biyesheji1 引言11 研究基于单片机的变压器变比测试仪的意义电力变压器已经成为电力系统中的主要设备之一，它的安全性、经济性和可靠性在电力系统中所起的作用也越来越突出。随着我国能源、电力事业的快速发展，电力变压器的需求量快速增长。因此，选择匹配的变压器关系到以后这些设备在电力系统中能否安全运行的问题。电力技术的快速发展能够带动测量自动化、智能化、精度、易用性的提高。变压器能否并列运行，变压比起着至关重要的作用。两台变压器并联时，如果它们的的变压比相差1时，在绕组内就会产生循环电流，当它的值达到额定电流的10时，变压器的损耗就会增大，输出容量也会减小1。因此在变压器出厂、交接、绕组大修后都应对变比进行准确测量，并把它们的差值限制在一定范围内。变压比是变压器的一个重要参数，它的变化与变压器绕组的变化有密切的关系。变压器绕组是变压器传输、变换电能的核心设备，它组成了变压器输入、输出电能的电气回路。变压器绕组的故障类型较多：如绕组三相直流电阻不平衡、绕组短路和断路、绕组击穿和烧毁，绕组接反和联结错误等故障。变压器的可靠程度是决定变压器能否长期安全运行的基本要素。变比参数的恶化有可能反映变压器的一些故障234。例如：测量变比可以检查线圈匝数是否正确检；查分接头焊接质量；查明线圈短路、断路；接线以后分接开关的故障和错误；也可以查明分接开关手柄位置与箱内分接开关对应情况；查出分接引线装配问题。目前常用的测量变比的方法有双电压表法和电桥法5678。电桥法是最常用的方法，它安全，测量准确。但对构成变压比电桥的零部件要求较高，并需一些特殊加工工艺。另外由于使用了多只转换开关和滑线电阻，这不仅增加了仪器的体积和重量，而且存在的活动触点也大大降低了仪器的可靠性。同时这种方法在实际使用时由于需要调节平衡，还停留在人工平衡的电工型仪器的水平，操作稍嫌麻烦。 旧式变比测试仪为半自动测量方式：在测量不同相别的参数时，需要手工切换琴键开关，比较麻烦；其显示输出为LED数码管显示器；没有自带微型打印机。该型号产品已逐渐丧失竞争力，以单片机为基础的智能变压器变比测试仪的设计应符合下列要求：(1)进一步提高测量精度，针对性地解决原产品中的温漂问题。(2)测量中三相相别的切换改为单片机自动控制，取消琴键开关。使用者操作时只需要按照说明书接好线，然后设置好接线方式等参数，就可以自动完成整个测试过程，在测量中无需人工干预。(3)显示方式改为大屏幕液晶点阵显示器，操作界面采用中文菜单。(4)自动保存最近20次测试数据。(5)可以选择打印本次测试结果或历史测试结果。(6)自动识别分接开关的位置。新变比测试仪的设计要求具有一定的前瞻性，采用了当前主流技术，加上国内比较低的成本价格，一定会有非常广阔的市场前景。12 国内外发展状况国内外变比测试仪不断地发展一般经过以下三个阶段：(1)手工测试阶段：测量过程完全手工化。这种变比测试仪操作比较繁琐，计算量大，效率低下，现在一般不采用了。(2)半自动化测试阶段：采用单片机技术，但仍需一定的人工操作，通过LED显示。这种方式成本较低，目前应用比较广泛。(3)全自动测试阶段：采用单片机及先进的控制技术，测试过程高度自动化，测试中无需人工干预，速度快，测量结果精度高，人机界面好，通过点阵式LCD显示菜单和数据，可选择打印测试结果或历史数据。这是目前最先进的变比测试仪，是电力行业更新换代变比测试仪器的方向。新式变比速测仪还采用了以下先进的的测量技术：(1)仪器自动调零：仪器上电时会执行初始化程序，测出并记住零漂值，在后面的测试计算中自动补偿，从而减小其影响。(2)高智能化：自动判断变压器分接开关的位置自动判断系统接线错误。采用单片机技术、传感器技术、EDA技术、自动控制理论提出智能型变比测试方法，可用于测量各类单、三相变压器及互感器的组别(极性)、变比值及变比误差，并且一次性完成三相变压器的三相测量。2 方法和原理21 变压比的定义变压器的变压比就是指变压器不接负载空载运行时，初级线圈的电压U1和次级线圈的电压U2的比值，称为变压器的变比，即为 （2-1）单相变压器的变比是最简单的变比，等于初级和次级线圈的匝数比，它可表示为 （2-2）三相变压器的变比就复杂多了，它指的是不同的绕组上的电压比，由于变压器的接线方式有所不同，它的变比和线圈的匝数比之间可分为以下几种情况（1）初级和次级绕组的接线方式相同时，变压器的变比可表示为 （2-3）（2）初级和次级的绕组的接线方式为Y/时，变压器的变比可表示为 （2-4）（3）初级和次级的绕组的接线方式为/Y时，变压器的变比可表示为 （2-5）22 变压比的测量方法及结构图变压器变比常用的测量方法有双电压表法和变比电桥法。本文采用的是单相电源双电压表法。三相变压器变比的测量，既可以用三相电源，也可以用单相电源。用三相电源测量相对简单，而用单相电源测量时容易发现故障相。因为当用单相电源测量Y/或/Y连接的变压器变比时，三角形绕组的非被测试相应该被短路，这样可以使非被测试相中没有磁道，从而使加压相磁路均匀。采用单相电源双电压表法测量时，单片机自动控制将单相电源连接到被测试相电路，同时对初级和次级信号进行采样、转换，单片机同时对两路信号进行计数，由于测量的同步性好，能够降低电源电压稳定性的要求，简化系统结构，降低成本。这个单片机应用系统的硬件主要由前向测量通道、单片机系统和后向测量通道组成。其中前向测量通道设计成一块电路板，单片机系统电路和后向测量通道设计成一块电路板。前向测量通道负责将外界的信号转换成单片机能够识别的方式，是单片机的信息输入通道；单片机系统是核心，负责采集来自两个通道的数据，进行运算和分析，控制液晶显示屏显示测量结果；接收键盘的输入；控制继电器动作使测量自动进行。后向测量通道是单片机的输出通道，负责输出单片机对信息加工、处理的结果。前向测量通道主要由变压器的初级、次级电压信号的检测、放大、V/F转换等部分构成。变压器的初级电压由原边通道处理，次级电压由副边通道处理。隔离变压器负责将220V市电隔离变压成180V和6V两组测试电源，可以使测试工作更安全。其中180V接到被测变压器的加压端子，被测变压器的输出端接到仪器的副边通道；6V接到仪器的原边通道，该信号乘以30就代表180V的加压电压值，可用于变比计算。原边、副边通道信号经过程控交流放大器放大或衰减到合适的幅度，再经过真有效值转换器转换成直流电压，然后经过V/F转换变成相应频率的脉冲，再经过高速光藕隔离接到单片机的两个计数器输入端，这样单片机就可以检测到原边、副边通道信号的大小，根据公式计算出变压器的变压比。变比计算公式为： （2-6）其中BB为变压器变比，K为补偿系数，L为接线方式系数，FZ为原边信号（6V）经过真有效值转换和V/F转换变为一定频率的信号，FX为副边信号经过自动放大（衰减）后再经过和原边一样的转换转变为一定频率的信号。原边、副边通道的信号经过程控交流放大或衰减到合适的幅度后，同时接到过零比较电路，将交流信号转换成方波，再经光藕隔离接到单片机上，测出原边、副边通道信号的相位差，从而测量出变压器的极性和组别。继电器组用于改变放大器的放大倍数和测量中变压器的测量端子的切换，控制测量工作的自动进行。液晶显示器用来显示测量过程中输入和输出的信息。键盘用来输入信息，单片机通过8255的I/O口来扫描键盘的按键状态，从而判断是否有键按下，然后执行相应的按键处理程序。系统结构如图2-1隔离变压器继电器切换A B C被侧变压器a b c次级切换程控放大真有效值转换V/F转换高速光藕隔离过零检测光藕隔离真有效值转换V/F转换高速光藕隔离过零检测光藕隔离8255继电器组8255键盘液晶显示器原边通道副边通道6V180V T1 单片机 T2监控存储器220V图2-1 系统结构图23 极性和接线组别的判定1)极性的判定在单相变压器中，为了说明绕在同一铁心上的两个绕组的感应电势间的相对关系，引用“极性”的概念。如果两绕组感应电压相位相同，则连接X和x后，UAa=UAXUax，则变压器称为“减极性”；如果两绕组感应电压相位相差1800，则连接X和x后，UAa=UAX+Uax，则变压器成为“加极性”的。由于变压器的绕组在初级和次级间存在着极性关系，当几个绕组互相连接组合时，无论是串联还是并联，都必须知道极性才能正确的进行连接。本文中通过检测初级和次级信号的过零点的时间差Tc来判断两者间的相位差9。首先测出初级信号的两次过零点的时间差Tg，然后计算出初级信号的周期T，显然T=2Tg；再测出初级和次级信号的过零点的时间差Tc，则初级和次级信号的相位差为(Tc/T)3600，当相位差接近1800时，可认为变压器为“加极性”的，当相位差接近3600或00时，可认为变压器为“减极性”的。2)组别的判定10三相变压器除了绕组间有极性关系外，三组绕组的连线方式和引出端子标号不同，其初级绕组和次级绕组对应间的相位差也会改变，不同的相位差代表着不同的接线组别。不管绕组的连线方式和引出端子标志方式怎样改变，但最终初级、次级间对应的相位差却只有12种不同情况，且都是300的整数倍，这就像时钟表面被12小时所等分，因此可以按时钟系统来确定接线组别：相位差为300的组别称为l点钟，相位差为600的组别称为2点钟.直至3600称为12点钟。确定变压器绕组接线组别的方法有直流法、双电压表法和相位表法。本文采用的是直流法的改进方法。3 硬件设计本系统是典型的单片机应用系统，硬件部分主要由前向测量通道、单片机系统电路和后向通道构成。其中前向测量通道设计成一块电路板，单片机系统电路和后向通道设计成一块电路板。前向测量通道负责将外界的信号转换成单片机能识别的方式，是单片机的信息输入通道。一般前向测量通道有模拟输入、开关量输入、脉冲输入三种形式。本系统中键盘和电路保护信号为开关量输入。初级、次级的电压为模拟信号，经过放大、V/F转变成脉冲输入，单片机通过T0、Tl同时计数。初级、次级的电压的处理电路要求低漂移、低噪声、高线性，在设计印制电路板时要特别注意，否则仪器的精度不能保证，甚至导致整个设计失败。后向通道是单片机的输出通道，负责输出单片机对信息加工、处理的结果。31 前向测量通道框图前向测量通道主要由变压器的初级、次级电压信号的检测、放大、V/F转换等部分构成。变压器的初级电压由原边通道处理，变压器的次级电压副边通道处理。其结构框图如图3-1所示11。隔离变压器是将输入的220V市电隔离变压成180V和6V两组测试电源，这样可以使测试工作更安全。其中180V接到被测变压器的加压端子，被测变压器的输出端子接到仪器的副边通道；6V连接到仪器的原边通道，该信号乘以30就代表180V的加压电压值，可用于变比计算。原边、副边通道信号经过程控交流放大器放大或衰减到合适的幅度，再经过真有效值转换器转换成直流电压，然后经过V/F转换变成相应频率的脉冲，再经过高速光藕隔离接到单片机的两个计数器输入端，这样单片机就可以检测到原边、副边通道信号的大小，根据