高压断路器触头电磨损在线检测系统的研究.docx

摘 要

随着电力系统自动化的迅速发展和供电可靠性的要求日益提高，特别是目前电力部门正大力推行的变电站综合自动化，对高压断路器的可靠性提出了更高的要求。为了适应这种要求，需要构建高压断路器在线监测系统机制。实时的在线监测和故障诊断可以及时发现故障，从而提高其运行可靠性，延长设备的维修保养周期，提高设备的利用率，提高供电可靠性，减少维修保养费用，因而具有重要的经济意义。
所谓的在线监测，也可以称为状态监测：就是通过传感器装置来监视正在运行中的设备的工作状态，对其健康水平作出评估或诊断，并根据不同的状态识别设备的优劣和故障的原因、性质及部位等信息，并且根据反馈回来的信息，决定维修计划。状态监测在一些先进国家，已经得到了很好的发展。近年来，我国也开始了对状态监测技术进行了研究，并取得了一些成果，这对发展我国的电力系统智能化提供了基础。
根据电力系统设备的检修体制分析，状态检修体制占据越来越重要的地位，本文对高压断路器触头电磨损在线监测系统进行了研究，并设计了试验样机论证。该样机装置采用廉价的AVR单片机作为中心处理器，其特点是速度高、功耗低和较高的保密性。整个装置的工作流程为：在高压断路器附近（一米之内）安装一近场天线，利用在断路器触头分离的击穿过程中周围的空间产生较强的电磁辐射信号去响应处理器的中断，进行相应数据的采集与处理，最终计算出断路器一次开断过程的磨损量，在此基础上进行累计并与总磨损量进行比较，最后给出相应的显示信息或报警信号。试验结果表明该系统装置具有较好的工作稳定性和可靠性，基本完成了毕业设计任务要求和技术指标。
关键词：高压断路器；电磨损；在线检测；Atmega16

Abstract

With the rapid development of automation of electric power systems and Power supply reliability requirements is increasing day by day, especially with the current power department is vigorously carry out of substation integrated automation, the reliability of high voltage circuit breaker put forward higher request. In order to adapt the request, the need to build a high voltage circuit breaker on-line monitoring system mechanism. Real-time on-line monitoring and fault diagnosis can find the fault timely, thus improve their operation reliability, prolong the equipment maintenance cycle, increase the utilization ratio of equipment, improve the power supply reliability, reduce maintenance cost, so it has important economic significance.
and according to the different status identification equipment quality and the cause of failure, nature and Parts and so on information,According to the power system equipment maintenance system analysis, the state overhaul system occupies more and more important position, this paper is studied for electric wear on-line monitoring system of high voltage circuit breaker contacts, And design the test prototype to argument. This prototype device adopts cheap AVR microcontroller as the central processor, its characteristic is high speed, low power consumption and high confidentiality. The whole device in the workflow to: In nearby the high voltage circuit breaker (within one metre) install a near-field antenna, use the breakdown process of the separation of the breaker contacts in the space around produced strong electromagnetic radiation signals to response the processor interruption, the corresponding data interrupt signal processing and finally calculate circuit breaker a open circuit process wear quantity, based on which and the total amount of wear accumulative and comparison with the total amount of wear, finally gives corresponding display information or alarm signal. The test results show that the system device has better job stability and reliability, basic completed the graduation design task requirements and technical indexes.
Key words：High voltage circuit breaker; Electricity wear; On-line detection; Atmega16

目 录

引言 1
1 绪论 2
1.1 课题背景 2
1.2 课题研究的目的和意义 3
1.3 设计的主要任务 4
2 系统方案与主要器件介绍 4
2.1 系统方案选择 4
2.2 控制方案设计 5
2.3 高压断路器介绍 5
2.3.1 真空断路器的分类与用途 5
2.3.2 真空断路器的基本结构 6
2.3.3 真空断路器的性能指标 7
2.3.4 真空断路器的发展 8
2.4 电流互感器介绍 9
2.4.1 电流互感器的原理与用途 9
2.4.2 电流互感器的性能指标 10
2.4.3 电流互感器的选择 11
2.4.4 电流互感器使用注意事项 12
2.5 单片机ATMEGA16介绍 13
2.5.1 主要性能 13
2.5.2 功能特性描述 14
2.5.3 Atmega16引脚排列及说明 15
3 硬件部分设计 16
3.1 控制器及显示报警部分硬件设计 16
3.1.1 M16控制器硬件电路设计 16
3.1.2 显示部分硬件设计 17
3.1.3 报警部分硬件设计 18
3.2 数据采集部分硬件设计 18
3.2.1 I/V变换电路设计 18
3.2.2 电压跟随电路设计 18
3.2.3 整流滤波部分电路设计 19
3.3 天线信号部分硬件设计 20
3.3.1 稳压部分电路设计 20
3.3.2 电压跟随电路设计 21
3.3.3 中断触发电路设计 21
4 软件部分设计 21
4.1 数据采集程序设计 21
4.1.1 中断及ADC程序初始化 22
4.1.2 ADC程序设计 26
4.1.3 中断程序设计 27
4.2 显示模块程序设计 28
4.2.1 LCD12864初始化 28
4.2.2 LCD12864显示程序设计 31
4.2.3 连接接口说明 32
4.3 4X4键盘程序设计 33
4.3.1 4X4键盘程序设计 33
4.3.2 连接接口说明 34
5 硬件制作及系统调试 34
5.1 硬件的制作 34
5.2 硬件的调试 35
5.3 软件的调试 36
6 结论 36
谢 辞 37
参考文献 38
附 录1 39
附 录2 41

引言
高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备，它的功能是接通和断开正常工作电流、过负荷电流和故障电流，它是开关设备中最为完善的一种。电力系统自动化的迅速发展和供电可靠性的日益提高，特别是目前电力部门正大力推行的变电站综合自动化，对高压断路器的可靠性提出了更高的要求。为了适应这种要求，需要构建高压断路器综合监控系统。该综合监控系统的根本任务是了解和掌握断路器的运行状态，为断路器的故障诊断、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。因此，高压断路器综合监控系统应实现以下基本目标：
1、对反映高压断路器运行状态的有关参量进行连续长期的监测；
2、对高压断路器的相关运行参量进行显示和记录；
3、建立起高压断路器的状态数据库，对断路器实施质量统计和管理；
4、具备一定通讯功能，能适应综合自动化或无人值守变电站的要求；
5、具备自检和报警功能；
6、具有较好的抗干扰能力和必要的监测灵敏度；
7、监测结果有较好的可靠性和重复性；
8、监控系统的投入和使用应不改变和影响断路器的正常运行；
9、具有较好的技术经济指标；
10、应用各种数据处理和信号分析的方法，综合考虑各种因素，如运行历史、环境因素等，对高压断路器的运行状态作出准确的评估。
1 绪论
1.1 课题背景

随着真空断路器在电力系统中应用越来越广泛，对真空断路器的检修成为了电力系统检修体系的重要环节。当今世界的电力设备检修制度基本上有两种：即定期检修制度和状态检修制度。前者以时间周期为标准，其主要缺点是检修具有一定的盲目性，而后者以设备的实际运行状态为标准，其主要的优点是可以克服检修的过剩与不足，减少浪费，提高效率。随着电力生产体制的改革以及故障诊断等相关技术的进步和普及，在我国电力系统推行状态检修势在必行。
而在线监测作为状态检修的一种形式，在电力系统中也越来越受欢迎。所谓在线监测，是指对运行设备的状态量进行不间断的监测，将采集到的信号量进行加工处理，使之成为有用的信息，通过对信号识别来判断出设备故障和异常部位、原因和程度，预测设备故障或异常可能发展的速度和后果，定出维修计划和项目。在线监测可以减少高压开关维护的劳动量和成本。
1.2 课题研究的目的和意义
高压断路器，是开关电器中最为关键的一种电气设备，是作为绝缘和灭魂的装置，是发电厂和变电所配电装置中必不可少的设备。正常运行时，用来进行倒换运行方式，把设备或线路接入电路或退出运行，起着控制作用。当设备和线路发生故障时能快速切除，保证无故障部分正常运行，起保护作用，高压断路器在电力系统中肩负着控制和保护双重任务，其状态的好坏直接影响着电力系统的安全运行。
电力系统中，高压断路器数量多、检修量大、费用高。有关统计表明，变电站维护费用的一半是用在高压断路器上，而其中60℅又是用于断路器的小修和例行检修上。据统计，10℅的断路器故障时由于不正确的检修所致，断路器的大修完全解体，既费时间，费用也高，而且解体和重装会引起很多新的缺陷。在目前相对保守的计划检修中，检修缺乏一定的针对性。因此，及时了解断路器的工作状态、缺陷的部位，减少过早或不必要的停电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修的针对性，可显著提高电力系统可靠性和经济性。
高压断路器在线监测为实现由计划检修到状态检修的转变创造了条件。长期以来的计划检修，盲目解体拆卸，浪费了大量的人力物力和财力，同时也造成了停电损失和设备寿命的降低。目前，电力系统专业技术人才正致力于高压断路器由计划检修到状态检修的转变，不再以投入年限和动作次数为衡量标准，而是以设备的实际状态为维修依据。电力设备的检修要实现这种转变，在线监测势在必行。
高压断路器的电气性能是通过其机械特性来保证的，对高压断路器的运行状态实施在线测量，主要包括合、分闸操作机械特性的测量，能及时了解其工作情况，实现从预防维修到状态检修的转变，对提高其运行可靠性，保障电力系统安全十分重要。高压断路器作为电力输配电系统中应用最为普遍的电器设备，对其进行状态监测与故障诊断，是对断路器状态预知的基础，也是提高供、配电可靠性的必由之路。
此外，高压断路器机械特性在线监测技术的发展，将推动智能化断路器的进程，将来，智能化断路器将是一个发展趋势。高压断路器机械特性在线监测也是故障诊断技术发展的前提，所以真空断路器机械特性在线监测技术的意义重大。
综上所述，课题的目的和意义在于：
⑴、 提高电力系统供电配电的可靠性；
⑵、 减少检修次数以及检修过程中人为事故的发生；
⑶、 为高压断路器由计划检修到状态检修创造条件；
⑷、 最大化地节省不必要的检修开支；
⑸、 延长高压电器的工作寿命；
⑹、 为智能化高压断路器的研制做前导工作；
⑺、推进电器的智能化发展。
1.3 设计的主要任务
本文通过科技论文、技术资料的检索，与对电气设备在线监测与维修体制的应用和发展现状的调研，深入了解在线监测的基本原理和意义。了解和掌握真空断路器工作和运行条件，掌握影响真空断路器工作性能的特征参数。分析和综述真空断路器触头系统电寿命监测的常用方法，包括离线和在线监测。通过分析确定一种电寿命（电磨损）在线监测的方案，并制定技术路线。通过仿真或试验验证方案的可行性，最终制作高压断路器电磨损在线监测装置样机。
2 系统方案与主要器件介绍
2.1 系统方案选择
2.2 控制方案设计
通过查阅相关资料以及根据国内高压断路器在线监控技术的发展情况，本次设计采用改进的开断电流加权累计法进行真空断路器触头电磨损的在线监控，并采用市场上价位较低的AVR单片机ATmega16作为系统的核心处理器，ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位COMS微控制器。该样机控制方案的基本结构框图如图2-1。

图2-1 控制方案结构图
该结构图主要包括四个部分：
⑴、控制器。包括中心处理器和样机装置的控制输入端。
⑵、显示报警部分。包括相关信息的显示装置与报警器，作为信息的输出端。
⑶、天线装置及天线信号处理器。该部分通过天线装置触发一个信号，该信号经过调理后作为处理器的外部中断信号。
⑷、数据采集部分。通过AVR单片机内部的ADC采集相关数据（包括起弧时刻与开断电流）。
将几个部分通过相关的联系有机的结合起来，就可以组成一套相对比较合理和完善的控制方案。为了验证该方案的可行性，我们将设计一台试验样机来进行验证，该控制方案各部分的具体设计将在硬件设计部分作更详细的说明。
2.3 高压断路器介绍
高压断路器主要用于在电力系统发生故障时，能够自动地切断电力系统中的故障电流，防止故障电流波及到整个电力系统中造成巨大的损失。高压断路器的各个机构的工作可靠性，直接影响着整个电力系统的稳定。而真空断路器将在以后相关设备中占据主要位置，因此，在这一章中主要介绍真空断路器的相关技术资料。
2.3.1 真空断路器的分类与用途

2.3.2 真空断路器的基本结构
真空断路器主要包含三大部分：真空灭弧室、电磁或弹簧操动机构、支架及其他部件。
⑴、真空灭弧室。真空灭弧室的结构示意图如图2-2所示。它由外壳、触头和屏蔽罩三大部分组成。外壳的作用是构成一个真空密封容器，同时容纳和支持真空灭弧室内的各种零件。触头是真空灭弧室内最为重要的元件，真空灭弧室的开断能力和电气寿命主要由触头状况来决定。屏蔽罩的主要作用是：防止燃弧过程中电弧生成物喷溅到绝缘外壳的内壁上，引起其绝缘强度降低；冷凝电弧生成物，吸收部分电弧能量，以利于弧隙介质强度的快速恢复；改善灭弧室内部电场分布的均匀性，降低局部场强，促进真空灭弧室小型化。

图2-2 真空灭弧室结构示意图
⑵、电磁或弹簧操动机构。所有断路器都必须能够进行机械运动，可以分离或接通触头，同时还需要为控制电弧而操纵灭弧介质等的运动。断路器所具有的这些控制机械运动的部件，即操动机构。断路器触头的分、合闸动作就是通过操动机构实现的。一般，断路器的常用的操动机构包括电磁操动机构和弹簧操动机构。
利用电磁力合闸的操动机构，成为电磁操动机构。电磁操动机构结构图如图2-3所示。电磁操动机构的优点是结构简单、工作可靠、维护简便、制造成本低；缺点主要是合闸电流很大（可达几十安至几百安），需要足够大的直流电源，合闸时间较长。电磁操动机构普遍用来操作3～35kV的断路器。

图2-3 电磁操动机构结构图
利用已储能的弹簧动力使断路器动作的操动机构，成为弹簧操动机构。弹簧操动机构主要由储能机构、锁定机构、合闸弹簧、分闸弹簧、主传动轴、缓冲器和控制装置等部分组成。
⑶、支架及其他部件。根据真空断路器的总体结构可分为“悬臂式”和“落地式”两种最基本的形式。除去真空灭弧室和操动机构之外，真空断路器还有支架及其它部件。FN5-12真空断路器总结构示意图如图2-4所示：

图2-4 真空断路器结构示意图
2.3.3 真空断路器的性能指标
真空断路器的主要性能指标包括额定电压、额定电流和开断关合时间等几项指标。
⑴、额定电压（Uｎ，KV），断路器的额定电压是正常工作的线电压，同时断路器工作时还应耐受高于额定电压的各种电压，具体数值与断路器额定电压有关。
⑵、额定电流（Iｎ，A），断路器的额定电流是指在规定的正常使用和性能条件下，主回路能够长期连续承受的电流有效值。
⑶、额定短时耐受电流（Isw，KA）又称额定热稳定电流，是指在规定的使用和性能条件下，在确定的短时间内，断路器在合闸位置所能承受的电流有效值。
⑷、额定短路持续时间（tsw，S）又称额定热稳定时间，是指断路器在合闸位置所能承受其额定短时耐受电流的时间间隔。通常为1～4S。
⑸、额定峰值耐受电流（IPW，KA）又称额定动稳定电流，是指在规定的使用和性能条件下，断路器在合闸位置所能耐受的额定短时耐受电流第一个大半波的峰值电流。
⑹、开断时间（tｂ，S），是指断路器接到分闸指令瞬间起到所有各相中电弧最终熄灭的时间间隔。
⑺、关合时间（tｅ，S），是指断路器接到合闸指令瞬间起到所有相触头都接触瞬间的时间间隔。
上述性能指标中，真空断路器的各项电流幅值大小于断路器的电磨损有关，各时间参数则反映断路器机械操动机构的状况。
80年代以前，真空断路器处于发展的起步阶段，技术上在不断摸索，还不能制定技术标准，直到1985年后才制定相关的产品标准。
目前国内主要依据标准为：
JP3855-96《3.6～40.5kV交流高压真空断路器通用技术条件》；
DL403-91《10～35kV户内高压断路器订货技术条件》。
IEC标准中并无与我国JB3855相对应的专用标准，只是套用了《IEC56交流高压断路器》。因此，我国真空断路器的标准至少在下列几个方面高于或严于IEC标准：
(1) 绝缘水平： 试验电压 IEC 中国 。
1min工频耐压(kV) 28 42(极间、极对地)48(断口间) 。
1.2/50冲击耐压(kV) 75 75(极间、极对地)84(断口间) 。
(2)电寿命试验结束后真空灭弧室断口的耐压水平：IEC56中无规定。我国JB3855一96规定为：完成电寿命次数试验后的真空断路器，其断口间绝缘能力应不低于初始绝缘水平的80%，即工频1min33.6kV和冲击60kV。
(3)触头合闸弹跳时间：IEC无规定，而我国规定要求不大于2ms。
(4)温升试验的试验电流：IEC标准中，试验电流就等于产品的额定电流。我国DL403-91中规定试验电流为产品额定电流的110%。
2.3.4 真空断路器的发展
随着计算机技术、电子技术、通讯技术和传感器技术的迅速发展，真空断路器在电力行业已被广泛应用，高压开关设备的智能化水平日益提高，真空断路器在产品制造过程中，应不断完善产品结构设计、提高制造工艺水平、保证装配质量、提高设备运行的可靠性。高压真空断路器在智能化选型、优化设备状态检修、降低运行维护费用、加速电力系统自动化控制、建立科学合理的状态评估系统中产生积极的促进作用，应用的前景是比较乐观的。
2.4 电流互感器介绍
2.4.1 电流互感器的原理与用途
电流互感器(Current Transformer)简称CT，利用电磁感应，能将一次回路的大电流成正比的变换为二次小电流以供给测量仪器仪表。
电流互感器起到变流和电气隔离的作用。其工作原理、结构和接线方式都与变压器相同，只是容量较小，通常仅有几十或几百伏安。它的用途是把高电压按一定的比例缩小，使低压线圈能够准确地反映高电压量值的变化，以解决高电压测量的困难。同时，由于它可靠地隔离了高电压，从而保证了测量人员和仪表保护装置的安全。
电流互感器的构造是由铁芯、一次绕组、二次绕组、接线端子及绝缘支撑物等组成。电流互感器的一次绕组的匝数较少，串接在需要测量电流的线路中，流过较大的被测电流，二次绕组的匝数较多，串接在测量仪表或继电保护回路里。
电流互感器分为测量用电流互感器和保护用电流互感器。
测量用电流互感器在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（我国规定电流互感器的二次额定为5A或1A），另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。测量用电流互感器原理图如图2-5所示。电流互感器就起到交流和电气隔离作用，他是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表。

图2－5　测量用电流互感器原理图
保护用电流互感器主要与继电装置配合，在线路发生短路过载等故障时，向继电装置提供信号切断故障电路，以保护供电系统的安全。保护用微型电流互感器的工作条件与测量用互感器完全不同，保护用互感器只是在比正常电流大几倍或几十倍的电流时才开始有效的工作。保护用电流互感器主要要求：(1)、绝缘可靠；(2)、足够大的准确限值系数；(3)、足够的热稳定性合动稳定性。图2-6是电流互感器的实物图。

图2-6 电流互感器实物图
2.4.2 电流互感器的性能指标
电流互感器的性能指标主要包括准确级、额定容量和额定电流比。
电流互感器根据测量误差的大小而划分为不同的准确级。所谓准确级是指在一定的二次负荷和额定电流值时的最大容许误差。我国电流互感器准确级误差限值如表2－1所示。
表2－1　电流互感器准确级和误差限值
准确级次
一次电流为额定电流的百分数（﹪）
误差限值
二次负荷变化范围
电流误差（±﹪）
相位差（±′）
0.2
10
20
100～120
0.5
0.35
0.2
20
15
10

（0.25～1）ＳＮ２①
0.5
10
20
100～120
1
0.75
0.5
60
45
30
1
10
20
100～120
2
1.5
1
120
90
60
3
50～120
3
不规定
（0.25～1）ＳＮ２
①SＮ２为电流互感器的额定容量
　　电流互感器的额定容量SＮ２为电流互感器在额定二次电流IＮ２和额定二次阻抗ZＮ２下运行时，二次绕组输出的容量，即SＮ２＝IＮ２ZＮ２。由于电流互感器的误差与二次负荷有关，故同一台电流互感器使用在不同准确级时，对应有不同的额定容量。
我国规定的额定输出容量等级有：5,10,15,25,30,40,50,60,80,100VA等10级。由于SＮ２，IＮ２已知，即可算出ZＮ２，只要实际的二次负荷阻抗值不大于ZＮ２，电流互感器的误差就不会超限。
所谓额定电流比是指额定一次电流和额定二次电流的比值，即KＮ＝I１Ｎ/I２Ｎ。额定一次电流即电流互感器额定的输入一次回路电流。额定二次电流即电流互感器的额定输出二次回路电流。
2.4.3 电流互感器的选择
电流互感器是电力系统中不可缺少的设备。虽然电流互感器在电力系统中不切断短路电流，但因为它是串联在短路电流所经过的回路中，巨大的短路电流对其带来极大的威胁，因此电流互感器的选择也是非常重要的一个环节。
额定电压的选择。电流互感器的额定电压是指其一次绕组对地或对二次绕组长期能承受的最大有效电压值，而不是指一次绕组两端所加的电压。电流互感器的额定电压应不低于其安装处的线路额定电压或电气设备额定电压。
额定变比的选择。额定变比为一、二次额定电流之比，且二次电流已标准化定为1A或5A，故选择额定变比，实际上是选择一次额定电流。跟据GB1202－97《电流互感器》中规定的一次电流标准值：1A～25000A等不同规格的电流互感器选择。
额定二次负荷的选择。一般要求电流互感器的实际二次负荷必须在25﹪～100﹪额定二次负荷范围。
额定功率因数的选择。计量用电流互感器额定二次负荷的功率因数应为0.8～1.0。
准确度等级的选择。根据DL/T448－2000《电能计量装置技术管理规程》规定，各类电能计量装置应配置的互感器的准确度等级不应低于表2－2中所规定的值：
表2－2　电流互感器的配置
电能计量装置类别
电流互感器准确度等级
Ⅰ
0.2Ｓ或0.2
Ⅱ
0.2Ｓ或0.2
Ⅲ
0.5Ｓ
Ⅳ
0.5Ｓ
Ⅴ
0.5Ｓ
接线方式的选择。电流互感器的接线方式的选择与电网中性点的接地方式有关，当为非有效接地系统时，应采用两相电流互感器，当为有效接地系统时，应采用三相电流互感器。
2.4.4 电流互感器使用注意事项
电流互感器作为电力系统中重要的设备，对其的使用应注意以下事项，以确保工作人员与设备的安全。
⑴、运行中的电流互感器二次侧决不允许开路，在二次侧不能安装熔断器、刀开关。这是因为电流互感器二次侧绕组匝数远远大于一次侧匝数，在开路的状态下，电流互感器相当于一台升压变压器。根据有关资料显示，其电压值可达1000V左右，将危及工作人员的安全，故在一次侧有电流的情况下，二次侧除了采用相应的短接措施外（电流互感器在工作时近似处于短路的状态，故可将K１、K２直接短接并接地），不得施工。
⑵、电流互感器安装时，应将电流互感器的二次侧的一端（一般是K２）、铁芯、外壳做可靠接地，以预防一、二次侧绕组因绝缘损坏，一次侧电压串至二次侧，危及工作人员的安全。
⑶、电流互感器安装时，应考虑精度等级，精度高的接测量仪表，精度低的用于保护，选择时应注意。
⑷、电流互感器安装时，应注意极性（同名端），一次侧的端子为L1、L2（或P１、P２），一次侧电流由L１流入，由L2流出。而二次侧的端子为K１、K２（或S１、S２），即二次侧的端子由K１流出，由K2流入。L１与K１，L２与K２为同极性（同名端），不得弄错，否则若接电度表的话，电度表将反转。
⑸、电流互感器一次侧绕组有单匝和多匝之分，LQG型为单匝，而使用LMZ型（穿心式）时则要注意铭牌上是否有穿心数据，若有则应该按要求穿出所需的匝数。
⑹、电流互感器的二次绕组有一个绕组和二个之分，若有二个绕组的，其中一个绕组为高精度（误差值较小）的一般作为计量使用，另一个则为低精度（误差值较大）一般用于保护。
⑺、电流互感器的联接线必须采用2.5mm2的铜芯绝缘线联接，有的电业部门规定必须采用4mm2的铜芯绝缘线。
2.5 单片机ATMEGA16介绍
Atmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，Atmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
2.5.1 主要性能
⑴ 高性能、低功耗的8位AVR微处理器；
⑵ 先进的RISC结构:
l 131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期；
l 32个8位通用工作寄存器；
l 全静态工作；
l 工作于16MHz时性能高达16MIPS；
l 只需两个时钟周期的硬件乘法器。
⑶ 非易失性程序和数据存储器:
l 16K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命达到10000次；
l 具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，具有真正的同时读写操作。
l 512字节的EEPROM,擦写寿命达到100000次；
l 1K字节的片内SRAM；
l 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。
⑷ JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）：
l 符合JTAG标准的边界扫描功能；
l 支持扩展的片内调试功能；
l 通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。
⑸ 外设特点：
l 两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器；
l 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器；
l 具有独立振荡器的实时计数器RTC；
l 四通道PWM；
l 8路10位ADC。8个单端通道，TQFP封装的7个差分通道，2个具有可编程增益（1x，10x，200x）的差分通道；
l 面向字节的两线接口；
l 两个可编程的串行USART；
l 可工作于主机/从机模式的SPI串行接口；
l 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；
l 片内模拟比较器。
⑹ 特殊的处理器特点：
l 上电复位以及可编程的掉电检测；
l 片内经过标定的RC振荡器；
l 片内/片外中断源；
l 6种睡眠模式：空闲模式，ADC噪声抑制模式，省电模式，掉电模式，Standby模式和扩展的Standby模式。
⑺ I/O和封装：
l 32个可编程的I/O口；
l 40个引脚PDIP封装，44引脚TQFP封装，和44引脚MLF封装。
⑻ 工作电压：
l Atmega16L：2.7 - 5.5V；
l Atmega16:4.5 - 5.5V。
⑼ 速度等级：
l 0 - 8MHz Atmega16L；
l 0 – 16MHz Atmega16.
⑽ Atmega16L在1MHz，3V，25℃时的功耗：
l 正常模式：1.1mA；
l 空闲模式：0.35mA；
l 掉电模式：<1mA。
2.5.2 功能特性描述
ATmega16 AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。
本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(ApplicationFlash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。通过将8位RISC CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。
2.5.3 Atmega16引脚排列及说明
Atmega16的引脚排列如图2-7所示：

图2-7 Atmega16的引脚排列
VCC为数字电路电源；GND为地；
端口A(PA7- PA0) 端口A可做为A/D转换器的模拟输入端和8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。
3 硬件部分设计
此部分的设计主要包括三大部分，第一部分是控制器及显示报警部分，包含了单片机最小系统的设计、输入键盘电路的设计、显示及报警电路设计。第二部分是数据采集部分，其功能主要是采集开断电流以及燃弧时间。第三部分是天线信号部分，其功能是将天线信号经过处理后作为处理器的中断信号，以触发单片机的中断。
3.1 控制器及显示报警部分硬件设计
3.1.1 M16控制器硬件电路设计
如图3-1所示为AVR单片机最小系统电路图。AVR单片机最小系统电路包括电源滤波电路、复位电路、晶振电路和AD滤波电路。

图3-1 AVR单片机最小系统
为给系统更稳定的电源，在给AVR单片机供电时，在电源接一组滤波电容，使系统工作更稳定。在本样机中，AVR单片机采用5V电源供电，因此在电源两端分别接一个103的瓷片电容进行滤波，使样机的工作电压更稳定。
Mega16已经内置了上电复位设计，并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AVR单片机外部的复位电路在上电时，只需一个限流电阻和一个消除干扰和杂波的电容即可。在本样机的设计中，采用单片机常用的外部上电复位电路，本电路除了包括限流电阻和滤波电容之外，还设置了一个按键，也即是系统的复位按键。当该按键按下时，电路接通工作，系统复位。
Mega16已经内置了RC振荡电路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。不过内置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合不够精确，故通常采用外部晶振电路。本样机设计时也是采用外部晶振电路，采用外接8M频率的晶振，包括两个22P的瓷片电容。
通常AVR单片机在不使用内部ADC时，AVCC引脚可直接接VCC，但由于本样机设计运用到AVR单片机内部的ADC，故其AVCC引脚要求接一低通滤波器再与VCC连接,其作用是防干扰，使AD采集数据更稳定更准确。
键盘分编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生按键编码号或键值的称为编码键盘，如计算机键盘。而靠软件编程来识别的称为非编码键盘。本样机系统的控制部分采用4X4键盘实现，该键盘包括0到9是十个数字输入以及一些选择控制按键和系统工作控制按键。电路图如图3-2所示。

图3-2 4X4键盘电路图
3.1.2 显示部分硬件设计
本样机设计采用带中文字库的12864液晶作为显示工具。带中文字库的12864液晶是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64。
内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接