基于ATmega128的变压器微机型保护装置的研究

2011-07-25刘得刚

电气开关 2011年2期

刘得刚

(广西绿能电力勘察设计有限公司，广西南宁 530031)

1 引言

变压器是电力系统输变电中极其重要的组成部分，广泛应用于各种工厂中，其工作状况直接影响着电力系统的安全性和稳定性。近年来，由于变压器保护［1］不当，造成故障的案例很多，甚至引发了大面积停电事故，造成生产的巨大损失。因此，变压器的微机型保护［2，3］装置的研发具有重要的现实意义和很好的市场潜力。本文针对中小型工厂10kV/0.4kV型，容量3150kV·A内的厂用变压器，研究由ATmega128为核心构成的变压器微机型保护装置。

2 Dyn11联接变压器概述

国际上很多国家的10kV配电变压器都以Dyn11联结方式为主流。“D”指一次侧用三角形接法，“y”指二次侧用星形接法，“11”指二次侧电压相位“滞后”一次侧30°。我国已颁布的GB/T6451－1999油浸式变压器和GB/T10228－1997干式变压器标准规定，新颁布的《民用建筑电气设计规范》、《工业与民用供配电系统设计规范》及《10kV及以下变电所设计规范》等规范等都倡导10kV配电变压器采用Dyn11联结方式。Dyn11联接方式与旧式的Yyn0相比有以下几个优点［4，5］:

(1)Dyn11联结中高压侧三角形接法有利于抑制高次谐波电流注入电网。

(2)Dyn11联结中低压侧承受不平衡负载的能力增强，且利于单相接地短路故障的保护和切除。

(3)Dyn11联结可减少变压器的附加损耗和发热。

3 Dyn11联结变压器的两侧的电流对应关系

Dyn11联结方式的变压器的绕组接线图，如图1所示。

图1 Dyn11绕组接线图

由图1可得:

设变压器的电压变比为n，得Dyn11联结变压器高压侧和低压侧的电压对应关系:

线电压比:

变压器两侧的相电流比:

结合(1)式和(4)式，可以推导出Dyn11联结高压侧和低压侧的电流对应关系:

4 保护装置的总体设计

本系统采用ATmega128芯片作为测控保护装置的处理器，其资源包括:工作于 16MHz时性能为16MIPS，即每秒钟可以运行16M条简单指令。内部含有8个外部中断，两个16位定时器和两个8位定时器，4K字节的内部SRAM，128K字节的系统内可编程Flash，4K字节的EEPROM 等［6］。外围电路模块主要有:前端的信号调理模块、中端的交流采集和处理模块、末端的继电器控制模块，还有液晶、时钟、通信等电路模块。保护装置的硬件设计框如图2所示。

二次电压、二次电流信号中的Ia、Ic、I0、IAB、IBC、ICA为主要检测信号，IA、IC为专用的测量CT输入，保证测功率、遥测量有足够的精度。I0用于零序电流保护。IAB、IBC、ICA在本装置中作为测量用电压输入，与IA、IC一起计算线路瞬时的Ia、Ib、I0。特别要说明是按照继电保护的规程:使用两组CT，使用保护组CT测量Ia、Ic、I0;使用测量组 CT 测量IA、IC。

图2 保护装置的硬件框图

保护组的CT量程大、精度低。继电保护装置必须检测短路的实际电流才能可靠保护，因此，必须选用磁饱和系数大的互感器，由于保护并不需要太精确的测量值，为了节省投资，CT的精确度要求可以低很多，一般可以选用3级或5级。

测量组的CT精度高、量程小。测量级的互感器在一次额定电流下可以成正比，准确地反映在二次回路上，如果涉及到功率测量和实时数据的分析，要求测量数据的实时和准确，必须选着高精度的CT。但是，这种互感器的铁心磁饱和系数比较小，容易出现磁饱和，当一次侧电流很大时，铁芯磁饱和，也保护了仪表不被损坏。

10kV继电保护的两组CT一般选用0.5/5P10级精度。测量绕组是0.5级的，即在额定电流下，该电流互感器的复合误差小于±0.5%。保护绕组是5P10级的，5P10表示当一次侧电流在其额定电流的10倍以下时，该绕组的复合误差小于±5%。“10”代表准确限值系数，如果此时一次侧电流比较大，就要选用5P20的，甚至还可能选用5P30的。

5 A/D交流采样电路

交流采样的三相信号必须保持原先的相位关系以及功率因数角，是继电保护的信号采集的基本要求，因此，要同时采样三相电压和电流值。考虑到Dyn11型联结的配电变压器高压侧采用的是三角形接法，无论低压侧负载是否平衡，三相电压和电流的矢量和为零，即采用三角形变换，可以由两相电压和电流推算出第三相的电压和电流值。因此，设计实时检测的电量信号为UAB、UBC、UCA、Ia、Ic、Io、Ia、Ic共八路。其中Ia和Ia2路交流电流信号用于保护判定，IA和IC2路交流电流信号用于测量和备用保护。

ATmega128单片机内部含有8路10位ADC通道，但是转换精度和速度都不能达到继电保护的要求，所以本装置采用了MAX125交流采样芯片。MAX125是高速2×4通道同步采样14位逐次比较型A/D转换器芯片。芯片单通道A/D转换时间为2μs。4个采样/保持放大器可对4个通道的模拟信号同时采样。

图3 交流采样电路原理图

6 频率相位测量电路

设计中，采用ATmega128的测频率脚外部中断电平变换的间隔时间来实现频率的测量。

频率测量需要一路的方波信号，而相位角就需电压电流两路的方波信号，因此设计原理电路图如图4所示。电子开关CD4052将从互感器出来的两路电压电流信号分时的输出，经过运放，过零比较器将信号送入单片机，其中前两个二极管用于预防输入电压过大，保护过零比较器，后一发光二极管用与表面监控，当有信号通过是发光表明电路正常，如此单片机中断口处就可得到有正上升沿的方波信号，然后触发单片机中断口，在运用单片机定时计数功能，便可测量频率和相位角。整形后的电压信号输入ATmega128的外部中断引脚INT0，设置电平变换触发中断。记录下电平变换的间隔时间即为一个周期，其倒数为频率。整形后的电流信号输入AVR的外部中断引脚INT1。只要测得电网电压和电流信号的上升沿中断的时间差，即可求得相位角及相位角差的方向，并推断出电压和电流之间的时间关系。如图5所示，使用本方法［8］可以在一个周期内采集到电网的频率、电压与电流之间的相位角，并判断出电压和电流在时间上的关系。