毕业设计论文-10kV中性点不接地配电网系统故障检测装置的分析与设计.docx

编号： 毕业设计说明书题 目： 10kV中性点不接地配电网系 统故障检测装置的分析与设计学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2016 年 6 月 3 日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第II页摘 要配电网系统的实际运行状态在不同运行的条件下有以下几种分类，分别是：正常运行状态、不正常运行状态和故障状态。配电网系统处于工作状态时，会出现各种类型的不正常运行状态和故障，常见的故障为短路故障，短路故障分为三相短路、两相短路、两相短路接地和单相短路接地故障四种类型。针对以上的状况，本文通过对配电网系统的过流故障的分析，设计线路故障检测装置，使10kV中性点不接地配电网系统更加智能化。线路一旦发生故障，巡线人员可以立即查看故障检测装置的警报，快速定位故障区段位置，从而减少巡线工作人员检修时的工作量。本文详细介绍硬件设备的整体设计方案和整体设计过程，给出电路图和详细的原理图。通过模拟样机的设计检验了设计理论的正确性以及装置判据的可靠性。首先通过对短路而产生的过流故障进行分析，给出线路对应的故障判断依据。针对不同的故障类型设计出不同样的解决方案。其次再利用单片机编写程序，使设计电路简洁且有效。利用故障检测装置的工作原理，更好的分辨出系统的故障类型。硬件设计电路用STC12C5A60S2内部的10位A/D采集电路，实现对短路情况的模拟信号转换为数字信号。通过单片机发送数字信号来显示其故障，再经工作人员快速检测维修电路，以确保用户能正常使用电。最后，在完成整体设计的基础上，通过使用模拟样机的运行，来进行相关的试验。详细分析其中的参数和工作条件。结果表明，检测装置在各种条件下，都能以较好的工作达到预期要求。关键词：中性点；配电网系统；故障检测装置；接地故障；短路故障 AbstractDistribution 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. 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题背景，目的和意义11.1.1前言11.1.2设计目的11.1.3设计意义21.2 国内外系统故障检测装置研究近况21.2.1发展历史21.2.2发展方向31.3 本章小节32 配电网系统故障基本特征分析42.1 配电网中性点不接地方式原理介绍42.1.1中性点不接地方42.1.2中性点单相接地故障52.1.3中性点不接地系统的中性点位移62.1.4中性点不接地系统的特点62.1.5中性点不接地系统的应用范围72.1.6中性点不接地系统暂态特征分析72.1.7中性点接地方式性能分析82.2 中性点不接地配电网系统故障检测装置92.2.1配电网系统短路故障的危害92.2.2配电网系统故障检测装置工作原理92.2.3配电网故障检测装置的特点102.2.4配电网系统相间短路分析102.2.5配电网故障检测装置的安装事宜112.2.6配电网系统故障的的一般类型122.3 电流互感器工作原理123 配电网系统故障检测装置硬件设计143.1 电路板制作过程143.2 单片机系统143.2.1单片机系统概述143.2.2硬件部分的功能流程分析143.3 硬件部分的整体设计153.4 系统核心电路设计163.4.1电源电路模块设计163.4.2电流互感器和精密整流滤波处理模块173.5 单片机芯片的选用及显示电路的设计193.5.1单片机最小系统193.5.2复位电路和系统时钟电路203.6 LCD1602液晶显示模块203.7 对模拟样机部分的制作与调试214 配电网系统故障检测装置的软件设计244.1 软件部分设计244.2 系统软件整体设计244.2.1 A/D采样主控模块254.2.2 ABC相故障检测模块254.2.3 LCD1602液晶显示与人机交互模块254.3 本章小结265 结论27谢 辞28参考文献29附录一 电源电路原理图及PCB30附录二 精密整流滤波电路原理图及PCB32附录三 基于STC12C5A60S2单片机故障检测装置原理图及PCB34附录四 基于STC12C5A60S2单片机故障检测装置C语言原程序36附录五 元件清单40桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 42 页 共 41 页1 绪论1.1 课题背景，目的和意义1.1.1前言配电网系统运行方式较为繁杂，存在的分支特别多，这就会对每天的系统管理，还有后期维护工作造成影响。配电网系统的精密程度决定了系统在发生短路故障时定位相对会麻烦，为了提高定位精确度。国内外的工程师们提出了许多种不同的解决处理方案。同时，一旦系统发生故障，人工检测起来时既辛苦又费时，还使得供电可靠性大大降低了。而且在电网系统运行的过程中，工程师们也发现一些存在的问题，比如检测故障不能够及时显示，系统运行不符合额定值等。供电企业的最基本责任之一是努力提高配电可靠性，参照网络数据表明，电网客户停电事故90%都是因为配电网系统故障照成的。所以，高效、精准地进行故障检测定位。能够使停电时间有效缩短，使得企业和用户的损失减少，这对于电力系统的安全性、可靠性、经济性、准确性的提高具有积极意义。1.1.2设计目的在面对上诉这些问题，电网企业工程师们就要组建更加完善的故障检测装置，以保证电网结构以及电网控制的科学严谨性，加强企业设备管理等级，最终实现配电网系统故障检测装置的良好发展。用了改进过后的故障检测装置，可以填补以上系统在出现故障时，检测功能上的不完整，更好地提高效率，还能加快检测的速度，最短的过程查找到故障区段，为客户迅速恢复供电提供了强有力的保障。优良的故障检测装置可以实现每时每刻都能显示出线路的工作情况，指出出现故障的区段，这些装置安装在箱变、电缆、电缆分支箱、架空线、环网柜里，用来显示故障电流发生时的区段，包括停止供电、供电、过流故障、短路故障、接地故障等等。安装了这些装置还可以对电网设备实现整体有效监控。这在传统的设备管理中，各大企业往往都是通过工人来检修，使得电力企业的运营成本增加，而且也会加大后勤人员的工作压力。10kV中性点不接地配电网系统能准确显示单相接地短路故障和两相短路故障，选用故障检测装置和零序互感器两两结合的方法，来显示零序电流发生突变的故障，以保证配电网系统接地故障引起的断路器跳闸后，故障检测装置能够正确给出显示，让工作人员能迅速地排除故障并且复位。1.1.3设计意义10kV配电网系统存在于生活生产的各个方面，中性点接地方式的选择应用对电网向客户供电的稳定性有着积极的意义。10kV城市配电网系统是这当中规模属于最大的,它的应用面也最为广泛的，此系统的好坏程度早已经成为了一项重要的指标，是对电力系统的供电能力、供电稳定性以及电能输出程度等硬性指标的最终体现。现如今,我国国内企业正在加大建设电网设施和升级器件,其结构日渐成熟可靠,与此同时系统也更加复杂化,电网系统不可避免的要受到故障的影响。比如说大面积的停电事故,就会影响到日常生活生产,军队的日常训练和国防安全等。根据网络数据调查得出,电力系统中78%的故障事故都是来源于配电网系统,由此可以知道对配电网故障的分析与研究是非常有意义的。现如今，我国国内企业正在加大建设电网设施和升级器件，其结构日渐成熟可靠，与此同时系统也更加复杂化，电网系统不可避免的要受到故障的影响。比如说大面积的停电事故，就会影响到日常生活生产，军队的日常训练和国防安全等。根据网络数据调查得出，电力系统中78%的故障事故都是来源于配电网系统，由此可以知道对配电网故障的分析与研究是非常有意义的。为了电力企业更好的对配电网系统起到管理与监控，必须要通过使用故障检测装置，来提高电网电路的运行效率，从而做到安全的生产工作。企业的值班人员也可以利用线路上的报警显示，一旦某个区域发生了运行状态的变化，就可以及时的判断出位置，做到快速给出处理方案，使供电线路可靠性、用户满意度得到更好的提升。在实际的生产工作中，电缆和架空配电网络的短路故障、接地故障经常因为种种原因而发生。因此高效地、准确地、安全地找出出现故障的区域，对于电力工程公司来说是非常重要的。1.2 国内外系统故障检测装置研究近况1.2.1发展历史现如今我国生产的配电网系统故障检测装置的公司以及发展这些技术的时间，相对来说都比较短暂。随着我国国内有关技术的不断进步，生产故障检测装置的企业越来越多，技术也日趋成熟，规模不断扩大，已经能基本上实现配电网系统的故障检测、通信方式以及管理技术的密切有效结合1，最终提升了电力系统的运行情况，实现对电网电力公司的快速发展。在我国，最开始使用的配电网系统故障检测装置是一种简单的带有开合功能的闭合铁心，输电线路从铁心的下方穿过。当经过的电流大于额定的值时，铁心关闭，显示为此处有故障，短路电流从下方流过，故障点就在这里。但是，这类产品还不够成熟，有着不智能的缺点，它必须通过寻线工人的手去人工复位开合，这就给实际的生产工作带来了不方便，不能得到普及和多数企业的使用。自从上个世纪配电网系统故障检测装置被发明以后就被各个国家电网公司所重视，不断加大研究研发力度，从而进入到了一个飞快发展进步的时期。我国也是从1990年以后派遣优秀工程师渠道国外学习了配电网系统故障检测器的原理，以及相关的自动复位显示器装置技术，回到国内后，经过不断创新研究再结合我国配电网线路的实际情况，政策的大力扶持，国内企业在不停歇的消化，吸收，改进，对产品的大力创新，积累了一批忠实的客户，并且得到了广泛的应用推广，以及各大电力部门单位的认可。现如今我国配电系统的故障检测装置已经处于先进水平，为电力系统的正常运行作出了巨大的贡献。在一些发达的欧洲国家，如法国，波兰等国逐渐将配电网系统由中兴迪昂经过低电阻接地的方式改变为谐振接地方式，他们进行了大大小小数百次的实验和研究，小电流接地保护装置日趋成熟。比如应用了有功电流法，法国电力公司（EDF）在九十年代研制出了一套基于DESIR的保护装置。在应用零序导纳法，波兰的电力企业开发出新型的导纳接地保护装置，并且在自己的国家大力推广，截至到2000年为止，已经有多套设备投入到该国的电力中压电网生产企业中运行1.2.2发展方向使用配电网系统故障检测装置能检测出配电线路上出现的故障电流，可以把系统发生的故障区域、区段、分支详细显示出来，很是方便迅速、精准地找出故障。虽然在发达国家配电网系统的智慧化等级很高，可是他们查找配电线路故障的最主要方法还是要以来故障检测指示器2。1.3 本章小节配电网在用户与电力系统直接相连接的环节中扮演着重要的成分，此套系统运行环境是相当的复杂，它能否在实际的生产工作中正常运行，关乎一个电力企业的直接经济效益，对企业有着最重要的影响。因此，电网企业必须要重视配电网系统的安全运行，强调管理着的安全运行意识，这样才能确保实际的生产工作中的各项指标的合格，增加电网系统的供电输电能力，使广大的用户群体满意放心。本毕业设计方案充分考虑了配电网系统的各项指标、故障情况，尽可能的让成品制作简单明了，降低配电网故障效率，降低成本带来的影响，控制在一个比较合理的区域，以此来提升成品的核心竞争力，力求在配电网系统中发挥巨大作用，实现故障的准确定位与检测。2 配电网系统故障基本特征分析配电网系统中性点接地方式的选择是个具体的综合性技术性问题，它直接影响到电网装置的过电压水平、绝缘情况、电网供电稳定性、接地保护措施、通信影响、人员和设备安全等多方面，是配电网系统能实现正常、高效运行的保证基础3。2.1 配电网中性点不接地方式原理介绍配电网电力系统的中性点接地的方式大体上能归结为这两大类：中性点有效接地和中性点非有效接地4。其中中性点有效接地方式包括中性点直接接地和低电阻接地、经低电抗；中性点非有效接地方式包括中性点不接地、经消弧线圈接地和经过高点组接地5。2.1.1中性点不接地方在电力配电网系统中，中性点一般是指在变压器低压侧中，三相线圈构成星形联结，联结点称中性点。又因这点的电位为零，也可以称为零线端，一般的零线就从此点引出的。在配电网开始发展的初期，因为人们对电流危害作用估计不足，多数国家采用的是中性点直接接地的方式。可是，经常性的线路跳闸而造成的停电事故的增多，人们认识到这种方式的不可靠性。于是在经过大亮科学实验研究后，开始改为中性点不接地方式运行。“不接地”一词，准确地讲是指大地与配电网系统的中性点之间不存在有连接。在实际运行中，中性点不接地的方式也随之出现了诸多的问题，比如：（1）单相接地故障在多数时候不能被及时的检测出来，工程师们无法迅速找出隔离接地点，单相接地会转变为相见短路故障。（2）带有故障运行的时间太长，相对地电压会升高成为线电压，如果此时配电网存在有严重污染或者绝缘不好的话，就很容易引起异地两个点接地故障。（3）接地点电弧不会自主熄灭，流经电容的电流加大，容易产生铁磁谐振过电压和间歇性电弧过电压，这会导致PT的大量烧毁事故故障。实际应用中设系统三相电源电压、对称。由于在各相导线间和相对地之间沿导线全长都有分布电容，各项绝缘有对地泄漏电导。因此，在电源电压作用下，这些电容和电导上将会流过附加电流。因为分布电容、泄漏电导可以使用集中电容和电导作为代替。集中相见电容对系统的接地特性影响很小，及计及相对地电容、和各相的对地泄露电导、。如图2-1所示为中性点不接地系统正常运行状态图。（a）原理接线图 （b）电压向量图图2-1 中性点不接地系统的正常运行状态中性点不接地系统正常工作时，中性点所具有的对地电位，称为不对称电压，用表示。可见正常运行中，电源中性点对地电压为0，即中性点对地电位相等6。则各相对地电压为：U相： （1-1）V相： （1-2）W相： （1-3）由于各相对地电压为电源各相的相电压。所以电容电流大小相等，相位差为，三个值相加和为零，所以不会有电容电流流过大地。当每一个相对地电容不相等时，不为零，发生中性点位移现象6。在中性点不接地系统中，正常运行时中性点所产生的位移电压较小，可忽略6。2.1.2中性点单相接地故障发生单相接地故障时，中性点对于地的电压，非故障相对地电压此时为线电压，而中性点对地电压为相电压7。如图2-2所示为单相接地故障原理接线图。其中各相对地电压情况：U相：（线电压） （1-4）V相： （线电压） （1-5）W相： （1-6）图2-2 单相接地故障原理接线图配电网系统线路发生短路故障时，由于流过故障点的电流值会很大，可以通过继电保护来实现对故障线路的快速切断。但是，系统要是发生单相接地故障时，流过故障点的电流就为三相对地电容上电流的和，即8 (1-7)式中为一相接地时，通过故障点的电容电流，（A）； ， 为电网运行的频率，（Hz）； 为电网每相对地电容，（F）； 为电网额定相电压，（V）。配电网系统10kV架空线路，通常就是10A到100A，但是在电缆线路中，的值都比较大，可以达几百安。一般的配电网系统电网的单相接地电容电流值不能够引起继电保护的跳闸动作。它的有效值是Ik=3UC0，故障电流是非故障单相电容电流3倍。按照上文的阐述可以有以下结论，当中性点不接地系统有单相接地故障发生时，零序分量可以概括为以下几点：a.配电网的故障元件中所流过的零序电流和配电网中的非故障元件对地电容电流的总和一样。b.在非故障元件中有和原来的零序电流大小相等的电流流过，它的方向是由母线指向故障线路的方向。c.当配电网系统发生单相接地时，可以认为出现故障的地方产生一个零序电压，这个零序电压与故障前的相电压在数值上相同，方向相反，因此导致零序电压出现在整个配电网。d.零序网络配电网中性点不接地系统中，通过同一等级的电压线路元件对地的等值电容组成，它与由中性点接地系统所构成的通路差别很大，该线路的零序阻抗与之前的相比差别很大。当上叙a、b、c、d四个条件都得以成立的时候，就可以断定配电网系统单相接地短路故障。2.1.3中性点不接地系统的中性点位移多数的架空线路因为排列的不对称且换位不安全，产生各相位之间对地电容不想等，这就导致了中性点不接地系统正常运行时的中性点位移，也可以说中性点对地电位出现了位移现象。但是，一般位移电压只要控制在电源电压的5%以内，都正常运行都没有太大影响。2.1.4中性点不接地系统的特点配电网系统发生单相接地故障时，线电压维持在一个稳定值内，使用者即使能够正常的工作，但是接地的那个位置可能会有电弧效应产生。当输电线路不是很长、输出电压不高的情况下，接地部分的电流值很小，电弧效应只会产生很短的一段时间，尤其是在35kV及以下的配电网系统中，企业不用在绝缘方面做太大的投资，且供电稳定性作为一个优点得以突出，所以中性点适宜采用不接地的方式运行。当在一段较长的线路之中时，此时电压也较高，接地电流较大。这时所产生的电弧就不会自主熄灭，表现为稳定电弧和间歇性电弧，而且电压值维持在一个高值时，企业对于绝缘方面的投资就要占整个配电网系统较大的比例。其中中性点不接地方式的优缺点分别为：当电网系统出现单相接地故障时，故障点线电压数值保持不变，相电压上升倍，这就不会对三相设备的正常运行产生影响，此为最大的优点。在系统的单相接地电容不足5A时，所有的热效应都可以被电路上的各个元件的绝缘所承受，这种规格准许配电网电路在有故障的状态下持续运行12小时。但是，从实际的生产工作来说，应当减少这种带故障运行的时间；对于10kV电网电路而言，每一相对地电容的大小都至多为0.04，因为安全起见，不论电路的绝缘有多好，电阻有多大，都要确保人在无意中直接接触下不至于死亡。然而，这在实际配电网中是不存在的，接地保护和漏电保护措施只是作为间接接触的主要手段而已。2.1.5中性点不接地系统的应用范围（1）电压小于500V的系统装置，其中220V或380V系统除外；（2）3到10kV电网系统当单相接地电流小于30A时；（3）20到35kV电网系统用小于10A电流作为单相接地电流时，系统出现单相接地时线路接地电流很小，线电压维持对称状态。所以电压不等于零，其余别的相正常，电压夹角为120度，因为断相导致三项电压不维持平衡，在开口三角形处出现零序电压9。2.1.6中性点不接地系统暂态特征分析在配电网系统发生单相接地故障时，此时系统应该使用中性点不接地系统，所以开关S必须为断开状态。如图所示2-3所示，配电网系统单相接地故障暂态电流的分布图。图2-3 配电网系统单相接地故障暂态电流的分布在发生接地故障的那一瞬间，系统中电路的非故障相电压就上升到一个很大的值，然后大小电容都可以快速充电，但是在发生故障的那一相，电压就会快速降低到一定值，并且所连接的电容会大量放电。2.1.7中性点接地方式性能分析（1）供电可靠性与故障范围中性点不接地对于供电稳定性来说，单相接地后，电路的相电流维持在一定的稳定值，线电压也保持一个平衡状态，对用电客户没有造成大影响。单相接地故障电流数值很小，大多表现为瞬间性的故障，主要是架空线路，瞬间性故障在单相接地故障中占有85%以上的比例，这就不需要断路器跳闸。对于经消弧线圈接地方式来说，单相接地连接时流经电路上电容的电流得到补偿，在接地点残留下来的电流值很小，这就能让故障点产生的电弧自然熄灭，同时可以让故障处相电压数值上升减慢，这就对故障电弧的避免重燃和自然熄灭产生积极的作用，约有65% 85%的故障能够自动消去，供电稳定性强。在低电阻接地方式上，永久故障和瞬间故障一样都会引起开关装置的跳闸，配电网线路跳闸机率远远高于之前的两种接地方式。对于架空线路组成的混合型配电网系统，这种方式的接地开关会很容易跳闸，供电稳定性很低；而对于像主要以电缆构成的电网来说，发生永久性单相故障会比较多，而低电阻接地方式能够迅速在开关跳闸，这就有利于防止事故扩大化，对电网的供电是积极的。（2）故障电流对电网设备的影响对于中性点不接地方式，故障电流表现为对电气设备的危害，故障电流的持续时间和故障电流的幅值。这种方式的电网电容电流往往小于10A，此时这个故障点上的耗散功率比较小，即使很长一段时间运行，也不会存在严重的威胁。对于经消弧线圈接地方式来说，线圈处于谐振状态时，在接地点剩余的电流量很小，较长时间运行是不会对电网设备产生严重影响。在使用低电阻接地方式时，故障点周围增加了几百安的有功电流，一方面出现了短路故障时要马上跳开线路，断路器和其他所相连接的设备负担较重，这就加大了电网企业工人的检修维护时间；另一方面短路时电流对各种电网设备危害较大。（3）人身安全使用中性点不接地方式时，故障电流很小，配电网的跨步电压和接触电压很低，短时间对于人身安全不会造成大的危害。而经消弧线圈接地时，就有利于瞬时故障的电弧自助熄灭，降低了人员触电的机率。为了取得更加快速的获得接地保护时所需要的一定电流值，在经低电阻接地方式时，一般系统单相接地电流值都比较大，往往为99A1000A。因为此时的流过线路的故障电流很大，对设备有着严重的影响，在接地点周围会产生数值较高的接触电压和跨步电压，这就对路过的人员构成了严重的危险。但是系统对于故障能做到快速跳闸，从而减少触电机率。（4）通信干扰与电磁兼容对于配电网系统的瞬间发生的故障，主要作用的是静电耦合，企业管理人员能够用简单的方式加以控制。（5）过电压与绝缘水平配电网系统发生单相接地故障时，正常的相对地电压逐渐上升转变为线路中的线电压。如果出现间歇性弧光接地，就会容易在线路中出现弧光接地过电压10。除此之外，工作人员在对系统操作时，还容易引出铁磁谐振过电压。如果故障存在的时间不太短的化，电力设备就要有较强的外绝缘泄漏安全距离。（6）继电保护选择性市场上已经开发出多种选择线路的方案，但是实际工作的效果都不是太好，因为单相接地电源往往比正常负荷电流小很多，这是难以确保继电保护的选择性，需要安装特殊的接点显示装置。2.2 中性点不接地配电网系统故障检测装置2.2.1配电网系统短路故障的危害在短路故障发生期间，会导致电路中的元件永久性的失效，严重的会发生火灾事故；电压严重不足，不足以维持电网设备的正常运行；在检测到故障、排除故障动作时，因为熔断器的保险丝断掉，会产生停电事故，给用户的生活生产带来严重的影响和经济的损失。故障检测装置主要由感应部分和显示电路两结构构成16。2.2.2配电网系统故障检测装置工作原理配电网故障检测装置按功能可以分为短路故障检测装置和短路、接地故障检测装置。它一般都会安装在架空线路上、开关柜母线排和电网电缆上，用作指示故障电流通路的显示器11。其中短路故障检测装置是安装在各大配电网系统线路上，为了更加准确、迅速地检测出线路短路故障和单相接地故障，当某一区段发生短路故障，此时检测装置的显示器就会发出报警信息，能够在线实时监控到故障的信息，给出闪灯警示。故障检测装置的构成也相对简单，它往往由时间电流检测、故障判别、故障定位驱动、故障信息反馈指示以及信号输出和自主延时复位控制器等12，发生故障时LED小灯就会显示为红色的报警。如图2-4为故障检测装置的构成示意图。图2-4 故障检测装置的构成示意图2.2.3配电网故障检测装置的特点（1） 具有故障检测功能：当配电网系统发生短路故障时，显示窗口为耀眼的亮红色并伴随有刺眼的闪光示警。（2） 具有很强的抗外界干扰能力，并且反应迅速，动作敏捷。电路信号不会受到线路、高次谐波、电流波动、励磁涌流的影响。（3） 能简单快速地查找出故障所在区段：故障检测装置能直接在配电线路上安装，通过两两相邻两组检测器是否正常运作可以很容易的判断出故障发生区段。（4） 自动复位：检测装置会 出厂时设定好的复位时间在判断出故障状态后自行返回正常的位置。（5）带线安装和拆卸：可以在有电流存在的情况下进行维修维护与安装工作，不影响配电网线路的正常运行，步骤简洁。图2-5为国内常见的配电网故障检测装置。图2-5 国内常见的配电网故障检测装置2.2.4配电网系统相间短路分析 配电网系统在发生故障时大体上都是相位不同的。其中在发生非对称故障时，每一相的电流和电压有效值都是不同的。所以，只分析三相电路中的一相是不可以准确反应出配电网存在的问题。在实际工作中，使用对称分量法对相位不平衡系统进行分析得到的数据是大体接近实际情况的。这里就可以引用对称分量法来阐述相间短路的情况。对称分量法一般是对配电网系统中的一组不对称的三相点进行拆分，就可以分为正序，负序和零序三序相量。通过计算则可以求出故障电压电流数量值。（1）正序分量：如图所示可以看出，三个向量的大小是一样的。每两两相之间都是相差120度。正序分量是个平衡的系统。如图2-6(a)所示。（a）正序分量（b）负序分量（c）零序分量图2-6 三相不对称向量所对应的分量（2）负序分量：各向量相邻相相位差也是120度，大小一样，但这是按逆时针方向的，C相超前B相120度，而B相则超前A相120度，与三相相序是不同，如图2-6（b）所示。（3）零序分量：零序分量的向量的大小、相位都是一样的，如图2-6(c)所示。在正序分量中，恒有下列关系：， （2-1）其中 （2-2）显然存在：， （2-3）在负序分量中，恒有以下关系：， （2-4）在零序分量中，则有： （2-5）由上叙计算分析，我们可以总结出配电网系统两相短路的特点：1 配电网系统短路电流和短路电压没有零序分量存在。2 在配电网系统的两相短路故障中，短路电流大小是正序电流的倍，但方向是相差180度。3 配电网系统短路故障中，相间的电压幅值和相位一样，一般来说，短路点所在的非故障相的电压是正序电压的2倍，数值上为非故障相电压的1/2，相位相反。2.2.5配电网故障检测装置的安装事宜故障检测装置安装在架空线、环网柜、箱变、电缆上，用来显示故障3。为了方便电网巡线工作人员快速找到线路故障处，高效地减少检测故障的时间和过程，配电网故障检测装置安装地点应按照以下原则选择进行：（1）安装配电网系统故障检测装置应当悬挂于长线路的中段和分支入口处并与地面垂直，不能倾斜。因为倾斜时检测装置运转困难，不能正常工作，或故障消失后，检测装置又不自动复位，造成判断失误。这个位置可以显示故障分支和区段。（2）安装在各个变电所出口，这样可判断出是变电所内部还是外部出现故障。（3） 故障检测装置应当安装在电线塔的电源一侧，不能装在负荷侧，这是因为电线塔上设备出现故障时，也在该检测装置的检测范围内。总之10kV配电网线路应该在各个区段安装故障检测装置，每个安装点的三条导线都加一个故障检测装置，起到区分出现短路故障线路具体是发生在哪一相。这样有效的提升工人巡线时间，降低工作负荷，降低停电范围，不失为一种合理有效的技术手段。2.2.6配电网系统故障的的一般类型配电网系统中故障类型可以分为：单相接地短路、两相短路、两相短路接地、三相短路13。在配电网系统发生三相短路时，由于各相回路是对称的，因此这样的短路称为对称短路；另外的短路类型都是三相回路不对称的，所以称之为不对称短路。本论文针对比较常见的两相短路和单相接地短路进行分析研究。根据研究统计，短路故障具体类型分类及发生概率如下表2-1：表2-1短路故障类型、故障图示及发生概率2.3 电流互感器工作原理在实际的配电网供电用电线路中，电压电流的值大大小小相差悬殊从几安培到几万安培都有，一般的检测和保护装置是无法直接连入一次高电压设备中，为了便于二次检测仪表的测量就需要电流互感器来实现，将一次系统的大电流按照一定比例转换为数值较小的二次系统可以测量的小电流信号，在通过变比来反映一次的实际值。另外电网线路上都是高压电直接测量非常的危险的。其功能如下：（1） 电流互感器可以把配电网上输出的交流电信号按照变比转换为我国规定的5A或者1A小电流，比如变比为2000：1的电流互感器，可以把实际为2000A的大电流转变为1A的小电流14。（2） 电流互感器常常会安装在开关柜里， 接电流表之类的检测表和继电保护作用。（3） 能够让二次设备与配电网高压部分分隔开来，并且电流互感器二次侧都必须与大地相连，这样对于电网企业人员和设备的安全起到作用。（4） 测量用电流互感器能用来测量用电量大小使电网企业计算和测量运行设备的电流。如图2-6所示电流互感器I-V变换电路图。图2-6 电流互感器I-V变换电路图3 配电网系统故障检测装置硬件设计本论文的最主要目的是在于设计实现一种技术更加完善、全面且稳定性更好的中性点不接地配电网系统故障检测装置。依据配电网系统的故障检测的基本原理基础，比较常见的单片机控制芯片，并加以选择应用，按照任务书所需要实现的基本功能去实现相应的硬件电路设计，再对完成的硬件进行必要的检测和调试，编辑软件开发，添加故障检测装置，最后进行硬件和软件的修改和仿真，以求达到符合的理论要求，实现中性点不接地配电网系统的故障检测功能。硬件设计部分是以单片机的基本功能为核心去组成智能化的硬件平台，并按照准确、迅速检测故障的要求，实现了对应的硬件功能模块；故障检测装置的软件设计部分采用的是嵌入式基于C语言基础的编程操作系统，把每个硬件模块的控制程序设置为高低不同优先级的任务去实现管理，这样就能保证故障检测器的正常工作，保证功能的可靠及稳定。3.1 电路板制作过程在制作硬件的第一步就是制作电路板，这是一个需要我们在最开始过程中掌握的技能，选取合适的硬质电路板与电路板的大小都将会影响往后制作的过程，这就变得十分的重要与明显，所以要掌握好这个步骤的每一步。制作电路板的流程如下：打印图纸熨烫电路图腐蚀电路板钻孔焊接这五大步中的每一步都是重要的，只要其中有一个步骤没有做好的话很可能就要返工了。3.2 单片机系统3.2.1单片机系统概述单片机就是一块集成芯片，但是这块集成芯片具有一些特殊功能，而它的功能的实现要靠我们使用者自己来编程完成。我们编程的目的就是控制这块芯片的各个引脚在不同时间输出不同的电频（低电平或者高电平），进而控制与单片机各个引脚相联机的外围电路的电气状态。编程时我们一般可以使用C语言或者汇编语言，本设计选用的是嵌入式基于C语言部分来编程。3.2.2 硬件部分的功能流程分析故障检测装置一般都安装在配电网系统高压输电线路上，通过指示器、指示灯和报警蜂鸣器来对实现高压输电线路的监控检测，保证故障出现时系统能够及时定位和报警。最主要的核心模块的设计思路是：从电网电路输出的220V交流电信号经过电流互感器的转换，然后把电流信号再经过电流转电压电路，使其转变为低电压供下一级处理模块使用。将小信号的正弦信号经过全波整流电路，转变为直流信号。最后这些直流信号滤波变为近乎平直的直流信号，信号输出给STC12单片机的A/D模数转换芯片，进行信号采集。经过A/D口的信号转变为数字信号，这时进入单片机最小系统，通过单片机的判断处理，判断电路是否发生故障，如果发生过流故障，则LCD1602显示故障出现再哪一相，此时电流值为多少并且蜂鸣器报警。如图3-1所示为故障检测装置大体流程图。图3-1 故障检测装置的大体流程3.3 硬件部分的整体设计从配电网输出的220V交流电源信号的电流太大，不能直接连接到单片机的A/D采集口上，所以必须通过电流互感器的电磁感应转化成为小电流信号。本设计给三相电源的每一相输入端包括零序电路输入端都加上了电流互感器，方便信号的采集转换，把处理过后的信号再发送给合适的A/D口转换，为下一模块的处理做准备。硬件电路上，本设计最主要依靠的是高性能、低功耗的内部自带8路高速10位A/D采集的STC12C5A60S2单片机。相比于目前市场上普通的单片机，具有更高级的技术，可以实现对短路情况的模拟信号转换为单片机可以读取显示的数字信号，最后把单片机处理后的信号发送给显示器，显示电路哪一相出现故障。考虑到经费和时间上的限制，硬件设计时力求使用方便和高性价比，并且有着良好的稳定性和抗干扰能力。硬件整体部分大致可以分为：电源电路的设计、精密整流滤波电路的设计、基于STC12C5A60S2单片机的故障检测以及LCD1602指示器电路的设计等。配电网系统故障检测的功能需求：（1）配电网系统故障检测装置的最主要的作用是能够迅速检查出配电线路中哪一相出现了故障，利用收集到的信号，分析计算出电流互感器采集到的220V高压交流电信号，然后通过单片机自带的A/D模块对模拟信号进行分析处理，单片机对A/D转换成的数字信号再进行下一步计算，判断出是否出现故障。针对不同种的故障类型，本毕业设计做的故障检测装置能实时对线路进行监控，给出正确的判断。（2）在实现对高压输电线路检测故障的基本功能上，再通过软硬件的结合，实现系统检测的快速性和灵敏性，即装置能通过嵌入式系统编程过后的程序命令对工作参数以及设定参数进行必要的整定，以求在不同的工作环境、不同工作人员的运行使用要求。（3）系统故障指示器使用的是LCD1602和LED发光二极管以及报警蜂鸣器三种结合的方式，更好的给配电网使用用户能更加直观的判断出故障的具体位置、具体情况。当发生故障时，LCD1602显示出此时的电流值和故障区段，当前故障相的红灯高亮，报警蜂鸣器报警。3.4 系统核心电路设计3.4.1电源电路模块设计第一步设计的是电源电路，为了能操作方便、简单，本设计采用的是经电源变压器转换的配电网输出的220V供电方式。经过电源变压器的转换变为+15V和-15V的正弦交流电，在经过4个IN4007整流二极管的初步整流和大小电容的滤波，输出下一模块需要使用的+12V、-12V和单片机使用的+5V、-5V的四种电源。因为本系统需要使用多个电压值的输出，所以设计采用多重电源芯片来使电压不断变小变换，结合网络上各种现有成熟的设计电源电路方案，设计了这套电源电路模块。它具有转换效率高，抗负载能力强，输出电压值稳定的特点。在电源模块中，第一部分采用了LM7812三端线性稳压管将经过整流二极管构成的整流桥初步整流过后的16.89V交流电压信号转变为+12V脉动的直流电压信号，同理LM7912将经过整流桥初步整流过后的16.89V交流电压转变为-12V脉动的直流电压信号。其中7805是将流经7812稳压管转变出来的+12V电压变换为+5V直流电压，而7905是经由7912稳压管转变出来的-5V变换为-12V直流电压。所获得的+12V/-12V电压为下一模块的精密整流滤波电路的LM358运算放大器供电。因为考虑到在实际设计出来的电源电路中，LM7812到7805之间的压差U=12V-5V=7V，压差过大，为了以防万一芯片不被烧坏，在四个稳压芯片上都加上了散热片，尤其是LM7805和LM7905要加大的散热片。配电网输电线路输出的220V交流电为高电压，在经过第一部分的大电容和小的瓷片电容滤波。其中，大的电解电容为后续电路提供能量，储能滤波，将整流芯片的脉动的直流进一步滤波为平滑的直流；瓷片电容过滤掉信号中的毛刺、尖峰，过滤掉高频信号干扰。最后部分LED小灯起到提示作用，显示有电流流过，线路导通。如图3-2所示为LED指示小灯的接线原理图。图3-2 LED指示小灯的接线在最初的电源电路设计、画图的过程中，出现了一些小失误。比如说，当我在画电路原理图PCB时，