变压器保护论文.doc

广西大学毕业设计论文 摘 要摘 要变压器作为联系不同电压等级网络的设备，是电力系统中非常重要的元件。变压器的安全运行关系到整个电力系统供电的可靠性。随着变压器电压等级和容量的提高，变压器本身也越来越贵重。因此变压器保护显得尤为重要，如何能够快速准确的切除变压器故障，使损失降低到最小，同时又要保证有足够的可靠性，就成了变压器保护的主要问题。本文就此问题对当前变压器出现的各种故障及相应的保护原理进行了简要分析，并在此基础上对变压器保护装置进行了简单设计。该设计的硬件部分以ATmega16为系统的核心，通过对温度、电压及电流进行数据采集并送入信号处理电路，从而准确地得到控制系统可以识别的数字信号。该设计的软件部分介绍了三种AVR单片机的应用软件，并对系统的主要流程作出了说明，讲述了单片机如何对处理得到的数字信号进行监视、判断处理，及时对各种保护装置发出声光报警或跳闸信号，进而更好地提高变压器运行的安全性和可靠性，确实做好变压器保护工作。关键字： 变压器保护 微机保护 单片机 差动保护IV广西大学毕业设计论文 AbstractApplications of Single chip in Transformer ProtectionAbstractAs the equipment contacts various voltage grade networks, the transformer is one of the important elements in the electrical power system. The transformer running whether in security has relation to the reliability of whole electrical power system. With transformer voltage grade and capacity increase year after year, the transformer more and more expensive. Thus transformer protects bulk more important. In order to reduce the losses to the minimum and ensure there is sufficient reliability, how to clear the transformer faults quickly and accurately becomes the main problem of transformer protection.On this issue, the paper gives a brief analysis to the faults of transformer and the corresponding protection principle. And on the basis of this, carry out a simple design of transformer protective device. The design of hardware takes ATmega16 as the core, collecting the temperature, voltage and current and sending to signal processing circuit to obtain the digital signal that control system can identify accurately. The design of software introduces three kinds of application software and shows the main flow chart of the system, explains how the SCM to monitor and judge the digital signals had handled, send sound and light alarm or tripping signal to the protective device promptly, which serves to improve the operation of the transformer safely and reliability better, really do a good job on transformer protection.Keywords: transformer protection microcomputer-based protection SCM differential protection 广西大学毕业设计论文 目 录目 录第一章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 变压器微机保护的发展及现状21.3 论文的主要工作3第二章 变压器故障分析42.1 变压器的基本原理及分类42.2 变压器的基本结构52.3 变压器故障类型及不正常运行状态62.4 变压器保护配置原则6第三章 变压器保护原理分析83.1 变压器保护的基本要求83.2 变压器保护原理分析93.2.1 变压器瓦斯保护93.2.2 变压器电流速断保护103.2.3 变压器差动保护113.2.4 变压器相间短路后备保护123.2.5 变压器零序电流保护14第四章 变压器保护装置的硬件设计154.1 微机保护的基本原理及其特点154.2 微机保护装置的构成154.3 变压器保护装置主系统的硬件设计164.3.1 ATmega16微处理器174.3.2 多路模拟开关CD4051184.3.3 温度采集系统204.3.4 电压电流采集系统214.3.5 采样保持电路274.3.6 ADC转换原理284.3.7 整流电路294.3.8 输入/输出通道314.4 人机交互部分324.4.1 LED显示324.4.2 键盘输入334.5 系统的外围电路334.5.1 电源转换电路334.5.2 通信接口344.5.3 其他外围电路35第五章 变压器保护装置的软件设计365.1 AVR单片机开发工具365.1.1 AVR程序下载和集成开发环境365.1.2 AVR编译器和集成开发环境375.2 变压器保护装置软件设计385.2.1 键盘控制设计405.2.2 数据转换设计415.2.3 数据处理设计42第六章 系统抗干扰技术466.1 硬件抗干扰技术466.2 软件抗干扰技术47总 结50参考文献51致 谢53附录54广西大学毕业设计论文 第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题背景及意义电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，作为电能传送的枢纽，它在电力系统的发电、输电、配电等各个环节中广泛使用，且造价昂贵。而且一旦变压器因故障而遭到破坏，其检修难度大、周期长，将造成重大的经济损失，因而要求其性能好，运行安全可靠。虽然相对于输电线路和发电机来说，变压器的故障是比较少的，因为它无旋转部件，结构简单，运行可靠性高，但是由于变压器停电的机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境条件的影响较大；另外变压器时刻受到外接负荷的影响，特别是受电力系统短路故障的威胁较大，因而在实际运行中变压器仍有可能发生各种类型的故障和不正常运行情况。因此必须根据变压器的容量和重要程度并考虑到可能发生的各种类型的故障和不正常工作的情况，装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。2001年5月于南京召开全国电网调度工作会议，会上公布了“九五”期间我国继电保护的运行统计资料，220kV、330kV和500kV系统保护，正确动作率高达98.5%以上，但主设备保护的运行情况却相差甚远，100MW及以上发电机保护正确动作率为97.05%，220kV及以上变压器保护的正确动作率只有77.33%。特别应该指出，作为新发展的微机保护的正确动作率分别为：220kV及以上系统保护 99.33%100MW及以上发电机保护 98.2%220kV及以上变压器保护 68.96%我国继电保护的运行统计资料表明，2002年全国220kV以上变压器保护正确动作率为74.77，仍远远低于系统保护的正确动作率99.09，其中220kV变压器匝间故障率占本体故障率的20.83，500kV则为42.86，由此可见对于变压器保护动作的正确率急需提高，对于变压器保护装置及技术的改进与完善成为当前社会亟需解决的问题。641.2 变压器微机保护的发展及现状变压器微机保护的研究始于60年代末70年代初。在20世纪70 年代国外就开始了用计算机实现发电机和变压器个别保护的研究。1969年Rockerfeller首次提出数字式变压器保护的概念，揭开了数字式变压器保护研究的序幕，使对变压器的保护进入微机化时代，之后，O.P Malik和Degens也对变压器保护的数字处理和数字滤波做出了研究。1972年Syskes等人发表了计算机式的变压器谐波制动保护，为微机元件保护在原理及算法上奠定了理论基础。随着微型计算机飞速发展及应用微机保护进入了实用性阶段。从80年代起，国外开始研制变压器整套微机保护。1990年，波兰人Korbasiewcz发表了发电机变压器组微机保护系统的文章。同年，印度Verma等人也发表了变压器全套微机保护的研究成果。我国研制微机元件保护是从80 年代初开始的，1988 年以后有许多企业单位研制成功了变压器微机保护装置，大型机组保护的微机化发展方向在我国已逐渐被普遍接受。未来的继电保护技术向计算机，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化方向发展。当前，我国电力工业持续、快速发展，市场化改革在探索中前进，西电东送、南北互供、全国联网大格局正在形成的过程中。随着电力工业的迅速发展，大型变压器在电力系统中的数量越来越多，其保护的可靠性要求也非常高，而实际运行中，变压器保护动作的可靠性并不是很高，且有时候会出现一些原因不明的误动，对电力系统带来严重后果；同时电网电压等级的提高，以及变压器容量的增大，新材料和新技术的使用，高电压、大电流电力电子器件的使用，给变压器的保护带来了一定的影响，因此对于变压器的继电保护技术更需完善和发展，以此来保证其快速性、灵敏性、选择性等指标，确保电力系统稳定可靠地运行。（一）国内外变压器微机保护现状分析目前国内外生产变压器微机保护的厂家很多，就主保护而言，国外保护装置基本是以二次谐波制动为主的比率差动保护，而国内则以二次谐波制动和间断角两种原理为主导，以波形对称原理为补充的格局正在形成。国内外微机变压器保护装置主要分为下述两类：1. 变压器微机保护装置同时实现变压器的主保护和后备保护；2. 只实现变压器的主保护，同时采用独立的变压器后备保护。（二）国内外变压器保护装置普遍存在的一些问题1. 对于变压器，可供选择的主保护原理有带二次谐波制动特性、间断角原理和波形对称原理的比率差动保护。这三种变压器主保护均是利用鉴别变压器励磁涌流的特征来对差动保护实现制动，保护装置出现误动的几率较大。对于比率差动保护，其运行经验尚未成熟。2. 当变压器保护应用于低压侧中性点经小电阻接地系统时，由于低压CT三相零序分量的存在，使差动保护定值提高，灵敏度降低。3. 由于变压器主保护装置及后备保护装置模拟量输入口的限制，对于变压器三侧多开关接线，存在局限性。4. 由于有载调压变压器的广泛使用，目前的保护装置尚无跟踪有载开关位置，这将造成变压器正常工况下环流增大，使保护灵敏度降低。1.3 论文的主要工作论文全面阐述了变压器保护的各种故障和不正常工作状态，变压器保护的基本要求和配置情况；论述了变压器保护的基本原理，包括变压器差动保护和后备保护。本论文在第一章先概述了变压器保护的背景及意义，明确了本论文的主要工作。接下来在第二章对变压器的故障进行了简要的分析，并列出根据要求所应装设的保护配置。在此基础上，在第三章阐述了变压器的各种保护原理，包含其主保护和后备保护。在了解了变压器保护的各种基本知识以后，开始对保护装置进行硬件及软件设计。在第四章，讲述了采用ATmega16单片机为核心所设计的变压器保护装置及其硬件构成，并介绍了对温度、电压及电流这三个判断量的数据采集以及相应的信号处理电路。对于保护装置的软件设计，本论文介绍了一种AVR单片机基于C语言的编译器和集成环境，在此环境下对ATmega16进行编译、开发，实现对保护装置状态的显示及对其的控制。最后对论文作一个全文总结。广西大学毕业设计论文 第二章 变压器故障分析第二章 变压器故障分析2.1 变压器的基本原理及分类(一) 变压器的基本原理变压器是一种静止的电气设备，其利用电磁感应原理，以交变磁场为媒介，把线圈从电源吸收的某一种电压的交流电能转变成频率相同的另一种电压的交流电能，再由另一线圈向负载提供。变压器的基本工作原理图如图2-1所示。图2-1 变压器基本工作原理图当一个正弦交流电压加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流并产生交变磁通，沿着铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势，同时也会在初级线圈上感应出一个自感电势，的方向与所加电压的方向相反而幅度相近，从而限制了的大小。为了保持磁通的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时初级线圈没接负载，而初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。如果变压器次级接上负载，次级线圈就产生电流，并因此而产生磁通，的方向与相反，起了互相抵消的作用，是铁芯中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电势减少，其结果使增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时，增加，也增加，并且增加部分正好补充了被所抵消的那部分磁通，以保持铁芯里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器，次级负载消耗的电功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。(二) 变压器的分类变压器的种类是多种多样的，但就其工作原理而言，都是按照电磁感应原理制成的。一般情况下，常用变压器的分类可归类如下：1. 按用途分：电力变压器、试验变压器、仪用变压器及特殊用途的变压器。2. 按相数分：单相变压器、三相变压器。3. 按绕组形式分：自耦变压器、双绕组变压器、三绕组变压器。4. 按铁芯形式分：芯式变压器、壳式变压器。5. 按冷却方式分：油浸式变压器、干式变压器、充气式变压器及蒸发冷却变压器。2.2 变压器的基本结构电力变压器的基本结构，包括铁芯和一、二次（或一、二、三次）绕组两部分。以油浸式电力变压器为例说明变压器的基本结构。油浸式变压器由三相一、二次绕组，铁芯、油箱、底座、高低压套管、引线、散热器（或冷却器）、净油器、储油柜、安全气道、以及温度计、分接开关和气体继电器等组成。铁芯构成了磁路，线圈套在铁芯上。线圈由导线绕制而成，绕组是指与电源（或负载）相接的线圈或线圈的组合，即绕组是由线圈组成。通常把铁芯和绕组合在一起称为变压器的器身，是变压器的最基本的组成部分。变压器器身放置在油箱内，油箱起机械支撑、冷却散热和保护作用。油箱内充满了变压器油，变压器油既是冷却介质，同时也起绝缘作用。变压器在运行过程中，各种损耗最终转变为热量，热量传给变压器油，再传给油箱壁向外散出。变压器油箱上装有许多油管，在变压器内部，热油上升，再由油管往下流，这实际上相当于增加了油箱壁的散热面积和散热能力。绝缘套管主要是起绝缘作用，使变压器绕组的引出线与油箱妥善绝缘。2.3 变压器故障类型及不正常运行状态研究变压器保护，首先就要分析变压器可能发生的故障和异常情况。电力变压器的故障类型和不正常运行状态如下1：(一) 变压器故障：变压器故障可分为内部故障和外部故障两类。1. 内部故障内部故障主要包括变压器绕组的相间短路、匝间短路和中性点接地系统绕组的接地短路等。这些故障危害很大，因为短路电流产生的高温电弧不仅会烧坏绕组的绝缘和铁心，还会使绝缘材料和变压器油受热分解会产生大量的气体，有可能使变压器油箱局部变形、破裂，甚至引起变压器油箱的爆炸。因此，当变压器发生内部故障时，必须迅速将变压器切除。2. 外部故障变压器最常见的外部故障主要是变压器套管和引出线上发生的相间短路或接地（对变压器外壳）短路。发生这类故障时也应迅速切除变压器，以尽量减小短路电流对变压器的冲击。(二) 变压器不正常工作状态：变压器不正常工作状态主要表现为：1. 外部短路引起的过电流。2. 过负荷。3. 油箱漏油造成的油面降低。4. 变压器中性点电压升高或外部电压过高或频率降低等引起的过励磁。2.4 变压器保护配置原则为了保证电力系统安全可靠地运行，根据上述可能发生的故障及不正常工作情况，变压器一般应装设下列保护装置2。（1）瓦斯保护用来防御变压器的内部故障及油面降低。容量在800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内变压器一般都应装设瓦斯保护。其中轻瓦斯动作于预告信号，重瓦斯动作于跳开各电源侧断路器。（2）纵联差动保护或电流速断保护用来反应变压器绕组、套管及引出线发生的短路故障。容量在10000kVA以上单台运行的变压器、发电厂用工作变压和工业企业中的重要变压器和容量在6300kVA以下并列运行的变压器以及发电厂备用变压器，一般装设纵联差动保护（一种对容量较大的变压器的保护方式）。上述容量以下的变压器，当后备保护的动作时限大于0.5s时，一般应采用电流速断保护。但是对于容量在2000kVA以上的变压器，当电流速断保护的灵敏度不满足要求时，应装设纵联差动保护。（3）相间短路的后备保护用来反应外部相间短路引起的变压器过电流，同时作为瓦斯保护和差动保护（或电流速断保护）的后备保护。（4）过负荷保护用来反应变压器因过负荷而引起的过电流。对于0.4MVA及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其它负荷的备用电源时，应装设过负荷保护。（5）零序保护用来反应变压器高压绕组及引出线和相邻元件（母线和线路）的接地短路。（6）变压器过励磁保护反应变压器的过励磁，保护装置动作于信号或跳开断路器。（7）其它非电量保护。对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统的故障，应装设可作用于信号或跳闸的非电量保护。广西大学毕业设计论文 第三章 变压器保护原理分析第三章 变压器保护原理分析3.1 变压器保护的基本要求为了保证系统能安全、可靠的运行，对继电保护提出了四个基本要求，它们分别是：1. 选择性；2. 速动性；3. 灵敏性；4. 可靠性。除了满足上述的四个基本要求外，对继电保护装置还要求投资少，便于调试和运行维护，并尽可能满足用电设备运行的条件。变压器是电力系统的重要设备之一，它的可靠运行对输电系统的安全、经济运行具有重大意义。为保证系统和变压器安全运行，减少事故损失，大型变压器的继电保护还应满足如下要求：1. 高灵敏度要求能灵敏动作于匝间短路故障，同时亦能灵敏动作于内部高电阻接地故障。2. 高速度对于接于超高压远距离输电线路的变压器，当发生内部故障时，由于谐振会产生谐波电流，可能引起谐波制动的差动保护延缓动作，需要采取有效的加速措施或寻求鉴别励磁涌流的新原理和新方法。3. 有效地对付过励磁大型变压器的工作磁密通常取得较高，过压或频率降低，励磁电流会激增。此时一方面要求差动保护不能误动，另一方面为防止励磁电流过大使变压器发热烧损，需要装设满足过励磁倍数要求和具有反时限特性并能计及过热积累效应的过励磁保护。根据继电保护配置原则，变压器应装设主保护和后备保护。当主保护或有关断路器拒动时，后备保护装置应为被保护设备或相邻设备提供后备保护作用。后备保护的保护区比主保护大，动作速度较慢，一般以过电流保护为主，配以其他电气量作为辅助判据，保护要求较主保护低。下面就变压器的各种保护进行简单的介绍。3.2 变压器保护原理分析3.2.1 变压器瓦斯保护瓦斯保护，又称为气体继电保护，是保护油浸式变压器内部故障的一种基本保护装置，是变压器的主保护之一，是应对变压器内部故障的最有效、最灵敏的保护装置3。瓦斯保护的原理接线图如图3-1所示。图3-1 瓦斯保护原理接线图变压器瓦斯保护动作后，运行人员应立即对变压器进行检查，查明原因，可在气体继电器顶部打开放气阀，用干净的玻璃瓶收集蓄积的气体（注意：人体不得靠近带电部分），通过分析气体性质可判断出发生故障的原因和处理要求。瓦斯保护只能反应变压器油箱内部的故障，而对变压器外部端子上的故障情况则无法反应。因此，除了设置瓦斯保护外，还需设置过流、速断或差动等保护。3.2.2 变压器电流速断保护对于小容量的变压器可以在电源侧装设电流速断保护，作为电源侧绕组、套管及引出线故障的主要保护，并用过电流保护作为变压器内部故障的后备保护3。图3-2为变压器电流速断保护的原理接线图，电流互感器装设于电源侧。电源侧为中性点直接接地系统时，保护采用完全星形接线方式，电源侧为中性点不接地或经消弧电抗器接地的系统时，则采用两项不完全星形接线。图3-2 变压器电流速断保护原理接线图速断保护的动作电流按躲过变压器外部故障（如k1点）的最大短路电流整定，即 （3-1）式中为k1点短路时流过保护的最大三相短路电流；为可靠系数，取1.21.3。变压器电流速断保护的灵敏系数按保护安装处（k2点）的最小运行方式下两相短路电流效验，即 （3-2）电流速断保护的优点是接线简单，动作迅速。但是电流速断保护的动作范围小，有死区，不能保护变压器的全部绕组。为了弥补死区得不到保护的缺点，速断保护使用时要配备带时限的过电流保护。3.2.3 变压器差动保护变压器的差动保护，主要用来保护变压器内部以及引出线和绝缘套管的相间短路，并且也可以用来保护变压器内的匝间短路，其保护区在变压器一、二次侧所装电流互感器之间4。图3-3为变压器差动保护的单相原理电路图。图3-3 变压器纵联差动保护的单相原理电路变压器差动保护的保护范围是变压器两侧电流互感器安装地点之间的区域。它可以保护变压器内部及两侧绝缘套管和引出线上的相间短路，保护反应灵敏，动作无限时。变压器差动保护的动作电流应满足以下三个条件：1) 应躲过变压器差动保护区外短路时出现的最大不平衡电流，即 （3-3）式中，为可靠系数，可取1.3。2) 应躲过变压器励磁涌流，即 （3-4）式中，为变压器额定一次电流，为可靠系数，可取1.31.5。在电流互感器二次回路断线且变压器处于最大负荷时，差动保护不应误动，因此 （3-5）式中，为最大负荷电流，取（1.21.3），为可靠系数，可取1.3。3.2.4 变压器相间短路后备保护变压器相间短路的后备保护既是差动保护和瓦斯保护的后备保护，又是相邻母线或线路的后备保护。1. 变压器的过电流保护对于单侧电源的变压器，过电流保护装置的电流互感器安装在电源侧，保护动作时切除变压器各侧开关1。变压器过电流保护的原理接线图如图3-4所示。变压器过电流保护继电器的动作电流为 （3-6）式中，为变压器一次侧额定电流；可靠系数、接线系数、返回系数与线路过电流保护相同；为电流互感器的变比。变压器过电流保护的灵敏度按下式校验： （3-7）式中，为变压器二次侧在系统最小运行方式下，发生两相短路时一次侧的穿越电流。图3-4 变压器过电流保护装置原理接线图2. 变压器的过负荷保护变压器的过负荷保护是用来反应变压器正常运行时出现的过负荷情况，只在变压器确有过负荷可能的情况下才予以装设，一般动作于信号4。变压器的过负荷在大多数情况下都是三相对称的，因此过负荷保护只需要在一相上装一个电流继电器。过负荷时，电流继电器动作，再经过时间继电器给予一定延时，最后接通信号继电器发出报警信号。过负荷保护的动作电流按躲过变压器额定一次电流来整定，其计算公式为： （3-8）式中电流互感器的电流比。过负荷保护的动作时间一般取10s15s。3.2.5 变压器零序电流保护电力系统中，接地故障是最常见的故障形式。接于中性点直接接地系统的变压器，一般要求在变压器上装设接地保护，作为变压器主保护和相邻元件接地保护的后备保护4。中性点直接接地运行的变压器均采用零序过电流保护作为变压器接地后备保护。对于中性点可能接地或不接地的变压器，需要装设两套相互配合的接地保护装置：零序过电流保护用于保护中性点接地运行方式；零序过电压保护用于中性点不接地运行方式。零序电流保护的动作电流接躲过变压器二次侧最大不平衡电流整定，最大不平衡电流取变压器二次侧额定电流的25，即 （3-9）式中，为可靠系数，取1.2；为零序电流互感器的变比；为变压器二次侧的额定电流。零序电流保护的动作时间一般取0.50.7s，以躲过变压器瞬时最大不平衡电流。保护灵敏度校验，按变压器二次侧干线末端最小单相短路电流校验，即 （3-10）广西大学毕业设计论文 第四章 变压器保护装置的硬件设计第四章 变压器保护装置的硬件设计4.1 微机保护的基本原理及其特点(一) 微机保护的基本原理：在微机保护系统中，输入量的电气量经过采样和模数变换所形成的离散数字信号传送到中央处理器，根据该保护系统应具有的功能进行相应的数值分析、运算和判断，最终输出跳闸与否的命令，或同时输出计算结果，以实现继电保护功能。(二) 微机保护的特点：微机型继电保护装置的普遍特点可归纳为：维护调试方便，具有自动检测功能；可靠性高，具有极强的综合分析和判断能力，可实现常规模拟保护很难做到的自动纠错，即自动识别和排除干扰，防止由于干扰而造成的误动作，并具有自诊断能力，可自动检测出保护装置本身硬件系统的异常部分，配合多重化设计可有效地防止拒动；保护装置自身的经济性、可扩展性强，易于获得附加功能；保护装置本身的灵活性大，可灵活地适应于电力系统运行方式的变化；保护装置的性能得到很好地改善，具有较高的运算和大容量的存储能力等等。4.2 微机保护装置的构成一台完整的微机保护装置主要由硬件和软件两部分构成。硬件指模拟和数字电子电路，硬件提供软件运行的平台，并且提供保护装置于外部系统的电气联系；软件指计算机程序，由它按照保护原理和功能的要求对硬件进行控制，有序地完成数据采集、外部信息交换、数字运算和逻辑判断、动作指令执行等各项操作。保护性能是由软件来实现的。在相同硬件条件下，由于配置不同的软件，可得到不同的保护性能，也可在同一硬件条件下实现多种保护性能5。1. 微机保护装置的硬件主要包括：数据采集单元、数据处理单元、开关量输入/输出系统、通信接口、人机接口及供电电源。微机保护装置的硬件系统原理框图如下图4-1所示。图4-1 微机保护装置的硬件系统原理框图2. 微机保护装置的软件部分主要包括：初始化模块、数据采集管理模块、故障计算模块、故障检出模块以及保护功能模块等等。4.3 变压器保护装置主系统的硬件设计本课题所设计的变压器保护装置采用ATmega16单片机为核心，系统的主要组成部分包括数据采集部分，信号处理部分，单片机控制部分，键盘、显示及控制输出部分等。该硬件设计原理为：数据采集电路以模拟信号形式将变压器的温度、电压及电流信号传至单片机。单片机经采样保持后通过自身集成A/D转换器将模拟电压转化为控制系统可用的数字量。单片机根据用户设定的目标报警信号，决定保护装置的工作状态，同时单片机与PC机通信，通过PC机来实现远程控制，使系统达到对变压器状态实现实时测控的功能。系统运行过程中的现场各种状态参量均由数码管实时显示。装置的总体框图如图4-2所示。图4-2 保护装置总体框图4.3.1 ATmega16微处理器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，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾6。ATmega16的主要特征有：1、高性能、低功耗的8位AVR微处理器。2、先进的RISC结构。131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期；32个8位通用工作寄存器；全静态工作；工作于16MHz时性能高达16MIPS，只需两个时钟周期的硬件乘法器。3、非易失性程序和数据存储器16K字节的系统内可编程Flash擦写寿命10000次，有512字节的EEPROM擦写寿命100000次；1K字节的片内SRAM，可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。4、JTAG接口（与IEEE 1149.1标准兼容）符合JTAG标准的边界扫描功能，支持扩展的片内调试功能，通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。5、外设特点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，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，具有独立振荡器的实时计数器RTC，四通道PWM，8路10位ADC，两个可编程的串行USART，可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器。6、特殊的处理器特点上电复位以及可编程的掉电检测，片内经过标定的RC振荡器，片内/片外中断源，6种睡眠模式。7、I/O和封装具有32个可编程的I/O口，封装形式有：40引脚PDIP封装，44引脚TQFP 封装，与44引脚MLF封装。ATmega16的引脚如图4-3所示。 图4-3 ATmega16的引脚图4.3.2 多路模拟开关CD4051ATmega16有8路10位ADC，因此有多路的参量进行A/D、D/A转换的情况出现。对此，可采用公共的A/D、D/A转换电路。利用多路开关轮流切换各路模拟量与A/D、D/A转换电路的通道，使一个A/D转换器能完成多个模拟信号的转换，能够节省硬件开销，达到分时的目的。本系统采用多路模拟开关CD4051实现转换功能。CD4051芯片有3个二进制控制输入端A、B、C和1个禁止输入端INH，用3位二进制信号来选择8个通道中的一个通道。其真值表见表4-1。表4-1 CD4051真值表输入状态接通通道INHCBACD405100000000110010200113010040101501106011171均不接通CD4051与ATmega16的连接电路图如图4-4所示。图4-4 ADC回路切换电路本电路中温度、电压及电流信号分别与多路开关CD4051的X0X2相连，而ATmega16的PB0PB2三个引脚来控制CD4051的选择通道以实现A/D转换回路的切换。4.3.3 温度采集系统变压器在运行时所产生的空载损耗和负载损耗都转化为热能，从而使变压器发热。变压器的热量主要来源于铁心和绕组，一般说来，绕组温度最高，铁心次之。而温度过高可能是变压器发生故障或不正常运行的一个重要信息，同时高温也对变压器的绝缘特性有的很大影响。因此，实时对变压器的温度进行采集是变压器保护装置的重要措施。AD590是美国Analog Devices公司生产的单片集成两端式集成温度电流传感器，它具有体积小、精度高、价格低、不需辅助电源、线性好、性能稳定等一系列优点，因此常用于测温和热电偶的冷端补偿7。（一） AD590的工作原理流过器件电流的微安数等于器件所处环境温度的热力学温度（开尔文）度数。即AD590当温度改变1度（绝对温度）获得1电流输出。 （4-1）式中为流过器件（AD590）的电流，单位为，T为温度，单位为K。在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和530V的直流电源相连，并在输出端串接一个1k的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。其基本电路如图4-5所示。（二）AD590的主要特性如下：1）测温范围为55+150。 图4-5 AD590基本电路图 2）电源电压范围为4V30V。电源电压从4V到6V变化，电流变化1，相当于温度变化1K。当电源电压在510V之间，电压稳定度为1时，说产生的误差只有0.01。3）AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压。因而器件反接也不会损坏器件。4）输出电阻为710M。5）电阻采用激光修刻工艺，使在+25（298.2K）时，器件输出298.2。AD59精度很高，共有I、J、K、L、M五档。其中M档精度最高，在55+150范围内，非线性误差在0.3；I档误差较大，误差为10，应用时应校正。（三）采用AD590构成的测温系统由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此在使用AD590测量温度时要对其测量电路进行调整。图4-6是用于测量摄氏（）温度的电路。图中用电位器R1调零点，用R2调增益，若要改变增益，如使输出为200mV/，就要增大反馈电阻（图中反馈电阻R4与电位器R2串联而成）来实现。调整后，在室温下进行校验。图4-6 AD590应用电路图中，AD581是高精度集成稳压器，输入电压最大为40V，输出为10V。4.3.4 电压电流采集系统变压器的主保护之一为差动保护，差动保护的判断依据就是变压器一、二次侧的电压、电流的平衡关系，因此，准确而实时地测量电压和电流是变压器保护装置的可靠运行的有力保证。