变压器保护论文

广西大学毕业设计论文 摘 要I摘 要变压器作为联系不同电压等级网络的设备，是电力系统中非常重要的元件。变压器的安全运行关系到整个电力系统供电的可靠性。随着变压器电压等级和容量的提高，变压器本身也越来越贵重。因此变压器保护显得尤为重要，如何能够快速准确的切除变压器故障，使损失降低到最小，同时又要保证有足够的可靠性，就成了变压器保护的主要问题。本文就此问题对当前变压器出现的各种故障及相应的保护原理进行了简要分析，并在此基础上对变压器保护装置进行了简单设计。该设计的硬件部分以 ATmega16 为系统的核心，通过对温度、电压及电流进行数据采集并送入信号处理电路，从而准确地得到控制系统可以识别的数字信号。该设计的软件部分介绍了三种 AVR 单片机的应用软件，并对系统的主要流程作出了说明，讲述了单片机如何对处理得到的数字信号进行监视、判断处理，及时对各种保护装置发出声光报警或跳闸信号，进而更好地提高变压器运行的安全性和可靠性，确实做好变压器保护工作。关键字： 变压器保护 微机保护 单片机 差动保护广西大学毕业设计论文 AbstractIIApplications of Single chip in Transformer ProtectionAbstractAs the equipment contacts various voltage grade networks, the transformer is one of the important elements in the electrical power system. The transformer running whether in security has relation to the reliability of whole electrical power system. With transformer voltage grade and capacity increase year after year, the transformer more and more expensive. Thus transformer protects bulk more important. In order to reduce the losses to the minimum and ensure there is sufficient reliability, how to clear the transformer faults quickly and accurately becomes the main problem of transformer protection.On this issue, the paper gives a brief analysis to the faults of transformer and the corresponding protection principle. And on the basis of this, carry out a simple design of transformer protective device. The design of hardware takes ATmega16 as the core, collecting the temperature, voltage and current and sending to signal processing circuit to obtain the digital signal that control system can identify accurately. The design of software introduces three kinds of application software and shows the main flow chart of the system, explains how the SCM to monitor and judge the digital signals had handled, send sound and light alarm or tripping signal to the protective device promptly, which serves to improve the operation of the transformer safely and reliability better, really do a good job on transformer protection.Keywords: transformer protection microcomputer-based protection SCM differential protection 广西大学毕业设计论文 目 录III目 录第一章 绪论 .11.1 课题背景及意义 .11.2 变压器微机保护的发展及现状 .21.3 论文的主要工作 .3第二章 变压器故障分析 .42.1 变压器的基本原理及分类 .42.2 变压器的基本结构 .52.3 变压器故障类型及不正常运行状态 .62.4 变压器保护配置原则 .6第三章 变压器保护原理分析 .83.1 变压器保护的基本要求 .83.2 变压器保护原理分析 .93.2.1 变压器瓦斯保护 .93.2.2 变压器电流速断保护 .103.2.3 变压器差动保护 .113.2.4 变压器相间短路后备保护 .123.2.5 变压器零序电流保护 .14第四章 变压器保护装置的硬件设计 .154.1 微机保护的基本原理及其特点 .154.2 微机保护装置的构成 .154.3 变压器保护装置主系统的硬件设计 .164.3.1 ATmega16 微处理器 .174.3.2 多路模拟开关 CD4051 .184.3.3 温度采集系统 .204.3.4 电压电流采集系统 .214.3.5 采样保持电路 .274.3.6 ADC 转换原理 .28广西大学毕业设计论文 目 录IV4.3.7 整流电路 .294.3.8 输入/输出通道 .314.4 人机交互部分 .324.4.1 LED 显示 .324.4.2 键盘输入 .334.5 系统的外围电路 .334.5.1 电源转换电路 .334.5.2 通信接口 .344.5.3 其他外围电路 .35第五章 变压器保护装置的软件设计 .365.1 AVR 单片机开发工具 .365.1.1 AVR 程序下载和集成开发环境 .365.1.2 AVR 编译器和集成开发环境 .375.2 变压器保护装置软件设计 .385.2.1 键盘控制设计 .405.2.2 数据转换设计 .415.2.3 数据处理设计 .42第六章 系统抗干扰技术 .466.1 硬件抗干扰技术 .466.2 软件抗干扰技术 .47总 结 .50参考文献 .51致 谢 .53附录 .54广西大学毕业设计论文 第一章 绪论1第一章 绪论1.1 课题背景及意义电力变压器是电力系统中极其重要的电气设备，作为电能传送的枢纽，它在电力系统的发电、输电、配电等各个环节中广泛使用，且造价昂贵。而且一旦变压器因故障而遭到破坏，其检修难度大、周期长，将造成重大的经济损失，因而要求其性能好，运行安全可靠。虽然相对于输电线路和发电机来说，变压器的故障是比较少的，因为它无旋转部件，结构简单，运行可靠性高，但是由于变压器停电的机会很少，而且绝大部分安装在室外，受自然环境条件的影响较大；另外变压器时刻受到外接负荷的影响，特别是受电力系统短路故障的威胁较大，因而在实际运行中变压器仍有可能发生各种类型的故障和不正常运行情况。因此必须根据变压器的容量和重要程度并考虑到可能发生的各种类型的故障和不正常工作的情况，装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。2001 年 5 月于南京召开全国电网调度工作会议，会上公布了“九五”期间我国继电保护的运行统计资料，220kV、330kV 和 500kV 系统保护，正确动作率高达 98.5%以上，但主设备保护的运行情况却相差甚远，100MW 及以上发电机保护正确动作率为 97.05%，220kV 及以上变压器保护的正确动作率只有 77.33%。特别应该指出，作为新发展的微机保护的正确动作率分别为：220kV 及以上系统保护 99.33%100MW 及以上发电机保护 98.2%220kV 及以上变压器保护 68.96%我国继电保护的运行统计资料表明，2002 年全国 220kV 以上变压器保护正确动作率为 74.77，仍远远低于系统保护的正确动作率 99.09，其中 220kV 变压器匝间故障率占本体故障率的 20.83，500kV 则为42.86，由此可见对于变压器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亟需解决的问题。广西大学毕业设计论文 第一章 绪论21.2 变压器微机保护的发展及现状变压器微机保护的研究始于 60 年代末 70 年代初。在 20 世纪 70 年代国外就开始了用计算机实现发电机和变压器个别保护的研究。1969 年Rockerfeller 首次提出数字式变压器保护的概念，揭开了数字式变压器保护研究的序幕，使对变压器的保护进入微机化时代，之后，O.P Malik 和Degens 也对变压器保护的数字处理和数字滤波做出了研究。1972 年 Syskes等人发表了计算机式的变压器谐波制动保护，为微机元件保护在原理及算法上奠定了理论基础。随着微型计算机飞速发展及应用微机保护进入了实用性阶段。从 80 年代起，国外开始研制变压器整套微机保护。1990 年，波兰人 Korbasiewcz 发表了发电机变压器组微机保护系统的文章。同年，印度Verma 等人也发表了变压器全套微机保护的研究成果。我国研制微机元件保护是从 80 年代初开始的，1988 年以后有许多企业单位研制成功了变压器微机保护装置，大型机组保护的微机化发展方向在我国已逐渐被普遍接受。未来的继电保护技术向计算机，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化方向发展。当前，我国电力工业持续、快速发展，市场化改革在探索中前进，西电东送、南北互供、全国联网大格局正在形成的过程中。随着电力工业的迅速发展，大型变压器在电力系统中的数量越来越多，其保护的可靠性要求也非常高，而实际运行中，变压器保护动作的可靠性并不是很高，且有时候会出现一些原因不明的误动，对电力系统带来严重后果；同时电网电压等级的提高，以及变压器容量的增大，新材料和新技术的使用，高电压、大电流电力电子器件的使用，给变压器的保护带来了一定的影响，因此对于变压器的继电保护技术更需完善和发展，以此来保证其快速性、灵敏性、选择性等指标，确保电力系统稳定可靠地运行。（一）国内外变压器微机保护现状分析目前国内外生产变压器微机保护的厂家很多，就主保护而言，国外保护装置基本是以二次谐波制动为主的比率差动保护，而国内则以二次谐波制动和间断角两种原理为主导，以波形对称原理为补充的格局正在形成。国内外微机变压器保护装置主要分为下述两类：1. 变压器微机保护装置同时实现变压器的主保护和后备保护；广西大学毕业设计论文 第一章 绪论32. 只实现变压器的主保护，同时采用独立的变压器后备保护。（二）国内外变压器保护装置普遍存在的一些问题1. 对于变压器，可供选择的主保护原理有带二次谐波制动特性、间断角原理和波形对称原理的比率差动保护。这三种变压器主保护均是利用鉴别变压器励磁涌流的特征来对差动保护实现制动，保护装置出现误动的几率较大。对于比率差动保护，其运行经验尚未成熟。2. 当变压器保护应用于低压侧中性点经小电阻接地系统时，由于低压CT 三相零序分量的存在，使差动保护定值提高，灵敏度降低。3. 由于变压器主保护装置及后备保护装置模拟量输入口的限制，对于变压器三侧多开关接线，存在局限性。4. 由于有载调压变压器的广泛使用，目前的保护装置尚无跟踪有载开关位置，这将造成变压器正常工况下环流增大，使保护灵敏度降低。1.3 论文的主要工作论文全面阐述了变压器保护的各种故障和不正常工作状态，变压器保护的基本要求和配置情况；论述了变压器保护的基本原理，包括变压器差动保护和后备保护。本论文在第一章先概述了变压器保护的背景及意义，明确了本论文的主要工作。接下来在第二章对变压器的故障进行了简要的分析，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，开始对保护装置进行硬件及软件设计。在第四章，讲述了采用 ATmega16 单片机为核心所设计的变压器保护装置及其硬件构成，并介绍了对温度、电压及电流这三个判断量的数据采集以及相应的信号处理电路。对于保护装置的软件设计，本论文介绍了一种 AVR 单片机基于 C 语言的编译器和集成环境，在此环境下对 ATmega16 进行编译、开发，实现对保护装置状态的显示及对其的控制。最后对论文作一个全文总结。广西大学毕业设计论文 第二章 变压器故障分析4第二章 变压器故障分析2.1 变压器的基本原理及分类(一) 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。变压器的基本工作原理图如图 2-1 所示。1I2IUU图 2-1 变压器基本工作原理图当一个正弦交流电压 加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流1U并产生交变磁通 ，沿着铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。1I1在次级线圈中感应出互感电势 ，同时 也会在初级线圈上感应出一个自21感电势 ， 的方向与所加电压 的方向相反而幅度相近，从而限制了1EU的大小。为了保持磁通 的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本1I 1身也有一定的损耗，尽管此时初级线圈没接负载，而初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流” 。如果变压器次级接上负载，次级线圈就产生电流 ，并因此而产生磁2I通 ， 的方向与 相反，起了互相抵消的作用，是铁芯中总的磁通量有21广西大学毕业设计论文 第二章 变压器故障分析5所减少，从而使初级自感电势 减少，其结果使 增大，可见初级电流与1E1I次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时， 增加， 也增加，并且1增加部分正好补充了被 所抵消的那部分磁通，以保持铁芯里总磁通量12不变。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器，次级负载消耗的电功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。(二) 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、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