10kV柱上断路器涌流检测与控制装置的研究

第 I 页 摘 要 在电力系统配电线路上变压器的容量比较大的时候，由于励磁涌流的影响，送电或者重合闸的时候有可能引起线路保护的误动作。这就需要涌流控制器来对线路上的浪涌电流进行监测并进行延时脱扣控制，以防止浪涌电流产生开关误动脱扣。采用微控制器技术，当电流差超过设定倍数整定电流时，立即进行速断保护，还可根据需要进行延迟。 本课题详细介绍了涌流检测装置的原理和检测方法，以及 司 片机的性能和特点。在分析了励磁涌流检测原理的基础上，设计了一个较为简单的励磁涌流检测的方法，通过检测三相电流和零序电流来模拟涌流控制器的工作状态。给出了以 片机为核心的数字显示检测电流的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于控制，并且能满足检测要求。本课题的研究内容主要有以下几个方面： （ 1） 介绍了励磁涌流检测的相关方法，分析相关方法在实际线路的可行性，分析利用相关方法检测励磁涌流的重难点，以及各种新型技术的应用。 （ 2） 完成系统的硬件电路 设计。包括电流采集电路的设计，单片机模块设计， 路电源模块设计，显示电路的设计以及报警电路的设计。 （ 3） 编写系统软件程序并利用 拟软件对系统进行模拟仿真，对电流采集模块进行调试。制作了硬件样机，并进行了相关电流的测量。 关键词 ： 10电线路；励磁涌流；线路保护；变压器；检测方法 第 of of or of of is to to on is be be to In of in as as CU On of of of a to is of is by of CU as is is is to of (1) of of of in of of of of a of (2) of AD (3) to is is 10 kV 目录 目 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 题的研究背景及意义 . 1 流鉴别方法和 10统涌流特点 . 1 别方法 . 1 关 10统涌流的特征介绍 . 2 磁涌流的危害性 . 2 文的主要工作 . 2 2 10电线路的保护及励磁涌 流检测方法 . 3 0接地系统的零序保护 . 3 用零序电压判断接地短路 . 3 用 用型保护装置中零序电流保护 . 3 序功率原理 . 3 序电流保护装置 . 4 磁涌流 . 4 流辨别励磁涌流的方法 . 4 次谐波制动的方法 . 4 断角原理 . 5 形对称原理 . 5 于采样值差动的方法 . 5 波变换识别方法 . 6 于电流电压识别励磁涌流的方法 . 6 通特性判别方法 . 6 值电路参数鉴别方法 . 8 用瞬时电感判断据识别法 . 8 于模糊逻辑的多判据法 . 9 型技术在励磁涌 流识别方面的应用 . 9 0电线路励磁涌流控制方法 . 9 章小结 . 10 3 硬件系统设计 . 11 流采集模块 . 11 流采集模块中 I/V 变换 . 11 密全波整 流滤波电路 . 13 阶低通滤波 . 13 目录 压管的电路 . 13 电容滤波 . 14 片周边及电源周边电容滤波 . 14 源电路模块 . 15 示电路 . 16 控电路 . 16 片机部分 . 16 片机各接口在电路中作用 . 17 片机的复位 . 18 数转换器（ 分 . 18 准电源端电路 . 19 光报警 . 19 章小结 . 19 4 系统软件设计 . 20 程序设计 . 20 于 示屏程序 . 20 章小结 . 22 5 系统仿真与样机调试 . 23 统仿真 . 23 真软件 . 23 统软硬件的仿真 . 23 件调试与硬件效果 . 25 件调试 . 25 件实际结果 . 25 章小结 . 25 6 结论 . 26 谢 辞 . 27 参考文献 . 28 附录一 基于 片机电流检测及报警系统电路原理图 . 29 附录二 基于 流检测及报警的系统 . 30 附录三 基于 流检测及报警系统 C 语言原程序 . 31 第 1 页 共 34 页 1 绪论 题 的研究 背景 及意义 近年来，我国民众的生活质量逐渐升高，科学技术的突破也在。因此，实现长期不断供电成为了人们生活必不可少的一部分，对于工业生产亦是如此。为了实现长期不间断供电，必须不断改善电力系统并且提升电力系统的供电质量和效率。为实现这一目标，我们需要进一步研发自动化程度较高的供电系统。同时，当遇到故障时，智能化程度较高的供电系统能够尽快识别故障并采取相应保护措施，从而进一步对设备进行保护。这种供电系统中的保护设备避免了故障所引发的更大损失，把工作效率和维护成本都向最好的方向去发展。现如今电子工业技术的发展如火如荼。更多大型 超电压变压器被研发出来并投入生产。然而与其形成鲜明对比的是，变压器在保护这一领域的发展及其缓慢，有时会发生拒动的情况。 与其他线路相比， 10配电线路是被如今的电力系统应用最多的、设备的数量种类更多，同时它的绝缘水平比较低。较为常见的妨碍正常运行的状况主要有以下三种：相间短路、线路过流和单相接地短路。如果线路出现以上故障的前两种的时候，从系统中以最短时间切除线路是十分必要的。 励磁涌流对变压器的安全运行危害不大，然而它对继电保护会产生较为严重的影响。因为有超高压和远距输电的要求，大容量变压器变得越来越受欢迎。当电力变压器被空载合闸投入电网的时候，变压器会产生较大的励磁涌波。在外部故障切除、电压恢复的时候，变压器同样也会产生励磁涌波，使波形很大程度畸形，同时也可能导致保护误动。变压器在稳态的状况下励磁涌流非常微小，大约是 1%的额定电流大小。但倘若出现上文所提到的两种情况，励磁涌流瞬间增大，产生一个大约几个周波时长的暂态过程，这时励磁涌流与短路电流相差甚微。同时在运行的时候，变压器短 时过载荷和过电压的情况时有发生。这些多次的轻微故障以及大量的暂态过程会增加变压器的损坏几率 1。 流鉴别方法和 10统 涌流特点 别方法 涌流鉴别方法基本分成下面三种类别。分类的依据是在判别励磁涌流过程中用到的电磁量。第一种是利用电流量对涌流进行判别，应用举例间断角原理。第二种是利用电压量判断，比如电压制动原理。第三种是利用二者一起对进行判别，应用举例等值电路原理。 在上文中描述的三个原理中，二次谐波原理比较经常被使用。原因是它的原理相对比较简单，并且它比常规保护更容易实现 2。 第 2 页 共 34 页 关 10统 涌流 的特征介绍 该系统具有以下特征： （ 1） 其含大量的高次的谐波。并且主要是二次谐波； （ 2） 其含有较大成分随时间衰减的暂态分量，衰减规律为 T=L/R； （ 3）它的波形与短路电流不同之处在于会出现间断角， 但是间断角明显减小。 这与短路电流的波形十分不同； （ 4）这种涌流是许多变压器产生涌流的迭加 3。 磁涌流的危害性 励磁涌流具有许多危害性，具体如下： （ 1）当有励磁涌流时，变压器的投运总会失败是有一定的原因，这个原因就是因为继电保护装置误动所产生的； （ 2）变压器每一 侧的负荷完全瘫痪就是发生了出线断路故障，这种故障就会使电压突然增大从而引发了变压器的保护装置的误动； （ 3）当电站 M 空载情况下接电源而产生了涌流，可能会使得在周围其他的电站正在运行的变压器跟随着 M 站的情况使正在正常运行的变压器因为 “合应涌流 ”产生错误的跳闸，就会发生大片大片的停电后果； （ 4）变压器和其周边的装置以及断路器都会电动力过大而受损因为有大数值的励磁涌流； （ 5）电气设备会被存在的操作过电压损坏； （ 6）存在于涌流中的谐波过量的时候就产生非常严重的电网点能质量污染； （ 7）涌流会对电网的电压有很大的不稳定的影响，电压有可能突然变大或者变小，这样就影响了电气设备的正常运行状态 4。 文的主要工作 本论文是针对 10上断路器涌流检测与控制装置的设计方案的研究，主要内容是掌握涌流控制器的特点、作用和使用条件的理论知识以及 10电系统故障检测的基本方法和涌流特征，分析现有检测手段和装置种类和工作原理。深入分析 10电网涌流检测装置的结构原理、工作方式和控制方法，学习现有高压电气系统过电流检测与报警的实现方法，根据 分析结果进行与毕业设计题目和研究内容相关的必要的电路或者模型仿真，进行必要的样机功能验证和实验。 本论文的第一章介绍了涌流控制器的研究背景、目的和意义以及励磁涌流的危害。第二章叙述了励磁涌流的产生基本原理和常用的多种检测方法，对比选取其中一种检测方法。第三章分模块详细叙述了此课题的硬件设计。第四章叙述了此课题的软件 设计。第五章介绍了硬件模块的必要仿真和调试。第六章总结。 第 3 页 共 34 页 2 10电线路的保护及励磁涌流检测方法 0接地系统的零序保护 用零序电压判断接地短路 10线上的电压互感器，一次测的线圈按星形接法，二次侧两个接法就是按照，三角形，星形的绕组接法，它们俩给电压互感器柜上的 供保护测量电压和零序电压。当没有故障的时候，三相电压的和为零，三角形接法的线圈上电压是零，装置不动作。三角形接法那个就表现出零序电压是因为发生了单相接地短路，保护装置上的零序电压大于最初设定好的值，经过设定好的延迟时间后，装置发生动作并且发出报警信号，声光报警会通知相关人员来检查线路的保护装置的零序电流。这种方法不能使其立即跳开故障回路因为寻找故障的时间过长，就不怎么运用这种方法 5。 用 用型保护装置中零序电流保护 没有发生故障的路线上的零序电流与这条路上的接地电容电流相等在中 性点不接地系统上发生了单相接地短路这一情况时的这一原理，使用 用型保护测控装置区分出故障线路。首先算出每条线路的零序保护定值通过他们的长度和横截面积。当发生单相接地短路时，会产生零序电流经专门的零序互感器输入到装置中，当大于设定值的时候，开关会自己自动的断开在已经设好的延时时间之后。采用这样的办法就要有关每条线路上的电容电流的大量计算，而且因为需要计算的量过于庞大，所获得的数据可能导致结果不准，从而开关误动，一般也不采取此法。 序功率原理 中性点不接地系统中发生单相接地短路时，没有故 障的线路上零序电流相位超前零序电压 90 度，那么有故障的那条路就滞后了 90 度，通过计算相差了 180 度。根据这样的规律，我么可以使用零序方向元件区分出故障线路。对于不接地系统，可以用零序电压、零序电流的基波分量来判别。 当馈出线发生单相接地短路时，这条线路始端的零序电流（ 3整个系统没有故障元件的零序电容电流之和，流向母线。而当线路正常运行时，零序电流（ 3位超前零序电压（ 390 度，由母线流向线路。因此，此装置单相接地选线的判断条件： （ 1）零序电流 (3于设定； （ 2）零序电压 (3于设定； （ 3）零序功率的方向正确。 当满足了以上提出的全部三个条件之后，保护就会通过开始设定好的时间后动作，有关的回路断开，在充分的满足电网需求的前提下应用这样的方式进行保护，可以对整 第 4 页 共 34 页 个的系统的运行的稳定性能有极大的保障。 序电流保护装置 通过对多数方法的举例和分析，带方向的零序电流保护的使用是非常非常有用的，而零序电压报警系统也是必不可少的一个环节，只有当两者结合使用才是最完美的。通过这种方式，当出现了单相接地短路的这种实际情况的时候，而导致产生保护拒动的零序电流也不是就一定能满足最初设 定的零序电流数值和它的方向。另外还真正的应用了报警系统，会使先关人员进行故障的检修处理，增加了系统运行的稳定性。 磁涌流 当想路上的电流突然间的增加到很大，可能是由于线路正处于过流或者短路状态。所谓的过流就是说电流超过了额定的值的时候，通过进行瞬间的时间速断保护和经过一定设定时间的速断保护来处理过流保护到达一定倍数后。但是还有一种情况，这个情况就是在二次侧那一边发生变压器空载的情况下合上闸时，就会在变压器的另一边也就是一次测那一侧产生一个励磁涌流，而它的幅值大小可以和过流、短路电流相差无几。产生的这个励磁涌流不会长时间存在，并且对运行系统来讲并不会有安全性的故障影响，但是却是让线路上的断路器做出错误判断从而动作。所以就需要对以 上提到的三者进行各自具有各自特征的具体分析，让涌流和另外两个区分开 6。 流辨别励磁涌流的方法 次谐波制动的方法 发生了故障的线路上所检测出来的电流所具有二次谐波分量很小，但是发生的是励磁涌流的话就不一样了，因为有较大的偶次谐波分量而其中的二次谐波的分量最大。通过鉴别故障和励磁涌流中的二次谐波分量就可以区分两者。判别式为： 。 定的范围通常为 5%20%。 二次谐波制动的方法好是好，检测原理简洁明确，广泛的应用在微机变压器保护。但随着人们对电力系统的容量的大小提出了更加高的的要求，这些要求就就包括电压等级以及变压器容量等等，在这种情况下还继续使用二次谐波制动原理的话就有些问题了。 可能会有这么一种情况，大型的变压器其输电线就比较长，比较长的话就导致了 分布电容 的影响十分的明显，也就是说当发生内部故障或者是更为严重的故障的时候，比较大的二次谐波就从谐振中产生了，从而影响了保护动作，让保护动作延时。 傅氏级数的谐波分析法就只是比较适用于那些稳态交流分量上的分析，涌流 是暂态电流并且它还具有较大衰减直流分量，把它所具有的直流分量按照一定的设定截断成周期性的并放在时间轴上，离散的幅度谱在进过上述的处理后就产生了。而产生的这个谱有可能会和周期信号的频谱混叠，最终就会对二次谐波分量的大小产生不利的影响，极 第 5 页 共 34 页 有可能导致误判 。 断角原理 间断角闭锁原理是通过鉴别短路电流的励磁涌流波形的差异来找到判别的方法，短路电流波形连续而励磁涌流间断较大。方法简单并且直接，但是要求较为准确的测量间断角，如遇 态饱和和传变会使涌流的二次侧间断角变形，需要恢复有可能消失的间断角不管是通过哪种措施，可是会使硬件的保护变得极为复杂；与此同时间断角原理也由采样率和采样的硬件的限制影响精度。根据上面所有的分析得出，在实际数字差动保护中，使用后的应用结果并不十分尽如人意。 间断角原理更加直观的抓住了显著的波形特点，可以帮助直接区分涌流和故障，采取分开各个相来进行永留的鉴别，跳闸能够马上即时的发生当变压器内部出现故障时，并且这种方法有抗过励磁能力。这个原理的微机实现在技术上是可行的，但是硬件较为复杂且成本高，在实用的过程中需 要进一步的分析成本和对现场的可行度。 形对称原理 波形对称原理是对流入继电器的差电流的波形特点深入研究的一种方法，先对差电流有关相关继电器的进行一些基本的微分运算，把得到的结果分成前波和后波相对比，在最后再根据之前微分得到的前后波的结果分析看是不是发生了励磁涌流。 其基本原理可以大致概括为：最开始要先对得到的波形来一个预先的处理，再算出波形的不确定度 K，最后涌流的确定就被不确定度决定，其主判据为： K K=整定值，周波通过数据传确定。 （ 1）波形对称原理 首先进行微分，将处理后的差电流的后波与前波对称比较，得不对称度 K，即： |(+ 80 ) ( 80 ) | K (2式 (2， 差电流导数前半波第 i 点的数值， 80 是后半波与第 i 点相对应的数值。 第 i 个点就在上面式子中存在这种关系的时候对称，要不然就是不对称，有一般的一半周期以上的点不满足式子的时候就是励磁涌流，而有一半周期的点都满足上式，就是内部故障。偶次和奇次的谐波包括基波分量的瞬间值相比就是波形对称判据在数字滤波角度考虑时的情况。与 出的相比，偶次谐波分量有关二次谐波以上的被更加充分的利用了，极大增强了能力有关保护躲励磁涌流的误动。 利用波形对称性特征对涌流进行判别，这样得到的上下对称系数通过计算以后会有大大的可能超过整定值，有可能会发生闭锁保护由于把故障电流当成励磁涌流误判。 于采样值差动的方法 这个检测方法的整体思路就是：通过将故障流和励磁涌流相比较之后的波形在周期 第 6 页 共 34 页 内来看，三相差流波形中的其中两相会有那么几个点接近了零点，接近零点是因为变压器的饱和特性，而近零点的采样点所表现出的电流值是不能够满足采样值差动所需要的条件的。剩下的一相往往呈现出周期性电流特征是因为变压器的绕组方式决定的，而最严重的是会出现对称性涌流。当变压器内部出现故障的时候，差流波形基本为正弦波，而涌流时，满足采样值差动条件的点要比标准正弦基波少。因为掌握了这个规律，就能够通过以数字保护差流来创建判别数据窗 把所需要的 N 个点来组成这个窗，确定定值M 将它分开来判别根据每一相，三相中至少有一想满足条件 NM，这个条件成立之后，就是有内部故障，当有故障之后输出动作信号，如果不动作的话就认为是励磁涌流 7。 采用这种方法可有效的区分励磁涌流和制动外部故障 和的差流，并且也具备抗过励磁的能力。 波变换识别方法 小波变换根据信号的变化特征，小波变换根据信号的变化特性，通过平移和伸缩的小基波，可以自适应调节窗口的宽度，对瞬态信号或弱信号的变化进行分析。当处于故障的电力系统被发现时，所有有用的反应故障性的信息 都被暂态故障信号所包含。而且通过使用传统的傅里叶变换甚至是使用加窗傅里叶变换来分析这种信号都是非常非常困难的，是因为这种信号它的占用频带宽并且持续的时间还比较短。因此，理论上检测涌流的奇异信号还是通过这种方法比较好。 在现代技术的前提下，高次谐波的检测使用和奇异点检测方法一样的小波变换更加合适。励磁涌流和内部故障的差别就在于，前者差流高频突变周期总是出现而后者就出现了一次并且立刻减少至零 8。 于电流电压识别励磁涌流的方法 在传统的识别方法 (只是用一种电气量来识别相关故障和涌流 )。但是只是通过电流的波形来识别内部故障还是励磁涌流是有比较大的局限性的，并且不是相对准确。由于变压器励磁涌流的产生是个复杂的电磁暂态过程，许多人就提出一系列使用电流和电压两者一起来进行判断的方法。这些方法也就是包括磁通特性，等值电路参数鉴别方法等，下面将分别阐述。 通特性判别方法 有一种特别的使用磁通特性来进行判别的方法就产生了，就是利用变压器磁链 种方法的基本原理为：令 L为变压器原边漏感，在不计算变压器绕组的前提下，可得变压器互感磁链 与绕组端电压 u 和绕组电流 i 的关系： / = / (2如图所示得到了两者具有的关系。而由图可见，当变压器发生涌流时 (图 曲线 第 7 页 共 34 页 1、 2)，无论变压器剩磁的大小多少，斜率 / 都比较大在变压器还没有饱和时，而变压器在和区域时， / 就会很小。 图 2.1 励磁特性曲线 图 2.2 关系曲线 所以得到的结论就是 / 随着 部故障状态的曲线 3，/ 的数值较小并且基本不改变。 通过比较上面得出的特点，基本上就能够确定下两个区域（如图 区域 B 表现的状态就是变压器处在故障和饱和的状态；区域 A 是不饱和的状态在运行。变压器的运行在发生故障时， / 则处在如图所示的区域 B，而变压器在空载合闸的时候出现涌流是 / ，它的出现则在区域 A 与 B 交替发生，在打算 涌流检测的时侯可以根据这一种特性，设一个计数器 / 的位置在区域 B 内，则加 1； 若 / 的位置出现在区域 A，则减 1。由前面对这种情况的描述可知，对于变压器故障发生故障的时候， 单调增加的 9。因此，得到下面判据 ： (2 为整定值。满足条件时，就可以判别变压器为励磁涌流。 因为考虑到变压器会变成饱和状态当发生了励磁涌流时，研究深入到励磁涌流的产生原因从而达到了检测并判别励磁涌流的最终目的，因此具有一定的前瞻性和进步性，但仍然有些许不足 ： （ 1） 如果使用这种判据作为鉴别变压器励磁涌流的方法，要得到实际的磁化曲线和所使用的变压器的漏抗参数，但是这些参数获取的过程中是不是准确的又对励磁涌流的判别增加了难度。 （ 2）整定值 在此法作为判据中有很大作用，但是整定值需要通过多次试验才能确定，增加了整定的复杂程度 ； （ 3）区域 A、 B 的确定是判定方法的基础，由于内部有了轻微故障时，其数值较大与正常工作状态情况几乎相差无几，一旦发生这种情路况， B 区的范围就变得很大了，甚至很可能与 A 区发生重合，这样就导致 A、 B 区的确定比较困难，一旦确定的区域不准确，很可能导致判据失效。 第 8 页 共 34 页 值电路参数鉴别方法 文献中 10提出了一种通过使用变压器导纳型等值电路的参数鉴别方法，给出了励磁涌流三绕组变压器的等值电路，这个图也是内部故障的图。如图 示。 图 相变压器等值电路图 对于该电路 ， 有如下特点 ： （ 1） 、 、 常数与运行状态无关。 （ 2） 0、 0、 0与变压器的运行状况相关 ， 对于内部故障和励磁涌流 ， 它们表现出极大的不同。具体地 ， 如果主绕组 1 在最外层 ， 第 3 绕组在最里层 ， 则：励磁涌流时 ， 0和 0为大于 0 的常值 ； 内部故障时 ， 故障绕组的导纳 ( 0、 0或 0)随故障匝比的增加而增加，但非故障绕组的导纳仍旧几乎为 0 或稍微变负。 所以 ， 根据导纳 0和 0的瞬时值可以建立判据 ， 如果 0 或 0 (2则变压器为内部故障。其中 ， 和 为非负的实常数 ， 对于某具体变压器应经过分析或实验确定 ， 文献给出的参考值分别为 =0 和 =2。但是 ， 该方法需要获取变压器漏电感参数 ， 以求取 、 或 ， 进而根据实时采样得到的各相绕组电压、电流值计算瞬时导纳 0和 0； 而且 和 的整定较难 11。 用瞬时电感判断据识别法 由变压器的铁芯导磁率在发生内部故障或者励磁涌流时的变化结果不同，在另外还需要用到瞬时励磁电感以及另外一个量等效瞬时电感，就能提出一个比较有效的办法来识别两种情况，通过查找相关的文献查得单相变压器的 T 型等效电路后可以得到： = + + + (2在式子中的参数 ： 、 、 、 是原来那边绕组的漏感，绕组的实际电阻、绕组那端电压和绕组电流 、 分别为变压器的励磁电阻，变压器的电流； 为瞬时励磁电感。 若已经知道 就是原边和另一边的比值，则 可表示为 :