小電流接地系統(tǒng)單相接地選線(xiàn)裝置的設(shè)計(jì)

摘 要：本文針對(duì)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，系統(tǒng)的故障特征進(jìn)行了分析。針對(duì)小電流接地故障時(shí)的特點(diǎn)，結(jié)合目前用的較多群體比幅比相原理，提出了一種新的選線(xiàn)原理即過(guò)半選線(xiàn)原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)選線(xiàn)保護(hù)。在此原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了以AT89C51單片機(jī)為核心的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線(xiàn)裝置，詳細(xì)論述了該裝置的實(shí)現(xiàn)原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其軟件與硬件實(shí)現(xiàn)方法。該裝置靈敏性和可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)能夠正確區(qū)分母線(xiàn)和線(xiàn)路故障，準(zhǔn)確地選出故障線(xiàn)路，具有一定理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：小電流；單相接地；過(guò)半選線(xiàn)；單片機(jī)；

文章編號(hào)：1674-3520（2015）-12-00-01

我國(guó)接地保護(hù)和選線(xiàn)裝置經(jīng)歷了繼電器式產(chǎn)品、半導(dǎo)體集成電路裝置、微機(jī)裝置的發(fā)展階段。但是，很多裝置因?yàn)閿?shù)據(jù)采集速度慢，或者因?yàn)閿?shù)據(jù)計(jì)算處理、選線(xiàn)速度無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，在靈敏度和可靠性方面尚欠理想，裝置在實(shí)際使用中的表現(xiàn)不能令人滿(mǎn)意。

基于工控機(jī)技術(shù)的小電流故障選線(xiàn)裝置雖然具有速度快、內(nèi)存大、硬盤(pán)大等優(yōu)點(diǎn)，但是由于存在易損元件、環(huán)境適應(yīng)性差、成本較高，不利于該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步推廣。相反，采用單片機(jī)控制不僅能夠大大降低成本，而且可以提高裝置的可靠性。單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，這為基于單片機(jī)控制的小電流故障選線(xiàn)裝置的實(shí)現(xiàn)提供了非常好的硬件基礎(chǔ)。所以，進(jìn)一步深入研究裝置的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方式是十分有必要的。

本設(shè)計(jì)內(nèi)容共分三個(gè)部分：第一，主要對(duì)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，分別分析了中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的情況；第二，主要對(duì)目前各種算法的優(yōu)、缺點(diǎn)及適用條件進(jìn)行分析，通過(guò)分析提出了一種新的更有效的選線(xiàn)原理，即過(guò)半選線(xiàn)；第三，論述了基于AT89C51單片機(jī)的小電流接地選線(xiàn)裝置的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，重點(diǎn)介紹了小電流選線(xiàn)裝置的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方式。

一、小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單向接地故障時(shí)，由于故障電流很小，而且線(xiàn)電壓仍然保持對(duì)稱(chēng)，對(duì)負(fù)荷的供電沒(méi)有影響，因此一般情況下保護(hù)不必立即動(dòng)作于斷路器跳閘，可以繼續(xù)運(yùn)行1～2h。但是，在單相接地以后，其他兩相的對(duì)地電壓要升高為原來(lái)的倍。為了防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地短路，保護(hù)應(yīng)及時(shí)發(fā)出信號(hào)，以便運(yùn)行人員采取措施予以消除。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地電網(wǎng)單相接地時(shí)有以下特征：1、故障相對(duì)地電壓為零，非故障相對(duì)地電壓升至線(xiàn)電壓，電網(wǎng)出現(xiàn)零序電壓，其大小等于電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的相電壓。這一特點(diǎn)與中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)相同。2、消弧線(xiàn)圈兩端的電壓為零序電壓，只經(jīng)過(guò)接地故障點(diǎn)和故障線(xiàn)路的故障相構(gòu)成回路，不經(jīng)過(guò)非故障線(xiàn)路。3、當(dāng)采用過(guò)補(bǔ)償方式時(shí)，流經(jīng)故障線(xiàn)路的零序電流等于本線(xiàn)路的對(duì)地電容電流和接地點(diǎn)殘余電流之和，其方向和非故障線(xiàn)路零序電流一樣均由母線(xiàn)指向線(xiàn)路，且相位一致，因此，無(wú)法利用方向的不同來(lái)判別故障線(xiàn)路和非故障線(xiàn)路。再者由于補(bǔ)償后殘余電流較小，因而也很難利用電流大小的差別來(lái)判別故障線(xiàn)路和非故障線(xiàn)路。

二、裝置硬件設(shè)計(jì)的抗干擾措施

抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則是：抑制干擾源；切斷干擾傳播途徑；提高敏感元件的抗干擾性能。在硬件系統(tǒng)的印制電路板設(shè)計(jì)階段，關(guān)鍵是要使布線(xiàn)正確合理。此外，電源濾波、模擬線(xiàn)與數(shù)字線(xiàn)分離等也是不容忽視的。常用的硬件抗干擾技術(shù)可歸納為以下幾種：1、硬件濾波：RC濾波器可以大大削弱各類(lèi)高頻干擾信號(hào)。如可以抑制“毛刺”干擾。2、合理接地：對(duì)于高速的數(shù)字和模擬電路系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，具有一個(gè)低阻抗、大面積的接地層是很重要的。3、屏蔽措施：用金屬殼體把上述器件包圍起來(lái)，再接地，這對(duì)屏蔽通過(guò)電磁感應(yīng)引起的干擾非常有效。4、光電隔離：光電隔離器可以有效地避免不同電路板間的相互干擾。

三、系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)

在控制軟件的編寫(xiě)中所應(yīng)遵循的一個(gè)重要原則就是軟件要最大限度地與硬件配合，充分發(fā)揮各自的效能以滿(mǎn)足不同的控制系統(tǒng)的需要。原則上，在系統(tǒng)允許的情況下，盡可能采用軟件，減少硬件的使用。

（一）軟件流程總體框架。模塊化、分層分級(jí)是軟件設(shè)計(jì)的基本思想，這樣可以提高系統(tǒng)軟件維護(hù)與升級(jí)的效率。根據(jù)功能與設(shè)計(jì)要求，軟件可分為三大塊：數(shù)據(jù)采集、總線(xiàn)通信和故障選線(xiàn)。

（二）單片機(jī)通信

單片機(jī)通信程序一般采用中斷方式與微機(jī)通信，當(dāng)單片機(jī)收到微機(jī)發(fā)送的地址信號(hào)時(shí)，便轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，向微機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)

（三）軟件抗干擾措施。所謂“軟件容錯(cuò)”是指系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，軟件本身具有一定的容忍錯(cuò)誤的能力，即系統(tǒng)運(yùn)行雖然發(fā)生錯(cuò)誤，但可以不必停機(jī)修改硬軟件，系統(tǒng)仍能正確執(zhí)行預(yù)定的操作。下面給出幾種有效的軟件抗干擾方法：1、數(shù)字濾波：模擬輸入信號(hào)的噪聲可以通過(guò)數(shù)字濾波加以消除。2、設(shè)置陷阱：當(dāng)程序受干擾跳到此區(qū)域時(shí)，在那里用專(zhuān)門(mén)程序?qū)Τ鲥e(cuò)程序進(jìn)行處理。3、指令冗余：可以防止當(dāng)系統(tǒng)受干擾程序跑飛時(shí)，將程序自動(dòng)納入正軌。

四、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

基于過(guò)半選線(xiàn)原理都小電流接地選線(xiàn)技術(shù)迎合了變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向。本文提出了基于51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方式的裝置軟硬件設(shè)計(jì)方案，并加以實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明過(guò)半選線(xiàn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式是確實(shí)可行的。過(guò)半選線(xiàn)技術(shù)在配網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域都將會(huì)有越來(lái)越廣闊的前景。最終目標(biāo)是把變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)與小電流選線(xiàn)技術(shù)融為一體。其主要特點(diǎn)是共用一套硬件，使小電流選線(xiàn)系統(tǒng)不再擁有單獨(dú)的硬件，完成之后既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，又增加了功能，將明顯降低造價(jià)。

五、結(jié)論

本文簡(jiǎn)要的分析了小電流接地方式的性能以及小電流接地系統(tǒng)單相接地的故障機(jī)理，指出了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線(xiàn)的重要性。針對(duì)小電流接地故障時(shí)的特點(diǎn)，結(jié)合目前用的較多群體比幅比相原理，提出了一種新的選線(xiàn)原理即過(guò)半選線(xiàn)原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)選線(xiàn)保護(hù)。此種選線(xiàn)方法可以很好的解決選線(xiàn)的難度問(wèn)題。在此原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了以AT89C51單片機(jī)為核心的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線(xiàn)裝置，詳細(xì)論述了該裝置的實(shí)現(xiàn)原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其軟件與硬件實(shí)現(xiàn)方法。該裝置靈敏性和可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)能夠正確區(qū)分母線(xiàn)和線(xiàn)路故障，準(zhǔn)確地選出故障線(xiàn)路。

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