基于单片机的中性点不接地系统单相接地故障选线方案设计.docx

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基于单片机的中性点不接地系统单相接地故障选线方案设计

毕业设计

基于单片机的中性点不接地系统

课题名称：

单相接地故障选线方案设计

学生姓名与学号：

王大义143220147

所在院系：

电气信息工程学院

专业年级：

电气工程及其自动化2014级专升本

指导教师及职称：

张柳芳副教授

填表日期:

2015年月日

平顶山学院教务处制

目录

第一章绪论3

第二章中性点不接地系统单相接地故障分析5

2.1电力系统中性点接地方式介绍5

2.1.1中性点不接地6

2.1.2中性点经消弧线圈接地6

2.1.3中性点经高阻接地7

2.2中性点不接地单相接地故障特征8

第三章选线的设计理论12

3.1设计理论12

3.2设计需要的元件12

第三章选线的硬件电路和软件程序框图13

4.1选线硬件电路13

4.1.1电路原理图13

4.1.2电路分析13

4.2程序设计14

4.3工作过程14

第四章总结15

参考文献16

致谢17

摘要

中性点不接地系统在提高供电可靠性上具有优越性，所以在我国得到了广泛应用。

该系统发生单相接地故障的机率最高，当发生单相接地故障时，如不能及时选择故障相线路，并及时切除其线路，就会发生两点或多点接地短路。

就会危及整个系统的安全。

本文就是以在了解中性点不接地系统发生单相接地故障时系统参数变化为设计依据，以单片机为核心元件，把在中性点不接地系统发生单相接地故障时，能及时反映故障线路是在哪一条线路上，并且能发生报警和显示功能。

关键词：

中性点不接地系统，单相接地故障，选线

第一章绪论

我国6~63kV电力系统普遍采用中性点不接地的运行方式。

随着系统规模的扩大和供电范围的增加，电网的电容电流越来越大，为了防止系统在发生漏电故障时大电容电流可能引发的严重后果，部分企业采用了中性点经消弧线圈接地的中性点运行方式，以期利用故障时消弧线圈上的电感电流抵消电网中的电容电流，达到减小故障电流幅值，增加系统安全性的目的。

该系统在发生单相接地故障时是可以允许运行一到两小时，但是长时间运行，会使系统发生两点或多点接地短路。

为了避免发生两点或多点短路，在这故障运行一小时的时间内，要尽快切除故障相。

为了更加有效的，快速的切除故障相。

中性点不接地系统运行方式多样，线路结构多变，故障情况复杂，单相接地故障电流仅为线路对地电容的残流，数值非常小，故障特征不明显。

长期以来，中性点不接地电网的单相接地故障，由于缺少可靠地故障线路选择方法，许多企业不得不用人工拉路的方法选择故障相线路，。

人工拉路会导致大面积停电，这样对于一些要求高一点的负荷，达不到要求。

更对电网智能化没有提高。

所以，电力部门迫切希望能够开发可靠实用的中性点不接地单相接地故障选线方案。

对于这个问题，从上世纪80年代中期就已经有研究了，到现在为止已经有好多方法了。

对于采用微型计算机为主要元件的选线方案也有，但是单片机很少用于大型工程选线。

本文就以单片机为主要元件，单片机用的是stc89c52的单片机。

第二章中性点不接地系统单相接地故障分析

为了保证配电网连续和可靠供电，单相接地故障发生后需要及时识别出故障线路，并进行故障处理，为此首先应该对中性点不接地系统单相接地故障时的故障特征有清晰的认识，在此基础上形成有效的选线判据。

本章详细地分析了中性点不接地系统发生单相接地故障时故障电流的稳态量，为选线判据的提出提供了理论依据。

2.1中性点不接地单相接地故障特征

中性点不接地系统发生单相接地故障时，系统的电压·电流发生变化，对其进行分析，根据分析计算，得到结论，以便更好的提供选故障线路的方法。

下面就来分析一下。

如图2-1所示为最简网络接线图，在正常运行情况下，三相对地有相同的电容Co，在相电压的作用下，每相都超前于相电压900的电容电流流入大地。

中性点电压为0。

图2-1A相单相接地简单网络接线示意图

假设A相发生单相接地故障，则A相对地电压为0，对地电容被短接。

其他两相电路的对地电压变为原来的

倍，对地电容电流也增大为原来的

倍，A相单相接地故障向量图如图2-2所示

图2-2A相接地的向量图

在图中可以看出发生单相接地故障后，系统的三相的负荷电流和线电压依然对称，所以只需分析对地关系变化。

在A相发生单相接地后，各相对地电压关系为：

（式2-1）

（式2-2）

（式2-3）

故障点处的零序电压为：

（式2-4）

即故障点处的零序电压为正常运行时的相电压。

刚才分析了对地电压，接下来分析对地的电容电流。

如图2-3为系统单相接地时故障相和非故障相的对地电容电流。

对于非故障线路I来说，其三相电容电流各为：

（式2-5）

（式2-6）

（式2-7）

式中：

，

，

分别是线路I中的A,B,C各相的对地电容电流；

分别是故障电网中的A相和B相对地电压，

为电网的角频率（

），

是线路的单相对地电容。

因此，非故障线路I的基波零序电流为：

（式2-8）

式中：

为线路I的基波零序电流；

为中性点的零序电压。

由式（2-8）得，非故障线路I的零序电流的大小等于该线路本身的对地电容电流，方向由母线流向线路，相位超前零序电压90。

。

对于故障线路

来说，接地电流

为：

（式2-9）

故障相线路的电容电流仍然用同样的方法求得，只是故障相线路的电容电流不在为零。

此时。

三相得电容电流值分别是：

（式2-10）

（式2-11）

（式2-12）

故障线路III的基波零序电流为：

（式2-13）

将（2-10），（2-11），（2-12）带入到（2-13）中，化简得到

（式2-14）

式（2-14）表明故障线路的零序电流大小等于所有非故障线路零序电流的向量和，方向由线路流向母线。

相位与非故障线路零序电流相反，滞后于零序电压90。

。

综上所述可以总结分析中性点不接地系统发生单相接地故障时的结果，可以得到如下结论：

（1）在发生单相接地时，故障相对地电压为零，非故障相对地电压为电网的线电压，全系统出现零序电压，它的大小等于电网正常时的相电压。

（2）在非故障线路上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，方向由母线流向线路，相位超前零序电压90。

。

（3）在故障线路上，零序电流为全系统所有非故障线路的零序电流的相量和，数值一般较大，方向由线路流向母线，相位与非故障线路零序电流的相反，滞后于零序电压90。

。

（4）接地故障处的电流大小等于所有线路的接地电容电流的总和，并超前零序电压90。

。

第三章选线的设计理论

所谓选线就是选择正确的选出故障线路，而不是选择故障相线路，就是一个电力网的几条线路中有一条或多条线路出现单相接地故障，这个时候就要通过一些手段把这一条或多条线路找出来，这样的过程就是我们的设计方案。

因此我们要选择单片机通过一些电路，再通过程序把故障线路选出来，这个任务就完成了。

运用单片机在几条线路中检测出一条是故障线路，然后经过对比，选出唯一的故障线路。

3.1设计理论

在中性点不接地系统中，发生单相接地故障时，故障线路的对地电容电流是所有非故障线路之和，其值最大，且相位与其他的非故障线路相反。

通过对对地电容电流的幅值与相位比较，可以找到故障线路。

为了更好地执行这一理论，我们用了最小的分贝的采样保持器，这样可以更好的提高精确程度，保证不误动作和无误操作，更好的达到这一效果。

那么原理很简单，但是要实现就不是这么容易的，要保证选择是最大的对待电容电流。

而且在相位上也要不同，假如说就两条线路，一条故障，那么故障线路和非故障线路的对地电容电流大小是相等的，这个时候，就要利用相位相反这个结论了。

因此我们的程序就要围绕着这两点来写。

这就是本次设计的原理分析，下面我们来看看要实现这一理论需要的电气元件。

3.2设计需要的元件

要实现以上理论，首先需要的就是一个STC89C52单片机（加最小系统）；然后需要几个电流互感器（有几条线路就需要几个）；还要一个多路转换开关；几个采样保持器（有几条线路就需要几个）；一个信号放大器；一个A/D转换器；信号调理电路也需要。

这些都是输入的元件。

还有输出元件，有LED灯；报警器等。

3.3单片机结构

本文就是以单片机为主要元件，单片机用的是stc89c52的单片机。

对于这种单片机的系统很稳定，所以使用这种单片机不用担心最小系统出现问题。

该单片机的结构图如图1-1所示，实物图如图1-2所示。

图1-1单片机结构图

图1-2单片机实物图

第3章选线的硬件电路和软件程序框图

在第三章中我们了解了选线的原理和选线所需要的元件，那么如何利用这些元件完成快速选线呢，这一章就告诉大家如何快速选线。

4.1选线硬件电路

4.1.1电路原理图

如图4.1所示，就是选线的电路原理图。

图4.1

4.1.2电路分析

我们的目的是为了选出故障线路，是利用第三章的选线原理来进行选线的，那么就看看分析电路原理图。

本电路由三个系统组成，1、信号采集和输入系统；2、信号处理及逻辑判断系统；3、信号输出及报警系统。

我们以此来看这三个系统。

1、信号采集和输入系统

首先要采集对地电容电流，要进行用到电流互感器，因为线路上的故障电流是很大的，而我们用的信号保持电路还有其他的电器元件都是电子式的，通过的电流很小，所以必须要用到电流互感器。

因为电信号不能保存，所以采集完对地电容电流以后就要立刻送到采样保持器中进行保持原有的电信号，如果采集到的电流信号不是很好，有一些波动，就要有信号调理电路来把采集到的电流信号调理成没有波动的信号，传输到保持器中。

采样的过程很重要，因为要保证不出现误动作精确的找到故障线路，所以采样过程样精确无误，以免出现错误导致失败。

那么这样就要选择合适的误差的电流互感器，选择了好的电流互感器才能更好的解决其他问题。

采样保持器

信号如果有波动也会出现其误动作的可能，因为尖峰脉冲是很大的。

就要在互感器后面加上一个信号处理电路，把互感器二次侧可能出现尖峰脉冲消除，以免误动作。

因为电流信号不宜保持，所以就要有采样保持器来完成保持的作用，以确保什么时候什么地点都能快速提供信号。

在采集完信号以后，则要输入到单片机中了，但是单片机只认识0和1，不认识其他的任何东西，因此再输入到单片机的过程当中，要再加入一个A/D转换器。

要是信号分开进入单片机，加上多路转换开关（至少两路）。

2、信号处理和逻辑判断系统

该系统是最重要的部分，就是利用单片机的功能，加上程序的设计，能够很在以上问题圆满完成的情况下，能够如何能够快速的分应故障线路，并且达到魔种效果。

就以这种看法，把这个更好的完成。

3、信号输出和报警系统

这个系统更加简单，就是把这些信号通过单片机中程序处理过后输出，如果线路有故障，就通过一些报警装置发出报警。

通过以上对三个系统的分析，可以看出这个三个系统是互相扶持，相互依靠。

4.2程序设计

如果这个硬件电路要是能够运行，这样的话，就要通过程序了。

要不硬件电路就没有实质性的意义了。

所以程序设计一定要有的。

通过第三章的理论分析可以看出，这个程序看上去不难理解。

但是要写下来就有些困难，所以我们只需要画出简单的程序框图就可以了。

程序框图如图4.1：

4.1程序框图

4.3工作过程

程序设计和电路设计结合起来看，可以分析一下该系统的工作过程。

首先是对地电容电流的采集，通过电流互感器把其按比例转换到电子式可以接受的大小，为了避免误动作，把信号波形处理好，送到采样保持器中。

通过多路转换开关把多路信号分别输送到单片机中去，在输送到单片机中之前，还要加上A/D转换器。

然后通过单片机中的程序设计更加快速地选择出故障线路，然后线路之中如果有故障线路就立即发出报警信号，如果线路中没有故障就继续运行。

4.4按键

4.5时钟与复位

图14时钟电路

图15复位电路

第四章总结

通过对中性点不接地系统发生单相接地故障的理论分析，我们发现它的故障线路和非故障线路的对地电容电流有不同的地方。

首先是大小，故障线路的对地电容电流比非故障电容电流大，是非故障线路电流的向量之和。

而且相位之间也相差了180度。

然后通过出现的差距设计程序，利用硬件电路把故障线路选择出来。

本设计方案简单可靠，有利于实际运用上。

主要是能够实现选线。

基本完成了选线方面的各种要求。

因此设计应该基本满足要求。

参考文献

[1]张颖.基于注入有功电流的配电网单相接地选线研究[D].济南大学,2012.

[2]龚静. 基于FTU的小电流接地系统单相接地故障选线研究及实现[D].湖南大学,2004. 

[3]胡佐. 小电流接地系统单相接地故障选线方法与应用技术研究[D].湖南大学,2006. 

[4]李明. 小电流接地故障选线算法研究及装置实现[D].燕山大学,2013. 

[5]肖鑫. 小电流接地系统单相接地选线算法研究及选线装置实现[D].燕山大学,2014. 

[6]廖亮. 小电流接地系统单相接地故障选线研究[D].电子科技大学,2012.

[7]马姗姗.基于双CPU系统的小电流接地选线装置的研究[D].山东大学,2007.

致谢

毕业论文暂告收尾，这也意味着我在大学生活既将结束。

回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。

在这两年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。

这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。

本次设计中，非常感谢张柳芳教授在我大学的最后学习阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到制图、写作、修改，再到论文定稿，老师给了我耐心的指导和无私的帮助。

为了指导我们的毕业论文，她放弃了自己的休息时间，她的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他门表示我诚挚的谢意。

同时，感谢所有任课老师和所有同学在这两年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，如何做人。

正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示由衷的谢意。