高精度全自動(dòng)變壓器變比組別測試儀檢定裝置

1、高精度全自動(dòng)變壓器變比組別測試儀檢定裝置吳宏斌，李原，鄧德勇，魏華（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）摘要：針對(duì)目前變壓器變比組別測試儀的檢定工作中存在的問題，如變比檢測時(shí)，預(yù)置變比值數(shù)量少，且檢測小變比值時(shí)精度達(dá)不到要求，同時(shí)存在操作復(fù)雜，工作效率低等諸多不足之處，本文介紹一種高精度全自動(dòng)變壓器變比組別測試儀檢定裝置。裝置內(nèi)部采用雙級(jí)電壓互感器，整體精度達(dá)到0.01%，在國內(nèi)同類產(chǎn)品中處于領(lǐng)先水平；變比檢測時(shí)的預(yù)置變比值為110000，滿足JJG970-2002變壓比電橋檢定規(guī)程要求；控制部分采用C8051F023單片機(jī)+CPLD平臺(tái)，操作顯示部分采用當(dāng)下流行

2、的觸摸屏設(shè)計(jì)，且電氣回路通過繼電器自動(dòng)切換，大幅度提高了檢測效率。與市場同類產(chǎn)品相比，本裝置具有預(yù)置變比值數(shù)量多，精度高，操作簡單等特點(diǎn)。關(guān)鍵字：變比; 組別; 單片機(jī)；CPLD；觸摸屏；雙級(jí)電壓互感器中圖分類號(hào)：TM938.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：High accuracy automatic verification device for turn ratio and group transformer tester WU Hong-bin，LI Yuan，DENG De-yong, WEI Hua(Wuhan Nari Limited Liability Company Of St

3、ate Grid Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430074，China)Abstract: A higher accuracy and automatic transformers turn ratio group tester verification equipment has introduced. It can solve the problems of little number variable ratio, the accuracy can not reach the requirements in turn rat

4、io detection, complex operation and the low work efficiency. In this equipment a dual core structure internal voltage transformer is applied, the precision of measurement has achieved 0.01%, this is the leading level of similar products; the instrument can provide 1 to 10000 variable ratios in verif

5、ication , meet JJG970-2002 Verification Regulation of Transformers Turn Ratio Test Sets; the control part use C8051F023 and CPLD as platform, a kind of popular touch screen design is also used in display , and the electrical circuit use relays for automatic switch over, which improve the efficiency

6、of detection greatly. Compared with similar products in the market, this device have the more variable ratio, the higher accuracy, simpler operation, etc.Key words: turn ratio, group, MCU,CPLD, touch screen, dual core structure voltage transformer0 引言根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定：變壓器生產(chǎn)過程中的半成品和成品，以及新安裝和檢修后即將投入的變壓器都必須進(jìn)行變比

7、測試。在電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程中也要求對(duì)運(yùn)行的變壓器定期進(jìn)行變比測量。通過對(duì)變壓器的變比測試，就可以發(fā)現(xiàn)變壓器的線圈短路、回路開路、連接錯(cuò)誤、調(diào)壓開關(guān)以及變壓器中的內(nèi)部故障或接觸故障等，對(duì)高壓大容量變壓器乃至整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行都具有重大意義。變壓器變比組別測試儀用來檢定變壓器的變比及組別連接的正確性，其性能是否合格直接決定檢定結(jié)果的正確性，因此對(duì)變壓器變比組別測試儀的檢定非常重要。目前對(duì)變壓器變比組別測試儀的檢定，主要采用感應(yīng)分壓器為標(biāo)準(zhǔn)，通過比較測差法來檢定變比測試時(shí)的變比精度，同時(shí)可檢定分辨率；此外采用三臺(tái)單獨(dú)的高精度電壓互感器模擬變壓器的各種組別連接，從而檢定組別測試時(shí)組別連接

8、的正確性。然而在實(shí)際檢定工作中，發(fā)現(xiàn)上述方法存在諸多的不足：感應(yīng)分壓器存在帶負(fù)載能力差，隨著被測變比值的減小感應(yīng)分壓器誤差明顯增大（尤其變比值為1時(shí)），精度達(dá)不到要求；檢測中改變變比值、分辨率或組別連接都要手動(dòng)切換多個(gè)機(jī)械開關(guān)，工作效率低，且容易出錯(cuò)；同時(shí)目前市場上該類產(chǎn)品可預(yù)置變比值數(shù)量少，不能滿足JJG970-2002變壓比電橋檢定規(guī)程要求。本文介紹一種以C8051F023單片機(jī)+CPLD平臺(tái)為核心的變壓器變比組別測試儀檢定裝置，可同時(shí)對(duì)變壓器變比組別測試儀進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的檢定：檢定其變比測試時(shí)的變比精度；檢定其組別測試時(shí)的變比精度及組別連接的正確性（包括Z形組別），此外還可以檢定分辨率。它

9、具有精度高，可預(yù)置變比值數(shù)量多，全自動(dòng)操作等特點(diǎn)，可以解決變壓器變比組別測試儀檢定工作中存在的問題。1原理及功能概述變壓器變比組別測試儀檢定裝置由液晶觸摸屏、控制板、切換板、變比電壓互感器、分辨率電壓互感器、組別電壓互感器及電源模塊等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram由于單級(jí)電壓互感器在小變比值時(shí)準(zhǔn)確度等級(jí)較低，為保證系統(tǒng)整體檢測精度，變比電壓互感器和組別電壓互感器采用雙級(jí)電壓互感器1結(jié)構(gòu)，見圖2。圖中N1S為一次勵(lì)磁繞組，N1和N2分別為一次和二次比例繞組。N1s 和N1的匝數(shù)相等，即N1S= N1。鐵心S1為輔助鐵心，采用

10、硅鋼片繞制而成，S2為主鐵心，采用導(dǎo)磁性能優(yōu)良的坡莫合金材料。在S1上繞好N1S后，雙鐵心疊在一起繞N1和N2。圖2 雙級(jí)電壓互感器結(jié)構(gòu)Fig.2 Dual core structure voltage transformer其第一級(jí)是由鐵心S1與初、次級(jí)繞組N1S和N2所組成，第二級(jí)是由鐵心S1與S2及繞組N1和N2所組成。在空載條件下，第一級(jí)電壓互感器的空載誤差為 （1）式中：Z11、Zm1分別為N1S繞組的漏阻抗和激磁阻抗； I01為第一級(jí)電壓互感器的激磁電流。由于第一級(jí)電壓互感器在鐵心S1中建立了磁通，故在N1繞組中感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E1，從而第二級(jí)電壓互感器N1輸入端的施加電壓為U1+

11、E1。但由于U1與E1是方向相反的，故第二級(jí)電壓互感器的空載誤差為 (2)式中：Z1、Zm2分別為N1繞組的漏阻抗和激磁阻抗； I02為第二級(jí)電壓互感器的激磁電流。由兩級(jí)電壓互感器復(fù)合之后的空載誤差應(yīng)該是： (3)由上式可知，由N1與N2繞組構(gòu)成的比例繞組，其空載誤差遠(yuǎn)小于單級(jí)電壓互感器的空載誤差。變壓器變比組別測試儀二次輸入端內(nèi)接100 k電阻，二次接負(fù)載后，雙級(jí)電壓互感器的負(fù)載誤差如下： (4)式中：I2為折算到一次的二次繞組電流 Z2為折算到一次的二次繞組漏阻抗 I2為二次繞組電流k=U1/U2,即雙級(jí)電壓互感器變比值Y2為二次負(fù)載導(dǎo)納雙級(jí)電壓互感器帶負(fù)載后的總體誤差如下： 總=k+f

12、(5)感應(yīng)分壓器的負(fù)載誤差計(jì)算公式與雙級(jí)電壓互感器相同，由公式可知，f1/k2，當(dāng)k=1時(shí)，f最大。同時(shí)由于感應(yīng)分壓器不考慮帶負(fù)載問題，繞組線徑小，Z1較大，f非常大，從而導(dǎo)致在檢測小變比值時(shí)，感應(yīng)分壓器精度達(dá)不到要求。本系統(tǒng)中雙級(jí)電壓互感器設(shè)計(jì)充分考慮帶負(fù)載情況，繞組線徑大，f較小，從而保證整體精度達(dá)到0.01%。變壓器變比組別測試儀檢定裝置有變比測試、分辨率測試、組別測試等功能，各功能原理及技術(shù)參數(shù)如下：1.1變比測試原理圖見圖3，系統(tǒng)自動(dòng)切換控制板上的繼電器J、K，改變變比電壓互感器的一、二次繞組匝數(shù)，從而改變UAB/Uab的比值。系統(tǒng)預(yù)置1、2、10、20、100、200、1000、2

13、000、10000共37個(gè)變比值，整體精度達(dá)到0.01%。圖3 變比測試原理圖Fig.3 Ratio test principle diagram1.2分辨率測試原理與變比測試相同，提供10.001、10.002、10.099共99個(gè)變比值。1.3組別測試 系統(tǒng)自動(dòng)切換控制板上的繼電器，改變組別電壓互感器的一次繞組及二次繞組連接方式，從而提供相應(yīng)組別連接的標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓信號(hào)。系統(tǒng)預(yù)置10、100、1000變比值及D/d0（2、4、6、8、10）、Y/y0 (2、4、6、8、10)、D/y1(3、5、7、9、11)、Y/d1(3、5、7、9、11)、D/z0（2、4、6、8、10）、Y/z1(5、

14、7、11)共34種組別測試，整體精度達(dá)到0.01%。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)控制板核心采用C8051F023單片機(jī)+CPLD平臺(tái)24，兩者間通過數(shù)據(jù)線A0A8（單片機(jī)的P3.0P3.7引腳）及地址線D0D4（單片機(jī)的P2.0P2.3引腳）連接。經(jīng)CPLD譯碼后的輸出信號(hào)采用光耦隔離芯片TLP521-4，減小外部信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的干擾，原理框圖見圖4。C8051F02X系列嵌入式控制器采用流水線技術(shù)，執(zhí)行速度大大提高，兼容MCS-51的指令系統(tǒng)，支持JTAG調(diào)試與下載功能，片內(nèi)集成大量接口，具有較強(qiáng)擴(kuò)展功能。CPLD編程采用Verilog Hdl硬件描述語言，它以文本形式來描述 HYPERLINK /view/

15、987445.htm t _blank 數(shù)字系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和行為，可以表示邏輯電路圖、邏輯表達(dá)式，還可以表示數(shù)字邏輯系統(tǒng)所完成的邏輯功能。圖4 控制板原理框圖Fig.4 Control board principle diagram為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，控制板采用四層電路板結(jié)構(gòu)，同時(shí)采取以下抗干擾措施：（1）布線時(shí)盡量減小回路環(huán)面積，以降低感應(yīng)噪聲。電源線和地線盡量粗，減小線路壓降，同時(shí)降低耦合噪聲。（2）單片機(jī)閑置I/O口，通過電阻接電源或地，避免懸空。其它芯片閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。（3）單片機(jī)采用電源監(jiān)控及看門狗電路。切換板共有98個(gè)繼電器，繼電器切換采用ULN28

16、03芯片驅(qū)動(dòng)，芯片內(nèi)部為8個(gè)NPN達(dá)林頓晶體管，工作電壓高，工作電流大，其灌電流可達(dá)500mA,帶負(fù)載能力強(qiáng)。原理見圖5，當(dāng)P1端口為高電平時(shí)，經(jīng)ULN2803芯片反向輸出低電平，J1線圈通電后繼電器吸合。為降低電壓互感器二次回路壓降，保證整體精度，電路板上走線盡量加粗。圖5繼電器驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.5 Relay driver principle diagram單片機(jī)通過串口與液晶觸摸屏通信，該液晶觸摸屏采用DYM800核心板，為多層電路板設(shè)計(jì)，安全可靠。該核心板可以用來驅(qū)動(dòng)所有TTL接口的真彩液晶屏，支持最大分辨率為1024*708，最多支持24位色。內(nèi)置有中英文字庫，顯示預(yù)置的位圖，支持J

17、PG和BMP格式。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件模塊主要是程序采用串口通信協(xié)議接收來自液晶觸摸屏的操作指令后，發(fā)出相應(yīng)的顯示命令，并根據(jù)接收的操作指令，將數(shù)據(jù)線和地址線相應(yīng)位置高、低電平，經(jīng)CPLD芯片譯碼，通過繼電器驅(qū)動(dòng)電路使相應(yīng)繼電器吸合，軟件流程見6。變比測試及分辨率測試時(shí)，液晶觸摸屏主要顯示變比值或分辨率值等文字信息，被選中變比值或分辨率值閃爍。組別測試時(shí)，液晶觸摸屏不僅顯示組別連接方式、輸入輸出電壓比值等文字信息，同時(shí)顯示裝置內(nèi)部組別電壓互感器接線圖、輸入電壓及輸出電壓矢量圖等圖片內(nèi)容。圖6 軟件流程圖Fig.6 Software flowchart diagram4 測試數(shù)據(jù)變壓器變比組別測試

18、儀檢定裝置已研制完成，并順利通過國家高電壓計(jì)量站檢定，部分檢測數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知：變比電壓互感器在二次繞組帶負(fù)載100 k，功率因素為1的條件下，變比值在110000范圍內(nèi)整體精度達(dá)到0.01%；在同樣測試條件下，組別電壓互感器在變比值為10、100、1000時(shí)，整體精度滿足0.01%要求。表1 檢測數(shù)據(jù)Tab.1 The detecting dataf的倍率因數(shù)（%）的倍率因數(shù)（）變比值額定百分?jǐn)?shù)80100120二次負(fù)荷誤差kCOS變比電壓互感器1f-0.006-0.006-0.0061001-0.05-0.06-0.0610f-0.003-0.003-0.0041001-0.03

19、-0.05-0.06100f-0.001-0.001-0.0011001-0.01-0.01-0.021000f-0.001-0.001-0.0011001-0.03-0.03-0.0510000f-0.001-0.001-0.0011001-0.01-0.01-0.01組別電壓互感器10f-0.004-0.005-0.0051001-0.04-0.04-0.05100f-0.002-0.002-0.0021001-0.01-0.01-0.021000 f-0.001-0.001-0.0011001-0.05-0.06-0.065 結(jié)語與目前市場上同類產(chǎn)品產(chǎn)品相比，變壓器變比組別測試儀檢定裝置有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：1、集變比測試、組別測試、分辨率測試于一體，采用觸摸屏操作顯示，使用方便。2、提高變比電壓互感器和組別電壓互感器準(zhǔn)確度等級(jí)，整體檢測精度達(dá)0.01%。3、可檢變比值數(shù)量達(dá)37個(gè)，滿足規(guī)程要求。4、用繼電器替代傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高檢測效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。參 考 文 獻(xiàn)1 趙修民. 高壓雙級(jí)電壓互感器的研究J.電測與儀表，1993，30（2）.ZAO Xiu-min.The re