变压器故障检测系统毕业设计论文

广西大学毕业设计论文变压器故障检测系统PAGEPAGEI变压器故障检测系统摘要大型电力变压器是电力系统中重要的和昂贵的设备之一，其运行状态直接影响系统的安全性。目前，电力系统的检修体制正由定期检修向状态检修转变，而状态检修是以了解设备的运行状态为基础的。要了解设备状态，就需要对设备信息进行分析诊断。本文的工作就是在这一背景下开展的，其意义在于为电力变压器的检修提供技术支持。本文是从变压器的故障原因、类型以及分析入手，介绍了现今国内外主要研究的基于变压器油中气体的故障诊断方法。在系统的硬件部分，本文以ATmega8单片机为核心，将采集来的电压、电流、温度和气体等模拟量信号经过A/D转换器转换为数字量信号后送入单片机系统中进行处理，通过处理的结果来判断变压器是否含有故障以及故障的类型等。同时本系统也设置了电流保护、差动保护和气体保护等继电保护来防止因短路故障或不正常运行状态照成变压器的损坏，提高供电可靠性。在系统的软件部分，本文运用C语言编写软件程序，使之能够识别并处理从传感器传来的电信号，然后通过人机交互界面显示出来，近而使人能够很轻易判断故障类型。关键词：变压器故障油气体分析单片机继电保护广西大学毕业设计论文变压器故障检测系统PAGEPAGE51TransformermalfunctiondetectionsystemAbstractIntheelectricalpowersystem,thelarge-scalepowertransformerisoneoftheimportantandexpensiveequipment,it’srunningstatusdirectinfluencesystemsecurity.Atpresent,theelectricalpowersystemoverhaulsystemistransformingbythepreventivemaintenancetotheconditionoverhaul,buttheconditionoverhaulistakeunderstandstheequipmenttherunningstatusasthefoundation.Mustunderstandtheequipmentcondition,needstocarryontheanalysisdiagnosistotheequipmentinformation.Thisarticleworkisdevelopsunderthisbackground,itssignificanceliesinforthepowertransformerconditionoverhaulprovidesthetechnicalsupport.Thisarticleisfromthetransformerbreakdownreason,thetypeandtheanalysisobtains,introducedthenowadaysdomesticandforeignmainresearchbasedonthetransformeroilinthegasbreakdowndiagnosismethod.Arepartialinthesystemhardware,thisarticletaketheATmega8MCUasacore,usethegathersimulationsignallikesvoltage,electriccurrent,temperature,gasandsoon,totransformafterADCforthedigitalquantity,andthensignalsendsintheMCUsystemtoprocess,willjudgethetransformerthroughtheprocessingresultwhetherwillincludethebreakdownandthebreakdowntypeandsoon.Simultaneouslythissystemhasalsoestablishedtherelaypreventslikestheelectriccurrentprotection,thedifferentialmotionprotectionandthegasprotectionandsoon,toprotectforshort-circuitthebreakdownortheoffnormaloperationconditionaccordingtobecomesthetransformerthedamage,enhancesthepowersupplyreliability.Arepartialinsystemsoftware,thisarticleutilizestheClanguagecompilationsoftwareprocedure,enablesittodistinguishandtoprocesstheelectricalsignalwhichtransmitsfromthesensor,thendemonstratedthroughtheman-machineinteractivecontactsurface,nearlyenablesthepersontheveryeasilydiagnosistype.Keywords：transformerbreakdown；oilgasanalysis；MCU；relayprevents目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章绪论 1第一节课题背景及意义 1HYPERLINK\l"_Toc170107652"第二节研究的现状与发展 2第三节论文主要工作 3第二章变压器故障类型及其分析 4第一节变压器故障原因 4第二节变压器故障类型 5第三节电力变压器的潜伏性故障分析 6第三章基于油中溶解气体分析的故障诊断 9第一节变压器油中气体的产生与溶解 9第二节正常运行变压器油中的溶解气体组分含量 10第三节特征气体法 12第四节改良三比值法 14第五节大卫三角形 15第四章变压器故障诊断系统的硬件设计 0107664\h17第一节变压器故障诊断系统的结构和主电路的设计 17第二节单片机控制系统 17第三节数据采集 20第四节变压器的保护装置 29第五节人机交互接口 32第五章系统软件部分 34HYPERLINK\l"_Toc170107681"第一节软件介绍 34第二节软件设计 38第三节系统抗干扰措施 43第六章总结 46参考文献 47致谢 49绪论第一节课题背景及意义变压器是整个电力系统的发、变、送、用环节中最重要、最昂贵的设备之一，其运行的安全性和可靠性直接影响整个电力系统的运行链完整性，关系到变电企业、广大用户利益和人民群众的生活。因此，研究和应用大型变压器的状态监测与故障诊断技术，保证变压器安全可靠运行，保障送变电的安全，这不仅仅是局部的经济问题，也是社会公共利益问题，必然成为学术界和产业界关注的重大课题。长期以来，人们结合变压器的结构参数、运行工况和环境因素，研究了各种状态监测和故障诊断的方法和技术手段，以期对可能发生的故障进行预测，对已经发生的故障确定其故障的性质、类型和严重程度。目前局部放电试验、油中溶解气体分析以及绝缘油的特性试验等在变压器状态监测和故障诊断中得到广泛的研究和应用。这些方法和技术对于发现变压器的早期故障或故障趋势，防止事故发生起着很重要作用。虽然变压器的状态检测与故障诊断技术已经取得了一定的进展，但还不能很好地满足实际送变电安全的需要，因此，利用现代科技发展的最新成果，进一步研究开发大型变压器的状态监测与故障诊断技术与系统，保证变压器以及电网的长期、安全、可靠、高效运行，具有重要的意义。随着经济发展，我国对电能的需求不断提高，一些大型、特大型的变压器不断投入使用，相应地，要求与其配套的监测和故障诊断设备也应不断跟上去；另一方面，我国电网中运行的变压器尚有一批已接近或超过30年，绝缘寿命己进入晚期，对这类大型关键变压器，尤其需要能做到故障早期报警，以便有效及时地采取措施并进行检修维护，防止故障发生、发展和扩大，以避免恶性事故的发生。在当前我国大力发展电力生产和已有设备日趋老化的具体情况下，大型变压器的状态监测与故障诊断系统具有相当广阔的市场前景。运行中的变压器发生不同程度的故障时，会产生异常现象或信息。故障诊断就是搜集变压器的异常现象或信息，根据这些现象或信息进行分析，从而判断故障的类型及严重程度和故障部位。因此变压器绝缘状态监测与故障诊断的作用是：1、准确判断运行设备当前是处于正常状态还是异常状态；2、若有故障则判断故障的性质、类型和原因；3、根据信息处理结果预测故障的可能发展，即对故障的严重程度、发展趋势做出诊断；4、提出控制故障的措施，防止和消除故障，并提出设备维修的合理方法和相应的反事故措施；5、对设备的设计、制造、装配等提出改进意见，为设备的全寿命现代化管理提供科学依据和建议。第二节研究的现状与发展状态监测与故障诊断技术的困难主要是：干扰的抑制(主要征对放电试验方法)；正确确立故障判据(主要征对油中溶解气体分析方法简称DGA方法)。状态监测与故障诊断技术除需对设备本身结构及失效机理有深入了解外，也需要应用传感器、微电子等高新技术，需要利用有效故障理论以期抽取故障特征，是具有交叉学科性质的一门新兴技术，有重大的学术意义和显著的经济价值。绝缘是变压器的关键，包括绝缘油和固体绝缘材料。当绝缘油受热时分解成碳氢化合物，如H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2气体；固体绝缘材料则分解成碳氧化合物，如CO，CO2；若绝缘材料是合成树脂材料(苯酚-甲酚树脂，phenol-formaldehydeResin)，所分解的气体以C3(丙烷、丙烯)、C4(丁烯)气体为主。通过选择不同的气体以及不同气体之间的组合方式，将某两种气体之间的比值进行编码，就形成各种不同的故障诊断判据。电力变压器的故障原因相当复杂，存在大量不确定因素，某些故障现象、原因及机理的复杂性和模糊不确定性使得对变压器的故障模型难以用准确的数学模型加以描述，也难以完全依靠确定性的判据诊断故障，因此各种各样的诊断理论应用于电力变压器的故障诊断中。第三节论文主要工作首先，本文先介绍了变压器的故障原因和类型，然后在第三章介绍了基于变压器油中气体的故障诊断方法。在这一章中，分别介绍了变压器油中气体的产生与溶解、正常运行变压器油中的溶解气体组分含量、变压器内部故障类型与油中气体分析的关系以及基于油中溶解气体分析的故障诊断方法，包括特征气体法、改良三比值法和大卫三角形法。接着，本文以ATmega8单片机为硬件核心，通过处理采集来的电压、电流、温度和气体等的信号来判断变压器是否含有故障以及故障的类型等。同时本系统也设置了电流保护、差动保护和气体保护等继电保护来防止因短路故障或不正常运行状态照成变压器的损坏，提高供电可靠性。本文运用C语言编写软件程序，使之能够识别并处理从传感器传来的电信号，然后通过人机交互界面显示出来，近而使人能够很轻易判断故障类型。本篇论文由于知识的局限性，只是在个人能力范围内做了一个小小的系统，以实现检测的目的，有待更高的完善。变压器故障类型及其分析油浸电力变压器的故障部位多，故障原因、过程、现象复杂，同时还有制造、试验、运行以及维护中的因素干扰，所以对变压器故障做出高准确的区分和故障定位是不容易的。要对变压器进行故障分析，首先需要分析变压器的故障种类、原因和机理。变压器故障可分为内部故障和外部故障两种[1]。1、外部故障为变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，不是本文分析的重点。2、内部故障为变压器油箱内发生的各种故障，主要类型有：各相绕组之间发生的相间短路、绕组的线圈之间发生的匝间短路、绕组或引出线通过外壳发生的接地故障等。变压器故障若从回路来说，主要有电路故障、磁路故障和油路故障；若从主体结构来说，可以分为绕组故障、铁芯故障、油质故障和附件故障。习惯上，对变压器故障的类型一般是根据常见的故障易发部位划分的，如绝缘故障、铁芯故障、分接开关故障等。而对变压器本身影响严重、目前发生机率最高的是变压器出口短路故障，同时还存在变压器渗漏故障、油流带电故障、保护误动作故障等。所有这些不同类型的故障，有的可能反映的是过热故障，有的可能反映的是放电故障，有的可能既反映过热故障同时又存在放电故障，而变压器渗漏故障在一般情况下可能不存在热或电故障的特征。损坏修复时间长，影响严重。通常的定期性预防性试验虽能排除一些事故隐患，但对一些潜伏性故障不能及时发现。对于潜伏性故障只有通过在线监测手段来检测，随时了解设备状态。对于突发故障，由于发生时间较短，在线监测难以发挥作用，只有通过继电保护等来保护变压器。第一节变压器故障原因众所周知，变压器是由一次绕组、二次绕组和铁芯等三个部件组成的。造成变压器故障的原因很多，但是不管是什么原因造成的故障，最终还是与其结构分不开的。总的来说可以归结为以下这些原因：一、设计制造方面设计上的缺陷：为了节省成本，制造时采用了低质量的材料（如低质量纸板，硅钢片等）制造工艺不过关，致使线圈受潮、铁芯损耗大等；质量把关不严等。二、运行维护方面安装不良和保护设备选用不当：检修致使变压器受潮；过负荷；与外部导体连接松动、发热；对各种附件、继电器等维护、检修不当等。三、正常老化及突发事故绝缘材料正常老化；异常过电压影响；外部短路引起故障[2]；自然灾害及外界因素影响等。第二节变压器故障类型一、按故障发生部位分类：(1)变压器外部故障油箱：焊接质量不好，密封填圈不好；电压分接开关传动装置：机械操动部分，控制部分等问题；冷却装置：风扇，输油泵、控制设备等问题；附件：绝缘套管、温度计、油位计、各种继电器等问题。(2)变压器内部故障绕组：绝缘击穿，断线，变形；铁芯：铁芯叠片之间绝缘不好，接地不好，铁芯两点或多点接地及铁芯螺栓绝缘击穿；内部的装配金具问题：电压分节开关控制不到位，引线绝缘薄弱；绝缘油老化。二、按故障发生过程分类(1)突发性故障由异常电压下(操作过电压，雷电过电压及谐波过电压)引起的绝缘击穿，外部短路事故引起的绕组变形，层间短路；自然灾害；辅机的电源停电。(2)由潜伏性故障发展而形成的故障铁芯绝缘不良，铁芯叠片之间绝缘不良，铁芯穿心螺栓的绝缘不良，由外界反复短路引起的绕组变形；过负荷引起的绝缘老化；由于受潮游离放电引起绝缘材料、绝缘油老化。三、按故障性质分类电力变压器的内部故障主要有：过热性故障、放电性故障及兼有过热和放电的故障。第三节电力变压器的潜伏性故障分析电力变压器故障从发展过程上可分为两大类：即突发性故障和潜伏性故障。突发性故障发展过程很快，瞬间就会造成严重后果。如雷击、误操作、负荷突变等。突发性故障具有偶然性，且没有一个供运行人员进行监测分析和维护的过程，只能通过避雷器、继电保护、高频保护等手段，使突发性故障被限制在最小的范围之内。电力变压器的潜伏性故障一般有三种：即变压器内部的局部放电、局部过热和变压器绝缘的老化。一、变压器内部局部放电分析及其检测（1）局部放电分析在电压的作用下，绝缘结构内部的气隙、油膜或导体的边缘发生非贯穿性的放电现象，称为局部放电。产生局部放电的环节，一般是在电场分布梯度较大而绝缘又相对薄弱的部位。影响局部放电的因素很多，综合起来主要有三点：1、绝缘材料的材质；2、产品设计的绝缘结构；3、生产加工制造工艺。局部放电对绝缘的影响：一是放电质点对绝缘的直接轰击造成局部绝缘破坏，逐步发展使绝缘击穿；二是放电产生的热及臭氧等活性气体的化学作用，使局部绝缘受到腐蚀，电导增加，最后导致热击穿。通常，电气绝缘的破坏或局部老化，多是从局部放电开始的，所以，局部放电的危害性是使绝缘寿命降低，影响变压器的安全运行。（2）检测方法1、甚高频电脉冲法由于在局部放电发生时会伴有声光电及对放电空间介质的化学作用，对应这些物理化学反应，可以找到相应的测量方法。电力变压器油中的局部放电一般为流注型放电。在放电形成的过程中，导电通道以极快的速度构成，而由于导电粒子很快聚集所产生的反电动势使得导电通道很快被中断，在极短的时间内进行的电荷转移，形成了具有丰富高频分量的放电电流脉冲，虽然放电的能量很小，但放电脉冲所含谐波的频率极高，可达400MHz，这样高频率的脉冲可在一个极小接地电阻的寄生电感上形成一个可测的电压信号。甚高频电脉冲法测量变压器油中的局部放电，就是通过测量变压器输出端部绝缘套管接地电阻上的高额电压信号，来分析变压器油中局部放电的频度。2、局部放电量检测法电力变压器局部放电量是反映局部放电的重要指标，目前已有的局部放电监测系统采用窄带或宽带(可达1.2MHz)测量，利用电流传感器从高压套管及末屏接地线、中性点接地线、铁芯接地线等耦合放电信号，借助超声波时延等判断放电的有无，通过差动、数字滤波等措施抑制干扰，靠采集电路，最终给出放电量、放电谱图等分析结果。二、变压器内部局部过热及其检测（1）局部过热的危害过热性故障占变压器故障的比例较大，危害性严重。存在于固体绝缘的热点绝缘劣化与热解对绝缘危害较大。热点常会从低温逐步发展为高温，甚至会迅速发展为电弧性热点而造成设备损坏事故。一些裸金属热点也常会烧坏铁芯、螺栓等部件，严重时会造成设备永久性损坏。（2）局部过热分析局部过热和变压器正常运行下的发热有所区别。正常运行时，温度的热源来自绕组和铁芯，即所谓铜损和铁损。局部过热故障包括接点接触不良、磁路故障、导体故障等。变压器油和固体绝缘材料在电或热的作用下分解产生一些特征气体。在不同的运行状态下，外界对变压器油的理化作用不同，产生的气体的成分和含量也不相同。正常运行中，变压器内部绝缘油与固体绝缘材料会产生一些非气态的劣化产物外，还产生少量的氢、低分子烃类气体和碳的氧化物等。其中碳的氧化物(CO和CO2)成分最多，其次是氢和烃类气体。当发生过热性故障时，热点只影响到绝缘油的分解而不涉及固体绝缘的裸金属过热性故障。油中溶解气体以CH4和C2H2为特征气体，二者之和常占总烃的80%以上。故障点温度较低时，甲烷占的比例大。随着热点温度的升高(500℃以上)，乙烯、氢组分急剧增加，比例增大。当严重过热(800℃)时，也会产生少量乙炔，但其含量不超过乙烯量的10%。涉及固体绝缘的过热性故障时，除产生上述的低分子烃类气体外，还产生较多的CO、CO2。随着温度的升高，CO、CO2比值逐渐增大。因此，根据《电力系统预防性试验规程》及导则（3）局部过热的测量对过热的测量，最常用的方法就是直接测量过热点的温度。但对于运行中的电力变压器而言，目前还不具有可测性，因而只能采用间接的方法进行监测。当变压器内部发生局部过热时，除过热点温度升高外，同时会使变压器油分解，生成氢气和烃类气体。在过热较严重的情况下，氢气含量会很高。因此，在局部放电较弱时，如果H2含量较高，可以判定为变压器油中有过热故障，系统中利用对变压器油中含H2的PPM值进行监测并结合局部放电监测来间接反映变压器油中局部过热情况，采用MQ51C型氢敏钯栅场效应管作为H2气敏元件，用聚四氟乙烯薄膜透气不渗油的特点进行油气隔离，形成气室将气敏元件置于气室中进行测量。需要注意的是：由于油中溶解气体产生有时与运行和检修情况有油补焊，油流断电器接点火花，注入油本身未脱净气等，因此当油中气体分析认为可能存在有内部故障时，还应结合电气、化学试验结果和运行检修情况以及外部检查等进行综合判断，这样不仅有助于准确判断故障类型及对故障部位做出正确估计，同时可防止设备的遗漏或盲目停运造成浪费。三、绝缘老化及其检测目前应用最广泛的电力变压器是油浸变压器和干式树脂变压器两种。电力变压器的绝缘即是变压器绝缘材料组成的绝缘系统，它是变压器正常工作和运行的基本条件。变压器的使用寿命是由绝缘材料(即油纸或明树脂等)的寿命所决定的。实践证明，大多变压器的损坏和故障都是因绝缘系统的损坏而造成。电力变压器的绝缘基本上可以分为二种：液体绝缘和固体绝缘。由于长时间的运行受温度、局部放电、杂质等多种因素的影响，绝缘介质会发生老化，使绝缘性能下降，影响到变压器运行的可靠性。绝缘介质老化往往反映在绝缘介质在交变电场的使用下，其极化过程发生了改变，非弹性极化增强，使极化过程中的有功损耗增加，使绝缘介质的介质损耗率增大。可以采用测量电力变压器绝缘套管电压与套管末屏接地电流间相位差的方法，对绝缘套管介质损耗δ进行监测。基于油中溶解气体分析的故障诊断油中溶解气体分析的目的是了解设备的现状，了解发生异常和故障的原因，进行预知维修。因此，通过油中溶解气体分析来检测设备内部潜伏性故障，了解故障发生原因，不断地掌握故障发展趋势，提供故障严重程度的信息，即时报警，作为编制合理维护措施的重要依据，是油中溶解气体分析的主要任务。通过大量翻阅文献资料，发现目前主要采用的诊断依据主要有改良三比值法、大卫三角形法、特征气体法和趋势分析法等。在故障诊断时，只有当产气率和产气含量超过注意值时才有理由判断设备可能存在故障，此时采用以上的方法诊断才是有效的。对于含气量正常且无增长趋势的设备进行故障分析是无效的。第一节变压器油中气体的产生与溶解一、气体的产生变压器内部的绝缘介质主要是变压器油和固体绝缘（电缆纸、绝缘纸板等），正常运行时绝缘材料在热和电的作用下逐渐老化，使油的闪点降低并产生某些可燃性气体，引起早期故障。变压器油是由许多不同分子量的碳氢化合物组成的混合物，由于电或热故障的原因，使化合物中的C-H键和C-C键断裂，形成氢气和低分子烃类气体。C-H键断裂需要的能量较少（338KJ/mol）；C-C键断裂需要较高的温度和较多的能量，然后迅速以C-C键（607KJ/mol）、C=C键（720KJ/mol）、C≡C键（960KJ/mol）的形式重新化合成烃类气体，依次需要越来越高的温度和越来越多的能量。乙烯生成温度大约在500℃（高于甲烷和乙烷的温度），乙炔一般在800~1200℃温度下生成。此外，油在起氧化反应时，伴随生成少量CO和CO固体绝缘材料的主要成分是纤维素。纤维素裂解的有效温度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同时，生成大量的CO和CO2及少量烃类气体和吠喃化合物，同时油被氧化。CO和CO2的生成不仅随温度升高而加快，而且随油中氧的含量和纸的温度升高而增加。据有关试验，纤维素热分解的气体组分主要是CO和CO根据生成的气体组分浓度的相对比值，可用以判断内部故障的类型，这是目前被广泛应用的比值法的依据。二、气体的溶解绝缘介质分解产生的气体有的溶解于油中，有的上浮至油面以上。每种气体在一定的温度、压力下达到溶解和析出平衡，使该气体在油中最终达到饱和或接近饱和状态。当变压器存在潜伏性故障时，如果产气率很慢，那么气体将很易完全溶解到油中；只要油中气体尚未饱和就不会有气体析出。如果油已饱和，则产生的气体就会进入气体继电器中。故障早期，所产生的气体量少，上升速度慢，易于溶解到油中；而到故障晚期，所产生的气体量多，油中溶解的气体己接近饱和，所以气泡上升过程溶解很少，绝大部分进入气体继电器中。当故障是突发故障时，大量产生气体，气泡上升速度快来不及全部溶解，绝大多数进入了气体继电器中，此时油中溶解的气体是不能准确反映故障的。通过上述分析可知，油中溶解气体分析对故障早期诊断是很灵敏的，而对故障晚期是不十分有效的；对渐变故障有效，对于突发故障同样也是效果不佳的。第二节正常运行变压器油中的溶解气体组分含量正常运行时变压器油中的溶解气体组分主要是氧气和氮气。但是油中总含气量和氮气氧气比例与变压器的密封方式、油的脱气程度、注油的真空度等因素有关。根据实测数据表明，对于长期正常运行的充油电力变压器，在101.3KPa、25℃时，油中氧气含量一般占20％~30％，氮气占70％~8正常变压器可燃性气体总量为0.1％以下，而有轻度故障的变压器在0.1％~0.5％之间，故障变压器可燃性气体总量在0.5％以上。所以可按可燃性气体总量来判别变压器运行状态。新变压器在72h试运行期间，油中特征气体含量大致与投运前相同。而变压器在运行期间，油中气体分析技术的检出故障率约为3%。因此，新变压器投运和试行期间进行油中气体分析是很重要的。表3-1给出了对出厂和投运前的设备气体含量的要求。表3-1对出厂和投运前的设备气体含量的要求(单位：μL/L)气体变压器和电抗器互感器套管氢<30<50<150乙炔000总烃<20<10<10表中限制不适合于从气体继电器的取样，运行中的设备内部油中气体含量超过表3-2中所列数值时，应引起注意。表3-2变压器、电抗器油中溶解气体含量的注意值(单位：μL/L)设备气体组分含量330kV及以上220kV及以下变压器和电抗器总烃150150乙炔15氢150150应该指出，注意值不是划分设备有无故障的唯一标准。当气体浓度达到注意值时，应进行追踪分析，查明原因。正常变压器中碳的氧化物的含量与变压器的结构、绝缘材料的性质、运行年限、负荷及油保护方式等有关。对于一氧化碳和二氧化碳，固定绝缘的正常老化过程与故障情况下的劣化分解，表现在油中一氧化碳和二氧化碳含量的上升，一般没有严格的界限，规律也不明显。这主要是由于从空气中吸收的二氧化碳、固体绝缘老化及油的长期氧化形成一氧化碳和二氧化碳的基值过高造成的。经验证明，当怀疑设备固体绝缘材料老化时，一般CO2/CO>7；当怀疑故障涉及到固体绝缘材料时，可能CO2/CO<3，必要时，应从最后一次的测试结果中减去上一次的测试数据，重新计算比值，以确定故障是否涉及到了固体绝缘。第三节特征气体法特征气体法的理论依据是变压器内部不同绝缘材料在不同温度下产生的气体不同。我国国家标准GB/T7252-2001中和IEEE标准IEEEStsC57.104-1991都有有关特征气体法的介绍。不同的是我国国标中并未给出特征气体法的定量说明，而是只列出了不同故障时所对应的主要气体和次要气体组分，如下表所示。表3-3不同故障类型产生的气体组分故障类型主要气体组分次要气体组分油过热CH4、C2H4H2、C2H6油和纸过热CH4、C2H4、CO、CO2H2、C2H6油纸绝缘中局部放电H2、CH4、COC2H2、C2H6、CO2油中火花放电H2、C2H2油中电弧H2、C2H2CH4、C2H4、C2H6油和纸中电弧H2、C2H2、CO、CO2CH4、C2H4、C2H6注：进水受潮或油中气泡可能使氢含量升高从表中来看，其主要气体与次要气体的区分并未有一个定量的标准，并且主要气体和次要气体中不同气体的含量也未作区分，所以在实际操中作有一定难度。在IEEE标准IEEEStsC57.104-1991中，为了便于操作，给出了不同气体组分对应的故障图例。其图例如图3-1~4所示：图3-1油过热图例图3-2固体绝缘过热图3-3油中电晕放电图3-4油中电弧放电这里IEEE采用的气体组分中是不包括CO2的。它的做法为：通过计算每种气体和总气体量的比值来得出每种气体的百分含量，由此画出柱状图；通过得到的柱状图和给出的图例进行比较来确定故障类型。它的优点是直观而且可操作性强。用特征气体法应注意以下问题：1、C2H2是故障点周围绝缘油分解的特征气体，其含量是区分过热和放电2种性质的主要指标。但出现高温热点时也会产生少量2H2，因此不应认为凡有C2H2出现都视为放电性故障。另外，低能量的局部放电并不产生C2H2或只产生少量的C2H2。2、如果H2的含量增大，而其它成分不增加时，有可能是：设备进水或有泡存在，引起铁和水的化学反应。第四节改良三比值法目前被广泛方采用的三比值法主要是改良三比值法，据有关资料[3]显示其诊断准确率在90%以上。表3-4给出了不同编码对应的故障类型，表3-5给出了编码规则。表3-4不同编码对应的故障类型编码组合故障类型判断故障实例C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6001低温过热（低于150℃绝缘导线过热，注意CO和CO2的含量和CO2/CO的值20低温过热（150-300℃分接开关接触不良，引线夹件螺丝松动或接头焊接不良，涡流引起铜过热，铁芯漏磁，局部短路，层间绝缘不良，铁芯多点接地21中温过热（300-700℃0、1、22高温过热（高于700℃10局部放电高湿度高含气量引起油中低能量密度的局部放电10、10、1、2低能放电引起对电位未固定的部件之间连续火花放电，分接油头引线和油隙闪络，不良电位之间的油中火花放电或悬浮点位之间的火花放电。20、1、2低能放电兼过热20、10、1、2电弧放电线圈匝间、层间短路，相间闪络、分接头引线间油隙闪络、引线对箱壳放电、线圈熔断、分接开关飞弧、因环路电流引起电弧、引线对其他接地体放电等20、1、2电弧放电兼过热表3-5编码规则气体比值范围比值范围的编码C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6＜0.1010≥0.1~＜1100≥1~＜31213≥222通过分析改良三比值法的编码发现，它还是存在漏码的，缺少“000”和“011”，虽然其诊断准确率较高，但并不是100%都正确，所以需要引入其他诊断分析方法。第五节大卫三角形20世纪90年代中期，对大卫三角形法诊断进行了有益的尝试，在最新的IEC和国标导则中均推荐使用大卫三角形法。与比值法相比，大卫三角形法突出的优点是保留了一些由于落在提供的比值限值之外，而被IEC比值法漏判的数据[4]。在图3-5中：%C2H2=100X/（X+Y+Z），X=[C2H2]，单位μL/L；%C2H4=100Y/（X+Y+Z），Y=[C2H4]，单位μL/L；%CH4=100Z/（X+Y+Z），Z=[CH4]，单位μL/L；图3-5大卫三角形图中符号：PD-局部放电；D1-低能放电；D2-高能放电，3000C<t<7000C；T1-热故障，t<3000C；T2下表为大卫三角形各个故障区域的边界值。当比值点落在哪个区域内，则该区域所对应得故障类型就是该比值对应的故障类型。但当比值点正好落在故障区域的边界线上时，就要考虑采用其他诊断方法或借助有经验的人类专家来综合分析了。表3-6大卫三角形各个故障区域的边界值PD98%CH4D123%C2H413%C2H2D223%C2H413%C2H238%C2H429%C2H2T14%C2H210%C2H4T24%C2H210%C2H450%C2H4T315%C2H250%C2H4变压器故障诊断系统的硬件设计第一节变压器故障诊断系统的结构和主电路的设计变压器故障诊断系统的硬件结构框图如图4-1所示。图4-1变压器故障诊断系统硬件结构框图以Atmega8单片机作为中央控制单元，Atmage8单片机在预先编制好的指令（即软件程序）的驱动下，控制整个硬件电路工作，完成系统各项功能。键盘用于设定和修改比较值、电压限值、电流限值等；LED用于显示设定值及各种运行状态。单片机获得电压、电流、气体含量等值后进行分析计算等，判断变压器运行是否正常。第二节单片机控制系统单片机控制系统由Atmega8、单八路模拟开关CD4051、电源等组成。Atmega8为系统的CPU，系统的所有操作都是由它进行的。单片机控制系统是整个装置的基础，只有确保控制系统正常工作才能保证Atmega8能够正常执行程序，整个系统才可以正常工作，发挥它应有的作用。一、ATmega8单片机AVR单片机是美国ATMEL公司生产的具有双结构的RISC单片机系列，具有较短的指令周期和较快的运行速度[5]。Atmega8是基于2002年推出的一款新型AVR高档单片机，工作在16MHz时能达到16MIPS。该芯片内部集成了8K字节Flash、1K字节内部SRAM及512字节的E2PROM，具有丰富强大的硬件接口电路。由于采用了小引脚封装形式，所以其价格仅与低档单片机相当，因此Atmgea8是一款性价比很高的8位单片机。（1）ATmega8引脚结构ATmega8有三种不同形式的封装：PDIP、TQFP和MLF。在试验中可使用PDIP28封装，在实际应用时可使用贴片式（即TQFP封装），因为它体积小，容易缩小产品尺寸。ATmega8引脚结构（PDIP28封装）如图4-2所示，其外部引脚定义如下：1、Vcc电源正（数字）2、GND电源地3、PortB、PortC、PortD：PortB口是一个8位双向I/O口；PortC口是一个7位双向I/O口；PortD口是一个8位双向I/O口。（2）ATmega8的特点ATmega8具有8K字节的在线编程，应用编程（ISP/IAP）Flash程序存储器，512字节EPROM，1K字节SRAM，32个通用工作寄存器，23个通用I/O，3个带有比较模式灵活的定时器/计数器，18＋2个内外中断源，1个可编程的SUART接口，图4-2ATmega8PDIP28封装1个8位IC总线接口，4（6）通道的10位ADC，2通道8位ADC，可编程的看门狗定时器，l个SPI接口和5种可通过软件选择的节电模式。二、单八路模拟开关CD4051

CD4051可以用于单片机Atmega8的A/D口扩展。CD4051相当于一个多路电子开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。其真值表见表4-1。表4-1CD4051真值表输入状态接通通道INHCBA0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1φφφ均不接通“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=＋5V，VSS=0V，当VEE=－5V时，只要对此模拟开关施加0～5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为－5V～＋5V的模拟信号。CD4051与ATmega8的接线图如图4-3所示：图4-3CD4051与ATmega8的接线图三、电源电源是系统的重要组成部分，是系统稳定正常工作的动力，本系统采用7805电源芯片，输出5V直流电供给CPU和其他芯片，电路图如图4-4所示：图4-4电源电路原理图第三节数据采集一、电压、电流信号采集根据采样信号的不同，可分为直流采样与交流采样。直流采样是把交流电压、电流信号转化为的直流电压，再送到A/D转换器进行转换。即A/D转换器采样的模拟量为直流信号。它的主要特点是：数据刷新速度快，随着元器件技术的发展，稳定度、精度大为提高。交流采样是相对直流采样而言，直接对交流电压和电流波形进行采样，然后通过一定的算法计算出电压、电流的有效值、有功功率、无功功率等。交流采样对环境温度有一定要求，同时对A/D转换器的转换速度和采样保持器要求较高；为了保证测量精度，一个周期内，必须保证足够的采样点数，而且采样计算程序相对复杂，对要求较高。本系统拟采用直流采样。其工作原理如图4-5所示：单片机控制系统单片机控制系统A/D转换采样保持电路多路选择开关电压调整电路传感器单片机内部系统图4-5直流采集工作原理在本设计中，采用AVR单片机的片内逐次逼近型模数转换器。ATmega8有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器CD4051连接，通过分时复用的方式，能对来自端口B的8路单端输入电压逐个进行采样。其转换结果为：（4-1）其中，VIN为被选中引脚的输入电压。使用AVR的ADC需要注意：ADC的分辨范围在以GND为基准的0V到参考电压的范围内。以使用片内的2.56V参考电压为例，ADC的分辨范围在0V与2.56V之间。因此在进行模数转换之前，必须要对信号加以处理。由于AVR的ADC对采集信号的要求，进行交流采集前需要对电压及电流信号加以整形。将具有正负半波的交流信号整形为全部信号均大于“0”的方法：通过全波精密整流电路将负半周翻转。进行交流采集还可以将正弦波的负半波翻转，以获得单片机能接收的信号。其原理图如图4-6所示：图4-6全波精密整流电路在A1半波精密整流电路中，当Ui>0时，Uo=-KUi(K>0),当Ui<0时，Uo=0。若利用反相求和电路将-KUi与Ui负半周波形相加，就可实现全波整流。分析：由A2所组成的反相求和运算电路可知，输出电压：（4-2）当时，，当时，，；所以（4-3）由此可以看到经过精密整流电路后，调整的交流电压、电流变成ADC可以接受的单向脉动电，且幅值为正，Ui、Uo的波形如图4－7所示。图4-7电压波形的调整（1）电流采集三相电流的测量采用三个电流传感器，输出交流信号经过整流后送给A/D转换器采样，由单片机对输入信号采样、计算出电流的有效值。采集，其特性和引脚示意图分别如表4-2和图4-8所示：图4-8HWGS-11小型电流互感器引脚示意图表4-2HWGS-11小型电流互感器特性输入电流20A过载范围200%输出电流10mA匝数比1：2000线性度优于0.1%负边直流电阻≈100相移<5'重量≈30g隔离耐压2500V/AC最大外形尺寸30*17*30㎜安装方式印制板安装密封材料环养树脂2、系统电流的测量电路系统电流的测量如下图所示，系统电流经电流互感器取样后，送入精密整流电路整流，整流后的电流信号经电容滤波后便可以通过CPU的一路ADC送入单片机，经过程序运算，便可以得到电流值。图4-9系统电流的测量（2）电压采集三相电压的测量采用三个交流电压互感器，再送给A/D转换器采样，由单片机对交流信号采样、计算出电压的有效值。1、本系统采用HPT300测量用精密微型电压互感器。HPT300是一种电流型的精密微型电压互感器，输入输出电流比为1∶1，额定电流比有两种：2mA/2mA、2.5mA/2.5mA，输入电流最大为10mA，一次输入电压小于1000V（接限流电阻）。如：HPT300AC2.5mA/2.5mA，表示额定一次电流为2.5mA，二次绕组会产生一个2.5mA的电流。（2.5mA/2.5mA是指互感器按此额定电流比进行校验。）比差允许±0.1%，角差允许±10’，0负载；精度为：0.05%、0.1%；线性度为：0.05%、0.1%。1,2为输入,3,4输出1,3脚为极性端HPT300电压互感器引脚如图4-10所示1,2为输入,3,4输出1,3脚为极性端图4-10HPT300电压互感器引脚示意图2、系统电压的测量电路如下图所示，外部交流电经过桥式整流后变成直流电，并且由电阻和电容组成滤波电路，再经电位器调节后送到的A/D口进行摸/数转换。图4-11系统电压的处理二、温度信号的采集（1）本系统拟用AD590进行温度信号采集AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数[6]，即：（4-4）式中：Ir——流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T——热力学温度，单位为K。它的主要特性如下：1、AD590的测温范围为-55～+150。2、AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V～6V范围变化，电流Ir变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正相电压和20V反相电压，因而器件反接也不会被损坏。3、输出电阻为710MW。4、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55～+150范围内，非线性误差为±0.3。（2）AD590的基本应用电路：图4-12是AD590的封装形式和AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。图4-12AD590的封装及基本应用电路因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压V0随温度的变化为1mv/k。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V0=273。或在室温下（25）条件下调整电位器，使V0=273+25=298（）。但这样调整只可保证在0或25附近有较高精度。在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高1K，电流就增加1μA。当AD590的电流通过一个10kΩ的电阻时，这个电