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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要电力变压器是电力系统的重要设备。它担负着电能传输和电压变换的重要作用。大型电力变压器，尤其是220kV及以上的变压器的安全运行,与系统的运行情况息息相关。提高电力变压器的继电保护的性能，对于保障电力系统的安全、稳定的运行具有重要的意义。将微型计算机应用于变压器保护就是提高变压器保护水平的一个主要途径。微机继电保护系统可连续不断地对本身的工作情况进行自检，其工作可靠性很高。此外，微机继电保护可用同一硬件实现不同的保护原理，这使保护装置的制造大为简化，也容易实行保护装置的标准化。采用微机技术构成的变压器保护系统，较现在的模拟式保护具有更加完善的功能。本毕业设计就是研
2、究用单片机来实现电力变压器保护。本毕业设计阐述了电力变压器保护的基本原理、基本要求、保护方式、特点、可靠性措施及其系统硬件设计(包括总体方案、原理电路、原器件选择等项目的设计)、数字滤波、电力变压器保护软件设计。并介绍了计算机继电保护的基本原理和算法、各元件的引脚和功能，用PROTEL、WORD2000等软件绘制了硬件原理图、软件设计流程图。关键词：变压器保护 差动保护 短路故障 单片机AbstractPower transformer is the important equipment of electric power system. It plays a vital role in t
3、he electrical energy transition. Large-scale power transformers safe operation is closely linked with the system movement situation. It has the vital significance to enhance the power transformers relay protection for making sure the electrical system security and stable movement. Its a main way to
4、apply the microcomputer to the transformer protection for raising the transformer protection level. The system of microcomputer relay protection may carry on self-checking now and then. So its operational reliability is very high reliability, the microcomputer can use identical hardware to realize d
5、ifferent protection principle. This greatly simplifies protective devices manufacture. Its also easy to make the protective devices standardization. This graduation project is about the power transformer protection with the monolithic integrated circuit. It elaborated the power transformer protects
6、basic principle, basic request, way, characteristic, its system hardware design, digital filter and power transformer protection software design. It introduced the computer relay protection basic principle and the algorithm, various parts function.Key words: Transformer protection differential prote
7、ction short-circuit fault SCM目录专心-专注-专业第一章 绪论1.1 课题背景介绍电力工业是国民经济的基础，是重要的支柱产业，它与国家的兴盛和人民的安康有密切的关系。因此，电力产品应该是安全、可靠、经济、优质的能源产品。随着国民经济的飞速发展，电力系统的规模越来越大，结构越来越复杂。在整个电力生产过程中，由于人为因素或大自然的原因，会产生这样那样的故障和出现不正常的运行状态。变压器是电力系统和铁路牵引供电系统的重要设备，它的可靠运行对于保证安全供电具有十分重要的意义。同时，牵引变电所的牵引变压器容量较大，造价很高，它的故障往往会造成很大的经济损失。因此，对于变压器的
8、故障和不正常状态必须装设可靠的继电保护装置。1.2 论文研究的目的与意义电力变压器是电力系统安全不可缺少的一个重要组成部分，它的主要作用是变换电压，以利于功率的传输。在同一段线路上，传送相同的功率，电压经升压变压器升压后，线路传输的电流减小，可以减少线路损耗，提高送变电经济性，达到远距离送电的目的，而降压则能满足各级使用电压的用户需要。国内外学者在电力变压器故障保护方面进行了大量工作，已经研制了具有故障检测和保护功能的专家系统。其程序多用逻辑程序设计语言或用混合语言编写，有很强的的实用性，但仍有很多不足，如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急需解决的问题
9、。基于单片机的电力变压器保护装置，具有成本低，操作方便，程序简单，便于控制，实用性强，广阔的市场前景等特点。需领域专家作出更艰苦的努力。1.3 论文的主要工作论文在绪论部分简要说明了变压器保护的背景及意义。接下来在第二章对变压器的故障和保护的硬件系统进行了简要的分析，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，第四章和第五章开始对保护装置进行硬件及软件设计。第二章 变压器故障和硬件保护简介2.1 变压器的基本原理及分类1.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
10、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。2.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、
11、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
12、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.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
13、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。2.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 微机继电保护的硬件系统简介1.微机继电保护的特点继电器保护是一种能反应电力系统故障和不正常状态，并及时动作于
14、断路器跳闸或发出信号的自动化设备。进入20世纪90年代以来，微机继电保护在我国得到大量应用，以成为继电保护装置的主要形式，是当今电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的综合自动化系统的重要组成部分。微机继电保护具有如下特点：（1）维护调试方便 微机保护的硬件是一个只会做几种单调的、简单操作（如读数，写数以及简单的运算）的硬件，配以软件，把许多简单操作组合而完成各种复杂功能的。因而只要用几个简单的操作就可以检验微机的硬件是否完好。如果硬件完好，对于已成熟的软件，只要程序和设计时的一样，就必然会达到设计的要求，用不着逐台做各种模拟试验来检验每一种功能是否正确。（2）可靠性高微机有极强的综合分析和判
15、断能力，因而它可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动作。另外它有自诊断能力，能够自动检测出本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效的防止拒动。因此它的可靠性很高。（3）灵活性大 由于微机保护的特性主要由软件决定（不同原理的保护可以采用通用的硬件），因此只要改变软件就可以改变保护的特性和功能。从而可灵活地适应电力系统运行方式的变化。2.对继电保护的基本要求 对电力系统继电保护的要求有选择性、速动性、灵敏性、可靠性。它们有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别进行协调。现分别讨论如下：（1）选择性仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩
16、小，以保证系统的无故障部分仍能继续安全运行。（2）速动性快速的切除故障，减少用户在电压降低情况下的使用时间，提高电力系统的稳定性。（3）灵敏性对其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。（4）可靠性指在规定的范围内发生了属于它应该动作的故障，它不应该拒绝动作，而在其它不属于它应该动作的情况下，则不应该误动作。第三章 变压器保护的基本原理3.1计算机变压器保护的概述在计算机继电保护研究领域，除了线路保护最受关注外，其次就是变压器保护。这显然因为变压器在电力系统发电，输电和配电各个环节中广泛使用，因而其保护设备具有广阔的应用领域。由于大容量变压器在电力系统中的地位非常重要，一旦发生故障，影响
17、很大。电力变压器保护的核心问题有两个：一是如何鉴别内，外部故障；一是如何区分内部短路和励磁涌流。对于前一个问题，已经有一些有效的算法来解决，例如可变比率制动特性的差动过流算法，时间差动过流算法（简称差动算法），并成功运用于工业装置中。对于后一个问题，应用最广泛的是二次谐波分量的算法，其在加速保护动作上主要的研究方向：一为研究快速响应的算法，二为寻找计算量小的算法（如富氏算法等）。现代大型变压器的特点是容量大、电压等级高，而且价格昂贵、修理困难。为保证系统和变压器安全运行，减少事故损失，人们对变压器继电保护提出了更苛刻的要求。提高灵敏度 要求差动保护能灵敏动作于匝间短路故障，同时也要求灵敏动作内
18、部高电阻接地故障。保持高速度 对于接于超高压远离输电线路上的变压器，当发生内部故障时，由于谐振也会产生谐波电流，这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新原理的励磁涌流鉴别方法。有效地对付过励磁 大型变压器的工作磁密通常取得较高，短时过压或频率降低，励磁电流会激增。另外，对于三绕组变压器，以及因500kV变电站广泛采用3/2断路器而引起的多侧差动问题，以及原来遗留的CT、PT 断线闭锁问题等，也需要予以考虑。计算机技术具有的长记忆功能和优越的信息处理功能，以及在结构上的特点，为解决这些难题提供了手段，主要表现在：在差动保护中可将CT二次侧电流直接差改为数字差。变压器的
19、各侧绕组中，因连接组别的关系而引起的电流相位移可由CT副边 Y-变换改变为数字计算补偿。可应用更多更复杂的原理来改善励磁涌流鉴别能力。可通过采用灵活的算法来获得高速度和高灵敏度。采用复杂的运算和逻辑处理在一定程度上实现CT和PT断线报警和闭锁。由CT变比标准化带来的误差可用数字运算进行补偿。计算机变压器保护的优点远远不止这些，通过进一步研究，计算机技术所带来的益处会不断地被发掘出来。3.2电力变压器保护的方式变压器应配置相应的继电保护装置有：瓦斯保护、速断保护、纵差动保护、后备保护、接地保护、过负荷保护和过励磁保护等。3.2.1变压器的瓦斯保护变压器的瓦斯保护是变压器油箱内部故障的主要保护之一
20、。变压器油箱内部故障通过瓦斯保护的主要元件气体继电器来反应，它和纵差动保护共同实现变压器的主保护。此外，瓦斯保护还是油箱漏油或绕组、铁芯烧损的唯一保护。反应变压器内部的不正常情况或轻微故障称为“轻瓦斯”，另一个反应变压器的严重故障，称为“重瓦斯”。轻瓦斯动作于信号，使运行人员能够迅速发现故障并及时处理，重瓦斯动作于跳开变压器各侧断路器。其原理图如图3-1所示 图3-1 瓦斯保护原理图3.2.2变压器速断保护电流速断保护用于对于容量为10000kVA以下的变压器，当后备保护的动作时限大于0.5s时，应装设电流速断保护。对于20000kVA以上的变压器，当电流速断保护的灵敏性不能满足要求时也应装设
21、纵差动保护。速断保护的动作电流按躲过变压器外部故障的最大短路电流整定，即 （3-1）式中 k1点短路时流过保护的最大三相短路电流；可靠系数，取1.21.3。3.2.3变压器的纵差动保护变压器纵差动保护是反应变压器绕组和引出线相间短路、绕组匝间短路以及中性点直接接地系统侧绕组和引出线接地短路的主保护。 实现变压器纵差动保护必须遵循基本原则，并解决好两个突出问题：励磁涌流和区分外部短路的不平衡电流。变压器差动保护应满足以下的要求。在任何情况下，当变压器内部发生短路性质的故障（包括高阻接地及匝间短路）时应快速动作跳闸。故障变压器空载投入时，可能伴随较大的励磁涌流，亦应尽快动作。反之当出现外部故障伴随
22、很大的穿越电流时，应可靠不动作。无论正常变压器发生任何形式的励磁涌流和过激励应可靠不动作。因此，与传统保护类似，计算机变压器差动保护的原理和算法主要可分为两部分：一部分是如何区分内、外故障；另一部分是如何鉴别励磁涌流。双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图如图3-1所示。图3-1 双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图、分别为变压器一次侧和二次侧的一次电流，参考方向为母线向变压器、为相应的电流互感器二次电流。流入差动继电器KD的差动电流为 (3-2)纵差动保护的动作判据为: (3-3)1.纵差动保护的整定计算原则：（1）躲过外部短路故障时的最大不平衡电流，整定式为 （3-4）式中，可靠系数，可
23、取1.3；外部短路故障时的最大不平衡电流。（2）躲过变压器最大的励磁涌流，即 （3-5）式中，变压器额定电流；可靠系数，可取1.31.5；励磁涌流的最大倍数。（3）躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流 （3-6）式中，最大负荷电流；可靠系数，可取1.3。 2.纵差动保护灵敏系数的校验 纵差动保护的灵敏系数可校验式为 （3-7） 式中，为各种运行方式下变压器区内端部故障时，流经差动继电器的最小差动电流，灵敏系数一般不应低于2。3.2.4变压器相间短路的后备保护后备保护的作用是为了防止由外部故障引起的变压器绕组过电流，并作为相邻元件（母线或线路）保护的后备以及在可能的条件下做为变压器内部故障时主
24、保护的后备。变压器的相间短路后备保护通常采用过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护以及负序过电流保护等，也有采用阻抗保护作为后备保护的情况。过电流保护装置的原理接线图如图3-2所示。保护动作后，跳开变压器两侧的断路器。图3-2过电流保护装置的原理接线图保护的启动电流按照躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即 （3-8）式中 可靠系数，取1.2-1.3；返回系数，取0.85-0.95；变压器可能出现的最大负荷电流。3.2.5变压器接地短路的后备保护变压器接地保护是反应变压器高压、绕组、引出线上的接地短路，并作为变压器主保护和相邻母线、线路接地保护的后备保护。中性点直接接
25、地运行的变压器毫无例外地都采用零序过电流保护作为变压器接地后背保护，接线图如图3-3所示。零序过电流保护通常采用两段式。零序电流保护I段与相邻元件零序电流保护I段相配合；零序电流保护II段与相邻元件零序电流保护后背段相配合配合。图3-3 零序过电流保护的系统接线和保护逻辑零序电流保护I段和II段均采用两个时限，短时限t1、t3跳开母联断路器QF，长时限t2、t4跳开变压器两侧断路器。零序电流保护I段的动作电流按下式整定 （3-9）式中 可靠系数，取1.2；零序电流分支系数；相邻元件零序电流I段的动作电流。3.2.6过负荷保护该保护作为变压器过负荷故障的保护，作用于发信号。过负荷电流按躲过T额定
26、电流来整定，即： （3-10）式中=1.50；=0.85为额定一次侧电流3.3 计算机系统可靠性的保证措施计算机应用系统的可靠性是指在指定的条件下，在规定的事件内完成规定功能的能力。由于单片机应用系统在实际工作过程中，可能会受到各种内部和外部的干扰而发生异常状态，因此抗干扰设计是系统研制中不可忽视的一个重要内容。单片机应用系统中应重点防止供电系统与过程通道的干扰。1.供电系统干扰与抑制来自供电系统以及通过导线传输，电磁耦合等产生的电磁干扰，是单片机系统工作不稳的重要原因。为了减少供电系统的干扰，通常采用的方法是：加装电源低通滤波器，并采用带屏蔽层的电源变压器；交流电引线尽量短，引线接口靠近变压
27、器和低通滤波器；采用分散独立功能块构成性能优良的直流稳压电路，加大输入输出滤波电容，减少电源的纹波系数等。2.过程通道的干扰和抑制在过程通道中长线传输的干扰是主要因素，而随着系统主振频率越来越高，单片机系统过程通道的长线传输越来越不可避免。为了保证长线传输的可靠性，主要措施是采用光电耦合器隔离、双绞线和阻抗匹配等措施。3.软件的可靠性设计单片机应用系统的可靠性，不可能完全依靠硬件解决，因此软件抗干扰性问题的研究已引起人们的重视。当前在软件设计中常用的抗干扰对策有：（1）数据采集误差的软件对策。对于实时数据采集系统，除了在前向通道采取硬件措施外，可以采取数字滤波。在一般的数据采集系统中，人们常采
28、用一些简单的数值，逻辑运算处理来达到滤波的效果。（2）控制状态失常的软件对策。在大量的开关量控制系统中，人们关注的问题是能否确保正常的控制状态。如果干扰进入系统，会影响各种控制条件造成控制输出失误，或直接影响输出信号造成控制失误。为了确保系统安全，可采取下述软件抗干扰措施。如软件冗余、设置当前输出状态寄存单元、设置自检程序。（3）程序运行失常的软件对策。这主要是发现失常状态后及时引导系统恢复原始状态。第四章 微机保护硬件的基本组成4.1 微机保护的基本原理欲实现继电保护，必须首先解决如何正确区分电力系统正常运行与发生故障或不正常运行状态之间的差别，并研究在故障或不正常运行状态下，各种物理量的特
29、点及其变化规律。通常利用：电气量的显著变化。如故障时电压剧降，可实现电压保护。同时反映电压与电流之间数值或相位的变化。被保护设备两端电流相位（或功率方向）或大小的变化。如利用辅助导线连接两端电流互感器可以构成判断区内、外故障的纵差动保护。故障时才出现的某些对称分量。如负序或零序电流、电压、功率可实现负序或零序电流、电压、功率的方向保护。非电气量变化的差别。如温度、气体等可实现过负荷保护、瓦斯保护。电气量波形或时域、频域分析上的特点，也可实现某些保护。分析、研究被保护设备在故障或不正常状态下各物理量的特点及变化规律称作继电保护技术，这是实现各种不同原理继电保护的重要方面。另一方面，实现继电保护是
30、通过继电保护装置来实现的，而组成继电保护装置的（如电流、电压、功率方向、阻抗、差动、时间、空间、信号等）以及各种对称分量滤过器的构成、工作原理、动作特性、动作情况分析等也不容忽视。继电保护装置就是将这些继电器按一定的功能、要求及接线方式连接在一起。4.2 微机保护装置的构成微型机继电保护系统的硬件一般包括以下三部分:1.模拟量输入系统（或称数据采集系统）包括电压组成、模拟滤波（ALF）、采样保持(S/H)、多路转换开关(MPX)以及模数转换(A/D)等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量。2.CPU主系统 包括微处理器(CPU)、只读存储器（一般用EPROM）、随机存取存储器以及定
31、时器等。CPU执行存放在EPROM中的程序，对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。3.输入/输出系统 由若干并行接口适配器(PIA或PIO)、光电隔离器件及有接点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入及人机对话等功能。硬件原理框图如图4-1所示。 图4-1 微机保护硬件示意框图4.3 变压器保护装置主系统的硬件设计本论文设计的保护装置以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。如图4-2所示。该硬件设计原理为：数据采集电路以模拟信号形式将变压
32、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。图4-2 保护装置总体框图4.3.1电压电流形成回路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。三相电压电流分别采用变压器一、二次侧的电压互感器、电流互感器测量。通过TV、TA变换后形成模数转换电路可以测量的电压，然
33、后经低通滤波器（ALF）、采样保持器（S/H）及模数转换芯片（ADC）转变成数字量，再由单片机对这些数字量进行比较、判断。微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其他变换器上取得信息，但这些互感器的二次数值、输入范围对典型的微机电路却不适用，故需要降低和变换。在微机保护中通常要求输入信号为5V或10V的电压信号，具体决定于所用的模数转换器。因此一般采用中间变换器来实现以上的变换。交流电流的变换一般采用电流中间变换器并在其二侧并电阻以取得所需电压的方式。此外，也有采用电抗变换器的。两者各有优缺点。例如，电抗变换器有阻止直流，放大高频分量的作用。因此，当一次流过非正弦电流时，其
34、二次电压波形将发生严重的畸变，这是所不希望的。电抗变换器的优点是线性范围较大，铁芯不易饱和，有移相作用，另外，其抑制非周期分量的作用在某些应有中也可能成为优点。电流中间变换器的最大优点是，只要铁芯不饱和，则其二次电流及并联电阻上的二次电压的波形可基本保持与一次电流波形相同且同相，即它的传变可使原信息不失真。这点对微机保护是很重要的，因为只有在这种条件下作精确的运算或定量分析才是有意义的。至于移相，提取某一分量或抑制某些分量等，在微机保护中，根据需要可以容易地通过软件来实现。电流中间变换器的缺点是，在非周期分量的作用下容易饱和，线性度较差，动态范围也较小，这在设计和使用中应予以注意。此外，这些中
35、间变换器还起到屏蔽和隔离的作用，可提高保护的可靠性。以10kV变压器为例:1.电压互感器（1）变压器一次侧电压采用JDZ-10型电压互感器测量。JDZ-10型电压互感器是用环氧树脂浇注的半封闭式电压互感器，供频率为50Hz、10kV电力系统作电压，电能测量及继电保护用。本型号互感器为环氧树脂浇注式绝缘结构，铁心为叠片式，芯柱上套装一、二次绕组、一次绕组与二次绕组为同心式，绕在同一个骨架上，整个线圈外部用环氧树脂浇注成形。产品型号及意义为：（2）变压器二次侧电压采用JDG4-0.5型电压互感器测量。JDG4-0.5型电压互感器是用热固性酚醛塑料作为绝缘骨架的干式电压互感器，适用户内500V及以下
36、、额定频率为50Hz的交流电路中作电压、电能测量或继电保护用。2.电流互感器（1）变压器一次侧采用LZZB1-10（HAT）型高精度电流互感器对电流进行测量。LZZB1-10（HAT）型电流互感器为支柱式结构，采用环氧树脂全封闭浇注成型。耐污秽、耐潮湿性能好。有两个二次绕组，第一个二次绕组的准确限值系数达5P20，精确度为0.2（或0.5）级，可以供保护用或保护、测量共用。第二个二次绕组的精确度为0.1级，并同时满足0.2级要求，可以供计量用或计量、测量共用。LZZB1-10（HAT）型互感器的型号及其含义如下所示。（2）二次侧电流互感器采用LMZJ1-0.5型（500800/5A）电流互感器
37、。4.3.2采样保持电路高质量的采样保持电路应满足以下几点：（1）使Ch上电压按一定的精度跟踪上Usr所需要的最小采样宽度Tc，对快速变化的信号采样时，要求Tc尽量短，以便可用很窄的采样脉冲，这样才能准确的反映某一时刻的Usr值。图4-2采样保持电路原理图（2）保持时间要长。通常用下降率U/（TS - TC）来表示保持能力。（3）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。上述（1）、（2）两个指标一方面决定于图中所用阻抗变换器的质量，另一方面也和电容器Ch的容量有关。就截获时间来说，希望Ch越小越好，但就保持时间而言，Ch则越大越好。因此设计者应根据使用场合的特点在二者之间权衡后选择合
38、适的Ch值。目前已有将整个采样保持电路集成在一块芯片上的商品，但其中不包括电容Ch，一方面是因为用集成电路构成电容困难，另一方面是为增加设计的灵活性，可根据不同的应用场合选用不同容量的电容Ch。图4-3就是微机保护常用的一种型号为LF-398的采样保持电路芯片的原理图。图4-3 LF-398芯片原理图电路主要由两只高性能的运算放大器A1、A2构成的跟随器组成。其中A2是典型的跟随器接法，其反相端直接与输出端相连。由于运算放大器的开环放大倍数极高，两个输入端之间的电位差实际上为零，所以输出端对地电压能跟踪上输入端对地电压，也就是保持Ch两端的电压。A1的接法与A2实质相同，在采样状态其反相输入端
39、从输出端经电阻R 获得负反馈，使输出跟踪输入电压。在AS断开后的保持阶段，A2的输出电压不再变化，但模拟量输入却仍在变化，A1不再从A2的输出端获得负反馈，为此在A1的输出端和反相输入端之间跨接了两个反向并联的二极管，配合电阻R起到隔离第二级输出与第一级的联系，而直接从A1的输出端经过二极管获得负反馈，以防止A2进入饱和区。跟踪器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，因而A1对输入信号Usr来说是高阻，而在采样状态时对电容Ch为低阻充放电，故要快速采样。又由于A2的缓冲和隔离作用使电路有较好的保持性能。AS为场效应管模拟开关，由运算放大器A3驱动。A3的逻辑输入端由外部电路按一定时序控制，进而控制着C
40、h处于采样或保持状态。4.3.3模拟量多路转换开关对于反映两个量以上的继电保护装置，例如阻抗，功率方向等都要求对各个模拟量同时采样，以准确地获得各个量之间的相位关系。所有采样保持器的逻辑输入端并联后由定时器同时供给采样脉冲。但由于模数转换器价格昂贵，通常不是每个模拟量输入通道设一个A/D，而是公用一个，中间经MPX切换轮流由公用的A/D转换成数字量输入给微机。多路转换开关包括选择接通路数的二进制译码电路和由它控制的各路电子开关，它们被集成在一个集成电路芯片中。在本系统中采用MAXIN公司的产品MAX396，它具有16路通道的多路开关，采用28管脚封装，使用了很新的TTL/CMOS工艺，使它具有
41、了导通电阻小、导通速度快、功耗低和集成度高等特点。其管脚示意图如图4-4所示。图4-4 MAXIN396管脚功能图其工作原理是当片选信号为“0”（无效）时，芯片输入端呈高阻状态，各路输入量转换开关，送入A/D转换器。当片选信号有效时，芯片通过地址线A0A3上的四位地址数据译码并选通相应的通道，模拟输入量信号通过，这时芯片呈低阻状态，导通电阻不随输入电压大小而变化，模拟输入量从芯片的28口（COM）输出，将选通的通道模拟量经芯片送往A/D转换器。 该芯片的引脚名称及功能如表4-1所示。它的主要性能如下：供电电压低：2.7V，单电源或双电源任选 表4-1 MAX396引脚名称及功能引脚符号功能1V
42、+ 正电源电压输入2，3，13NC空脚411No16No9模拟信号输入（双向）12GND逻辑地1417A3A0逻辑地址输入18EN禁止逻辑输入1926No1No8 模拟信号输入27V_负电源电压输入28COM模拟信号输出（双向）功耗低：小于10uW ；接通一致性好：最大值4 欧姆，具有TTL/CMOS兼容功能4.3.4模数转换器ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0V（GND）为基准。单次转换的结果为： （4-3）式中，ADC：A/D转换的结果；：输入的电压；：基准电压。如果使用差分通道
43、，结果为： （4-4）式中，：输入引脚正电压；：输入引脚负电压；：选定的增益因子。4.3.5输入/输出通道1.模拟量输入通道A/D转换器采用MEGA16芯片上的8路10位AD转换。模拟量信号输入部分可以根据具体的信号情况选择使用图4-6所示的多功能输入信号调理电路。在电压信号输入时可以由R1和C构成低通滤器（R2开路）；R1和R2可以构成输入信号分压电路（电容C开路）；对于420mA电流输入信号，R2使用250的精密电阻即可变换为15V的信号（R1短路、C开路）。图4-6 多功能输入信号调理器2.开关量输出通道开关量输出通道的任务是把单片机输出的数字信号传送给保护装置，控制保护装置的跳闸、合闸
44、、信号继电器驱动等。在开关量输出接口中，输出的开关量一般都要锁存，以便受控设备能在下一次输出量到来之前一直受本次输出开关量的控制。隔离电路放置在锁存器与设备驱动器之间。同时为提高抗干扰能力，本设计采用了光电隔离电路，开光量输出电路可设计图4-7所示。图4-7 开关量输出电路由图可知，单片机输出的信号经输出锁存器锁存后经光电隔离选出送入驱动器，产生报警输出和继电器输出信号。4.3.6芯片简介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
45、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、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。3、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。4、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4-8所示。图4-8 ATmega16的引脚图4.4 人机交互部分设计人机交互部分主要由键盘、LED显示和打印机组成，键盘用来实现控制功能的选择和参数的设定，LED则用来显示功能菜单、实时数据以及控制器的工作状态，打印机用来打印记录日常状态，在此暂不考虑。4.4.1 键盘控制设计为了达到实时响应，使用户随时调节系统参数，键盘采用中断扩展方式，这样既节省中断资源，又实现了多外部中断响应的效果。同时，这种方式也可节省不少CP