小電流接地系統單相接地選線裝置的設計

摘 要：本文針對小電流接地系統發生單相接地時，系統的故障特征進行了分析。針對小電流接地故障時的特點，結合目前用的較多群體比幅比相原理，提出了一種新的選線原理即過半選線原理，來實現小電流接地系統選線保護。在此原理基礎上設計了以AT89C51單片機為核心的小電流接地系統單相接地故障選線裝置，詳細論述了該裝置的實現原理、系統結構及其軟件與硬件實現方法。該裝置靈敏性和可靠性高、運行穩定、抗干擾能力強，系統能夠正確區分母線和線路故障，準確地選出故障線路，具有一定理論意義和實際應用價值。

關鍵詞：小電流；單相接地；過半選線；單片機；

文章編號：1674-3520（2015）-12-00-01

我國接地保護和選線裝置經歷了繼電器式產品、半導體集成電路裝置、微機裝置的發展階段。但是，很多裝置因為數據采集速度慢，或者因為數據計算處理、選線速度無法滿足實時性要求，在靈敏度和可靠性方面尚欠理想，裝置在實際使用中的表現不能令人滿意。

基于工控機技術的小電流故障選線裝置雖然具有速度快、內存大、硬盤大等優點，但是由于存在易損元件、環境適應性差、成本較高，不利于該項技術的進一步推廣。相反，采用單片機控制不僅能夠大大降低成本，而且可以提高裝置的可靠性。單片機的應用正在不斷地走向深入，這為基于單片機控制的小電流故障選線裝置的實現提供了非常好的硬件基礎。所以，進一步深入研究裝置的單片機實現方式是十分有必要的。

本設計內容共分三個部分：第一，主要對小電流接地系統發生單相接地時，分別分析了中性點不接地和經消弧線圈接地系統發生單相接地故障時的情況；第二，主要對目前各種算法的優、缺點及適用條件進行分析，通過分析提出了一種新的更有效的選線原理，即過半選線；第三，論述了基于AT89C51單片機的小電流接地選線裝置的實現問題，重點介紹了小電流選線裝置的軟、硬件實現方式。

一、小電流接地系統單相接地故障分析

小電流接地系統發生單向接地故障時，由于故障電流很小，而且線電壓仍然保持對稱，對負荷的供電沒有影響，因此一般情況下保護不必立即動作于斷路器跳閘，可以繼續運行1～2h。但是，在單相接地以后，其他兩相的對地電壓要升高為原來的倍。為了防止故障進一步擴大成兩點或多點接地短路，保護應及時發出信號，以便運行人員采取措施予以消除。

中性點經消弧線圈接地電網單相接地時有以下特征：1、故障相對地電壓為零，非故障相對地電壓升至線電壓，電網出現零序電壓，其大小等于電網正常運行時的相電壓。這一特點與中性點不接地電網相同。2、消弧線圈兩端的電壓為零序電壓，只經過接地故障點和故障線路的故障相構成回路，不經過非故障線路。3、當采用過補償方式時，流經故障線路的零序電流等于本線路的對地電容電流和接地點殘余電流之和，其方向和非故障線路零序電流一樣均由母線指向線路，且相位一致，因此，無法利用方向的不同來判別故障線路和非故障線路。再者由于補償后殘余電流較小，因而也很難利用電流大小的差別來判別故障線路和非故障線路。

二、裝置硬件設計的抗干擾措施

抗干擾設計的基本原則是：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。在硬件系統的印制電路板設計階段，關鍵是要使布線正確合理。此外，電源濾波、模擬線與數字線分離等也是不容忽視的。常用的硬件抗干擾技術可歸納為以下幾種：1、硬件濾波：RC濾波器可以大大削弱各類高頻干擾信號。如可以抑制“毛刺”干擾。2、合理接地：對于高速的數字和模擬電路系統來說，具有一個低阻抗、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，再接地，這對屏蔽通過電磁感應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、系統軟件流程圖設計

在控制軟件的編寫中所應遵循的一個重要原則就是軟件要最大限度地與硬件配合，充分發揮各自的效能以滿足不同的控制系統的需要。原則上，在系統允許的情況下，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、分層分級是軟件設計的基本思想，這樣可以提高系統軟件維護與升級的效率。根據功能與設計要求，軟件可分為三大塊：數據采集、總線通信和故障選線。

（二）單片機通信

單片機通信程序一般采用中斷方式與微機通信，當單片機收到微機發送的地址信號時，便轉入中斷服務程序，向微機發送數據

（三）軟件抗干擾措施。所謂“軟件容錯”是指系統運行發生錯誤時，軟件本身具有一定的容忍錯誤的能力，即系統運行雖然發生錯誤，但可以不必停機修改硬軟件，系統仍能正確執行預定的操作。下面給出幾種有效的軟件抗干擾方法：1、數字濾波：模擬輸入信號的噪聲可以通過數字濾波加以消除。2、設置陷阱：當程序受干擾跳到此區域時，在那里用專門程序對出錯程序進行處理。3、指令冗余：可以防止當系統受干擾程序跑飛時，將程序自動納入正軌。

四、技術經濟分析

基于過半選線原理都小電流接地選線技術迎合了變電站綜合自動化技術的發展方向。本文提出了基于51單片機實現方式的裝置軟硬件設計方案，并加以實現。實踐證明過半選線技術的實現方式是確實可行的。過半選線技術在配網自動化領域都將會有越來越廣闊的前景。最終目標是把變電站綜合自動化系統與小電流選線技術融為一體。其主要特點是共用一套硬件，使小電流選線系統不再擁有單獨的硬件，完成之后既簡化了系統，又增加了功能，將明顯降低造價。

五、結論

本文簡要的分析了小電流接地方式的性能以及小電流接地系統單相接地的故障機理，指出了小電流接地系統單相接地故障選線的重要性。針對小電流接地故障時的特點，結合目前用的較多群體比幅比相原理，提出了一種新的選線原理即過半選線原理，來實現小電流接地系統選線保護。此種選線方法可以很好的解決選線的難度問題。在此原理基礎上設計了以AT89C51單片機為核心的小電流接地系統單相接地故障選線裝置，詳細論述了該裝置的實現原理、系統結構及其軟件與硬件實現方法。該裝置靈敏性和可靠性高、運行穩定、抗干擾能力強，系統能夠正確區分母線和線路故障，準確地選出故障線路。

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