基于ATmega128的變壓器微機型保護裝置的研究

劉得剛

(廣西綠能電力勘察設計有限公司，廣西 南寧 530031)

1 引言

變壓器是電力系統(tǒng)輸變電中極其重要的組成部分，廣泛應用于各種工廠中，其工作狀況直接影響著電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。近年來，由于變壓器保護［1］不當，造成故障的案例很多，甚至引發(fā)了大面積停電事故，造成生產(chǎn)的巨大損失。因此，變壓器的微機型保護［2，3］裝置的研發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義和很好的市場潛力。本文針對中小型工廠10kV/0.4kV型，容量3150kV·A內(nèi)的廠用變壓器，研究由ATmega128為核心構(gòu)成的變壓器微機型保護裝置。

2 Dyn11聯(lián)接變壓器概述

國際上很多國家的10kV配電變壓器都以Dyn11聯(lián)結(jié)方式為主流。“D”指一次側(cè)用三角形接法，“y”指二次側(cè)用星形接法，“11”指二次側(cè)電壓相位“滯后”一次側(cè)30°。我國已頒布的GB/T6451－1999油浸式變壓器和GB/T10228－1997干式變壓器標準規(guī)定，新頒布的《民用建筑電氣設計規(guī)范》、《工業(yè)與民用供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》及《10kV及以下變電所設計規(guī)范》等規(guī)范等都倡導10kV配電變壓器采用Dyn11聯(lián)結(jié)方式。Dyn11聯(lián)接方式與舊式的Yyn0相比有以下幾個優(yōu)點［4，5］:

(1)Dyn11聯(lián)結(jié)中高壓側(cè)三角形接法有利于抑制高次諧波電流注入電網(wǎng)。

(2)Dyn11聯(lián)結(jié)中低壓側(cè)承受不平衡負載的能力增強，且利于單相接地短路故障的保護和切除。

(3)Dyn11聯(lián)結(jié)可減少變壓器的附加損耗和發(fā)熱。

3 Dyn11聯(lián)結(jié)變壓器的兩側(cè)的電流對應關系

Dyn11聯(lián)結(jié)方式的變壓器的繞組接線圖，如圖1所示。

圖1 Dyn11繞組接線圖

由圖1可得:

設變壓器的電壓變比為n，得Dyn11聯(lián)結(jié)變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的電壓對應關系:

線電壓比:

變壓器兩側(cè)的相電流比:

結(jié)合(1)式和(4)式，可以推導出Dyn11聯(lián)結(jié)高壓側(cè)和低壓側(cè)的電流對應關系:

4 保護裝置的總體設計

本系統(tǒng)采用ATmega128芯片作為測控保護裝置的處理器，其資源包括:工作于 16MHz時性能為16MIPS，即每秒鐘可以運行16M條簡單指令。內(nèi)部含有8個外部中斷，兩個16位定時器和兩個8位定時器，4K字節(jié)的內(nèi)部SRAM，128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4K字節(jié)的EEPROM 等［6］。外圍電路模塊主要有:前端的信號調(diào)理模塊、中端的交流采集和處理模塊、末端的繼電器控制模塊，還有液晶、時鐘、通信等電路模塊。保護裝置的硬件設計框如圖2所示。

二次電壓、二次電流信號中的Ia、Ic、I0、IAB、IBC、ICA為主要檢測信號，IA、IC為專用的測量CT輸入，保證測功率、遙測量有足夠的精度。I0用于零序電流保護。IAB、IBC、ICA在本裝置中作為測量用電壓輸入，與IA、IC一起計算線路瞬時的Ia、Ib、I0。特別要說明是按照繼電保護的規(guī)程:使用兩組CT，使用保護組CT測量Ia、Ic、I0;使用測量組 CT 測量IA、IC。

圖2 保護裝置的硬件框圖

保護組的CT量程大、精度低。繼電保護裝置必須檢測短路的實際電流才能可靠保護，因此，必須選用磁飽和系數(shù)大的互感器，由于保護并不需要太精確的測量值，為了節(jié)省投資，CT的精確度要求可以低很多，一般可以選用3級或5級。

測量組的CT精度高、量程小。測量級的互感器在一次額定電流下可以成正比，準確地反映在二次回路上，如果涉及到功率測量和實時數(shù)據(jù)的分析，要求測量數(shù)據(jù)的實時和準確，必須選著高精度的CT。但是，這種互感器的鐵心磁飽和系數(shù)比較小，容易出現(xiàn)磁飽和，當一次側(cè)電流很大時，鐵芯磁飽和，也保護了儀表不被損壞。

10kV繼電保護的兩組CT一般選用0.5/5P10級精度。測量繞組是0.5級的，即在額定電流下，該電流互感器的復合誤差小于±0.5%。保護繞組是5P10級的，5P10表示當一次側(cè)電流在其額定電流的10倍以下時，該繞組的復合誤差小于±5%?！?0”代表準確限值系數(shù)，如果此時一次側(cè)電流比較大，就要選用5P20的，甚至還可能選用5P30的。

5 A/D交流采樣電路

交流采樣的三相信號必須保持原先的相位關系以及功率因數(shù)角，是繼電保護的信號采集的基本要求，因此，要同時采樣三相電壓和電流值?？紤]到Dyn11型聯(lián)結(jié)的配電變壓器高壓側(cè)采用的是三角形接法，無論低壓側(cè)負載是否平衡，三相電壓和電流的矢量和為零，即采用三角形變換，可以由兩相電壓和電流推算出第三相的電壓和電流值。因此，設計實時檢測的電量信號為UAB、UBC、UCA、Ia、Ic、Io、Ia、Ic共八路。其中Ia和Ia2路交流電流信號用于保護判定，IA和IC2路交流電流信號用于測量和備用保護。

ATmega128單片機內(nèi)部含有8路10位ADC通道，但是轉(zhuǎn)換精度和速度都不能達到繼電保護的要求，所以本裝置采用了MAX125交流采樣芯片。MAX125是高速2×4通道同步采樣14位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器芯片。芯片單通道A/D轉(zhuǎn)換時間為2μs。4個采樣/保持放大器可對4個通道的模擬信號同時采樣。

圖3 交流采樣電路原理圖

6 頻率相位測量電路

設計中，采用ATmega128的測頻率腳外部中斷電平變換的間隔時間來實現(xiàn)頻率的測量。

頻率測量需要一路的方波信號，而相位角就需電壓電流兩路的方波信號，因此設計原理電路圖如圖4所示。電子開關CD4052將從互感器出來的兩路電壓電流信號分時的輸出，經(jīng)過運放，過零比較器將信號送入單片機，其中前兩個二極管用于預防輸入電壓過大，保護過零比較器，后一發(fā)光二極管用與表面監(jiān)控，當有信號通過是發(fā)光表明電路正常，如此單片機中斷口處就可得到有正上升沿的方波信號，然后觸發(fā)單片機中斷口，在運用單片機定時計數(shù)功能，便可測量頻率和相位角。整形后的電壓信號輸入ATmega128的外部中斷引腳INT0，設置電平變換觸發(fā)中斷。記錄下電平變換的間隔時間即為一個周期，其倒數(shù)為頻率。整形后的電流信號輸入AVR的外部中斷引腳INT1。只要測得電網(wǎng)電壓和電流信號的上升沿中斷的時間差，即可求得相位角及相位角差的方向，并推斷出電壓和電流之間的時間關系。如圖5所示，使用本方法［8］可以在一個周期內(nèi)采集到電網(wǎng)的頻率、電壓與電流之間的相位角，并判斷出電壓和電流在時間上的關系。

圖4 頻率和相位檢測電路圖

圖5 相位角檢測圖

式(6)中，θ指功率因數(shù)角;T指INT0中斷的時間間隔，即信號的周期;t指INT0啟動后，檢測到INT1中斷的時間間隔。

7 實驗結(jié)果

交流電壓采樣使用MAX125芯片完成，使用全波傅立葉算法計算電壓的有效值。每周期采樣N=12個點，采樣頻率fs=600Hz，具體程序如下所示:

%12點采樣計算基波實部系數(shù)a1

采樣計算基波虛部系數(shù)b1

交流采樣實驗使用的是全周波采樣12個點的形式還原交流信號，利用全波傅里葉算法計算出有效值和標準電壓表(D26－V型)實測值對比，如表1所示。

通過比較發(fā)現(xiàn)，實際值與測量值有一定誤差，但是相對誤差并不大，在0.5%以內(nèi)，如表2所示。符合繼電保護電壓測量0.5級精度的標準，采用本裝置可獲得較準確的交流信號參數(shù)，能夠滿足中小型工廠配電變壓器繼電保護的測量精度要求。

表1 全周波12點交流采樣數(shù)據(jù)表

表2 采樣電壓誤差表

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