干式变压器的温度检测和保护系统设计文档格式.docx

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2.2.4温度检测模块的重要参数确定…………………………………………10

2.3保护控制模块的设计………………………………………………………10

2.3.1强迫风冷电路的设计………………………………………………………10

2.3.2报警、跳闸电路设计………………………………………………………10

2.4电源模块的设计……………………………………………………………11

3系统软件的设计…………………………………………………………………13

3.1基本功能……………………………………………………………………13

3.2程序流程……………………………………………………………………14

结论………………………………………………………………………………15

参考文献………………………………………………………………………………16

致谢…………………………………………………………………………………17

1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。

2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。

（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；

（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

（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。

由于使用了四线制接法，采用电流源，把Pt100的电阻变化比例变换成电压变化。

恒流源选用DH905，该恒流源芯片工作电压范围大，IH范围1µ

A～200mA，电流连续可调。

内部实现精密温度补偿，只需一只外接电阻，使用简便而稳定性指标很高，是目前广泛应用的恒流源器件产品。

考虑到要检测三个绕组的温度，温度检测电路是一个多通道的数据采集系统；

此外，三路信号的类型和变化范围相同，需要做相同的放大和调理，可以共用放大和调理电路。

模拟开关的选择主要考虑影响信号传输精度的开关电阻和泄露电流，因此要尽可能选择泄露电流和开关电阻小的模拟开关。

根据通道树木最后确定模拟开关型号为8选一的模拟开关CD4051，两片模拟开关CD4051联用，构成差动配置方式。

此外，本设计采用一个恒流源分时驱动不同传感器的方法，为了消除模拟开关导通电阻的影响，也需要一片CD4051。

为了消除高频噪声的干扰，在测量放大器输入端加入电阻电容组成的一阶滤波电路。

2.2.3温度检测信号放大和调理电路设计

温度变化经过温度检测电路转换成电信号，即Pt100上的电压变化，但是此时的电压变化范围较小，为了充分利用单片机的ADC特性，需要将电压信号进行适当的放大和调理。

（1）信号放大电路设计

信号放大器的选择是检测系统的重要部分，这里选用仪表放大器INA128，该款芯片是美国BURR-BROWN公司生产的低电压高精度通用仪表放大器。

具有非常低的偏执电压，最大是50uV，非常低的偏执电压温漂（0.5uV/℃max）和低偏置电流（5nAmax）；

高共模抑制比120dB，宽工作电压。

可以用于电桥放大器、热电偶放大器、医疗类放大器和数据采集。

从传感器到测量方法器需要多路模拟开关，多路模拟开关的配置方式有两种，一种为单端方式，此种方式应用在所有的输入信号相对于公共地测量上，且信号的电平显著大于出现于系统中的共模电压。

此时测量放大器共模抑制能力没有发挥，但是系统可以得到最大通道数；

另一种方式是差动配置，此种方式应用于各个输入信号有各自独立的参考点位，或者是应用在信号长线传输引起严重的共模干扰时。

考虑到温度检测系统信号传输距离较远，并且传感器在变压器的安放位置不同，受到的电磁干扰不同，参考电位不同，这里选用差动配置方式，保持信号传输电路阻抗平衡，并且充分发挥测量放大器的高共模抑制能力。

图2.2温度检测和放大电路

（2）信号调理电路设计

检测信号经过测量放大器后，输出的电压信号变化范围并不是从0开始的，为了充分发挥ADC的转换范围，提高测量精度，有必要把放大器输出的电压通过模拟加法器进行适当的降低，使送到ADC的电信号从0开始变化。

采用的模拟加法器电路如图2.3。

在图中，四个电阻阻值相同，用Vo1表示测量放大器输出电压，用Vref1表示固定比较电压，Vo2表示模拟加法器输出电压，三者之间存在等式

Vo2=Vo1-Vref1（2.2）

这里选用运算放大器OP-07，构成加法器电路，这是一种高精度集成运算放大器，这种运算放大器的主要特征是增益和共模抑制比很好（一般为100dB）而其是调电压和失调电流、温漂以及噪声又很小，广泛的应用于稳定积分、精密加法、比较、阀值电压检测、微弱信号精密放大等场合，是一种通用性极强的运算放大器。

图2.3模拟加法器电路示意图

图2.4使用模拟加法器的信号调理电路

2.2.4温度检测模块的重要参数确定

（1）恒流源输出电流I和电流调节电阻RA

根据公式U=RI，通过恒流源的输出电流将传感器Pt100的电阻变化转换成电压变化，再传输到测量放大器，从提高抗干扰能力和信噪比角度看，I取值越大越好；

另一方面，传感器Pt100流过电流时，传感器要发热，根据W=RI2可知，电流越大，发热量越大，传感器自身发会影响测量精度，产生测量误差。

从这个角度来说，I取值越小越好。

工程上推荐的取值范围是0.5mA-2.0mA，考虑到便于和后面电路匹配，这里取I=1.0mA。

恒流源HD905的电流调节电阻的计算公式为：

RA≈1200/I（I单位为mA，RA为欧姆），确定电阻RA的电阻值是1200欧姆。

根据Pt100的分度表，在0.0℃--200.0℃的测量范围里，Pt100阻值从100欧姆变化到175.86欧姆，对应的电压信号从100mV变化到175.86mV。

（2）测量放大器的放大系数K

由于测量放大器的输入阻抗非常大，可以认为恒流源的输出电流全部流过传感器Pt100，由于采用了四线制接法，测量放大器的输入电压可以认为全部是Pt100两端的电压，之前计算的结果，电压信号变化范围100mV到175.86mV，变化的绝对范围为75.86mV，为了使测量放大器的输出电压经过模拟加法器后和ADC的输入电压范围0到2.4V相适应，并保留一定的余量，且照顾到测量放大器的阻值设置，测量放大器的放大系数K取为26，此时增益电阻为2K欧姆。

（3）确定模拟加法器的固定比较电压

在放大系数为26的条件下，测量放大器的输出电压范围是2.6V到4.57236V，因此加法器的偏置电压设为2.6V，经过加法器后输出信号的电压范围变为0到1.97236V。

2.3保护控制模块的设计

2.3.1强迫风冷电路的设计

在变压器绕组温度达到设定的110℃时，系统自动启动风机冷却；

当绕组温度降低至90℃时，系统自动停止风机。

单片机通过设置一个I/O输出接口，通过上拉电阻控制一个电磁继电器的动作来实现上述功能。

2.3.2报警、跳闸电路设计

当变压器绕组温度继续升高，若达到某一高温度值，通常整定155℃，系统输出超温报警信号；

若温度继续上升达某值，通常整定在170℃，变压器已不能继续运行，须向二次保护回路输送超温跳闸信号，应使变压器迅即跳闸。

报警部分可以是声光报警信号，同时也可以像远端控制中心发送信号；

跳闸电路只需要输出跳闸信号即可。

以上不是本设计讨论范围，只需预留出两个I/O输出接口即可。

2.4电源模块的设计

本设计使用的单片机电源电压为5V，测量放大器需要±

15V电源输入。

设计使用电容滤波器，LM7812与LM7912实现±

15V输出，使用LM317稳压芯片，得到3.3V输出，通过从变压器一次侧接入变压器、整流桥获得输入电压。

用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

此外LM317为三端可调输出正电压稳压器，在输出电压范围为1.2V到37V是能后提供超过1.5A的电流。

此稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压，此外还是用内部限流、热关断和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝。

　　LM317服务于多种应用场合，包括局部稳压、卡上稳压。

该器件还可以用来制作一种可编程的输出稳压器，或者，通过在调整点和输出之间接一个固定电阻，LM317可用作一种精密稳流器。

LM317的应用电路图如图所示。

图2.5LM317三端稳压芯片的应用电路图

　　当稳压器力电源滤波器有一定距离是是必需的，而Co对稳定性而言不必要，但改进瞬态响应。

其输出公式如下：

因为控制在小于100uA，这一项的误差在多说应用中可以忽略。

故本设计中R1选择240欧，R2为1.64倍R1，取380欧。

则输出电压为3.23V。

3系统软件的设计

软件上，在单片机上实现多种功能，并保证控制精度，软件设计必须实现功能占CPU时间的分配上做到有主有次，既要保证完整性，又要保证实时性。

温度控制器在软件上采用C51开发，用模块化结构。

首先进行数据存储区的设置。

标志位设置，接着是主程序，首先是主要初始化工作，如中断优先级，定时器设置及串行口中断设置等，其他的所有功能都是在中断服务程序中完成。

3.1基本功能

（1）巡回检测

依次巡回测量A,B,C三相温度;

最高相温度测量:

巡回测量A,B,C三相温度并显示其中最高相温度。

开机时本键处于巡回状态。

（2）黑匣子功能

在遇突然断电时能自动保留断电前的三相温度。

（3）数据保留与处理功能

可自动保留历史最高温度数据（断电后不丢失）,可清除历史最高温度。

可方便地修改保留温度控制设定值（满足T4＞T3＞T2＞T1。

其中，风机启动温度T2=110℃，可调范围±

20℃；

风机停止温度T1=90℃，可调范围±

超温报警温度T3=155℃，可调范围±

超温跳闸温度T4=170℃，可调范围±

20℃）。

（4）故障检测功能

传感器若出现开路或短路,能自动报警（故障接点吸合）并显示。

（5）“风机”自动启停功能

当所测量温度高于设定温度T2时,“风机”自动启动,“风机”启动指示灯亮；

三相测量温度低于T1时,“风机”自动停止,“风机”启动指示灯灭。

（6）超温报警功能

当所测量温度高于设定温度T3时,超温接点自动吸合,超温指示灯亮,蜂鸣器发间断音报警;

当三相测量温度低于T3-0.6℃时,超温接点断开,超温指示灯灭,蜂鸣器终止发声报警。

（7）超温跳闸报警功能

当所测量温度高于设定温度T4时,跳闸接点自动吸合,跳闸指示灯亮,蜂鸣器发长音报警;

当三相测量温度低于T4-0.6℃时,跳闸接点断开,跳闸指示灯灭,蜂鸣器终止长音报警。

（8）自检功能

温控器能自检除跳闸以外的所有输出功能。

3.2程序流程

开机后首先进行初始化操作，从EEPROM中调出T4、T3、T2、T1的温度值，此后同时启动计数器和定时器，单片机对CD4051的通道进行选择就可得到相应的计数值，对于每一个通道进行3次采样取中间值，直至得到所有要求的温度计数值，然后对计数值进行相应的换算处理，根据仪器的要求输出相应的控制信号控制各继电器的状态。

在程序设计中，为了防止跳闸操作的误动作，考虑到温度的变化是个缓慢过程，温度上升时必先到达风机启动温度T2，然后到达超温报警T3，最后到达超温跳闸温度T4，在输出超温跳闸控制信号前检验风机和超温报警继电器的状态。

同时在硬件电路中，用与门实现风机启动控制信号、超温报警控制信号和单片机输出的超温跳闸控制信号相与作为真正的超温跳闸制信号控制继电器。

结论

本系统的设计采用了C8051F206单片机、使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，给出了详细的系统硬件、软件的设计方法。

完成了温度检测与控制模块，保护模块，电源模块的设计工作。

通过本系统的设计工作，我深刻认识到了，将所学知识应用到实际中的重要性，很多书本上的知识，放到实际应用中，会遇到各种各样的问题，对一个系统设计的完善过程就是一个不断解决问题的过程。

同时在此次系统的设计中，我还有很多需要完善的地方：

单片机的外围电路搭建，本文只给出了设计思路，并没有落实到实际电路上；

保护系统的设计只给出了控制信号，没有对保护机构进行设计；

软件设计虽然给出了具体的设计思路，并没有进行代码话。

以上这些都是我需要在以后的工作和学习中要不断完善和改进的。

参考文献

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