10kV中性點不接地配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置的分析與設計
10kV中性點不接地配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置的分析與設計,10,kv,中性,接地,配電網(wǎng),系統(tǒng)故障,檢測,裝置,分析,設計
編號：
畢業(yè)設計任務書
題 目：10kV中性點不接地配電網(wǎng)系
統(tǒng)故障檢測裝置的分析與設計
學 院： 機電工程學院
專 業(yè)： 電氣工程及其自動化
學生姓名： 陸 劉 君
學 號： 1161120120
指導教師單位： 機電工程學院
姓 名： 范 興 明
職 稱： 教 授
題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設計 ¨工程技術研究 ¨軟件開發(fā)
2015年12月28日
注：1、本任務書一式一份，院辦留存，發(fā)給學生電子稿，任務完成后附在
說明書內(nèi)。
2、任務書均要求打印，打印字體和字號按照《本科生畢業(yè)設計（論文）統(tǒng)一格式的規(guī)定》執(zhí)行。
3、以下標題為四號仿宋體、加粗，正文中文用小四宋體，英文用小四Times New Roman，日期采用阿拉伯數(shù)字。
4、“一、畢業(yè)設計（論文）的內(nèi)容、要求”位于頁面最頂端，“任務下達時間”位于新頁面最頂端。
5、請不要修改最后一頁（即“任務下達時間”所在頁的內(nèi)容）
一、畢業(yè)設計（論文）的內(nèi)容
1、復習并學習電力系統(tǒng)分析課程中關于電力系統(tǒng)短路和中性點接地方式章節(jié)相關理論知識，掌握10kV電力系統(tǒng)短路過程及電流和電壓變化過程，了解中性點不接地系統(tǒng)故障檢測的基本原理與目前常用的實現(xiàn)方法，了解目前所用裝置的工作原理、基本結構和性能特征；
2、學習和掌握查閱科技文獻的主要途徑，查找并仔細閱讀10kV配電系統(tǒng)故障檢測的基本方法，分析現(xiàn)有檢測手段和裝置種類和工作原理，通過科技論文、技術資料的檢索和閱讀，了解并掌握10kV性點不接地系統(tǒng)故障檢測的原理、常用方法和研究與發(fā)展狀況；
3、根據(jù)畢業(yè)設計題目和要求，深入分析10kV性點不接地系統(tǒng)故障檢測檢測裝置的結構原理、工作方式和控制方法，學習現(xiàn)有高壓電氣系統(tǒng)過電流檢測與報警的實現(xiàn)方法，根據(jù)分析結果進行與畢業(yè)設計題目和研究內(nèi)容相關的必要的電路或者模型仿真，最終制定畢業(yè)設計的實施方案；
4、根據(jù)前期工作和計劃研究方案，設計并開發(fā)10kV性點不接地系統(tǒng)故障檢測裝置模擬樣機，并對樣機進行各部分功能測試，與研究方案進行對比分析，反過來對實施方案和仿真模型進行修訂和完善，進一步指導實際樣機的實現(xiàn)，完善樣機的測試工作。
二、畢業(yè)設計（論文）的要求與數(shù)據(jù)
1、分析10kV中性點不接地系統(tǒng)的運行方式，對該系統(tǒng)的短路和單項接地故障進行必要的理論分析，并進行必要的仿真建模；
2、設計并研制10kV中性點不接地系統(tǒng)故障檢測裝置原理圖和PCB電路板圖，進行相應測試和實驗；
3、要求檢測0-30A零序電流范圍，制作可供演示的模擬樣機，并進行系統(tǒng)測試。
三、畢業(yè)設計（論文）應完成的工作
1、根據(jù)畢業(yè)設計任務書中的研究內(nèi)容和要求，完成二萬字左右的畢業(yè)設計說明書（論文），要求內(nèi)容翔實，有必要的系統(tǒng)原理、實施方案、必要的模型仿真、系統(tǒng)設計和實驗過程及樣機功能驗證；在畢業(yè)設計說明書（論文）中必須包括詳細的300-500個單詞的英文摘要。
2、獨立完成與課題相關，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）；具體要求為：翻譯材料要與畢業(yè)設計內(nèi)容相關，為了準確性作者姓名可以不翻譯，參考文獻可以不翻譯，但所翻譯的字符數(shù)應達到規(guī)定要求。
3、完成中性點不接地系統(tǒng)接地故障檢測裝置的設計方案，要求圖表資料齊全。
4、計算機繪制相關硬件的原理圖、電氣安裝接線圖、制版圖等；
5、設計出系統(tǒng)的硬件和相應軟件并完成其調(diào)試；
6、根據(jù)課題任務與要求，做出可供演示的模擬樣機，并進行系統(tǒng)測試。
四、應收集的資料及主要參考文獻
[1] 王青,韋光慶. 中性點不接地系統(tǒng)中幾種電壓不平衡現(xiàn)象的分析[J]. 安慶師范
學院學報(自然科學版),2001，7（3）：22-24.
[2] 黃日淵．變壓器中性點不接地系統(tǒng)的分析[J] ．韶關大學學報(自然科學版)，
1999，20（4）：64-69.
[3] Muench, F.J.Wright,G.A.Fault Indicators: Types, Strengths & Applications[J].
IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1984,VolPAS-103
（12）:3688 – 3693.
[4] 曾育彬. 變壓器中性點接地短路分析[J].電機電器技術, 2004,(4)：23-26.
[5] 陳鴻基．中性點不接地系統(tǒng)的一種消諧方法[J]．廣東電力，1999，12(4)：31-32.
[6] 施偉斌．基于10kV小電阻接地系統(tǒng)的架空線路接地故障指示器[J]．低壓電器，2007，
13:34-36.
[7] 穆大慶,尹項根,甘正寧. 中性點不接地系統(tǒng)中單相接地保護的新原理探討[J].
長沙電力學院學報(自然科學版) , 2005,20(01)：6-9.
[8] 黃堅明. 110kV變壓器中性點接地方式與零序保護配置[J].電力自動化設備,
1999,19(06)：64-66.
[9] 陳代云,金蕾.對變壓器零序保護實現(xiàn)方式的探討[J].繼電器,2001, 29(1)：50-54.
[10] 張斌，袁欽成，袁月春．配電線路故障指示器現(xiàn)狀分析[J]. 供用電，2005，22(5):
29-30.
[11] 徐永遠，徐彥素.10kV線路接地故障指示器的安裝[J].農(nóng)村電氣化，2006，4:27-28.
五、試驗、測試、試制加工所需主要儀器設備及條件
計算機1臺，示波器，單片機開發(fā)系統(tǒng)
任務下達時間：
2015年12月28日
畢業(yè)設計開始與完成時間：
2015年12月28日至 2016年05 月22日
組織實施單位：
教研室主任意見：
簽字： 2015年12月30日
院領導小組意見：
簽字： 2015年12月31日
編號：
畢業(yè)設計(論文)開題報告
題 目：10kV中性點不接地配電網(wǎng)系
統(tǒng)故障檢測裝置的分析與設計
學 院： 機電工程學院
專 業(yè)： 電氣工程及其自動化
學生姓名： 陸 劉 君
學 號： 1161120120
指導教師單位： 機電工程學院
姓 名： 范 興 明
職 稱： 教 授
題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設計 ¨工程技術研究 ¨軟件開發(fā)
2016年3月01日
開題報告填寫要求
?
1．開題報告作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導教師簽署意見審查后生效。
?2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫，或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見。
?3．學生查閱資料的參考文獻應在10篇及以上（不包括辭典、手冊），開題報告的字數(shù)要在1000字以上。
?4．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。
?5．“指導教師（簽字）”日期填寫成在2016年03月01日~ 04日之間的某個日期；“開題小組組長（簽字）”日期填寫成在2016年03月4日~6日之間的某個日期。
1.畢業(yè)設計的主要內(nèi)容、重點和難點
研究內(nèi)容
故障檢測裝置安裝在架空線、環(huán)網(wǎng)柜、箱變、電纜、電纜分支箱里，用來指示故障電流的通路。線路發(fā)生故障后，巡線人員可以借助檢測裝置的報警顯示，快速確定發(fā)生故障區(qū)段 ，找出故障點。與此同時，故障檢測裝置能夠做到實時檢測線路的運行狀態(tài)和發(fā)生故障的地點，比如送電、停電、接地、短路、過流等。在線路運行狀態(tài)發(fā)生變化時迅速告知值班人員，做出處理決定，可以極大地提高供電可靠性、提高用戶的滿意度 。
配電網(wǎng)系統(tǒng)中，線路分支很多，運行方式較復雜，線路的管理、維護工作量很大。發(fā)生故障時檢查費時費力，導致供電可靠性較低。而故障檢測裝置能夠彌補上述輸電故障查詢的不足，省時省力，為快速查詢故障點，快速恢復供電提供有力的保障。
研制適用于10 KV配電網(wǎng)中性點不接地系統(tǒng)的，能夠正確反映接地故障、短路故障的故障檢測裝置，采用故障檢測裝置和零序互感器組合方式，反映零序電流突變，并和繼電檢測接地動作和線路重合閘相匹配，確保系統(tǒng)接地故障引起跳閘后，故障檢測裝置能夠正確動作，能自動或手動復位。
我國生產(chǎn)故障檢測裝置的企業(yè)及相關技術的發(fā)展歷史都不長，但是，在科技高速發(fā)展的推動下，故障檢測裝置的生產(chǎn)規(guī)模日益擴大，產(chǎn)品技術含量越來越高，能針對用戶的需求生產(chǎn)出相應的產(chǎn)品，新產(chǎn)品的推出頻率也越來越高，有些產(chǎn)品已達到國際先進技術水平。
（1）通過科技論文、技術資料的檢索，調(diào)研10kV中性點不接地系統(tǒng)的運行方式，了解中性點不接地系統(tǒng)及地故障特征和檢測方法；
（2）分析中性點不接地系統(tǒng)接地故障特征，給出仿真分析波形，并對仿真結果進行分析；設計并實現(xiàn)中性點不接地系統(tǒng)故障監(jiān)測裝置樣機；
（3）通過分析確定裝置的設計的方案，并制定技術路線；
（4）通過仿真驗證方案的可行性，制作控制器樣機并給出初步的試驗結果。
研究重點及難點
重點
（1）了解電壓電流互感器的結構及原理，掌握高電壓大電流的精確檢測采集及數(shù)據(jù)處理方法；
（2）掌握A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集功能，熟悉微處理器的基本功能；
（3）了解斷路器的結構及原理特性，控制驅(qū)動電路使裝置能夠檢測0-30A零序電流出現(xiàn)的故障并動作。
難點
（1） 電力系統(tǒng)在運行的過程中會出現(xiàn)各種各樣的狀況，有正常和不正常的，電流也比較復雜，要區(qū)分正常運行的電流電壓特性、合閘操作的電流電壓特性和故障的電流電壓特性；
（2） 裝置在復雜的電磁環(huán)境下工作應有較強的抗干擾能力，使保護裝置能在正常操作下不動作以及在故障狀態(tài)下可靠動作以實現(xiàn)系統(tǒng)可靠安全運行。
2.準備情況（查閱過的文獻資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設備、實驗條件等）
查閱過的文獻資料
[1] 王承玉，海濤，陳勇等.配電網(wǎng)自動化開關設備[M].北京：中國電力出版社，2007.101-109
[2] 高研,畢銳, 楊為, 等. 分布式發(fā)電對配電網(wǎng)繼電檢測的影響[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2009,25(4):
[3] Muench, F.J.Wright,G.A.Fault Indicators: Types, Strengths & Applications[J].
IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1984,VolPAS-103
（12）:3688 – 3693.
[4] 曾育彬.變壓器中性點接地短路分析[J].電機電器技術,2004,(4):23-26.
[5] 陳鴻基．中性點不接地系統(tǒng)的一種消諧方法[J].廣東電力，1999,12(4):31-32.
[6] 施偉斌．基于10kV小電阻接地系統(tǒng)的架空線路接地故障指示器[J].低壓電器,2007,
13:34-36.
[7] 穆大慶，尹項根，甘正寧.中性點不接地系統(tǒng)中單相接地保護的新原理探討[J].長沙
電力學院學報(自然科學版),2005,20(01):6-9.
[8] Yasin Zuhaila Mat, Rahman Titlik Khawa Abdul. Influence of distributed generation on distribution
network performance during network reconfiguration for service restoration[C]. First International
Power and Energy Conference, (PEC on 2006) Proceedings, Putrajaya Malaysia, 2006: 566-570
[9] 牟龍華, 孟慶海. 供配電安全技術[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2003, 8-11.
[10] 張明君, 林敏. 電力系統(tǒng)微機檢測[M]. 第 2 版. 北京, 冶金工業(yè)出版社, 2011.
[11] 楊國福. 電力系統(tǒng)繼電檢測技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 電氣制造, 2007, (7): 36-38.
[12] 宋建成, 梁翼龍等. 礦用隔爆型真空饋電開關中的過電流檢測[J]. 繼電器, 1999, (9).
調(diào)研情況
隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，電力需求迅猛增長，電力網(wǎng)絡也在不斷的擴大，更多的配電設備應用在電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡以及電力設備的安全運行顯的越來越重要，如今電網(wǎng)普遍使用各種檢測保護裝置來保障系統(tǒng)安全可靠運行。
故障檢測裝置是一種安裝在架空線路上、電力電纜及開關柜母線排上，用于指示故障電流通路的裝置。一旦線路發(fā)生短路，巡線人員可借助指示器上的紅色報警顯示，迅速確定故障區(qū)段、分支、及故障點。短路故障以檢測線路相電流越限作為判斷依據(jù)，接地故障以檢測線路零序電流越限作為判斷依據(jù)，均通過指示儀表上的指示燈顯示。指示儀表上的接地指示燈亮，表明發(fā)生單相接地故障；指示儀表上的短路指示燈亮，表明發(fā)生了相間短路故障。
通過查閱科技文獻及調(diào)研，了解10KV配電網(wǎng)中性點不接地系統(tǒng)故障的類型及其特點，以及目前配電網(wǎng)中故障指示器的使用情況，結合本設計的要求，以單片機系統(tǒng)為核心，通過對三相電流和零序電流信號的采集、處理，然后判斷出是否為故障電流，控制燈光給出相應的指示。
現(xiàn)有設備及實驗條件
個人計算機、51單片機開發(fā)板、示波器、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表，開放實驗室。
3.實施方案、進度實施計劃及預期提交的畢業(yè)設計資料
實施方案
10kV配電網(wǎng)中性點不接地系統(tǒng)故障檢測裝置設有三個短路故障傳感器，一個接地故障傳感器，一個讀數(shù)儀表連接導線是電纜或光纜，讀數(shù)儀表中配有時間復位電路及賦值電路接地故障由一個閃光LED燈指示，每根電纜上的短路故障由一個閃光的LED燈指讀數(shù)儀表配有測試/復位按鈕，每一個傳感器由檢測短路及接地故障引起脈沖電流的線圈組成。
如圖1是整體設計框架圖。如圖2是模擬樣機的信號采集與處理過程示意圖。模擬樣機用電流信號發(fā)生器來模擬產(chǎn)生電流互感器二次側的正常運行電流和故障電流，然后
經(jīng)濾波整流，I/V轉(zhuǎn)換保持，A/D采樣，單片機處理，根據(jù)采樣的值與各種狀況相應的
值對比得出電路運行狀況，如果判斷是是系統(tǒng)故障，則立即啟動程序驅(qū)動控制電路給出故障顯示并跳閘切斷電路。
圖1.整體設計框架
圖2模擬樣機的信號采集與處理過程框圖
進度實施計劃
第一階段（2015年12月28日至2016年3月06日）：查找文獻、資料，深入學習10KV配電網(wǎng)中性點不接地系統(tǒng)故障檢測裝置的相關知識，完成開題報告。
第二階段（2016年3月07日至2016年3月13日）：翻譯四萬字符與畢業(yè)設計題目相關的英文文獻。
第三階段（2016年3月14日至2016年3月20日）：根據(jù)故障檢測裝置方案進行器件選型，硬件電路原理仿真，用MATLAB進行故障檢測裝置的仿真、分析，解決出現(xiàn)的問題，進行方案的優(yōu)化。
第四階段（2016年3月21日至2016年4月04日）：根據(jù)硬件原理圖繪制PCB圖，制作硬件并調(diào)試。
第五階段（2016年4月05日至2016年5月22日）：軟件編程，并與硬件進行調(diào)試，根據(jù)課題任務與要求，做出可供調(diào)試的模擬樣機，并進行系統(tǒng)測試。
第六階段（2016年5月23日至2016年5月30日）：完成畢業(yè)設計，提交論文。
預交畢業(yè)設計資料
1) 兩萬字以上的畢業(yè)設計說明書一份；
2) 四萬字符以上的指定英文資料翻譯一份（附英文原文）；
3) 可供演示的系統(tǒng)故障檢測裝置樣機一臺；
4) 本系統(tǒng)軟件源代碼、硬件原理圖紙等資料一套。
5) 設計說明書應說明系統(tǒng)方案的工作原理，給出兩套各有特點的系統(tǒng)實現(xiàn)方案，并選擇其中之一進行詳細設計。設計說明書應詳細說明電流轉(zhuǎn)化為電壓信號電路、精密全波整流電路、低通濾波器電路、單片機最小系統(tǒng)電路等的工作原理、系統(tǒng)硬件電路的工作原理和元器件參數(shù)的計算選擇過程、控制算法并附上全部程序代碼。詳細說明系統(tǒng)驗證實驗中的調(diào)試過程和結果。
指導教師意見
指導教師（簽字）：
2016年3月 日
開題小組意見
開題小組組長（簽字）：
2016年3月 日
院（系、部）意見
主管院長（系、部主任）簽字：
2016年3月 日
- 7 -
編號：
畢業(yè)設計說明書
題 目： 10kV中性點不接地配電網(wǎng)系
統(tǒng)故障檢測裝置的分析與設計
學 院： 機電工程學院
專 業(yè)： 電氣工程及其自動化
學生姓名： 陸 劉 君
學 號： 1161120120
指導教師： 范 興 明
職 稱： 教 授
題目類型：□理論研究 □實驗研究 工程設計 □工程技術研究 □軟件開發(fā)
2016 年 6 月 3 日
桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第II頁
摘 要
配電網(wǎng)系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)在不同運行的條件下有以下幾種分類，分別是：正常運行狀態(tài)、不正常運行狀態(tài)和故障狀態(tài)。配電網(wǎng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，會出現(xiàn)各種類型的不正常運行狀態(tài)和故障，常見的故障為短路故障，短路故障分為三相短路、兩相短路、兩相短路接地和單相短路接地故障四種類型。
針對以上的狀況，本文通過對配電網(wǎng)系統(tǒng)的過流故障的分析，設計線路故障檢測裝置，使10kV中性點不接地配電網(wǎng)系統(tǒng)更加智能化。線路一旦發(fā)生故障，巡線人員可以立即查看故障檢測裝置的警報，快速定位故障區(qū)段位置，從而減少巡線工作人員檢修時的工作量。本文詳細介紹硬件設備的整體設計方案和整體設計過程，給出電路圖和詳細的原理圖。通過模擬樣機的設計檢驗了設計理論的正確性以及裝置判據(jù)的可靠性。
首先通過對短路而產(chǎn)生的過流故障進行分析，給出線路對應的故障判斷依據(jù)。針對不同的故障類型設計出不同樣的解決方案。其次再利用單片機編寫程序，使設計電路簡潔且有效。利用故障檢測裝置的工作原理，更好的分辨出系統(tǒng)的故障類型。硬件設計電路用STC12C5A60S2內(nèi)部的10位A/D采集電路，實現(xiàn)對短路情況的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。通過單片機發(fā)送數(shù)字信號來顯示其故障，再經(jīng)工作人員快速檢測維修電路，以確保用戶能正常使用電。最后，在完成整體設計的基礎上，通過使用模擬樣機的運行，來進行相關的試驗。詳細分析其中的參數(shù)和工作條件。結果表明，檢測裝置在各種條件下，都能以較好的工作達到預期要求。
關鍵詞：中性點；配電網(wǎng)系統(tǒng)；故障檢測裝置；接地故障；短路故障
Abstract
Distribution network system running in actual different operation conditions there are several kinds of classifications, namely: Normal operating statue, abnormal operation statue and fault status. Distribution network at run time, there will be various types of abnormal operation status and fault status. Common failure is short circuit fault, short circuit fault is divided into three phase short circuit,two phase short circuit,two phase short circuit grounding and single phase short circuit grounding fault four types.
In view of the above situation, the paper through the analysis of overcurrent fault in distribution network system, design line fault detection device.10kV neutral point ungrounded distribution network system more intelligently. Once the line fails, inspection staff can immediately view to fault detection device alerts, locating fault section, so as to reduce the maintenance workload for staff.This article detailed describes the overall design of the hardware equipment and the overall design process, and give diagrams and detailed schematics and diagrams. Through a prototype designed to test the theory as well as the criterion of reliability.
First of all analysis the type of overcurrent fault which caused by short circuit , given the fault judgment basis of the line. And then designed different solutions for different fault types. Meanwhile, 51MCU integrated circuit programming, circuit design is simple and effective. By using the working principle of the fault detection device, the fault type of the system is better resolved.Hardware design circuit using STC12C5A60S2 internal 10 bit A/D acquisition circuit, realize the short circuit of analog signals into digital signals.Through the 51MCU to send a digital signal to show its fault, and then by the staff to quickly detect and repair the circuit, in order to ensure that the user can normally use electricity.Finally, on the basis of the completion of the design, by simulating the prototype runs for relevant trials. Detailed analysis of their parameters and conditions of work, the results showed that the detection devices in a variety of conditions, can achieve the desired requirements for good.
Key words: Neutral point;Distribution network system;Fault detecting device; Earth fault;Short circuit fault.
桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 目錄
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 課題背景，目的和意義 1
1.1.1前言 1
1.1.2設計目的 1
1.1.3設計意義 2
1.2 國內(nèi)外系統(tǒng)故障檢測裝置研究近況 2
1.2.1發(fā)展歷史 2
1.2.2發(fā)展方向 3
1.3 本章小節(jié) 3
2 配電網(wǎng)系統(tǒng)故障基本特征分析 4
2.1 配電網(wǎng)中性點不接地方式原理介紹 4
2.1.1中性點不接地方 4
2.1.2中性點單相接地故障 5
2.1.3中性點不接地系統(tǒng)的中性點位移 6
2.1.4中性點不接地系統(tǒng)的特點 6
2.1.5中性點不接地系統(tǒng)的應用范圍 7
2.1.6中性點不接地系統(tǒng)暫態(tài)特征分析 7
2.1.7中性點接地方式性能分析 8
2.2 中性點不接地配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置 9
2.2.1配電網(wǎng)系統(tǒng)短路故障的危害 9
2.2.2配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置工作原理 9
2.2.3配電網(wǎng)故障檢測裝置的特點 10
2.2.4配電網(wǎng)系統(tǒng)相間短路分析 10
2.2.5配電網(wǎng)故障檢測裝置的安裝事宜 11
2.2.6配電網(wǎng)系統(tǒng)故障的的一般類型 12
2.3 電流互感器工作原理 12
3 配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置硬件設計 14
3.1 電路板制作過程 14
3.2 單片機系統(tǒng) 14
3.2.1單片機系統(tǒng)概述 14
3.2.2硬件部分的功能流程分析 14
3.3 硬件部分的整體設計 15
3.4 系統(tǒng)核心電路設計 16
3.4.1電源電路模塊設計 16
3.4.2電流互感器和精密整流濾波處理模塊 17
3.5 單片機芯片的選用及顯示電路的設計 19
3.5.1單片機最小系統(tǒng) 19
3.5.2復位電路和系統(tǒng)時鐘電路 20
3.6 LCD1602液晶顯示模塊 20
3.7 對模擬樣機部分的制作與調(diào)試 21
4 配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置的軟件設計 24
4.1 軟件部分設計 24
4.2 系統(tǒng)軟件整體設計 24
4.2.1 A/D采樣主控模塊 25
4.2.2 ABC相故障檢測模塊 25
4.2.3 LCD1602液晶顯示與人機交互模塊 25
4.3 本章小結 26
5 結論 27
謝 辭 28
參考文獻 29
附錄一 電源電路原理圖及PCB 30
附錄二 精密整流濾波電路原理圖及PCB 32
附錄三 基于STC12C5A60S2單片機故障檢測裝置原理圖及PCB 34
附錄四 基于STC12C5A60S2單片機故障檢測裝置C語言原程序 36
附錄五 元件清單 40
桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 42 頁 共 41 頁
1 緒論
1.1 課題背景，目的和意義
1.1.1前言
配電網(wǎng)系統(tǒng)運行方式較為繁雜，存在的分支特別多，這就會對每天的系統(tǒng)管理，還有后期維護工作造成影響。配電網(wǎng)系統(tǒng)的精密程度決定了系統(tǒng)在發(fā)生短路故障時定位相對會麻煩，為了提高定位精確度。國內(nèi)外的工程師們提出了許多種不同的解決處理方案。同時，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，人工檢測起來時既辛苦又費時，還使得供電可靠性大大降低了。而且在電網(wǎng)系統(tǒng)運行的過程中，工程師們也發(fā)現(xiàn)一些存在的問題，比如檢測故障不能夠及時顯示，系統(tǒng)運行不符合額定值等。
供電企業(yè)的最基本責任之一是努力提高配電可靠性，參照網(wǎng)絡數(shù)據(jù)表明，電網(wǎng)客戶停電事故90%都是因為配電網(wǎng)系統(tǒng)故障照成的。所以，高效、精準地進行故障檢測定位。能夠使停電時間有效縮短，使得企業(yè)和用戶的損失減少，這對于電力系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟性、準確性的提高具有積極意義。
1.1.2設計目的
在面對上訴這些問題，電網(wǎng)企業(yè)工程師們就要組建更加完善的故障檢測裝置，以保證電網(wǎng)結構以及電網(wǎng)控制的科學嚴謹性，加強企業(yè)設備管理等級，最終實現(xiàn)配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置的良好發(fā)展。用了改進過后的故障檢測裝置，可以填補以上系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時，檢測功能上的不完整，更好地提高效率，還能加快檢測的速度，最短的過程查找到故障區(qū)段，為客戶迅速恢復供電提供了強有力的保障。
優(yōu)良的故障檢測裝置可以實現(xiàn)每時每刻都能顯示出線路的工作情況，指出出現(xiàn)故障的區(qū)段，這些裝置安裝在箱變、電纜、電纜分支箱、架空線、環(huán)網(wǎng)柜里，用來顯示故障電流發(fā)生時的區(qū)段，包括停止供電、供電、過流故障、短路故障、接地故障等等。安裝了這些裝置還可以對電網(wǎng)設備實現(xiàn)整體有效監(jiān)控。這在傳統(tǒng)的設備管理中，各大企業(yè)往往都是通過工人來檢修，使得電力企業(yè)的運營成本增加，而且也會加大后勤人員的工作壓力。
10kV中性點不接地配電網(wǎng)系統(tǒng)能準確顯示單相接地短路故障和兩相短路故障，選用故障檢測裝置和零序互感器兩兩結合的方法，來顯示零序電流發(fā)生突變的故障，以保證配電網(wǎng)系統(tǒng)接地故障引起的斷路器跳閘后，故障檢測裝置能夠正確給出顯示，讓工作人員能迅速地排除故障并且復位。
1.1.3設計意義
10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)存在于生活生產(chǎn)的各個方面，中性點接地方式的選擇應用對電網(wǎng)向客戶供電的穩(wěn)定性有著積極的意義。10kV城市配電網(wǎng)系統(tǒng)是這當中規(guī)模屬于最大的,它的應用面也最為廣泛的，此系統(tǒng)的好壞程度早已經(jīng)成為了一項重要的指標，是對電力系統(tǒng)的供電能力、供電穩(wěn)定性以及電能輸出程度等硬性指標的最終體現(xiàn)?，F(xiàn)如今,我國國內(nèi)企業(yè)正在加大建設電網(wǎng)設施和升級器件,其結構日漸成熟可靠,與此同時系統(tǒng)也更加復雜化,電網(wǎng)系統(tǒng)不可避免的要受到故障的影響。比如說大面積的停電事故,就會影響到日常生活生產(chǎn),軍隊的日常訓練和國防安全等。根據(jù)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)調(diào)查得出,電力系統(tǒng)中78%的故障事故都是來源于配電網(wǎng)系統(tǒng),由此可以知道對配電網(wǎng)故障的分析與研究是非常有意義的。
現(xiàn)如今，我國國內(nèi)企業(yè)正在加大建設電網(wǎng)設施和升級器件，其結構日漸成熟可靠，與此同時系統(tǒng)也更加復雜化，電網(wǎng)系統(tǒng)不可避免的要受到故障的影響。比如說大面積的停電事故，就會影響到日常生活生產(chǎn)，軍隊的日常訓練和國防安全等。根據(jù)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)調(diào)查得出，電力系統(tǒng)中78%的故障事故都是來源于配電網(wǎng)系統(tǒng)，由此可以知道對配電網(wǎng)故障的分析與研究是非常有意義的。
為了電力企業(yè)更好的對配電網(wǎng)系統(tǒng)起到管理與監(jiān)控，必須要通過使用故障檢測裝置，來提高電網(wǎng)電路的運行效率，從而做到安全的生產(chǎn)工作。企業(yè)的值班人員也可以利用線路上的報警顯示，一旦某個區(qū)域發(fā)生了運行狀態(tài)的變化，就可以及時的判斷出位置，做到快速給出處理方案，使供電線路可靠性、用戶滿意度得到更好的提升。在實際的生產(chǎn)工作中，電纜和架空配電網(wǎng)絡的短路故障、接地故障經(jīng)常因為種種原因而發(fā)生。因此高效地、準確地、安全地找出出現(xiàn)故障的區(qū)域，對于電力工程公司來說是非常重要的。
1.2 國內(nèi)外系統(tǒng)故障檢測裝置研究近況
1.2.1發(fā)展歷史
現(xiàn)如今我國生產(chǎn)的配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置的公司以及發(fā)展這些技術的時間，相對來說都比較短暫。隨著我國國內(nèi)有關技術的不斷進步，生產(chǎn)故障檢測裝置的企業(yè)越來越多，技術也日趨成熟，規(guī)模不斷擴大，已經(jīng)能基本上實現(xiàn)配電網(wǎng)系統(tǒng)的故障檢測、通信方式以及管理技術的密切有效結合[1]，最終提升了電力系統(tǒng)的運行情況，實現(xiàn)對電網(wǎng)電力公司的快速發(fā)展。
在我國，最開始使用的配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置是一種簡單的帶有開合功能的閉合鐵心，輸電線路從鐵心的下方穿過。當經(jīng)過的電流大于額定的值時，鐵心關閉，顯示為此處有故障，短路電流從下方流過，故障點就在這里。但是，這類產(chǎn)品還不夠成熟，有著不智能的缺點，它必須通過尋線工人的手去人工復位開合，這就給實際的生產(chǎn)工作帶來了不方便，不能得到普及和多數(shù)企業(yè)的使用。
自從上個世紀配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置被發(fā)明以后就被各個國家電網(wǎng)公司所重視，不斷加大研究研發(fā)力度，從而進入到了一個飛快發(fā)展進步的時期。我國也是從1990年以后派遣優(yōu)秀工程師渠道國外學習了配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測器的原理，以及相關的自動復位顯示器裝置技術，回到國內(nèi)后，經(jīng)過不斷創(chuàng)新研究再結合我國配電網(wǎng)線路的實際情況，政策的大力扶持，國內(nèi)企業(yè)在不停歇的消化，吸收，改進，對產(chǎn)品的大力創(chuàng)新，積累了一批忠實的客戶，并且得到了廣泛的應用推廣，以及各大電力部門單位的認可?，F(xiàn)如今我國配電系統(tǒng)的故障檢測裝置已經(jīng)處于先進水平，為電力系統(tǒng)的正常運行作出了巨大的貢獻。
在一些發(fā)達的歐洲國家，如法國，波蘭等國逐漸將配電網(wǎng)系統(tǒng)由中興迪昂經(jīng)過低電阻接地的方式改變?yōu)橹C振接地方式，他們進行了大大小小數(shù)百次的實驗和研究，小電流接地保護裝置日趨成熟。比如應用了有功電流法，法國電力公司（EDF）在九十年代研制出了一套基于DESIR的保護裝置。在應用零序?qū)Ъ{法，波蘭的電力企業(yè)開發(fā)出新型的導納接地保護裝置，并且在自己的國家大力推廣，截至到2000年為止，已經(jīng)有多套設備投入到該國的電力中壓電網(wǎng)生產(chǎn)企業(yè)中運行
1.2.2發(fā)展方向
使用配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置能檢測出配電線路上出現(xiàn)的故障電流，可以把系統(tǒng)發(fā)生的故障區(qū)域、區(qū)段、分支詳細顯示出來，很是方便迅速、精準地找出故障。雖然在發(fā)達國家配電網(wǎng)系統(tǒng)的智慧化等級很高，可是他們查找配電線路故障的最主要方法還是要以來故障檢測指示器[2]。
1.3 本章小節(jié)
配電網(wǎng)在用戶與電力系統(tǒng)直接相連接的環(huán)節(jié)中扮演著重要的成分，此套系統(tǒng)運行環(huán)境是相當?shù)膹碗s，它能否在實際的生產(chǎn)工作中正常運行，關乎一個電力企業(yè)的直接經(jīng)濟效益，對企業(yè)有著最重要的影響。因此，電網(wǎng)企業(yè)必須要重視配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行，強調(diào)管理著的安全運行意識，這樣才能確保實際的生產(chǎn)工作中的各項指標的合格，增加電網(wǎng)系統(tǒng)的供電輸電能力，使廣大的用戶群體滿意放心。本畢業(yè)設計方案充分考慮了配電網(wǎng)系統(tǒng)的各項指標、故障情況，盡可能的讓成品制作簡單明了，降低配電網(wǎng)故障效率，降低成本帶來的影響，控制在一個比較合理的區(qū)域，以此來提升成品的核心競爭力，力求在配電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮巨大作用，實現(xiàn)故障的準確定位與檢測。
2 配電網(wǎng)系統(tǒng)故障基本特征分析
配電網(wǎng)系統(tǒng)中性點接地方式的選擇是個具體的綜合性技術性問題，它直接影響到電網(wǎng)裝置的過電壓水平、絕緣情況、電網(wǎng)供電穩(wěn)定性、接地保護措施、通信影響、人員和設備安全等多方面，是配電網(wǎng)系統(tǒng)能實現(xiàn)正常、高效運行的保證基礎[3]。
2.1 配電網(wǎng)中性點不接地方式原理介紹
配電網(wǎng)電力系統(tǒng)的中性點接地的方式大體上能歸結為這兩大類：中性點有效接地和中性點非有效接地[4]。其中中性點有效接地方式包括中性點直接接地和低電阻接地、經(jīng)低電抗；中性點非有效接地方式包括中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)過高點組接地[5]。
2.1.1中性點不接地方
在電力配電網(wǎng)系統(tǒng)中，中性點一般是指在變壓器低壓側中，三相線圈構成星形聯(lián)結，聯(lián)結點稱中性點。又因這點的電位為零，也可以稱為零線端，一般的零線就從此點引出的。在配電網(wǎng)開始發(fā)展的初期，因為人們對電流危害作用估計不足，多數(shù)國家采用的是中性點直接接地的方式?？墒?，經(jīng)常性的線路跳閘而造成的停電事故的增多，人們認識到這種方式的不可靠性。于是在經(jīng)過大亮科學實驗研究后，開始改為中性點不接地方式運行?！安唤拥亍币辉~，準確地講是指大地與配電網(wǎng)系統(tǒng)的中性點之間不存在有連接。在實際運行中，中性點不接地的方式也隨之出現(xiàn)了諸多的問題，比如：
（1）單相接地故障在多數(shù)時候不能被及時的檢測出來，工程師們無法迅速找出隔離接地點，單相接地會轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘁姸搪饭收稀?
（2）帶有故障運行的時間太長，相對地電壓會升高成為線電壓，如果此時配電網(wǎng)存在有嚴重污染或者絕緣不好的話，就很容易引起異地兩個點接地故障。
（3）接地點電弧不會自主熄滅，流經(jīng)電容的電流加大，容易產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓和間歇性電弧過電壓，這會導致PT的大量燒毀事故故障。
實際應用中設系統(tǒng)三相電源電壓、、對稱。由于在各相導線間和相對地之間沿導線全長都有分布電容，各項絕緣有對地泄漏電導。因此，在電源電壓作用下，這些電容和電導上將會流過附加電流。因為分布電容、泄漏電導可以使用集中電容和電導作為代替。集中相見電容對系統(tǒng)的接地特性影響很小，及計及相對地電容、、和各相的對地泄露電導、、。如圖2-1所示為中性點不接地系統(tǒng)正常運行狀態(tài)圖。
（a）原理接線圖 （b）電壓向量圖
圖2-1 中性點不接地系統(tǒng)的正常運行狀態(tài)
中性點不接地系統(tǒng)正常工作時，中性點所具有的對地電位，稱為不對稱電壓，用表示?？梢娬＿\行中，電源中性點對地電壓為0，即中性點對地電位相等[6]。
則各相對地電壓為：
U相： （1-1）
V相： （1-2）
W相： （1-3）
由于各相對地電壓為電源各相的相電壓。所以電容電流大小相等，相位差為，三個值相加和為零，所以不會有電容電流流過大地。當每一個相對地電容不相等時，不為零，發(fā)生中性點位移現(xiàn)象[6]。在中性點不接地系統(tǒng)中，正常運行時中性點所產(chǎn)生的位移電壓較小，可忽略[6]。
2.1.2中性點單相接地故障
發(fā)生單相接地故障時，中性點對于地的電壓，非故障相對地電壓此時為線電壓，而中性點對地電壓為相電壓[7]。如圖2-2所示為單相接地故障原理接線圖。
其中各相對地電壓情況：
U相：（線電壓） （1-4）
V相： （線電壓） （1-5）
W相： （1-6）
圖2-2 單相接地故障原理接線圖
配電網(wǎng)系統(tǒng)線路發(fā)生短路故障時，由于流過故障點的電流值會很大，可以通過繼電保護來實現(xiàn)對故障線路的快速切斷。但是，系統(tǒng)要是發(fā)生單相接地故障時，流過故障點的電流就為三相對地電容上電流的和，即[8]
(1-7)
式中為一相接地時，通過故障點的電容電流，（A）；
， 為電網(wǎng)運行的頻率，（Hz）；
為電網(wǎng)每相對地電容，（F）；
為電網(wǎng)額定相電壓，（V）。
配電網(wǎng)系統(tǒng)10kV架空線路，通常就是10A到100A，但是在電纜線路中，的值都比較大，可以達幾百安。一般的配電網(wǎng)系統(tǒng)電網(wǎng)的單相接地電容電流值不能夠引起繼電保護的跳閘動作。它的有效值是Ik=3UC0，故障電流是非故障單相電容電流3倍。
按照上文的闡述可以有以下結論，當中性點不接地系統(tǒng)有單相接地故障發(fā)生時，零序分量可以概括為以下幾點：
a.配電網(wǎng)的故障元件中所流過的零序電流和配電網(wǎng)中的非故障元件對地電容電流的總和一樣。
b.在非故障元件中有和原來的零序電流大小相等的電流流過，它的方向是由母線指向故障線路的方向。
c.當配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，可以認為出現(xiàn)故障的地方產(chǎn)生一個零序電壓，這個零序電壓與故障前的相電壓在數(shù)值上相同，方向相反，因此導致零序電壓出現(xiàn)在整個配電網(wǎng)。
d.零序網(wǎng)絡配電網(wǎng)中性點不接地系統(tǒng)中，通過同一等級的電壓線路元件對地的等值電容組成，它與由中性點接地系統(tǒng)所構成的通路差別很大，該線路的零序阻抗與之前的相比差別很大。
當上敘a、b、c、d四個條件都得以成立的時候，就可以斷定配電網(wǎng)系統(tǒng)單相接地短路故障。
2.1.3中性點不接地系統(tǒng)的中性點位移
多數(shù)的架空線路因為排列的不對稱且換位不安全，產(chǎn)生各相位之間對地電容不想等，這就導致了中性點不接地系統(tǒng)正常運行時的中性點位移，也可以說中性點對地電位出現(xiàn)了位移現(xiàn)象。但是，一般位移電壓只要控制在電源電壓的5%以內(nèi)，都正常運行都沒有太大影響。
2.1.4中性點不接地系統(tǒng)的特點
配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，線電壓維持在一個穩(wěn)定值內(nèi)，使用者即使能夠正常的工作，但是接地的那個位置可能會有電弧效應產(chǎn)生。
當輸電線路不是很長、輸出電壓不高的情況下，接地部分的電流值很小，電弧效應只會產(chǎn)生很短的一段時間，尤其是在35kV及以下的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，企業(yè)不用在絕緣方面做太大的投資，且供電穩(wěn)定性作為一個優(yōu)點得以突出，所以中性點適宜采用不接地的方式運行。
當在一段較長的線路之中時，此時電壓也較高，接地電流較大。這時所產(chǎn)生的電弧就不會自主熄滅，表現(xiàn)為穩(wěn)定電弧和間歇性電弧，而且電壓值維持在一個高值時，企業(yè)對于絕緣方面的投資就要占整個配電網(wǎng)系統(tǒng)較大的比例。
其中中性點不接地方式的優(yōu)缺點分別為：當電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時，故障點線電壓數(shù)值保持不變，相電壓上升倍，這就不會對三相設備的正常運行產(chǎn)生影響，此為最大的優(yōu)點。在系統(tǒng)的單相接地電容不足5A時，所有的熱效應都可以被電路上的各個元件的絕緣所承受，這種規(guī)格準許配電網(wǎng)電路在有故障的狀態(tài)下持續(xù)運行1~2小時。但是，從實際的生產(chǎn)工作來說，應當減少這種帶故障運行的時間；對于10kV電網(wǎng)電路而言，每一相對地電容的大小都至多為0.04，因為安全起見，不論電路的絕緣有多好，電阻有多大，都要確保人在無意中直接接觸下不至于死亡。然而，這在實際配電網(wǎng)中是不存在的，接地保護和漏電保護措施只是作為間接接觸的主要手段而已。
2.1.5中性點不接地系統(tǒng)的應用范圍
（1）電壓小于500V的系統(tǒng)裝置，其中220V或380V系統(tǒng)除外；
（2）3到10kV電網(wǎng)系統(tǒng)當單相接地電流小于30A時；
（3）20到35kV電網(wǎng)系統(tǒng)用小于10A電流作為單相接地電流時，系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地時線路接地電流很小，線電壓維持對稱狀態(tài)。所以電壓不等于零，其余別的相正常，電壓夾角為120度，因為斷相導致三項電壓不維持平衡，在開口三角形處出現(xiàn)零序電壓[9]。
2.1.6中性點不接地系統(tǒng)暫態(tài)特征分析
在配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，此時系統(tǒng)應該使用中性點不接地系統(tǒng)，所以開關S必須為斷開狀態(tài)。如圖所示2-3所示，配電網(wǎng)系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)電流的分布圖。
圖2-3 配電網(wǎng)系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)電流的分布
在發(fā)生接地故障的那一瞬間，系統(tǒng)中電路的非故障相電壓就上升到一個很大的值，然后大小電容都可以快速充電，但是在發(fā)生故障的那一相，電壓就會快速降低到一定值，并且所連接的電容會大量放電。
2.1.7中性點接地方式性能分析
（1）供電可靠性與故障范圍
中性點不接地對于供電穩(wěn)定性來說，單相接地后，電路的相電流維持在一定的穩(wěn)定值，線電壓也保持一個平衡狀態(tài)，對用電客戶沒有造成大影響。單相接地故障電流數(shù)值很小，大多表現(xiàn)為瞬間性的故障，主要是架空線路，瞬間性故障在單相接地故障中占有85%以上的比例，這就不需要斷路器跳閘。
對于經(jīng)消弧線圈接地方式來說，單相接地連接時流經(jīng)電路上電容的電流得到補償，在接地點殘留下來的電流值很小，這就能讓故障點產(chǎn)生的電弧自然熄滅，同時可以讓故障處相電壓數(shù)值上升減慢，這就對故障電弧的避免重燃和自然熄滅產(chǎn)生積極的作用，約有65% ~ 85%的故障能夠自動消去，供電穩(wěn)定性強。
在低電阻接地方式上，永久故障和瞬間故障一樣都會引起開關裝置的跳閘，配電網(wǎng)線路跳閘機率遠遠高于之前的兩種接地方式。對于架空線路組成的混合型配電網(wǎng)系統(tǒng)，這種方式的接地開關會很容易跳閘，供電穩(wěn)定性很低；而對于像主要以電纜構成的電網(wǎng)來說，發(fā)生永久性單相故障會比較多，而低電阻接地方式能夠迅速在開關跳閘，這就有利于防止事故擴大化，對電網(wǎng)的供電是積極的。
（2）故障電流對電網(wǎng)設備的影響
對于中性點不接地方式，故障電流表現(xiàn)為對電氣設備的危害，故障電流的持續(xù)時間和故障電流的幅值。這種方式的電網(wǎng)電容電流往往小于10A，此時這個故障點上的耗散功率比較小，即使很長一段時間運行，也不會存在嚴重的威脅。
對于經(jīng)消弧線圈接地方式來說，線圈處于諧振狀態(tài)時，在接地點剩余的電流量很小，較長時間運行是不會對電網(wǎng)設備產(chǎn)生嚴重影響。
在使用低電阻接地方式時，故障點周圍增加了幾百安的有功電流，一方面出現(xiàn)了短路故障時要馬上跳開線路，斷路器和其他所相連接的設備負擔較重，這就加大了電網(wǎng)企業(yè)工人的檢修維護時間；另一方面短路時電流對各種電網(wǎng)設備危害較大。
（3）人身安全
使用中性點不接地方式時，故障電流很小，配電網(wǎng)的跨步電壓和接觸電壓很低，短時間對于人身安全不會造成大的危害。
而經(jīng)消弧線圈接地時，就有利于瞬時故障的電弧自助熄滅，降低了人員觸電的機率。
為了取得更加快速的獲得接地保護時所需要的一定電流值，在經(jīng)低電阻接地方式時，一般系統(tǒng)單相接地電流值都比較大，往往為99A~1000A。因為此時的流過線路的故障電流很大，對設備有著嚴重的影響，在接地點周圍會產(chǎn)生數(shù)值較高的接觸電壓和跨步電壓，這就對路過的人員構成了嚴重的危險。但是系統(tǒng)對于故障能做到快速跳閘，從而減少觸電機率。
（4）通信干擾與電磁兼容
對于配電網(wǎng)系統(tǒng)的瞬間發(fā)生的故障，主要作用的是靜電耦合，企業(yè)管理人員能夠用簡單的方式加以控制。
（5）過電壓與絕緣水平
配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，正常的相對地電壓逐漸上升轉(zhuǎn)變?yōu)榫€路中的線電壓。如果出現(xiàn)間歇性弧光接地，就會容易在線路中出現(xiàn)弧光接地過電壓[10]。除此之外，工作人員在對系統(tǒng)操作時，還容易引出鐵磁諧振過電壓。如果故障存在的時間不太短的化，電力設備就要有較強的外絕緣泄漏安全距離。
（6）繼電保護選擇性
市場上已經(jīng)開發(fā)出多種選擇線路的方案，但是實際工作的效果都不是太好，因為單相接地電源往往比正常負荷電流小很多，這是難以確保繼電保護的選擇性，需要安裝特殊的接點顯示裝置。
2.2 中性點不接地配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置
2.2.1配電網(wǎng)系統(tǒng)短路故障的危害
在短路故障發(fā)生期間，會導致電路中的元件永久性的失效，嚴重的會發(fā)生火災事故；電壓嚴重不足，不足以維持電網(wǎng)設備的正常運行；在檢測到故障、排除故障動作時，因為熔斷器的保險絲斷掉，會產(chǎn)生停電事故，給用戶的生活生產(chǎn)帶來嚴重的影響和經(jīng)濟的損失。故障檢測裝置主要由感應部分和顯示電路兩結構構成[16]。
2.2.2配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置工作原理
配電網(wǎng)故障檢測裝置按功能可以分為短路故障檢測裝置和短路、接地故障檢測裝置。它一般都會安裝在架空線路上、開關柜母線排和電網(wǎng)電纜上，用作指示故障電流通路的顯示器[11]。其中短路故障檢測裝置是安裝在各大配電網(wǎng)系統(tǒng)線路上，為了更加準確、迅速地檢測出線路短路故障和單相接地故障，當某一區(qū)段發(fā)生短路故障，此時檢測裝置的顯示器就會發(fā)出報警信息，能夠在線實時監(jiān)控到故障的信息，給出閃燈警示。故障檢測裝置的構成也相對簡單，它往往由時間電流檢測、故障判別、故障定位驅(qū)動、故障信息反饋指示以及信號輸出和自主延時復位控制器等[12]，發(fā)生故障時LED小燈就會顯示為紅色的報警。如圖2-4為故障檢測裝置的構成示意圖。
圖2-4 故障檢測裝置的構成示意圖
2.2.3配電網(wǎng)故障檢測裝置的特點
（1） 具有故障檢測功能：當配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，顯示窗口為耀眼的亮紅色并伴隨有刺眼的閃光示警。
（2） 具有很強的抗外界干擾能力，并且反應迅速，動作敏捷。電路信號不會受到線路、高次諧波、電流波動、勵磁涌流的影響。
（3） 能簡單快速地查找出故障所在區(qū)段：故障檢測裝置能直接在配電線路上安裝，通過兩兩相鄰兩組檢測器是否正常運作可以很容易的判斷出故障發(fā)生區(qū)段。
（4） 自動復位：檢測裝置會 出廠時設定好的復位時間在判斷出故障狀態(tài)后自行返回正常的位置。
（5）帶線安裝和拆卸：可以在有電流存在的情況下進行維修維護與安裝工作，不影響配電網(wǎng)線路的正常運行，步驟簡潔。圖2-5為國內(nèi)常見的配電網(wǎng)故障檢測裝置。
圖2-5 國內(nèi)常見的配電網(wǎng)故障檢測裝置
2.2.4配電網(wǎng)系統(tǒng)相間短路分析
配電網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)生故障時大體上都是相位不同的。其中在發(fā)生非對稱故障時，每一相的電流和電壓有效值都是不同的。所以，只分析三相電路中的一相是不可以準確反應出配電網(wǎng)存在的問題。在實際工作中，使用對稱分量法對相位不平衡系統(tǒng)進行分析得到的數(shù)據(jù)是大體接近實際情況的。這里就可以引用對稱分量法來闡述相間短路的情況。對稱分量法一般是對配電網(wǎng)系統(tǒng)中的一組不對稱的三相點進行拆分，就可以分為正序，負序和零序三序相量。通過計算則可以求出故障電壓電流數(shù)量值。
（1）正序分量：如圖所示可以看出，三個向量的大小是一樣的。每兩兩相之間都是相差120度。正序分量是個平衡的系統(tǒng)。如圖2-6(a)所示。
（a）正序分量 （b）負序分量 （c）零序分量
圖2-6 三相不對稱向量所對應的分量
（2）負序分量：各向量相鄰相相位差也是120度，大小一樣，但這是按逆時針方向的，C相超前B相120度，而B相則超前A相120度，與三相相序是不同，如圖2-6（b）所示。
（3）零序分量：零序分量的向量的大小、相位都是一樣的，如圖2-6(c)所示。
在正序分量中，恒有下列關系：
， （2-1）
其中
（2-2）
顯然存在：， （2-3）
在負序分量中，恒有以下關系：
， （2-4）
在零序分量中，則有：
（2-5）
由上敘計算分析，我們可以總結出配電網(wǎng)系統(tǒng)兩相短路的特點：
1 配電網(wǎng)系統(tǒng)短路電流和短路電壓沒有零序分量存在。
2 在配電網(wǎng)系統(tǒng)的兩相短路故障中，短路電流大小是正序電流的倍，但方向是相差180度。
3 配電網(wǎng)系統(tǒng)短路故障中，相間的電壓幅值和相位一樣，一般來說，短路點所在的非故障相的電壓是正序電壓的2倍，數(shù)值上為非故障相電壓的1/2，相位相反。
2.2.5配電網(wǎng)故障檢測裝置的安裝事宜
故障檢測裝置安裝在架空線、環(huán)網(wǎng)柜、箱變、電纜上，用來顯示故障[3]。為了方便電網(wǎng)巡線工作人員快速找到線路故障處，高效地減少檢測故障的時間和過程，配電網(wǎng)故障檢測裝置安裝地點應按照以下原則選擇進行：
（1） 安裝配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置應當懸掛于長線路的中段和分支入口處并與地面垂直，不能傾斜。因為傾斜時檢測裝置運轉(zhuǎn)困難，不能正常工作，或故障消失后，檢測裝置又不自動復位，造成判斷失誤。這個位置可以顯示故障分支和區(qū)段。
（2） 安裝在各個變電所出口，這樣可判斷出是變電所內(nèi)部還是外部出現(xiàn)故障。
（3） 故障檢測裝置應當安裝在電線塔的電源一側，不能裝在負荷側，這是因為電線塔上設備出現(xiàn)故障時，也在該檢測裝置的檢測范圍內(nèi)。
總之10kV配電網(wǎng)線路應該在各個區(qū)段安裝故障檢測裝置，每個安裝點的三條導線都加一個故障檢測裝置，起到區(qū)分出現(xiàn)短路故障線路具體是發(fā)生在哪一相。這樣有效的提升工人巡線時間，降低工作負荷，降低停電范圍，不失為一種合理有效的技術手段。
2.2.6配電網(wǎng)系統(tǒng)故障的的一般類型
配電網(wǎng)系統(tǒng)中故障類型可以分為：單相接地短路、兩相短路、兩相短路接地、三相短路[13]。在配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路時，由于各相回路是對稱的，因此這樣的短路稱為對稱短路；另外的短路類型都是三相回路不對稱的，所以稱之為不對稱短路。本論文針對比較常見的兩相短路和單相接地短路進行分析研究。根據(jù)研究統(tǒng)計，短路故障具體類型分類及發(fā)生概率如下表2-1：
表2-1短路故障類型、故障圖示及發(fā)生概率
2.3 電流互感器工作原理
在實際的配電網(wǎng)供電用電線路中，電壓電流的值大大小小相差懸殊從幾安培到幾萬安培都有，一般的檢測和保護裝置是無法直接連入一次高電壓設備中，為了便于二次檢測儀表的測量就需要電流互感器來實現(xiàn)，將一次系統(tǒng)的大電流按照一定比例轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次系統(tǒng)可以測量的小電流信號，在通過變比來反映一次的實際值。另外電網(wǎng)線路上都是高壓電直接測量非常的危險的。其功能如下：
（1） 電流互感器可以把配電網(wǎng)上輸出的交流電信號按照變比轉(zhuǎn)換為我國規(guī)定的5A或者1A小電流，比如變比為2000：1的電流互感器，可以把實際為2000A的大電流轉(zhuǎn)變?yōu)?A的小電流[14]。
（2） 電流互感器常常會安裝在開關柜里， 接電流表之類的檢測表和繼電保護作用。
（3） 能夠讓二次設備與配電網(wǎng)高壓部分分隔開來，并且電流互感器二次側都必須與大地相連，這樣對于電網(wǎng)企業(yè)人員和設備的安全起到作用。
（4） 測量用電流互感器能用來測量用電量大小使電網(wǎng)企業(yè)計算和測量運行設備的電流。如圖2-6所示電流互感器I-V變換電路圖。
圖2-6 電流互感器I-V變換電路圖
3 配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置硬件設計
本論文的最主要目的是在于設計實現(xiàn)一種技術更加完善、全面且穩(wěn)定性更好的中性點不接地配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置。依據(jù)配電網(wǎng)系統(tǒng)的故障檢測的基本原理基礎，比較常見的單片機控制芯片，并加以選擇應用，按照任務書所需要實現(xiàn)的基本功能去實現(xiàn)相應的硬件電路設計，再對完成的硬件進行必要的檢測和調(diào)試，編輯軟件開發(fā)，添加故障檢測裝置，最后進行硬件和軟件的修改和仿真，以求達到符合的理論要求，實現(xiàn)中性點不接地配電網(wǎng)系統(tǒng)的故障檢測功能。
硬件設計部分是以單片機的基本功能為核心去組成智能化的硬件平臺，并按照準確、迅速檢測故障的要求，實現(xiàn)了對應的硬件功能模塊；故障檢測裝置的軟件設計部分采用的是嵌入式基于C語言基礎的編程操作系統(tǒng)，把每個硬件模塊的控制程序設置為高低不同優(yōu)先級的任務去實現(xiàn)管理，這樣就能保證故障檢測器的正常工作，保證功能的可靠及穩(wěn)定。
3.1 電路板制作過程
在制作硬件的第一步就是制作電路板，這是一個需要我們在最開始過程中掌握的技能，選取合適的硬質(zhì)電路板與電路板的大小都將會影響往后制作的過程，這就變得十分的重要與明顯，所以要掌握好這個步驟的每一步。制作電路板的流程如下：
打印圖紙——熨燙電路圖——腐蝕電路板——鉆孔——焊接
這五大步中的每一步都是重要的，只要其中有一個步驟沒有做好的話很可能就要返工了。
3.2 單片機系統(tǒng)
3.2.1單片機系統(tǒng)概述
單片機就是一塊集成芯片，但是這塊集成芯片具有一些特殊功能，而它的功能的實現(xiàn)要靠我們使用者自己來編程完成。我們編程的目的就是控制這塊芯片的各個引腳在不同時間輸出不同的電頻（低電平或者高電平），進而控制與單片機各個引腳相聯(lián)機的外圍電路的電氣狀態(tài)。編程時我們一般可以使用C語言或者匯編語言，本設計選用的是嵌入式基于C語言部分來編程。
3.2.2 硬件部分的功能流程分析
故障檢測裝置一般都安裝在配電網(wǎng)系統(tǒng)高壓輸電線路上，通過指示器、指示燈和報警蜂鳴器來對實現(xiàn)高壓輸電線路的監(jiān)控檢測，保證故障出現(xiàn)時系統(tǒng)能夠及時定位和報警。
最主要的核心模塊的設計思路是：從電網(wǎng)電路輸出的220V交流電信號經(jīng)過電流互感器的轉(zhuǎn)換，然后把電流信號再經(jīng)過電流轉(zhuǎn)電壓電路，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷汗┫乱患壧幚砟K使用。將小信號的正弦信號經(jīng)過全波整流電路，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘枴Ｗ詈筮@些直流信號濾波變?yōu)榻跗街钡闹绷餍盘?，信號輸出給STC12單片機的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，進行信號采集。經(jīng)過A/D口的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，這時進入單片機最小系統(tǒng)，通過單片機的判斷處理，判斷電路是否發(fā)生故障，如果發(fā)生過流故障，則LCD1602顯示故障出現(xiàn)再哪一相，此時電流值為多少并且蜂鳴器報警。如圖3-1所示為故障檢測裝置大體流程圖。
圖3-1 故障檢測裝置的大體流程
3.3 硬件部分的整體設計
從配電網(wǎng)輸出的220V交流電源信號的電流太大，不能直接連接到單片機的A/D采集口上，所以必須通過電流互感器的電磁感應轉(zhuǎn)化成為小電流信號。本設計給三相電源的每一相輸入端包括零序電路輸入端都加上了電流互感器，方便信號的采集轉(zhuǎn)換，把處理過后的信號再發(fā)送給合適的A/D口轉(zhuǎn)換，為下一模塊的處理做準備。
硬件電路上，本設計最主要依靠的是高性能、低功耗的內(nèi)部自帶8路高速10位A/D采集的STC12C5A60S2單片機。相比于目前市場上普通的單片機，具有更高級的技術，可以實現(xiàn)對短路情況的模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機可以讀取顯示的數(shù)字信號，最后把單片機處理后的信號發(fā)送給顯示器，顯示電路哪一相出現(xiàn)故障?？紤]到經(jīng)費和時間上的限制，硬件設計時力求使用方便和高性價比，并且有著良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
硬件整體部分大致可以分為：電源電路的設計、精密整流濾波電路的設計、基于STC12C5A60S2單片機的故障檢測以及LCD1602指示器電路的設計等。
配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測的功能需求：
（1）配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測裝置的最主要的作用是能夠迅速檢查出配電線路中哪一相出現(xiàn)了故障，利用收集到的信號，分析計算出電流互感器采集到的220V高壓交流電信號，然后通過單片機自帶的A/D模塊對模擬信號進行分析處理，單片機對A/D轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號再進行下一步計算，判斷出是否出現(xiàn)故障。針對不同種的故障類型，本畢業(yè)設計做的故障檢測裝置能實時對線路進行監(jiān)控，給出正確的判斷。
（2）在實現(xiàn)對高壓輸電線路檢測故障的基本功能上，再通過軟硬件的結合，實現(xiàn)系統(tǒng)檢測的快速性和靈敏性，即裝置能通過嵌入式系統(tǒng)編程過后的程序命令對工作參數(shù)以及設定參數(shù)進行必要的整定，以求在不同的工作環(huán)境、不同工作人員的運行使用要求。
（3）系統(tǒng)故障指示器使用的是LCD1602和LED發(fā)光二極管以及報警蜂鳴器三種結合的方式，更好的給配電網(wǎng)使用用戶能更加直觀的判斷出故障的具體位置、具體情況。當發(fā)生故障時，LCD1602顯示出此時的電流值和故障區(qū)段，當前故障相的紅燈高亮，報警蜂鳴器報警。
3.4 系統(tǒng)核心電路設計
3.4.1電源電路模塊設計
第一步設計的是電源電路，為了能操作方便、簡單，本設計采用的是經(jīng)電源變壓器轉(zhuǎn)換的配電網(wǎng)輸出的220V供電方式。經(jīng)過電源變壓器的轉(zhuǎn)換變?yōu)?15V和-15V的正弦交流電，在經(jīng)過4個IN4007整流二極管的初步整流和大小電容的濾波，輸出下一模塊需要使用的+12V、-12V和單片機使用的+5V、-5V的四種電源。因為本系統(tǒng)需要使用多個電壓值的輸出，所以設計采用多重電源芯片來使電壓不斷變小變換，結合網(wǎng)絡上各種現(xiàn)有成熟的設計電源電路方案，設計了這套電源電路模塊。它具有轉(zhuǎn)換效率高，抗負載能力強，輸出電壓值穩(wěn)定的特點。
在電源模塊中，第一部分采用了LM7812三端線性穩(wěn)壓管將經(jīng)過整流二極管構成的整流橋初步整流過后的16.89V交流電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)?12V脈動的直流電壓信號，同理LM7912將經(jīng)過整流橋初步整流過后的16.89V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?12V脈動的直流電壓信號。其中7805是將流經(jīng)7812穩(wěn)壓管轉(zhuǎn)變出來的+12V電壓變換為+5V直流電壓，而7905是經(jīng)由7912穩(wěn)壓管轉(zhuǎn)變出來的-5V變換為-12V直流電壓。所獲得的+12V/-12V電壓為下一模塊的精密整流濾波電路的LM358運算放大器供電。因為考慮到在實際設計出來的電源電路中，LM7812到7805之間的壓差U=12V-5V=7V，壓差過大，為了以防萬一芯片不被燒壞，在四個穩(wěn)壓芯片上都加上了散熱片，尤其是LM7805和LM7905要加大的散熱片。
配電網(wǎng)輸電線路輸出的220V交流電為高電壓，在經(jīng)過第一部分的大電容和小的瓷片電容濾波。其中，大的電解電容為后續(xù)電路提供能量，儲能濾波，將整流芯片的脈動的直流進一步濾波為平滑的直流；瓷片電容過濾掉信號中的毛刺、尖峰，過濾掉高頻信號干擾。最后部分LED小燈起到提示作用，顯示有電流流過，線路導通。如圖3-2所示為LED指示小燈的接線原理圖。
圖3-2 LED指示小燈的接線
在最初的電源電路設計、畫圖的過程中，出現(xiàn)了一些小失誤。比如說，當我在畫電路原理圖PCB時，沒有仔細考慮到配電網(wǎng)輸出的市電220V交流電是一個比較高的電壓，是一個大功率的電路，在初期PCB畫圖設計時，線路的線寬沒有給予一個比較大的值，畫的都是比較細的線路，這就導致電路不是很耐壓，單位長度的載流量相對較大。在兩個輸出為負電壓的三端線性穩(wěn)壓管連接的LED小燈上，因為沒有注意到負電壓相對于地線來說是低電位，LED電源指示燈的正極任然是和負電壓相連接，這就導致了做電路板模擬測試的時候，負電壓沒有電流的輸出，LCD小燈不亮。經(jīng)過這次的兩個小失誤，第一次做出的電路板子是不成功的，但是也為以后的設計工作總結了經(jīng)驗，在重新對PCB圖的連接加粗、加寬后，并改正了LED小燈正負極的連接，換取了更大容量的大電容，使得電源電路模塊更加趨向于合理穩(wěn)定，工作情況良好，沒有因為較大了壓差產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，總體性能穩(wěn)定、良好。
因為配電網(wǎng)輸出的220V交流電對人體是非常危險的，所以在安全保護上，用熱熔膠槍把強電部分各個接口作了絕緣保護措施，防止因為實驗過程中的誤操作而發(fā)生觸電危險。
3.4.2電流互感器和精密整流濾波處理模塊
本設計中選用的互感器的型號是 DL-CT525BW臥式電流互感器，它的輸入變比K是2000：1，樣機部分使用200W白熾燈線路中的電流，去模擬10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)上的大電流，經(jīng)過電流互感器的轉(zhuǎn)變，測出的電流值為：I=P/U=200/220A=0.91A，所以二次側輸出的電流值IN為0.455mA。把感應出來的電流值經(jīng)過I-V變化成為電壓信號，輸出給精密整流電路去整流。其中，精密可調(diào)電位器可以對示波器上顯示的波形進行調(diào)節(jié)。必須特別要注意的是，在裝置運行中的電流互感器是禁止開路。
在配電網(wǎng)輸電系統(tǒng)工作時，通過線路上的各種互感器和采樣電路，工作人員就可以檢測出線路電流信號、零序電流和絕緣電阻信號等最主要的參數(shù)。對于采集信號的電路中，因為單片機最后要用到的是數(shù)字信號，所以單單只經(jīng)過I-V變換所得到的低電壓信號是不行的，這還不滿足單片機A/D采集處理器的要求，所以設計電路上要對需要采樣的數(shù)據(jù)進行預處理，，也就是精密整流濾波，使最終經(jīng)過處理的信號滿足單片機的計算要求，也就是信號大小與單片機處理范圍相同。
如圖3-3所示（詳見附錄2），為了檢測變換較快、幅值很小、存在干擾的電流信號，所以在設計時選裝了帶有運算放大器的I-V變換電路作為電路采樣，輸出直流電源電壓+12V和-12V，使用價格便宜的LM358運算放大器做電壓跟隨，利用電壓跟隨器作為中間級，以“隔離”前后級之間的相互影響，起到隔離、緩沖、提升電路帶負載能力的能力。在將初步整流的脈動較大的直流電壓信號經(jīng)過全波整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動較小的直流電壓信號，末尾部分把信號再經(jīng)過低通濾波器電路進行濾波，得到近乎直線的直流信號輸出到STC12C5A60S2增強型單片機中進行A/D模數(shù)量的轉(zhuǎn)換。如圖3-3所示配電網(wǎng)輸入信號處理。
圖3-3 配電網(wǎng)輸入信號處理
（1）在I/V變換電路中，配電網(wǎng)輸出的電流信號經(jīng)電流互感器轉(zhuǎn)換變小測出，并接入到電路中，將測出的小電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷盒盘枴?
方案一：選用LM358雙運算放大器電路來進行I-V變換；
方案二：選用電阻來進行來進行I-V變換。
方案分析：
對于方案一，選用LM358雙運算放大器可以在I-V轉(zhuǎn)換電路中作為隔離前級和后級的的電路，提供I-V電路的帶后級能力，它的工作電壓為+-1.5V至+-15V，電壓范圍較寬，工作時低功耗、低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，是最常用的運放，價格便宜。這樣就可以有效防止信號干擾，采樣時可以取較大值，通過精密可調(diào)電位器，還可以調(diào)節(jié)I-V變換電路輸出的電壓值；
對于方案二，要是使用的是電阻來進行電流到電壓的I-V變換，就要選用阻值很小的電阻以降低對主電路的影響，但是這樣一來就會使輸出的電壓信號很弱，精度也不高，抗干擾能力也弱。
因此本模塊運用的是LM358雙運算放大器來實現(xiàn)電路的I-V變換。
（2）在全波整流電路中，處于第一級的運大N1、二極管D1、D2和電阻R5、R6構成半波整流電路。
當輸入信號時，運放N1輸出為正電壓，二極管D1導通、D2截止；當時，運放1輸出為負，D2導通，D1截止，。
輸入的信號是正弦波電壓，在R3上并聯(lián)兩個電容C1、C2，構成低通濾波器，用兩個電容并聯(lián)的方式，
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