基于C8051F041的电力变压器非电量保护装置

1 引言

电力变压器是电力系统中应用相当普遍而又十分重要的电气设备，它运行较为可靠，故障机率小。但是在运行中，还是可能发生箱内故障、箱外故障及出现不正常工作状态。其中，箱内故障是非常危险的，因为短路电流产生的电弧不仅会破坏绕组绝缘，烧坏铁芯，还可能使绝缘材料和变压器油受热而产生大量气体，引起变压器油箱爆炸。一旦发生故障，将给电力系统的运行带来严重的后果。

为了保证变压器的安全运行和防止扩大事故，根据变压器的容量大小及其重要程度安装灵敏、快速、可靠和选择性好的各种专用保护装置是极为重要的。

对变压器的保护主要分为电量型继电保护和非电量型保护。

电力变压器的电量型继电保护主要有：差动保护、电流速断保护、零序电流保护等，但这些保护对变压器内部故障是不灵敏的。而非电量保护是变压器本体的非电量触点(如瓦斯、温度等)直接进入保护装置重动后发信及跳闸。

非电量保护主要有瓦斯、温度、压力、冷控失电保护等。其中，变压器内部故障的主保护是瓦斯保护，它能瞬间切除故障设备，但气体继电器的灵敏度却取决于鉴定值(流速)。对于温度保护，当前新的变压器多采用高温直接跳闸，而早期的变压器则采用高温和冷控失电跳闸。

2 系统总体设计方案

本文设计的测控装置集非电量监测、控制和报警功能于一身。其优点是功能相对集中，全数字通信，只需要使用一个单片机就可实现所有功能，大大节省了成本和空间。

需要实现的功能：以一片单片机为控制核心，实现高速计算和控制；实现对主变压器的温度监测和报警；实现对调压档位的监测和报警；实现对瓦斯信号的监测和报警；具有中文液晶显示和键盘输入，在中文环境下输入参数，数据也可以在中文环境下显示，显示风格人性化；具有RS-485总线通信接口和CAN总线通信接口；具有简单的状态信号输出；具有继电器输出功能。

根据方案所需要实现的功能，笔者将系统构建成信号输入→信号处理→信号输出的模式，其系统框图如图1所示。左边为信号输入部分，可分为几个小模块进行设计；中间是信号处理部分，为C8051F041最小系统；右边为信号输出部分，可分为几个小模块进行设计。

键盘输入和液晶显示模块又称为人机接口模块，主要负责参数的输入和状态的显示，这里采用的是2×2的小键盘输入和128×64的液晶模块。

温度监测模块选用Maxim公司的MAX6674。档位监测模块、瓦斯监测模块以及其他附加开关量都是对继电器的状态进行检测。因此，直接用光耦对继电器信号进行采集和隔离，采集进C8051F041的I／O引脚。采用高速通信光耦6N137将C8051F-041与RS-485通信器件SN75HVD10D隔离，防止外界的干扰通过通信线路经过SN75HVD10D后直接进入单片机，造成程序跑飞。同样，在CAN总线通信器件PCA82C250与单片机的连接上，也使用高速光耦6N137将单片机和PCA82C250隔离．防止外界干扰进入。输出继电器控制方面，采用低速光耦TLP521隔离单片机I／O端口和控制继电器的三极管TIP42。

3 系统模块的设计

从总体上看，本系统可以分为以下模块：CPU模块、温度信号处理模块、瓦斯信号处理模块、调压档位监测及输出模块、电源模块、通信模块。考虑到篇幅的原因，本文将详细介绍CPU模块、温度信号处理模块以及瓦斯信号处理模块。

3.1 CPU模块

微程序控制器(MCU)采用Silabs公司的SoC(System on Chip，片上系统)CAN混合信号型MCU，它具有一系列的特点：51内核、功能非常强大、指令运行速度高、I／O端口功能采用软件配置，有多种复位方式。

本设计选用型号为C8051F041的MCU，该器件具有强大的模拟量及数字量处理功能。在本系统中，只需一片C8051F41并少许扩展外围信号调理电路，即可出色地实现所有系统功能。

MCU的最小系统硬件原理图如图2所示，其中包括复位电路、晶体振荡器电路和JATG调试电路。

3.2 温度信号处理模块

温度信号处理电路如图3所示。MAX6674由模拟电源提供3.3 V电压，并且接地点与模拟地AG-ND相连，AGND与数字地DGND和通信地CGND等通过单点跟系统外壳共地，最后接入真正的大地。采取模拟电压供电和单独接入模拟地AGND的原因是为了防止数字电路的信号噪声干扰模拟信号采集电路，导致对模拟信号的采集出错。其中MAX6674与数字系统的通信采用高速通信光耦隔离。

3.3 瓦斯信号处理模块

为了将+24 V的检测信号送至单片机I／O端，需要对电压信号进行变换，为了提高硬件系统的抗干扰性，采用光耦隔离器采集信号。

软件方面，能实时地读取端口状态。其硬件措施如下：采用电阻实现前端光电二极管的限流，当任何一路瓦斯继电器动作时，其端口便会短路。瓦斯信号处理模块电路原理图如图4所示。MCU模块只需要定时实时采集即可监测瓦斯继电器的状态。