大、滤波、A\/D转换等电路的处理。

仪用放大电路经由滤波电路后再与ATmega16单片机连接，通过232串行通信传至PC机并将数据送至LCD进行显示。

ATmega16单片机与声光报警电路连接，如图3所示，当数据进入单片机内部时，其逻辑自动判断气体浓度是否达到报警值，若达到，则由软件程序将PD4口输出高电平，此时三极管Q1触发导通，使报警电路形成回路，蜂鸣器发出报警声，同时发光二级管闪烁，从而达到报警效果，引起运行人员注意，方便运行人员及时启动应急预案，防止安全事故的发生。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术，此变压器油中气体状态在线监测系统以ATmega16单片机为控制核心，通过对油箱中混合气体的含量监测，当混合气体高于设定值时，由控制模块自动实现报警功能，让运行人员掌握变压器的工作状态，降低变压器因内部故障引发跳闸事故的概率，减轻电网运行人员无休止巡视变压器的工作压力。

设计图

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主设计要求

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