变压器瓦斯保护仪设计.doc

辽 宁 工 业 大 学

单片机原理及接口技术 课程设计（论文）

题目： 变压器瓦斯保护仪设计

院（系）： 电气工程学院
专业班级： 电气104班
学 号：
学生姓名： 马志瀛
指导教师： （签字）
起止时间：2023.06.24-2023.07.12

课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室： 电气教研室
学 号

学生姓名
马志瀛
专业班级
电气104班
课程设计（论文）题目
变压器瓦斯保护仪设计
课程设计（论文）任务
该检测仪实时监测变压器油的流速，当流速超过阈值时，启动相应的开关量输出控制启动保护装置，并发出报警信号。
设计任务：
1. CPU最小系统设计（涉及CPU选择，存储器，晶振电路，复位电路））
2. 传感器选择及接口电路设计
3. 开关量输出接口及报警电路设计
4. 程序流程图设计以及具体程序编写
技术参数：
1．变压器容量是5000KVA
2．保护仪的工作电源为220V
3．变压器的流速上限为0.6m/s
设计规定：
1、分析系统功能，尽也许减少成本，选择合适的单片机、AD转换器、输出电路等；
2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；
3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有具体的软件设计说明，具体阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。
进度计划
第1天 查阅收集资料
第2天 总体设计方案的拟定
第3-4天 CPU最小系统设计
第5天 传感器选择及接口电路设计
第6天 开关量输出接口及报警电路设计
第7天 程序流程图设计
第8天 软件编写与调试
第9天 设计说明书完毕
第10天 答辩
指导教师评语及成绩

平时： 论文质量： 答辩：

总成绩： 指导教师签字：
年 月 日
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘 要
变压器作为电力系统输电不可或缺的装置，其可靠性和安全性对整个电网的可靠，连续供电起着关键作用。瓦斯保护作为变压器保护的重要组成部分，是变压器安全，可靠运营的基础。本文阐述了变压器瓦斯保护作用及其设计过程。
针对本次设计，选用QJ1-80气体继电器作为瓦斯保护的继电器，再由按键电路连入CPU进行解决计算，通过报警系统进行报警。

关键词：变压器；瓦斯保护；QJ1-80气体继电器
目 录
第1章 绪论 1
1.1 变压器保护概况 1
1.2 变压器瓦斯保护概况 2
1.3 本文研究内容 2
第2章 CPU最小系统设计 4
2.1 瓦斯保护仪总体设计方案 4
2.2 CPU的选择 4
2.3 数据存储器扩展 6
2.4 复位电路设计 7
2.5 时钟电路设计 7
2.6 CPU最小系统图 8
第3章 瓦斯保护仪输入输出接口电路设计 9
3.1 瓦斯继电器的选择 9
3.2 瓦斯保护仪检测接口电路设计 9
3.2.1 独立式按键电路选择 9
3.2.2 模拟量检测接口电路 11
3.3 瓦斯保护仪输出接口电路设计 11
第4章 瓦斯保护仪软件设计 13
4.1 软件实现功能综述 13
4.2 流程图设计 13
4.2.1 主程序流程图设计 13
4.2.2 模拟量检测流程图设计 14
4.2.3 报警装置流程图设计 14
4.3 程序清单 15
第5章 系统设计与分析 16
5.1 系统原理图 16
5.2 系统原理综述 16
第6章 课程设计总结 17
参考文献 18

第1章 绪论
1.1 变压器保护概况
变压器作为联系不同电压等级网络的设备，是电力系统中极其重要组成部分，它在电力系统的发电，输电，配电等各个环节中被广泛使用。随着近些年来，电力系统规模的不断扩大，电压等级的提高，增长了很多大容量的变压器，因而它的安全运营与否，是整个电力系统能否连续稳定工作的关键，也是电力系统可靠工作的必要条件。并且电力变压器自身造价昂贵，一旦发生故障而遭到破坏，将给维修带来很大困难，导致大的经济损失。因此，必须根据变压器的容量和重要限度，并考虑到也许发生的各种故障类型和不正常运营状态，来装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。
分析电力变压器的故障，可分为短路故障和不正常运营状态两种，而变压器的短路故障，又可按发生在变压器的内外部情况分为内部故障和外部故障。变压器的内部故障重要是指各相绕组之间发生的相间短路、绕组的线匝之间发生的匝间短路、绕组或引出线通过外壳发生的接地短路故障等。变压器的外部故障重要是指外部绝缘套管和引出线上发生的相间短路和直接接地短路故障。
根据上述故障类型和不正常运营状态，变压器应装设以下保护：
（1）瓦斯保护
对于变压器油箱内的各种故障以及油面的减少，应装设瓦斯保护，它反映
于油箱内部所产生的气体或油流而动作，同时也能反映绕组的开焊故障。
（2）纵联差动保护或电流速断保护
为反映变压器绕组和引出线的相间短路故障，中性点直接接地侧绕组和引
出线的接地短路故障以及绕组匝间短路故障，应装设纵联差动保护或电流速断保护。保护动作后，跳开变压器各电源侧的断路器。
（3）反映外部相间短路的后备保护
动作于变压器的外部故障和作为主保护的后备保护，根据变压器容量和应
用情况，可分别采用过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序电流及单相式低电压起动的过电流保护、阻抗保护。
（4）反映外部接地短路的接地保护
对中性点直接接地电力网内，由外部接地短路引起过电流时，应装设零序电流保护。当电力网中部分变压器中性点接地运营，应根据具体情况，装设专有的保护装置，如零序过电压保护，中性点装放电间隙加零序电流保护等。
（5）过负荷保护
对0.4MVA以上的变压器，当数台并列运营，或单独运营并作为其他负荷的备用电源时，应根据也许过负荷的情况，装设过负荷保护。过负荷保护接于一相电流上，并延时作用于信号。
（6）过励磁保护
高电压侧电压为500KV及以上的变压器，对频率减少和电压升高而引起的变压器励磁电流的升高，应装设过励磁保护。
（7）非电量保护
对变压器本体和有载调压部分的温度，油箱内压力升高以及冷却系统的故障，应按现行变压器标准的规定，装设可作用于信号或动作于跳闸的装置。
为实现上述保护内容的功能，适应当今大容量变压器应用的日益增多以电力系统网络日益复杂化的趋势，并随着着计算机技术的迅速发展，微机继电保护装置在高压电王中得到了广泛的应用，成为目前继电保护中最重要的保护形式。微机保护相比与传统的保护装置，具有更高的可靠性、快速性和灵敏度，可更大限度的保证电力系统和变压器的安全运营，减少事故的损失。
1.2 变压器瓦斯保护概况
瓦斯保护是变压器内部故障的基本保护，它的重要器件是瓦斯继电器，安装的位置在油箱与油枕之间的联接管道中。当变压器油箱内部发生故障时，短路电流产生的电弧使变压器油和其他绝缘材料分解，从而产生大量的可燃性气体，这种可燃性气体统称为瓦斯气体。故障限度越严重，产生的瓦斯气体越多，流速越快，气流中还夹杂着细小的、灼热的变压器油。瓦斯保护是运用变压器油受热分解所产生的热气流和热油流实行保护动作。在瓦斯保护装置中，反映这些特性的基本器件是瓦斯继电器。
在变压器正常工作时，瓦斯继电器的容器内一般是充满变压器油的，它的两对灵敏水银触点是断开的。假如变压器内部出现轻微故障，此时上面一对水银触点闭合，接通信号回路，发出报警信号，即继电器轻瓦斯动作。假如变压器内部发生严重故障，使下面一对水银触点闭合，接通跳闸回路，切断与变压器连接的所有电源，从而起到保护变压器的作用，即继电器中瓦斯保护。
1.3 本文研究内容
该检测仪实时监测变压器油的流速，当流速超过阈值时，启动相应的开关量输出控制启动保护装置，并发出报警信号。
本设计重要设计内容是：
1. CPU最小系统设计（涉及CPU选择，存储器，晶振电路，复位电路））
2. 继电器选择及接口电路设计
3. 开关量输出接口及报警电路设计
4. 程序流程图设计以及具体程序编写

第2章 CPU最小系统设计
2.1 瓦斯保护仪总体设计方案

图2.1 瓦斯保护仪原理框图
变压器瓦斯保护的重要元件就是瓦斯继电器，它安装在油箱与油枕之间的连接管中。当变压器出现内部故障时，产生的气体将聚集在瓦斯继电器的上部，使油面减少。当油面减少到一定限度后，上浮筒便下沉，使水银接点接通，发出信号。假如是严重故障，油流会冲击挡板，使之偏转，并带动挡板后的连动杆向上转动，挑动与水银接点卡环相连的连动环，使水银接点分别向与油流垂直的两侧转动，两水银接点同时接通，使开关跳闸或发出信号。信号经按键电路送入CPU, CPU对采样值进行数值计算，解决后，驱动显示器显示出被测气体的瓦斯浓度值，若被测气体的瓦斯浓度超过报警电路预定的数值时，报警电路即发出声、光报警信号，并启动输出相应的开关量信号，检测仪由AC220V供电。
2.2 CPU的选择
CPU是瓦斯保护仪的核心，完毕数据采集、解决、输出、显示等功能,是整个仪器正常工作的基础，它的选择直接关系到整个系统的工作。选择通用性强、功耗小、性能稳定良好的8位CMOS微解决器芯片AT89C51，它与常用MCS-51型单片机兼容，工作电压为2.7V～6.OV,具有32条可编程I/O端口，3个16位定期计数器，256×8位内部RAM,内带8K字节快闪EEPROM的特点，大大简化了电路的设计。
引脚图如图：

图2.2 89C51 引脚图
部分引脚功能说明：
XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，此引脚应接地。
XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。
RST：AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片复位时，只要将此引脚电位提高到高电位，并连续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完毕系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。
ALE/：ALE表达允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器 (如74LS373)，将端口P0 的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。
：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次 信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN 信号，在访问外部数据时，亦不产生信号。
P0：P0口(P0.0～P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。
P2：P2口(P2.0～P2.7)是具有内部提高电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。每一个引脚可以推动4个LSTL负载。
P1：P1口(P1.0～P1.7)口是具有内部提高电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。
P3：P3口(P3.0～P3.7)口是具有内部提高电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，它还提供特殊功能，涉及串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分派如下：
P3.0 RXD 串行通信输入
P3.1 TXD 串行通信输出
P3.2 外部中断0输入,低电平有效
P3.3 外部中断1输入,低电平有效
P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端
P3.5 T1 计数器1 外部事件计数输入端
P3.6 外部随机存储器的写选通，低电平有效
P3.7 外部随机存储器的读选通，低电平有效
在设计中用到了多片串行通信的芯片，但选用的单片机AT89C51只有一个串行口，这给连接带来了极大的麻烦。在设计中，用单片机未用到的普通I/O口辅之控制软件来模拟串行口工作，从而解决了串行口不够用的难题。
2.3 数据存储器扩展
89C51单片机片内有128B的RAM存储器，在实际应用中仅靠这128B的数据存储器是远远不够的。这种情况下可运用89C51单片机所具有的拓展功能，拓展数据存储器。本文运用6264与单片机进行拓展。
6264是8K*8位的静态随机存储器，采用CMOS工艺制造，单一+5电源供电，额定功耗200mW,典型存取时间200ns，为28线双列直插式封装。如图2.3所示：

图2.3 89C51 与 6264 的扩展
2.4 复位电路设计
复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常的重要。在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就可以实现复位。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平，单片机就可以可靠的复位。本文采用按键复位方式。该方式可以通过按键实现复位。按下键后，通过R1和R2形成回路，使RESET端产生高电平。按键的时间决定了复位的时间。

图2.4 按键复位电路图
2.5 时钟电路设计
片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～24MHz之间选取。C1、C2是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，典型值为30pF。本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。振荡周期＝； 机器周期； 指令周期＝

图2.5 晶振电路图
2.6 CPU最小系统图
根据上述4节图，形成完整的CPU最小系统图，如图2.6所示：

图2.6 CPU最小系统
第3章 瓦斯保护仪输入输出接口电路设计
3.1 瓦斯继电器的选择
本次课设选用QJ1-80气体继电器作为瓦斯保护的继电器，QJ1-80气体继电器，是油浸式变压器所用的一种保护装置，由于变压器内部故障而使油分解产气愤体或导致油流涌动时，使气体继电器的接点动作，接通指定的控制回路，并及时发出信号或自动切除变压器。
在选择QJ1-80气体继电器时，重要从以下几个测试实验来衡量:
1、轻瓦斯实验
将瓦斯继电器放在实验台上固定，（继电器上标注箭头指向油枕），打开实验台上部阀门，从实验台下面气孔打气至继电器内部完全充满油后关闭阀门，放平实验台，打开阀门，观测油面减少到何处刻度线时轻瓦斯触点导通，我局轻瓦斯定值一般为250mm —350mm ，若轻瓦斯不满足规定，可以调节开口杯背后的重锤改变开口杯的平衡来满足需求。
2、 重瓦斯实验（流速实验）
从实验台气孔打入气体至继电器内部完全充满油后关上阀门，放平实验台，打开实验台表计电源，选择表计上的瓦斯孔径档位，测量方式选在“流速”，再继续打入气体，观测表计显示的流速值为整定值止，快速打开阀门，此时油流应能推动档板将重瓦斯触点导通。重瓦斯定值一般为1.0—1.2m/s，若重瓦斯不满足规定，可以通过调节指针弹簧改变档板的强度来满足需求。
3、 密闭实验
同上面的方法将起内部充满油后关上阀门，放平实验台，将表计测量方式选在“压力”，打入气体，观测表计显示的压力值数值为0.25MPa，保持该压力40分钟，检查继电器表面的桩头跟部是否有油渗漏。
3.2 瓦斯保护仪检测接口电路设计
3.2.1 独立式按键电路选择
由于CPU不能直接接受模拟量信号，所以需要按键电路把开关关断讯号传入CPU中，发出警报。独立式按键电路配置灵活，软件结构简朴，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大。由于本次设计只需两个I/O，所以适合选用独立式按键电路。对于键盘的监测，就是否有键按下的信息输压测量信号，把瓦斯继电器的信号传入CPU中的方式分为中断方式与查询方式两种。
本次课设选用查询方式，如电路图3.1所示：

图3.1 独立式按键电路
下面是查询方式的键盘程序。K0到K7为功能程序入口地址标号，其地址间隔应能容纳JMP指令字节，PROM0~PROM7分别为每个按键的功能程序。设I/O为P0口。
START：MOV A，#0FFH ;
MOV P0，A ;置P1口为输入状态
MOV A，P0 ;键状态输入
JNB ACC.0，K0 ;检测0号键是否按下，按下转
JNB ACC.1，K1 ;检测1号键是否按下，按下转
JNB ACC.2，K2 ;检测2号键是否按下，按下转
JNB ACC.3，K3 ;检测3号键是否按下，按下转
JNB ACC.4，K4 ;检测4号键是否按下，按下转
JNB ACC.5，K5 ;检测5号键是否按下，按下转
JNB ACC.6，K6 ;检测6号键是否按下，按下转
JNB ACC.7，K7 ;检测7号键是否按下，按下转
JMP START ;无键按下返回，再顺次检测
K0：AJMP PROM0
K1：AJMP PROM1
………
K7：AJIMP PROM7
PROM0：……………………… ;0号键功能程序
………………………
JMP START ;0号键功能程序执行完返回
PROM1：……………………… ;0号键功能程序
………………………
JMP START ;1号键功能程序执行完返回

……………………… ; 7号键功能程序
PROM7： ………………………
JMP START ;7号键功能程序执行完返回
3.2.2 模拟量检测接口电路
由气体继电器和按键电路组成的模拟量检测接口电路图，如图3.2所示：

图3.2 气体继电器与按键电路连接
3.3 瓦斯保护仪输出接口电路设计
报警电路由NPN三极管、蜂鸣器、LED和限流电阻组成，如图3.3所示。由单片机两个I/0口控制声报警方式和光报警方式，实际应用时，可以通过软件设立选择其中一种报警方式，也可以两种都选择。
8050是一种常用的小功率开关三极管，它的最大负载电流为700mA, VCEO=20V,饱和压降为0.5V。 Q1和Q2分别作为蜂鸣器和发光二极管的驱动器，蜂鸣器的正常工作为3V，声音强度为80dB，发光二极管的额定电流为5～lOmA。当单片机I/O口信号为高电平时，三极管导通，蜂鸣器发出报警声音，发光二极管则给出光指示信号，其中，R2, R3和R1均为限流电阻。

图3.3报警装置电路图
第4章 瓦斯保护仪软件设计
4.1 软件实现功能综述
该系统软件重要由主程序、按键程序和报警子程序等模块组成,由于C语言编写的软件易于实现模块化,生成的机器代码质量高、可读性强、移植好。
1) 比较监测到的瓦斯浓度值值和报警设立值,发现超限则蜂鸣器报警提醒
2) 报警的同时启动输出相应的开关量信号。
4.2 流程图设计
4.2.1 主程序流程图设计
主程序功能是将继电器程序、按键程序与数据程序结合在一起检查是否发生故障，灵敏水银触点是否闭合，闭合则报警，反之则不报警，主程序流程图如图4.1所示：

图4.1主流程图
4.2.2 模拟量检测流程图设计
89C51单片机独立式按键子程序流程图，如图4.2所示。

图4.2 按键子程序流程图
4.2.3 报警装置流程图设计
报警电路分为蜂鸣器报警电路和LED发光报警电路组成。当输入端为低电平时，有电流通过蜂鸣器，蜂鸣器发出声音报警。而当输入端为高电平时不报警。
当输入端KG1接通，启动00按键程序并报警，当输入端KG2，启动01按键程序并报警，当输入端KG1和KG2同时接通，启动10按键程序并报警
程序框图如图4.3所示：

图4.3 报警子程序流程框图
4.3 程序清单
START：CLR A;
MOV P0，A;
MOV P1，A;
MOV ACC.0，P0;
MOV ACC.1，P1;
JC ACC.0，K0(KG1);
JC ACC.1，K1(KG2);
JMP START；
K0：AJMP PROM0;
K1：AJMP PROM1;
PROM0：SETB P1;
JMP START;
PROM1：SETB P2;
JMP START;

第5章 系统设计与分析
5.1 系统原理图
综上所述，此系统电路原理图如图5.1所示

图5.1 系统总结线图
5.2 系统原理综述
当变压器内部发生轻微故障，使油位减少时，瓦斯继电器KG的上接点KG1动作，接通信号继电器1KS发出信号。当变压器内部发生严重故障，使瓦斯继电器KG的下接点KG2动作，KG1和KG2分别接按键电路K0、K1，CPU再由按键状态启动相应的报警。
第6章 课程设计总结
本次课设设计了变压器的保护装置，设计中分别选用气体继电器、按键按电路、报警电路等作为保护电路的重要组成部分。其运营过程为：当油浸式变压器的内部发生故障时，由于电弧将使绝缘材料分解并产生大量的气体，其强烈限度随故障的严重限度不同而不同。在瓦斯保护继电器内，上部是一个密封的浮筒，下部是一块金属档板，两者都装有密封的水银接点。浮筒和挡板可以围绕各自的轴旋转。在正常运营时，继电器内充满油，浮筒浸在油内，处在上浮位置，水银接点断开；档板则由于自身重量而下垂，其水银接点也是断开的。当变压器内部发生轻微故障时，气体产生的速度较缓慢，气体上升至储油柜途中一方面积存于瓦斯继电器的上部空间，使油面下降，浮筒随之下降而使水银接点闭合，当变压器内部发生严重故障时，则产生强烈的瓦斯气体，油箱内压力瞬时突增，产生很大的油流向油枕方向冲击，因油流冲击档板，档板克服弹簧的阻力，带动磁铁向干簧触点方向移动，使水银触点闭合，按键电路将水银触点闭合信息传入CPU中进行解决、计算，之后发出报警，并关断相应开关。
变压器瓦斯信号动作后，运营人员必须对变压器进行检查，查明动作的因素，并立即向上级调度和主管领导报告，上级主管领导应立即派人去现场提取继电器气样、油样和本体油样，分别作色谱分析。根据有关导则及现场分析结论采用相应的对策， 避免事故的发生，以保证变压器的安全经济运营。
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