大型電力變壓器鐵芯電流在線監測儀的研制

摘 要 ：本文介紹了一種大型電力變壓器鐵芯電流在線監測儀的設計，重點闡述了采用專用電量測量芯片、哈佛結構的AVR單片機和專用鍵盤顯示芯片組成的寬量程弱信號監測系統。該裝置設計新穎、精度高，配合變電站內的集控器可實現大型電力變壓器鐵芯電流的實時測量、記錄、報警、遠傳等功能。
關鍵詞 ：CS5460A；ZLG7289A；AVR；鐵芯電流

引言

　　大型電力變壓器鐵芯電流的變化可直接反映出變壓器的故障狀態——是否存在鐵芯多點接地。以往的監測方式是由變電站值班人員使用手持儀器定期進行檢測和記錄，該方式的最大缺點是不能立即對故障做出反應，存在使事故進一步擴大的嚴重隱患。隨著電力自動化水平的提高和無人值守變電站的增多，迫切需要一種穩定可靠、精度高、功能強的大型電力變壓器鐵芯電流在線監測裝置。本文所描述的裝置，就是為此而設計的，具有極高的應用價值。

硬件系統設計
　
　　該裝置以單片機為核心，輔以弱信號檢測、遠方通訊、鍵盤顯示、電源等主要功能模塊，可實現大型電力變壓器鐵芯電流的精確測量、故障電流限值的分級設定、測量數據實時遠傳等功能。該設計的最大特點就是充分利用新型高集成度芯片，使硬件電路簡潔實用、穩定可靠。圖1為系統結構框圖

　　弱信號檢測——CS5460A
　　大型電力變壓器鐵芯電流正常時為毫安級（幾毫安～幾百毫安）；故障時高達幾十安培。所以要在如此寬的量程范圍中，要實現高精度的測量，是該設計的最大難點。

　　常用的檢測方法：1、弱信號檢測方法——設計中常用的方法是盡可能的采用高精度的A/D芯片或分段測量；2、交流信號檢測方法——根據設計要求可采用專用真有效值測量芯片，精密整流后進行直流測量，使用高速高精度A/D芯片、通過算法實現等三種常用方式。

　　本設計根據監測信號的特點（交流弱信號），采用電度表專用芯片CS5460A做為弱信號檢測的核心芯片。CS5460A是CIRRUS LOGIC公司生產的多功能電子式電度表專用芯片，其具有如下顯著特點：

　　片內功能：可以測量電能，I*V，IRMS和VRMS，具有電能到脈沖-速率轉換功能
　　電能數據線性度：在1000：1動態范圍內線性度為0.1%
　　AC或DC系統校準
　　相位補償
　　片內2.5V參考電壓（最大溫漂60ppm/℃）
　　簡單的三線數字串行接口
　　看門狗定時器
　　內帶電源監視器
　　可以從串行EEPROM智能“自引導”，不需要微控制器
　　具有機械計度器/步進馬達驅動器
　　符合IEC687/1036，JIS工業標準

　　我們在長期使用該芯片的過程中，發現其具有許多適于交流弱信號的檢測的特點，如下：

　　所有結果寄存器為24位二進制格式，在全量程范圍內，可保證16位的轉換精度，此特點可替換低于4KHz轉換速率的高精度A/D
　　電壓和電流通道各有一個高速數字濾波器，此特點可簡化或省略傳統的硬件濾波電路，簡化軟件編程
　　電壓和電流通道各有一個可控制的高通濾波器，此特點可用于交流信號檢測中的直流濾波
　　交流電壓和電流信號可直接轉換成24位的有效值電壓和電流結果，此特點特別適用于交流有效值的高精度測量，可簡化傳統的真有效值測量硬件電路和降低成本
　　有交流、直流和相位校準寄存器，無需任何機械調整，由校準軟件即可完成全部校準工作，此特點可簡化傳統的硬件校準設計和減少軟件編程量
　　簡單的三線數字串行接口，適于使用CPU的微控制系統
　　符合IEC687/1036，JIS工業標準，適于工業環境使用，抗干擾能力強
　　極高的性價比

　　在本設計中，我們充分發揮CS5460A的這些特點，只分兩段量程（1mA～5000mA和 50mA～50A），就在1mA～50A的量程范圍內實現了高精度的交流電流測量。

　　圖2為弱信號檢測電路，其中電流互感器為SCT259B（50A/2mA），R1為精度0.1%的金屬膜電阻，CS5460A使用內部電壓基準，改變R8和R9的阻值可調節電源電壓監控值，信號調節部分為斬波運放ICL7650組成的雙量程弱信號放大電路（詳圖略）。

　　圖2所示的電路中，我們使用的是CS5460A的電流輸入通道，未使用的電壓通道短接至模擬地，因為CS54610A經過校準后，其電流通道的雙極性偏移誤差和滿量程誤差低于0.001%F.S.，而電壓通道的雙極性偏移誤差和滿量程誤差低于0.01%F.S.，明顯高一個量級。

鍵盤顯示——ZLG7289A
　　由于該裝置一般在室外使用，溫差比較大，因此決定使用LED數碼管顯示。在比較了各種LED數碼顯示和鍵盤驅動方案后，我們選擇ZLG7289A做為鍵盤顯示的驅動芯片。

　　ZLG7289A是廣州周立功單片機發展有限公司的產品，功能上完全替代8279、HD7279A、BC7281、SL279等鍵盤顯示驅動芯片，且價格相當低廉（低于￥10）。該芯片是一片具有串行接口的，可同時驅動8位共陰式數碼管（或64只獨立LED）的智能顯示驅動芯片，它同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。

　　在本設計中，我們使用該芯片設計的8位LED顯示和4鍵鍵盤，具有硬件電路簡單、占用CPU的I/O口少、軟件編程簡單等優點。

　　圖3為鍵盤顯示電路，其中必須注意的是，ZLG7289A需要外接一晶體振蕩電路（不能使用RC振蕩電路）。

CPU——AT90S8515
　　在本設計中，需要的RAM較多，且需要保存一些設置參數，如果選用普通的C51和C52系列單片機，則需要外擴RAM和EEPROM，為簡化電路，我們選用了Atmel公司的AT90S8515作為微處理器。