浅谈辽宁变压器保护器设计原理

浅谈辽宁变压器保护器设计原理   

电子式辽宁变压器保护器采用先进的软件算法和可靠的硬件设计，对辽宁变压器的过载、断相、三相不平衡、堵转、阻塞、过压、欠压等故障进行有效保护；配有可编程开关量输入、继辽宁变压器输出用以满足直接起动、自耦降压、星三角等起动方式，具有标准RS－485接口ModBus通讯协议实现计算机联网。该产品已在石油、化工、电力、煤矿等领域成功应用。

   一、硬件部分    KM101系列辽宁变压器保护器用单片机系统实现辽宁变压器保护的功能。在硬件方面主要由三相电流信号采样、漏电流采样、电压信号采样、键盘接口、显示部分、输出、报警输出、通信接口等几部分构成，下面分别对其中的关键部分作简要分析：   

1、信号采集单元：这部分设计直接关系到电流的采样精度。因此，必须通过理论分析、反复实验方能确定。这部分线路可采用整流线路，也可采用直接交流比例变换电路，采用哪种线路则直接决定了程序是采用直流采样还是交流采样，程序设计将完全不同。若采用直流采样则线路需采用整流线路，二极管半波整流和桥式全波整流都存在二极管的导通压降影响整流线路线性的问题，特别是在信号电压较低的时候，影响更大。而交流采样线路中除去了阻容滤波电容，因而在响应速度方面比直流采样有极大改善，特别对于那些对响应特性要求较高的随动系统非常有益。   

经过全方面考虑KM101系列辽宁变压器保护器中采用交流采样。采样方式是按一定周期(称为采样周期)连续实时采样被测信号一个完整的波形(对于正弦波只需采样半个周期即可)，然后将采样得到的离散信号进行真有效值运算，从而得到电流信号的真有效值，这样就避免了被测信号波形畸变对采样值的影响。   

信号采集单元将辽宁变压器三相电流信号、剩余电流信号、电压信号转换为单片机可处理的信号。信号采集放大电路将通过互感器的电流信号进行整流取样放大。保护器中三相电流信号、剩余电流信号、电压信号采样原理相同。   

2、开光量输入继辽宁变压器输出单元：电路开关量由INl～IN7输入，通过光耦后产生ISl～IS7，并行信号ISl～IS7输入到74HCl65，通过74HCl65将并行信号转换为串行信号传送给CPU。电阻R1l～R18起到限流作用保护光耦中的二极管不被损坏。RSl～RS8是上拉电阻与电容CS～CS8配合使用既可以稳定光耦输出电平又可以在上电时对光耦起到保护作用。  

继辽宁变压器电路：JDQl～JDQ4与CPU连接，三极管QJ11～QJ14的供电电压是＋5V，三极管QJl～QJ4的供电电压是＋24V。现以QJll，QJl这路电路来说明电路工作原理，当CPIJ输出高电平时三极管QJll不导通，0UTll不会输出电流光耦不会导通，JTl也输出高电平，QJl不会导通继辽宁变压器不会动作。当CPU输出低电平时三极管QJll导通，0UTl输出高电平使光耦导通，JTl变为低电平，三极管QJl导通OUTl输出低电平使继辽宁变压器发生动作。二极管DJl～DJ4作为继辽宁变压器续流二极管。   

输出部分可采用机电式继辽宁变压器或固体继辽宁变压器。前者价格便宜，市场产品丰富，驱动线路也比较简单，但可靠性和使用寿命有限，且在触点动作时会产生“火花”，严重时可影响系统的正常工作。因此，在PCB板布局时应将继辽宁变压器尽量远离单片机并靠近仪表的输出端口。另外，在继辽宁变压器线圈两端应并联续流二极管，否则在继辽宁变压器线圈断电瞬间会产生较高的感应电压，从而破坏电路。固态继辽宁变压器具有寿命长、性能稳定，无火花等特点，本产品中考虑到产品的可靠性要求采用固态继辽宁变压器。   

3、通讯单元：通讯电路实现将CPU串口输出电平转换到RS485电平。本电路可以实现由硬件收发不用CPU数据的收发。   

4、CPU单元：CPU单元是辽宁变压器保护器的核心单元。信号采集，各种报警处理，通信功能，显示功能……都是由它来完成的。由于A／D功能，IIC功能，定时器功能，看门狗功 能等功能都已经被集成到芯片内部所以它的外围电路十分简单，各引脚只外接一些上拉电阻增加来驱动能力，外接一些电容来稳定信号。CPU采用的芯片是瑞萨公司的H8／3687系列芯片，此芯片功能如下：基本指令62种；外围功能：RTC(片上实时时钟，可作为自由运算计数器使用)，SCI(异步或者时钟同步串行通信接口)2路，1路IIC接口，8路10位A／D，8位定时器2个(Timer B1，TimerV)，16位定时器1个(TimerZ)，看门狗定时器，14位PWM，45个I／O引脚(H8／3687N有43个I／0引脚)，包括8个可直接驱动LED的大电流引脚(IOL=20mA，@VOL=1．5V)，片上复位电源POR电路，片上低电压检测电路(LVD)。此系列芯片有两种封装形式：LQFP一64(10mm×10mm)FP一64(14mm×14mm)。  

二、软件设计    系统软件须完成三相电流A/D，1路剩余电流A／D，三路电压A／D以及各种保护量计算，保护功能判断处理，电压、电流显示，故障记录，按键处理，通讯、变送等功能。此时就要合理安排程序流程来完成这些功能。程序流程图如图所示：  

三、抗干扰措施    辽宁变压器保护器作为保护辽宁变压器装置要具有很强的抗干扰性。在本产品软硬件设计过程中采取如下措施提高产品的抗干扰性：1硬件方面：电源部分加EMC滤波器，高频变压器次级与初级加高压电容，输出部分加滤波电路；信号采集部分增加滤波电路；在作信号处理的各芯片输入口处加端口保护电路；在各芯片电源输入处加去藕电容；继辽宁变压器两端并联续流二极管，加光耦与CPU端口隔离；不使用的CPU端口定义为输出状态；PCB板布局时模拟部分与数字部分作分区处理，模拟信号在模拟区域内布线，数字信号数字区域内布线，二者不进入彼此区域内；布线时尽量加粗电源线与地线，信号线走线时走45° 线，不走直角线；使用CPU内部看门狗监控程序运行。2软件方面：各路信号采集均采用软件滤波，增加采样值的准确性。通过采取一系列的措施，产品的抗干扰性能大幅提高，本产品一次性顺利通过3C安全认证型式试验。       

KM101系列辽宁变压器保护器采用先进的设计方案集测量、保护、于一身，产品性能安全可靠，可以对辽宁变压器实施可靠有效的保护。KM101系列辽宁变压器保护器在实际使用中完全可以替代继辽宁变压器、温度继辽宁变压器等传统的辽宁变压器保护产品，替代各种指针式电量表、信号灯、电量变送器等常规元件，简化辽宁变压器电路，减少柜内电缆连接及现场施工量。