CN105974974A - 一种变压器免维护呼吸器的自动控制系统 - Google Patents

Abstract

提出了一种变压器免维护呼吸器的自动控制系统，属于变压器及自动控制领域。该系统包括变压器部分、感测部分以及微波部分，其中，变压器部分包括要被加热的呼吸器，感测部分用于感测气体流向及流量、气流温度以及重量，微波部分用于根据感测部分的感测结果自动控制其中的磁控管的工作状态和功率档位。本方案解决了保证了呼吸器中硅胶的最佳自动再生效果，能够保障变压器的运行的可靠性，并避免更换硅胶对工作人员人身健康和生态环境可能造成的危害。

Description

一种变压器免维护呼吸器的自动控制系统

技术领域

本发明涉及变压器呼吸器及自动控制技术领域，尤其涉及一种变压器免维护呼吸器的自动控制系统。

背景技术

对于充油变压器，特别是大型充油变压器，内部的绝缘油会随着温度变化产生明显的热胀冷缩现象，这种现象源自环境温度变化、太阳照射或变压器负载变化的综合影响。充油变压器中包括呼吸器，它又称为除潮器，其内部为变色硅胶，用于吸附空气中进入油枕内部水蒸气，确保进入油枕的空气保持干燥。传统呼吸器是充油变压器维护频率最高的重要附属部件。更换传统呼吸器的工作较为繁琐，规程规定工作过程必须将主变重瓦保护退出，必然会降低变压器的运行可靠性。由于普遍使用的蓝色变色硅胶里含有有毒性的氯化钴，接触硅胶可能会直接危害人体健康，更换下来的硅胶也会对接触者和生态环境造成危害。

现有的免维护呼吸器加热原理大多采用了热源直接接触式加热。对于吸水后的硅胶，急剧干燥硅胶颗粒内部水分的快速气化，会导致硅胶内部压力激增而爆裂的危险。同时，对于蓝胶指示剂或变色硅胶，脱附再生的温度超过120℃，会因氯化钴(显色剂)的逐渐氧化而失去变色作用。所以直接接触式加热存在硅胶加热缓慢、加热不均匀、硅胶颗粒爆裂率较高的、温度控制失灵时显色剂由于高温而逐渐氧化而失去变色作用的缺点。

微波是指频率为300MHz～300GHz的电磁波，它具有很强的穿透能力，微波加热不同于一般的加热，一般的接触式加热是由外部热源通过热辐射由表及里的传导式加热，而微波加热是材料在电磁场中由介质损耗而引起的整体加热，即将电磁能直接传递给被加热的物质分子，使分子以极高的速度震动并产生热效应，使被加热的物质内部和表面的温度同时迅速上升，因此可使受热物体中水分快速蒸发而达到干燥。微波加热是硅胶加热再生的最佳加热方式。

然而，现有的在线微波加热变压器呼吸器，加热控制采用的是手动控制或远程手动控制，其加热再生的工作过程不能实现自动控制。加热过程同样存在急剧干燥急剧加热硅胶颗粒内部水分的快速气化，会导致硅胶内部压力激增而爆裂的危险。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种用于自动维护微波加热再生变压器呼吸器硅胶的自动控制系统。

为实现以上目的，提出一种变压器呼吸器的自动控制系统，所述自动控制系统包括变压器部分、感测部分以及微波部分；其中：所述变压器部分包括呼吸器，所述呼吸器包括硅胶及其容器以及将该容器进行密封的上下密封法兰；所述微波部分包括金属材质的微波屏蔽内罩和外罩，其中所述硅胶及其容器以及上下密封法兰均位于微波屏蔽内罩中，在金属外罩的两侧分别具有一个微波发射装置，所述微波发射装置包括磁控管的控制装置、磁控管以及微波导管，其中所述磁控管的控制装置连接至所述磁控管，且所述微波导管连通微波屏蔽外罩和内罩以将微波传递至位于所述内罩中的硅胶及其容器；所述感测部分包括感温探头、气流流向和流量检测器以及高精度计重器；所述感温探头用于测量所述呼吸器呼出气体的温度t_测，所述气流流向和流量检测器用于测量所述呼吸器内部的气体流向和流量Q_测，所述高精度计重器用于测量硅胶及其容器以及附件的重量W_测；所述感测部分连接至所述微波部分，用于将所述测量出的温度、气体流向和流量以及重量发送至磁控管的控制装置；以及所述磁控管的控制装置用于根据所述测量出硅胶及其容器以及附件的重量、气体流向和流量、气体温度，控制磁控管的功率档位。

根据本发明的一个方面，所述磁控管的控制装置还用于根据最佳适配比例系数K、启动微波加热时的等效完全吸水硅胶与整体硅胶的比例、以及启动微波加热时硅胶变色的比例设置所述磁控管的最高档输出功率，其中K为表示磁控管的最高档输出功率与硅胶等效完全吸水重量的比例系数。

根据本发明的一个方面，所述K的取值为150W/500g，启动微波加热时完全吸水的硅胶与整体硅胶的比例为1/3，对应启动微波加热时硅胶变色的比例为1/2：

W_吸＝W_干×1/3 (公式1)

由此，每个磁控管的最大输出功率为：

P_磁＝1/2×W_吸×150/500＝1/2×W_干×1/3×150/500＝0.05W_干

推导结果为：P_磁＝0.05W_干 (公式2)

其中，W_吸为启动微波加热的完全吸水硅胶重量，单位按克(g)计算；W_干为干燥硅胶初始总体重量，单位按克(g)计算；P_磁为每个磁控管的最大输出功率，单位按瓦特(W)计算。

根据本发明的一个方面，所述控制装置中存储有启动微波加热时的重量阈值W_启N、呼吸器内的气流方向和流量阈值Q_启以及呼出气流温度的阈值t_启；所述控制装置用于判断当测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测增加并满足W_测≥W_启N、测量出的呼吸器内气流方向为流出呼吸器且流量Q_测≥Q_启、以及测量出的呼出气流温度t_测＜t_启时，启动磁控管以最大输出功率P_磁即最高档的功率档位工作。

根据本发明的一个方面，所述磁控管的功率档位包括N个档位，最高档为N档，最低档1档，其中第n档(1≤n≤N)的功率P_n为：

根据本发明的一个方面，所述控制装置中还存储有与所述功率档位对应的重量阈值W_启n，且W_启n>W_启(n-1)。所述控制装置用于当测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测满足增加并达到≥W_启N，且处于W_测＞W_启(N-1)范围内，并且测量出的呼吸器内气流方向为流出呼吸器且流量Q_测≥Q_启、以及测量出的呼出气流温度t_测＜t_启时，控制磁控管启动并在最高档N档的功率档位工作；控制磁控管启动后，并当测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测满足W_启n≥W_测＞W_启(n-1)时，n处于范围2≤n≤N-1内，并且测量出的呼吸器内气流方向为流出呼吸器且流量Q_测≥Q_启、以及测量出的呼出气流温度t_测＜t_启时，控制磁控管在第n档的功率档位工作；控制磁控管启动后，并当测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测满足W_启1≥W_测＞W_停时，并且测量出的呼吸器内气流方向为流出呼吸器且流量Q_测≥Q_启、以及测量出的呼出气流温度t_测＜t_启时，控制磁控管在最低档1档的功率档位工作，其中W_停是停止加热时对应的重量阈值，且W_停＜W_启1。

根据本发明的一个方面，当随着加热的进行，测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测逐渐降低，并同时满足测量出的呼吸器内气流方向为流出呼吸器且流量Q_测≥Q_启、以及测量出的呼出气流温度t_测＜t_启时，所述控制装置用于控制磁控管以逐渐降低的功率档位工作。

根据本发明的一个方面，当测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测降低至W_测≤W_停时，其中W_停为停止加热时对应的重量阈值，所述控制装置用于控制磁控管停止工作。

根据本发明的一个方面，所述控制装置用于当判断满足以下任一条件时，控制磁控管停止工作：测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测增加但未达到启动微波加热时的重量阈值W_启N之前，即不满足W_测≥W_启N；测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测达到启动微波加热时的重量阈值W_启N之后，即满足W_测≥W_启N启动微波加热之后，水分逐渐排出，W_测降低至W_测≤W_停，其中W_停为停止加热时对应的重量阈值；测量出的气体流向为流入呼吸器；测量出的气体流向为流出呼吸器，且流量Q_测＜Q_启；测量出的呼出气流温度t_测≥t_启。

根据本发明的一个方面， 其中，△W为达到启动条件的硅胶吸水分后增加的重量，单位按克(g)计算；W_干为干燥硅胶初始重量，单位按克(g)计算；W_附为硅胶容器及其全部附件的重量，单位按克(g)计算；W_启N为最高档档启动工作的设定重量，单位按克(g)计算；W_启n为第n档(N≥n≥1)启动工作的设定重量，单位按克(g)计算；W_停＝W_附+W_干+8，其中8为整体测量误差，单位按克(g)计算。

根据本发明的一个方面，所述控制装置用于根据整体误差确定最大档位数的取值范围：最大档位数N的理论取值范围：的整数，其中W_干为干燥硅胶初始重量，单位按克(g)计算。

根据本发明的一个方面，所述自动控制系统还包括时间控制器，用于设置时间间隔t；

所述磁控管的控制装置用于根据时间控制器的设置，当控制磁控管在某一功率档位工作时，间歇地启动磁控管进行加热，即导通并启动加热一时间段t、断开并停止加热一时间段t循环往复进行。

根据本发明的一个方面，所述自动控制系统还包括用于托起呼吸器硅胶容器的支撑杆及硅胶容器上下法兰的紧固螺杆及其螺母和橡胶垫片；所述支撑杆在微波屏蔽内罩内的部分采用非金属材料制成，在微波屏蔽内罩和外罩之间的部分采用金属材料制成，两部分的结合方式采用拔插式结合；并且所述支撑杆可为三个，均匀分布在上下密封法兰四周并通过与上下密封法兰固定在一起，支撑杆的在微波屏蔽内罩和外罩部分支撑于所述高精度计重器上，以便高精度计重器测量硅胶及其容器以及附件的重量。

根据本发明的一个方面，所述自动控制系统还包括连接至上下密封法兰的外接端的软导管以减少对重量测量的影响。

根据本发明的一个方面，所述控制装置用于存储海拔高度、沸点以及相应的呼出气流温度的阈值t_启的对应关系表，并根据所在地的海拔高度和沸点确定要采用的呼出气流温度的阈值t_启。

由此可见，本发明利用变压器内部的绝缘油随着温度变化产生明显的热胀冷缩现象，即，变压器由于环境温度、风速、太阳照射、变压器负载几种因素(其中环境温度和负载因素影响较大，而且这两个因素影响在时间上和增减趋势上都是基本同步的，可简单叠加计算)的综合作用导致变压器油位的变化，油位降低空气流进呼吸器，干燥剂将进入变压器的空气中的水分吸附后重量增加，在干燥剂达到设定的吸湿程度的条件下，利用油位上升从呼吸器流出的空气，启动微波加热，将蒸发的水分带出呼吸器，起到往复循环，干燥剂自动再生的目的。本发明采用了一种支持该系统工作的特有的装置，并在加热控制方式上采用了特有的自动分析控制，对于输出的微波功率进行了优化匹配，考虑了三种因素(用重量变化反映的干燥剂吸湿程度、呼吸器内气流方向及流量、呼出气流温度)并在时间上加以控制，保证了最佳的再生效果。因此，能够保障变压器的运行的可靠性，避免更换硅胶对工作人员人身健康和生态环境可能造成的危害。

附图说明

图1是本发明提出的变压器呼吸器的自动控制系统的整体结构示意图；

图2是上下密封法兰的立体示意图；

图3是通风网架的立体示意图；

图4是圆环形密封垫片的立体示意图；

图5是连接法兰的立体示意图；

图6是多层滚珠轴承的结构示意图；

图7是金属材质的连接导管的立体示意图；

图8是带有穿孔的圆环形密封垫片的立体示意图；

图9是支撑杆的立体示意图；

图10是微波屏蔽罩及控制发射的相关装置的立体示意图；

图11是所述自动控制系统的控制结构图；

图12是所述自动控制系统的控制原理图；

图13示出了干燥剂重量变化启动元件S1的特性；

图14示出了流量启动元件K4的特性；

图15示出了所述温度启动元件K5的特性；

图16示出了档位选择元件K_N、…K_n、…K₁的特性；

图17是启动的上限温度与海拔、沸点的对应关系图；

图18是时间控制器的导通断开状态示意图。

具体实施方式

以下所述为本发明的较佳实施实例，并不因此而限定本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提出的变压器呼吸器的自动控制系统包括变压器部分、感测部分以及微波部分。

其中，变压器部分包括：

上下敞口式玻璃筒1，其内部为变色硅胶颗粒。具体地，其内部的硅胶重量按照变压器容量确定，玻璃筒直径与高度比例按照硅胶重量采用现有技术或经验值确定，具体确定方式由于不属于本发明的重点改进范围，这里不再赘述。所述上下敞口式玻璃筒1即为硅胶的容器。

圆环形密封垫片2，根据一个实施例，它可采用硫化硅橡胶材质制成。具体地，该元件的立体示意图可参见图4所示。

通风网架3，用于支撑玻璃筒内硅胶颗粒，根据一个实施例，它可采用聚丙烯材质制成。该元件的立体示意图参见图3所示。

上下密封法兰4，根据一个实施例，它可采用聚丙烯材质制成。该元件的立体示意图参见图2所示。所述上下密封法兰用于对硅胶的容器进行密封，当然，上(下)密封法兰的上(下)端开口还通过下文所述的抱箍或扎带5与软导管6固定，以进行气体的流通。

抱箍或扎带5，用于紧固并密封接缝，根据一个实施例，它可采用聚丙烯材质制成。

软导管6，根据一个实施例，它采用硫化硅橡胶材质制成。使用软性材料，在测量硅胶吸水前后重量变化时，对变色硅胶重量测量几乎不产生影响。

连接法兰7，根据一个实施例，它采用聚丙烯材质制成。该元件立体示意图参见图5所示。

金属材质的连接导管8，用于连接微波屏蔽内罩14与微波屏蔽外罩15之间的呼吸器通道。该元件的立体示意图参见图7所示。

带有穿孔的圆环形密封垫片9，在一个实施例中，它可采用硫化硅橡胶材质制成。该元件的立体示意图参见图8所示。

金属材质的用于连接变压器油枕的法兰及导管10，该元件与现有装置可直接或间接连接，它不属于本发明重点改进之处，这里不再赘述。

金属材质的用于连接独立油封杯13的法兰及导管11，该元件与现有装置可直接或间接连接，它不属于本发明重点改进之处，这里不再赘述。

变压器油枕12，该元件为现有装置，这里不再赘述。

独立油封杯13，该元件为现有装置，这里不再赘述。

此外，还包括金属材质的螺杆及其螺母，它可采用聚丙烯材质制成，垫片，它可采用硫化硅橡胶材质，这些元件用于固定及紧固连接导管8、内外罩连接法兰7以及油封杯连接法兰11。

其中，所述变压器中包含的呼吸器可以被认为是在下文所述的微波屏蔽内罩14中的部分。当然，根据需要，也可以加入除了内罩内的元件外的其它元件。

微波部分包括：

金属材质的微波屏蔽内罩14，该元件的立体示意图见图10。

金属材质的微波屏蔽外罩15，该元件的立体示意图见图10。

微波发生装置即磁控管的电源及控制装置16，该元件的立体示意图见图10。

微波发生装置即磁控管17，该元件的立体示意图见图10，所述磁控管的输出功率的选择与硅胶总重量相关联。

微波导管18，该元件的立体示意图见图10。

金属材质的微波发生集成装置外罩19，该元件的立体示意图见图10。

微波炉腔通风槽口20，用于微波炉腔内部与外部空气进行通风的槽口。微波加热后内外温差会导致内外压力差，通风槽口可避免压力差对屏蔽罩的损坏。

防尘滤网21，用于过滤通风过程中空气中的尘埃，保持内部清洁。

微波屏蔽罩通风口22，用于呼吸器内部的空气通风的槽口。变压器油随着温度变化热胀冷缩，造成油枕油位变化，呼吸器的作用就是过滤进入油枕的空气中的水分，呼吸器通道必须保持导通状态。

除此之外，微波部分还包括电源及控制输入配线29以及电源及控制输出配线30。

从图1和10可以看到，在呼吸器两侧具有两个微波发生装置，每一个微波发生装置都可由元件16-19以及29、30中的一个或多个元件组成。

感测部分包括：

感温探头23及其传输线，所述传输线通过硅胶垫片引出，所述感温探头用于测量呼吸器呼出气体的温度，测量值会通过其传输线发送至微波电源及控制装置，例如磁控管的电源及控制装置16。

气流流向和流量检测器24及其传输线。所述传输线通过硅胶垫片引出，用于监测呼吸器内部气体流向和流量，测量值会通过其传输线发送至微波电源及控制装置，例如磁控管的电源及控制装置16。

用于托起呼吸器硅胶容器的支撑杆及硅胶容器上下法兰的紧固螺杆及其螺母(可采用聚丙烯材质制成)和橡胶垫片(可采用硫化硅橡胶材质制成)26。为了最大程度地屏蔽微波，它可采用两种材料制成，在微波屏蔽罩内的支杆采用非金属材料(诸如采用聚丙烯材材质制成)，在微波屏蔽夹层的材料采用金属材料，两种材料的结合方式采用拔插式结合。该元件的立体示意图见图9，其中，上半部分为非金属材料，下半部分为金属材料，两者通过插拔式结构组装在一起。如图9、10所示，所述支撑杆可为三个，均匀分布在上下密封法兰4四周并通过紧固螺杆、螺母、橡胶垫盘等与密封法兰固定在一起，支撑杆的下半部分(在微波屏蔽夹层中)支撑于下文所述的高精度计重器28上，这样高精度计重器28如下文所述便可测量硅胶及其容器以及附件的重量。

多层滚珠轴承27，用于固定支撑杆26，多层滚珠轴承可使其保持直立状态，并可使其摩擦力降低至可忽略不计，保证变色硅胶重量的精确测量，该元件的结构示意图见图6。

高精度计重器28，用于测量变色硅胶及其容器以及附件的重量，其测量值被发送至微波控制装置，例如磁控管的电源及控制装置16。

下面参考图11，对本自动控制系统的控制结构进行描述。

所述控制结构包括三部分，感测部分110、微波控制部分111以及执行部分112。

其中，感测部分110包括上述高精度计重器28、气流流向和流量检测器24以及感温探头23。所述高精度计重器28用于感测干燥剂及其容器、附件的整体重量W_测；所述气流流向和流量检测器24用于感测呼吸器内气流方向及流量Q_测；所述感温探头23用于感测呼吸器内气流的温度t_测。

所述感测部分110将感测出的结果发送给磁控管控制装置16，由所述微波控制部分111根据感测出的重量变化、气流方向及流量、温度，控制执行部分112加以执行。

执行部分112包括处于多个状态或者不同档位工作的磁控管17，如图11所示，磁控管17可在最高档即第N档工作，也可在最高档即第N档与最小档即第1档之间的任一档位即第n档工作。

下面参考图12，对本自动控制系统的控制原理进行描述。其中，附图标记120-123分别表示控制正极、控制负极、工作正极以及工作负极。

M表示门开关。微波炉腔门打开，则M打开，微波炉腔门关闭，则M闭合。

接下来，我们对图12中的干燥剂重量变化启动元件S1(参见图12)，以及档位选择元件(参见图12中的K_N、…K_n、…K₁元件)的闭合或断开时机进行描述。为此，我们首先讨论磁控管17的最大输出功率的计算方法。

一并参见图10可知，所述呼吸器两侧均匀分布两个微波发生装置，为了使得微波发生装置的输出功率与硅胶最大吸水重量相适配，提出了最佳适配比例系数K的概念(K表示磁控管的最高档输出功率与硅胶最大吸水重量的比例系数。)按照经验取值设定K值为150W/500g，规程要求硅胶容器中2/3的硅胶吸水变色后更换干燥硅胶，启动加热再生应在小于或等于2/3的硅胶变色开始工作，考虑加热后水蒸气有反向扩散(即向油枕内部方向扩散)的效应，选择1/2变色开始加热为宜(该数据合理，但不是唯一选择，经验取值范围为1/2±1/10)，对应的完全吸水硅胶约为整体1/3(该数据合理，但不是唯一选择，经验取值范围为1/3±1/15)，由此更换硅胶的启动加热的完全吸水硅胶重量：

W_吸＝W_干×1/3 (公式1)

由此，每个磁控管17(如附图1所示：共两个，两侧各一个)的最大输出功率：

P_磁＝1/2×W_吸×150/500＝1/2×W_干×1/3×150/500＝0.05W_干

推导结果为：P_磁＝0.05W_干 (公式2)

其中，W_吸为启动加热的完全吸水硅胶重量，单位按克(g)计算；

W_干为干燥硅胶初始总体重量，单位按克(g)计算；

P_磁为单个磁控管17的最大输出功率，单位按瓦特(W)计算。

此外，急剧加热硅胶颗粒内部水分的快速气化，会导致硅胶内部压力激增而爆裂，采用间歇式加热，工作方式采用间隔时间t(设定20秒)的间歇，即加热t时长，停止t时长，间歇加热，逐步升温。

对于变压器呼吸器而言，如果启动值设定的过低，则会使微波加热频繁启动，如上文所述，硅胶容器中2/3的硅胶吸水变色后更换干燥硅胶，要达到这样的吸水程度，按照运行经验，时间至少需要一两个月，多则需要一年以上。设定启动值，使其既满足了现场规程的要求，又可避免微波加热装置频繁启动。达到启动值后，利用流出的气流，一般需连续加热约5小时即可将水分全部排出，5个小时的排气一般需要2～3天的时间，也就是说，当达到启动条件后，一般只需要2～3天的时间就可将几个月甚至一年时间吸附的水分全部排出，干燥剂得到了再生。

接下来，我们讨论三个控制输入量之一：干燥剂及其容器、附件的整体重量高精度计重器28的测量值W_测，以及基于测量值W_测确定的元件S1和K_n的相应状态。

根据干燥剂性能，即最大吸水湿度30％RH，占重量的15％。如上文所述，硅胶容器中2/3的硅胶吸水变色后更换干燥硅胶，启动加热再生应在小于或等于2/3的硅胶变色开始工作，考虑加热后水蒸气有反向扩散(即向油枕内部方向扩散)的效应，选择1/2变色开始加热为宜(该数据合理，但不是唯一选择，经验取值范围为1/2±1/10)，对应的完全吸水硅胶折合约为整体1/3(该数据合理，但不是唯一选择，经验取值范围为1/3±1/15)。

由此，根据硅胶重量测量值作为启动加热再生的条件，变色达到硅胶的1/2时，设定为微波加热的启动条件，即：折合约为整体1/3硅胶达到完全吸水状态，也就是说占整体1/3的硅胶吸水后重量增加了15％：

由此，最高档即第N档的启动条件可总结为：

推导结果：W_启N＝1.05W_干+W_附 (公式3)

第N-1档启动的条件为：当吸收的水分重量排出后，第N-1档开始启动工作。由此：

推导结果：

第N-2档启动的条件为：当吸收的水分重量排出后，第N-2档开始启动工作。由此：

推导结果：

依次类推，档位总数N≥1的自然数，第n档(N≥n≥1)的通用计算公式为：

推导结果：

由此最低档1档的计算公式为：

推导结果：

停运重量值的确定原则为：硅胶软导管的测量误差(试验表明为5g以内)加计重器本身的测量误差(采用高精度计重器误差1/10000，可忽略不计)，对于大型变压器(180000kVA以上充油变压器)，硅胶重量最大的规格为10kg，由此，整体误差设定按8g计算(该数据合理，但不是唯一选择，理论取值范围大于等于6克)。由此：

W_停＝W_附+W_干+8 (公式8)

其中，△W为达到启动条件的硅胶吸水分后增加的重量，单位按克(g)计算；

W_干为干燥硅胶初始重量，单位按克(g)计算；

W_附为硅胶容器及其全部附件的重量，单位按克(g)计算；

W_启N为最高档档启动工作的设定重量，单位按克(g)计算；

W_启(N-1)为第(N-1)档启动工作的设定重量，单位按克(g)计算；

W_启(N-2)为第(N-2)档启动工作的设定重量，单位按克(g)计算；

W_启n为第n档(N≥n≥1)启动工作的设定重量，单位按克(g)计算；

W₁为最低档1档启动工作的设定重量，单位按克(g)计算；

W_停为停止工作的设定重量，单位按克(g)计算。

下面我们参见图12描述干燥剂重量变化启动元件S1的特性。

加热再生的启动条件，对应的判别元件为附图12中干燥剂重量变化启动元件S1，其动作特性设定为：启动元件S1初始状态为断开状态，当满足W_测≥W_启N条件后，启动元件S1闭合并保持，其他条件(流向流量启动元件K4，温度启动元件K5，这将在下文进行描述)相应满足后，微波加热启动，水分按档位逐渐排出，当W_测≤W_停时，元件S1断开并保持。S1元件特性见图13所示(其特性类似过量保护的继电器动作特性，其返回值/动作值小于1，即W_停/W_启N小于1)。如图13所示，当检测到的重量W_测从小于W_停逐渐增加到大于等于W_启N时，S1的接点闭合；当检测到的重量W_测从大于W_启N逐渐减少到小于等于W_停时，S1的接点断开。

当干燥剂吸水后重量增加达到启动条件(附图12中干燥剂重量变化启动元件S1闭合)时，其他条件(流向流量启动元件K4，温度启动元件K5，这将在下文进行描述)相应满足后，微波加热开始，硅胶吸附的水分随呼出气流排出，重量减轻，为了保证加热输出总功率与达到最大吸水湿度的硅胶重量的比例尽量接近最佳适配比例系数K，如上文所述，采用多档加热(总档数设为N，N为大于等于1的自然数，最高档为N，每档功率按最大功率的1/N递减，本发明以设定大于等于三档为例说明，且设定应用于硅胶总重量在1kg以上的呼吸器)。设定N个档位工作范围分别对应附图12中档位范围选择开关元件：K_N、K_N-1、K_N-2、…、K_n…、K₁。

其工作过程描述如下：当干燥剂吸水后重量增加达到启动条件时(附图12中干燥剂重量变化启动元件S1闭合)，最高档N档条件(附图12中第N档范围选择开关元件K_N、流向流量启动元件K4、温度启动元件K5都闭合)满足后，即可启动第N档按照最大输出功率间歇加热(间歇周期20秒)。水分开始排出，重量减小，当吸收的水分重量排出后，第(N-1)档条件(附图12中第N-1档范围选择开关元件K_N-1、流向流量启动元件K4、温度启动元件K5都闭合)满足，第(N-1)档按照最大输出功率的进行间歇加热(间歇周期20秒)。重量继续减小，当吸收的水分重量再度排出后，第(N-2)档条件(附图12中第N-2档范围选择开关元件K_N-2、流向流量启动元件K4、温度启动元件K5都闭合)满足，第(N-2)档按照最大输出功率的进行间歇加热(间歇周期20秒)。以此类推，档位为n(N≥n≥1的自然数)，第n档则按照最大输出功率的进行间歇加热(间歇周期20秒)。直到最小档1档按照最大输出功率的进行间歇加热(间歇周期20秒)。直到硅胶重量测量值(附图1中的元件28测量值W_测)小于等于停运重量值W_停时，停止加热，硅胶干燥剂加热再生过程完成。

结合上述工作过程，参见图12描述档位选择元件(K_N、…K_n、…K₁元件)的特性。

图12中K_N元件即最高档第N档范围选择开关元件。高精度计重器28检测到干燥剂及其容器整体重量值W_测，当W_测处于W_测＞W_启(N-1)范围内时，K_N闭合，在上述范围之外时，K_N断开。

图12中K_n元件即通用变量第n档范围选择开关元件，n取值范围为N≥n≥1的自然数。高精度计重器28检测到干燥剂及其容器整体重量值W_测，当W_测处于W_启n≥W_测＞W_启(n-1)区间内时，K_n闭合，在上述区间之外时，K_n断开。

图12中K₁元件即最低档第1档范围选择元件。高精度计重器28检测到干燥剂及其容器整体重量值W_测，当W_测处于W_启1≥W_测＞W_停区间内时，K₁闭合，在上述区间之外时，K₁断开。

所述档位选择元件K_N、…K_n、…K₁的特性示意图可参见图16所示。

下面，我们讨论档位数N的取值范围。由于如上文所述，整体误差设定按8g计算(该数据合理，但不是唯一选择，理论取值范围大于等于6克)，相邻档位之间的启动值之差满足大于等于8g的条件，否则可能会产生由于测量误差而导致的档位不能自动切换，即每档排出的水分重量至少8g。由此，再根据干燥剂性能：最大吸水湿度30％RH，占重量的15％，完全吸收8g水分对应的干燥硅胶的重量53.33g，由此推导，最大档位数N的理论取值范围： 的整数。

接下来，我们讨论三个控制输入量之二：呼吸器内气流方向及流量Q_测，即由气流流向和流量检测器24检测的气流方向及流量，以及基于检测结果确定的图12中流向流量启动元件K4的状态。

变压器呼吸器流通的气体是往复双向循环的，这种现象源自环境温度、风速、太阳照射、变压器负载几种因素的综合作用导致变压器油位的变化，气流流向探测头会检测气体流向变化。油位降低，内部压力小于外部压力，气体流入呼吸器，微波加热装置停止工作，硅胶处于工作状态，吸附流入气流中的水蒸汽；油位升高，内部压力大于外部压力，气体流出呼吸器，当同时满足气体流量、干燥剂吸水程度、气流温度几个条件的前提下，微波加热装置开始工作，并利用排出的气流对吸附水蒸气的硅胶进行干燥再生处理。

由于油位变化往往不会是剧烈的，因此呼吸器内的气流实际流量也很慢，应充分考虑与干燥剂内水分气化的速度相匹配，避免水蒸气回流进入变压器内部。变压器油膨胀系数通常取0.0007每摄氏度，例如25号变压器油一吨大约有1125升，在每吨油在日温差10℃的条件下，每日最高温度出现时间(约14:00左右)与最低温度出现时间(约04：00左右)的间隔时间按8小时计算，平均流量约为0.87升每小时(0.87L/h)。小型变压器充油量一般来说1吨左右，大中型充油变压器充油量可达到十几吨到几十吨，平均流量与充油量成正比关系。

流量启动值Q_启的计算过程为，在当地的日平均温差条件下，由变压器充油重量在日平均温差条件下的体积的膨胀而计算得出的平均流量即为流量启动值Q_启(该数据合理，但不是唯一选择，经验取值不大于在平均值±20％以内为宜)，也就是说，当排气流量达到计算平均值Q_启及以上时，附图12中的流向流量启动元件K4闭合。

Q_启＝V_油×X_系×t_差÷h_隔 (公式10)

其中，Q_启为流量启动值，单位：升每小时(L/h)；

V_油为变压器充油量的体积，单位为升(L)；

X_系为变压器油膨胀系数，通常取0.0007每摄氏度(0.0007/℃)；

t_差为安装地点的日平均温差，由气象数据可查得；

h_隔为每日最高温度与最低温度出现时间的间隔时间(通常按8小时计算)。

当空气流向为流出呼吸器，且流量达到Q_启(单位：L/h)及以上时，则流向流量启动元件K4闭合并保持；其他情况，则K4断开并保持。

所述流量启动元件K4的特性可参见图14所示。

接下来，我们讨论三个控制输入量之三：呼出气流温度t_测(感温探头23的测量值)，以及基于该测量值t_测确定的图12中的温度启动元件K5的状态。

对应不同的海拔，水分子会表现出不同的气化活性，在加热温度上升过程也会呈现不同的活性，由此不同海拔高度对应水的沸点是不同的(如表一所示)，活性太强烈会使硅胶内部压力激增而爆裂，所以对应不同的海波设定不同的加热上限温度，另外硅胶内部析出的水蒸汽在流通到温度探头过程中，温度会有一定程度的降低，设定呼出气流上限控制温度为对应安装地点的沸点的比例系数F(取值范围为0.6～1，设定0.7，即沸点的70％，该数据合理，但不是唯一选择，经验取值不大于0.8为宜)，避免硅胶爆裂。

对应的温度启动元件的动作逻辑为：检测到气流温度t_测，t_测>t_启(上限温度值)时，K5断开并保持，其他情况，K5闭合并保持。

表一：不同海拔高度对应水的沸点、测量温度(推荐)设定值的对应关系

安装地点海拔高度具体数值不在“表一”内，则按照相邻区间等比线性关系计算得出，见图17所显示的关系曲线。

所述温度启动元件K5的特性参见图15所示。

接下来，我们讨论图12中的时间控制器T。如上文所述，急剧加热硅胶颗粒内部水分的快速气化，会导致硅胶内部压力激增而爆裂，采用间歇式加热，工作方式采用间隔时间t(设定20秒)的间歇，即加热t时长，停止t时长，间歇加热，逐步升温。基于设置的间隔时间t，确定图12中时间控制器T的状态。

避免急剧加热硅胶颗粒内部水分的快速气化，工作方式采用间歇加热，间隔时间设定20秒，即加热20秒，停止20秒，周期性开闭，逐步升温。

所述时间控制器T用于实现间歇式加热，初始为断开状态，当时间控制器T带有电压后，该元件继续保持断开20秒后，导通20秒，再断开20秒，再导通20秒，周期性开闭，变位周期为20秒。当外部回路断开元件失去电压后，回到初始的断开状态。如图18所示。

由此可见，根据图11所示的结构图以及图12所示的原理图，所述磁控管控制装置的控制方法描述如下：当干燥剂吸水后重量增加达到启动条件(W_测≥W_启N，附图12中干燥剂重量变化启动元件S1闭合)、空气流向为流出呼吸器且流量Q_测≥Q_启以及呼出气流温度t_测＜t_启时，最高档N档条件满足(附图12中第N档范围选择开关元件K_N、流向流量启动元件K4、温度启动元件K5都闭合)，即可启动第N档按照最大输出功率并基于时间控制器T的设置间歇加热(间歇周期20秒)。水分开始排出，重量减小，当吸收的水分重量排出后，第(N-1)档条件(附图12中第N-1档范围选择开关元件K_N-1、流向流量启动元件K4、温度启动元件K5都闭合)满足时，第(N-1)档按照最大输出功率的并基于时间控制器T的设置间歇加热(间歇周期20秒)。重量继续减小，当吸收的水分重量再度排出后，第(N-2)档条件(附图12中第N-2档范围选择开关元件K_N-2、流向流量启动元件K4、温度启动元件K5都闭合)满足时，第(N-2)档按照最大输出功率的并基于时间控制器T的设置间歇加热(间歇周期20秒)。以此类推，档位为n(N≥n≥1的自然数)且满足相应的条件时，第n档则按照最大输出功率的并基于时间控制器T间歇加热(间歇周期20秒)。直到最小档1档按照最大输出功率的并基于时间控制器T间歇加热(间歇周期20秒)。最后，当硅胶及其容器、附件等重量测量值(高精度计重器28的测量值W_测)小于等于停运重量值W_停时，停止加热，硅胶干燥剂加热再生过程完成。直到干燥剂吸水后重量再次增加达到启动条件时，则再次按照从高档到低档的档位顺序依次启动上述加热再生过程。启动条件见表二：工作条件对应关系表。

应注意，本发明所提出的具体实施方式及应用领域仅为说明的目的，并不作为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员可对本发明的具体实施方式进行修改以满足实际需要。

Claims (15)

1.一种变压器免维护呼吸器的自动控制系统，其特征在于：

所述自动控制系统包括变压器部分、感测部分以及微波部分；其中：

所述变压器部分包括呼吸器，所述呼吸器包括硅胶及其容器以及将该容器进行密封的上下密封法兰；

所述微波部分包括金属材质的微波屏蔽内罩和外罩，其中所述硅胶及其容器以及上下密封法兰均位于微波屏蔽内罩中，在金属外罩的两侧分别具有一个微波发射装置，所述微波发射装置包括磁控管的控制装置、磁控管以及微波导管，其中所述磁控管的控制装置连接至所述磁控管，且所述微波导管连通微波屏蔽外罩和内罩以将微波传递至位于所述内罩中的硅胶及其容器；

所述感测部分包括感温探头、气流流向和流量检测器以及高精度计重器；所述感温探头用于测量所述呼吸器呼出气体的温度t_测，所述气流流向和流量检测器用于测量所述呼吸器内部的气体流向和流量Q_测，所述高精度计重器用于测量硅胶及其容器以及附件的重量W_测；

所述感测部分连接至所述微波部分，用于将所述测量出的温度、气体流向和流量以及重量发送至磁控管的控制装置；以及

所述磁控管的控制装置用于根据所述测量出的温度、气体流向和流量以及重量，控制磁控管的功率档位。

2.根据权利要求1的自动控制系统，其特征在于：

所述磁控管的控制装置还用于根据最佳适配比例系数K、启动微波加热时的等效完全吸水硅胶与整体硅胶的比例、以及启动微波加热时硅胶变色的比例设置所述磁控管的最高档输出功率，其中K为表示磁控管的最高档输出功率与硅胶最大吸水重量的比例系数。

3.根据权利要求2的自动控制系统，其特征在于：

所述K的取值为150W/500g，启动微波加热时完全吸水的硅胶与整体硅胶的比例为1/3，对应启动微波加热时硅胶变色的比例为1/2：

W_吸＝W_干×1/3 (公式1)

由此，每个磁控管的最大输出功率为：

P_磁＝1/2×W_吸×150/500＝1/2×W_干×1/3×150/500＝0.05W_干

推导结果为：P_磁＝0.05W_干 (公式2)

其中，W_吸为启动微波加热的完全吸水硅胶重量，单位按克(g)计算；

W_干为干燥硅胶初始总体重量，单位按克(g)计算；

P_磁为每个磁控管的最大输出功率，单位按瓦特(W)计算。

4.根据权利要求1的自动控制系统，其特征在于：

所述控制装置中存储有启动微波加热时的重量阈值W_启N、呼吸器内的气流方向和流量阈值Q_启以及呼出气流温度的阈值t_启；

所述控制装置用于判断当测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测增加并满足W_测≥W_启N、测量出的呼吸器内气流方向为流出呼吸器且流量Q_测≥Q_启、以及测量出的呼出气流温度t_测＜t_启时，启动磁控管启动并以最大输出功率P_磁即最高档N档的功率工作。

5.根据权利要求4的自动控制系统，其特征在于：

所述磁控管的功率档位包括N个档位，最高档为N档，最低档1档，其中第n档(1≤n≤N)的功率P_n为：

6.根据权利要求5的自动控制系统，其特征在于：

所述控制装置中还存储有与所述功率档位对应的重量阈值W_启n，且W_启n>W_启(n-1)：

所述控制装置用于当测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测满足增加并达到≥W_启N，且处于W_测＞W_启(N-1)范围内，并且测量出的呼吸器内气流方向为流出呼吸器且流量Q_测≥Q_启、以及测量出的呼出气流温度t_测＜t_启时，控制磁控管启动并在最高档N档的功率档位工作；

控制磁控管启动后，并当测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测满足W_启n≥W_测＞W_启(n-1)时，n处于范围2≤n≤N-1内，并且测量出的呼吸器内气流方向为流出呼吸器且流量Q_测≥Q_启、以及测量出的呼出气流温度t_测＜t_启时，控制磁控管在第n档的功率档位工作；

控制磁控管启动后，并当测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测满足W_启1≥W_测＞W_停时，并且测量出的呼吸器内气流方向为流出呼吸器且流量Q_测≥Q_启、以及测量出的呼出气流温度t_测＜t_启时，控制磁控管在最低档1档的功率档位工作，其中W_停是停止加热时对应的重量阈值，且W_停＜W_启1。

7.根据权利要求4的自动控制系统，其特征在于：

当随着加热的进行，测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测逐渐降低，并同时满足测量出的呼吸器内气流方向为流出呼吸器且流量Q_测≥Q_启、以及测量出的呼出气流温度t_测＜t_启时，所述控制装置用于控制磁控管以逐渐降低的功率档位工作。

8.根据权利要求6或7的自动控制系统，其特征在于：

当测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测降低至W_测≤W_停时，其中W_停为停止加热时对应的重量阈值，所述控制装置用于控制磁控管停止工作。

9.根据权利要求4的自动控制系统，其特征在于：

所述控制装置用于当判断满足以下任一条件时，控制磁控管停止工作：

测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测增加但未达到启动微波加热时的重量阈值W_启N之前，即不满足W_测≥W_启N；

测量出的硅胶及其容器以及附件的重量W_测达到启动微波加热时的重量阈值W_启N之后，即满足W_测≥W_启N启动微波加热之后，水分逐渐排出，W_测降低至W_测≤W_停，其中W_停为停止加热时对应的重量阈值；

测量出的气体流向为流入呼吸器；

测量出的气体流向为流出呼吸器，且流量Q_测＜Q_启；

测量出的呼出气流温度t_测≥t_启。

10.根据权利要求6的自动控制系统，其特征在于：

其中，△W为达到启动条件的硅胶吸水分后增加的重量，单位按克(g)计算；

W_干为干燥硅胶初始重量，单位按克(g)计算；

W_附为硅胶容器及其全部附件的重量，单位按克(g)计算；

W_启N为最高档档启动工作的设定重量，单位按克(g)计算；

W_启n为第n档(N≥n≥1)启动工作的设定重量，单位按克(g)计算；

W_停＝W_附+W_干+8，其中8为整体测量误差，单位按克(g)计算。

11.根据权利要求6的自动控制系统，其特征在于：

所述控制装置用于根据整体误差确定最大档位数的取值范围：

最大档位数N的理论取值范围：的整数，其中W_干为干燥硅胶初始重量，单位按克(g)计算。

12.根据上述任一权利要求的自动控制系统，其特征在于：

所述自动控制系统还包括时间控制器，用于设置时间间隔t；

所述磁控管的控制装置用于根据时间控制器的设置，当控制磁控管在某一功率档位工作时，间歇地启动磁控管进行加热，即导通并启动加热一时间段t、断开并停止加热一时间段t循环往复进行。

13.根据权利要求1的自动控制系统，其特征在于：

所述自动控制系统还包括用于托起呼吸器硅胶容器的支撑杆及硅胶容器上下法兰的紧固螺杆及其螺母和橡胶垫片；所述支撑杆在微波屏蔽内罩内的部分采用非金属材料制成，在微波屏蔽内罩和外罩之间的部分采用金属材料制成，两部分的结合方式采用拔插式结合；并且所述支撑杆可为三个，均匀分布在上下密封法兰四周并通过与上下密封法兰固定在一起，支撑杆的在微波屏蔽内罩和外罩部分支撑于所述高精度计重器上，以便高精度计重器测量硅胶及其容器以及附件的重量。

14.根据权利要求13的自动控制系统，其特征在于：

所述自动控制系统还包括连接至上下密封法兰的外接端的软导管以减少对重量测量的影响。

15.根据权利要求4的自动控制系统，其特征在于：

所述控制装置用于存储海拔高度、沸点以及相应的呼出气流温度的阈值t_启的对应关系表，并根据所在地的海拔高度和沸点确定要采用的呼出气流温度的阈值t_启。