干式变压器的温度检测和保护系统设计综述

毕业设计报告（论文）课题名称干式变压器的温度检测和保护系统设计专业学生姓名学号指导教师起讫日期2013年10月--2014年4月设计地点徐州函授站摘要本文首先对干式变压器做了简要介绍，并分析了其应用现状和发展前景，结合干式变压器的特点引出了对其温度检测和保护的重要性。之后简要介绍了本设计采用的C8051F206单片机、采用铂金属的温度检测电路和保护控制电路，并将其应用到干式变压器温度检测和保护系统的实际设计应用中，给出了系统硬件、软件的设计方法。关键词：温度检测；干式变压器；C8051F206单片机目录1绪论………………………………………………………………………………11.1研究背景………………………………………………………………………11.2系统概述………………………………………………………………………11.3本文的工作……………………………………………………………………22温度检测和保护系统的设计……………………………………………………32.1微处理器的选择和使用………………………………………………………32.1.1C8051F206单片机的特点……………………………………………………32.1.2采用C8051F206单片机的依据……………………………………………42.1.3C8051F206单片机应用的几个问题…………………………………………42.2温度检测模块的设计…………………………………………………………52.2.1温度传感器的选取………………………………………………………62.2.2温度检测电路的设计…………………………………………………………72.2.3检测信号放大和调理电路设计……………………………………………72.2.4温度检测模块的重要参数确定…………………………………………102.3保护控制模块的设计………………………………………………………102.3.1强迫风冷电路的设计………………………………………………………102.3.2报警、跳闸电路设计………………………………………………………102.4电源模块的设计……………………………………………………………113系统软件的设计…………………………………………………………………133.1基本功能……………………………………………………………………133.2程序流程……………………………………………………………………14结论………………………………………………………………………………15参考文献………………………………………………………………………………16致谢…………………………………………………………………………………1711绪论1.1研究背景随着电力行业的发展，干式变压器得到了广泛的应用，目前正逐步取代油浸式变压器，因此对于油浸式变压器的保护也提出了新的要求。干式变压器一般指铁芯和绕组不浸渍在绝缘油中的变压器，干式变压器分为属于自然空气冷却和强迫空气冷却。自然空冷时，可在额定容量下长期连续运行；强迫风冷时，输出容量可提高50%。干式变压器的安全运行和使用寿命，很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全可靠。绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘损坏或烧毁，是导致变压器不能正常工作的主要原因之一，因此对变压器的运行温度的检测及其报警控制是干式变压器安全可靠运行必不可少的。也即要求干式变压器应具备工作温度显示，正常温度越限时启动风机进行强迫风冷降温及超越限跳闸保护功能，从而延长其使用寿命，保证输变电系统的运行安全和稳定性。随着计算机技术的发展与普及，单片机作为微处理器已经开始大量应用与温度检测仪表中，应用单片机检测温度并根据检测结果进行相应控制已成为当今仪表发展的主要趋势。1.2系统概述本文所设计的温度检测和保护系统具有高度的自动化和智能化。使用了C8051F206单片机作为温度检测和保护的微控制器，采用铂金属传感器Pt100，将其预埋在低压绕组最热处，可自动监测并巡回显示三相绕组各自的工作温度。变压器负载增大，运行温度上升，当绕组温度达某一数值(此值可调，对F级绝缘干式变压器一般整定为110℃)时，系统自动启动风机冷却；当绕组温度降低至某一数值(此值也可调，对F级绝缘干变一般整定在90℃)时，系统自动停止风机。当变压器绕组温度继续升高，若达到某一高温度值(此值也可根据工程设计调整，通常整定在F级绝缘所标称温度155℃)时，系统输出超温报警信号；若温度继续上升达某值(此值也可按工程设计调整，通常整定在170℃)，变压器已不能继续运行，须向2二次保护回路输送超温跳闸信号，应使变压器迅即跳闸。1.3本文的工作（1）温度检测系统设计；（2）保护系统设计；（3）系统软件设计。32温度检测和保护系统的设计2.1微处理器的选择和使用2.1.1C8051F206单片机的特点（1）丰富的模拟外设A.12位高精度模数转换器C8051F206内部集成12位32通道ADC，32个外部输入，每个I/O口都配置为ADC输入，可编程转换速率最大达100ksps，转换无失码，参考电压可以取自外部引脚或VDD，含有可编程增益放大器。B.两个电压比较器具有可编程回差比较电压，可用于产生中断或复位。C.电源电压监视器和节电降压检测器（2）方便的片内JTAG调试片内JTAG调试电路提供全速非侵入式的在线系统调试，不需要仿真器，支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点，堆栈指示器及单步执行。（3）高速增强的8051微控制器内核A.流水线指令结构，70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期，速度可达25MIPS；B.增强的中断系统可有最多21个中断源。（4）存储器A.1280字节数据存储器，可满足复杂算法对内存的需要；B.8K字节FLASH程序存储器，在系统编程扇区大小为512字节。（5）丰富的数字外设A.32个I/O口线所有口线均容许5V电压；B.可同时使用的硬件SPI和UART串口；C.3个通用16为计数器/定时器；D.专用的看门狗定时器，双向复位。4（6）灵活的时钟源A.内部可编程振荡器2-16MHz；B.外部振荡器晶体RC、C或外部时钟；C.可在运行中切换时钟源供节电模式使用。（7）使用温度范围工作的温度方位：-40℃—+85℃，是工业级的芯片。2.1.2采用C8051F206单片机的依据（1）丰富的可编程I/O口资源，完全满足智能温度控制仪的接口宽展的需要；（2）具有大容量的RAM和高速增强的8051微控制器内核，为实现复杂的数据算法提供了基础，满足系统实时性的要求；（3）方便的片内JTAG调试，支持在线系统调试，提高工作效率；（4）丰富的模拟外设，为系统进一步扩展提供了硬件基础；（5）片内集成的SPI接口电路，方便系统外设扩展。（6）片内的看门狗定时器，电源监视器和时钟源，减少了外部电路，提高了系统可靠性。2.1.3C8051F206单片机应用的几个问题（1）5V外围接口芯片和3V微处理器的驱动问题这里需要分两点进行讨论：一是5V的驱动器驱动3V输入；二是3V的输出驱动5V的外围电路。对于第一个问题，将一个5V的驱动器连接到3V的微处理器输入接口时，由于有电流输入内部ESD保护器件，可能导致器件损毁或减少使用寿命。但是本设计采用的C8051F206单片机内有耐5V电压的输入结构，故使用5V输出驱动3V输入端口不会对单片机的正常使用产生影响。第二个问题是微处理器的3V输出驱动5V外围电路的问题。本设计采用的C8051F206单片机输出的最高电压不能超过电源电压（2.7V-3.6V）。为了提供一个比微处理器电源电压高的驱动电压，可以将C8051F206单片机的端口输出方式设置为漏极开路，并在输出端接上一个上拉电阻到5V电源。上拉电阻的阻值大小有范围要求，阻值过小，0状态的电流功耗过大，降低了逻辑0时的噪声容限；阻值过大，对线路中的寄生电容充电时间过程变长，无法满足数据传输的时序要求。在满5足数据传输的时序要求和可靠性的条件下，应尽可能选择较大的上拉电阻。（2）C8051F206单片机的时钟电路设计C8051F206单片机具有一个内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路，内部振荡器的精度差，当选定内部振荡器频率为2MHz时，实际振荡频率为1.6MHz到2.4MHz，故采用外部振荡器产生系统时钟。振荡器电路既是一个重要的干扰源，也是一个受干扰源，时钟的频率应该在满足系统要求的条件下，越低越好，这样可以提高系统的电磁兼容性能。最终确定的外部振荡器频率是2MHz。（3）C8051F206单片机的工作电源设计在本设计中，只有C8051F206单片机的工作电压是3.3V，因此需要使用一个稳压芯片获得微处理器的电源。电源电路如图2.1。图中的钽电容的功能是对稳压芯片输入电压进行滤波，一般取0.1uF，滤波电容对输出电压滤波，一般取1.0uF。具体电阻值的确定，详见电源模块设计部分。图2.1单片机工作电源电路2.2温度检测模块的设计温度检测是本设计的最基本的部分，温度检测模块的精度决定着整个系统的精度，检测结果是温度检测和保护系统完成控制、报警等其他功能的基本依据，温度检测模块能否正常工作对整个系统起着决定性的作用。参照JB/T-7631-1994《变压器用电阻温度计》标准，确定对温度测量模块的性能指标有：（1）测量范围：0.0℃--200.0℃；（2）测量精度：0.5级，分辨力：0.1℃；（3）测量系统的时间常数不大于5秒；6（4）工作环境温度变化：正常工作环境温度为0.0℃到50.5℃，在该范围内，工作环境以10℃为一个变化量时，测量绝对误差不大于0.5℃；（5）传感器引线电阻变化：传感器的引线电阻从0.0Ω-100.0Ω变化时，测量绝对误差不大于0.5℃；（6）共模电压干扰：频率为50Hz、干扰电压为100mV/(0-360℃)时，测量绝度误差不大于0.5℃；（7）串模电压干扰：频率为50Hz、干扰电压为250V/(0-360℃)时，测量绝对误差不大于0.5℃。2.2.1温度传感器的选取精确的测量是本设计的前提。由于铂温度传感器测温精确度高、稳定性好，有较大的测量范围，易于使用在自动测量和远距离测量中。本设计采用的是PT100铂热电阻传感器。Pt100是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在-200℃至650℃的范围。电阻式温度检测器（RTD,ResistanceTemperatureDetector)是一种物质材料作成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟著上升就称为正电阻系数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大部分电阻式温度检测器是以金属作成的,其中以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,最为稳定－耐酸碱、不会变质最受工业界采用。其电阻特性方程如下：-200～0C时，Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]0～650C时Rt=R0(1+At+Bt2)式中A=3.9080210-3/C，B=-5.80210-7/(C)2，C=-4.23710-12/C，R0=100.00欧姆,是0℃时的阻值。在本设计中工作温度为0.0℃--200.0℃，故电阻特性方程为Rt=R0(1+At+Bt2)。可得BR2))RR(BR4)AR(AR(t0t00200（2.1）将测得的电阻值代入t的表达式中就可以求出温度的准确值，从而减少了测量7结果的非线性误差。Pt100热电阻一般有三种接线方式，且在原理上有所不同：二线制和三线制是用电桥法测量，最后给出的是温度值与模拟量输出值的关系；四线没有电桥，完全只是用恒流源发送，电压计测量，最后给出测量电阻值。连接导线的电阻和接触电阻会对Pt100铂电阻测温精度产生较大影响，铂电阻三线制或者四线制接线方式能有效消除这种影响。本设计采用使用恒流源的四线制接法，保证了极高的测量精度。2.2.2温度检测电路的设计根据设计要求，PT100热电阻温度传感器采用了四线制接法，传感器把温度的变化变换成电阻的变化。为了便于信号的传输、放大、处理和转换，需要把电阻阻值变化变换为电信号的变化。