（电工理论与新技术专业论文）基于dsp智能脱扣器的设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ： 砸l i st h e s j sa j m sa tt l ”d c v d o p m e n to fb t e m g c n tr c l c a n ”c o mm o d u l e so f1 0 w v 0 1 t a g cd r c u i tb a k c r ( l v a b ) 1 km a i np u r p o i st 0r c a l i 弱t h e 喇s d 啪0 fl o w v o l t a g ed 删tb r e a k 盯p r o t c c t i o n a n dm a n a g 锄e n ta n d 删一t i m er 锄o t ec o n t r o l 如d h i 曲a o 删t h em a i nc o n t e n to f t h i st h 伪i si st h ed 璐i 俨o f h a r d 哪a n d f t 黼眦o f t h cl o w v o l 姆舐u i tb r e a k c fi n t c i g c m 坞l e 鹤e 翘dt h eu ，c b 咖m u n i c a t i o nw i t h p p 盯m p l l t e r 1 nt h cb e g i n n i n go ft h et h 髂i s ，t h es t a t i l so fl y c b i n t e i l i g e n tf c k a 辩d e v e l o p m 锄ti n t h ew o d di si n t m d u c c d a c c o r d j n gt 0t h es h o r t a g e0 ft h ec i l n e md o m e s t i cd e v i s ， d s p - b a s c dd e s i 弘m c t h o di sp r c s c n t e d a n di n t e l l i g c n tr e l e a r e l a t i v et h e o r i 器a d e s c r ! i b e d i n d u d i n gt h e 锄p u t a t i o no fc l l n c n t ，v o l t a g e ，t h et h c o 他t i c a lr 璐e a r c h 锄d a n a l y s i so ns h o r t c i 舰i ts i t l i a t i o n ，t h e 锄h l a t i o fs h o f t c i 鲫i t1 l s i n g m a l la b s i m u u n ks o f t w 撇，t l l ea l g o 蒯岫o f3 - s c c t i 伽c l l n 姐tp r o t e c t i o ne t c 1 1 l 吼 t h eh a i d w a d e s i g ni s t h ek 眦1 w a r eh a v et h r e eu n i t s ，t h ek c r i 坨lh 觚d l i n gu n “b 鹤e d o n1 r i s1 m s 3 2 0 f 2 8 1 23 2 - b i td s p ，t h es i 驴a lm o d u h t i o n 柚dc o n 仃o lu n i t ，t h ei l l p u t 鲫do u t p u tu 血t h ed e b u g 舀n gt h ew h o l es y s t 嘲a n dt h em j t o f i n gt h cs u p p l yp o w e r a 咒t a k c ni n 沁a c u n tw h 锄t h cd s pk c m e lh 锄d l 堍u n i ti s 五随m e d r a i l t o 呵a i l ，1 0 w p c l w e r 咖蛐m ea m p l 询e 硒w h i c h 雒eu s e dt om o d u l a t et h es i j 弘a lb e f o r c 刖ds a m p l i n 舀 甜ea d o p t e di nt h es i 萨a 1m o d u l a t i o nu 疵al a r g cv o l u m e p a c i t yi sc h o s c nt om t t r i p p i n gi n s t a l l t l y 如e r g y 船e 凼i n 鲫l t r o iu 衄1 1 1 ci n p u t 蜘d 伽t p u tu m ti so o m p o s e do f “卫，k e y b o a r d ，s c o r a g cd e v i se i c 柚di t sf i l n c t i o 璐a t od i s p l a yt h er e a l t i n l e p 孤锄e t e r sd u d n g t h eo p e m t i o n ，t om o d i 匆t h e p r o t c c t i o np 撇m e t e 硌，t os a v e t h ed a t a a f t e r w a r d ，t h e f t w a r co ft h ew h o l cs y s t 锄i sd e p i c t c d t h em a i np r o g m ma n dt h c s u b p r o g m m sc o n s i s t i n go ft b e i rn o wp m c c s sd i a 黟a m sa r c 既p o u n d c d a n dt h e s u b p m g r a m si n c l u d e3 一s e c t i o nc i l n n tp r o t e c t i 伽p m g r a m ，i n v e 捧et i m el a gp r 0 留a m ， l c d d i s p l a yp m g 舳，h 叩p r o 擎蛐，c o m m u n i c a t i o np r o g 咖e l c e x p e r i m e n t a lr e s u l t si 砌c a t et h cl v c bi n t e l l i g c n t l 龃b 鹤i c a l l ya c h i c v e e x p c c t a n tp u r p o a n dt h el v c bi n t e l l i g e n tr c l e 猫ch a s ac e f t a i nr e f e r c n c ev a l u e 叻 t h ed e v e l o p m e n ta n dc o m m e t d a l i z a t i o n k e y w o r d s ：i n t e l l i g c n tr e l e a s c ；s h o n d r c i l i ta n a l y s i s ；h 吧t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ： m a t l a b c l a s s n o ： 致谢 两年半的硕士研究生求学过程就要结束，这一阶段的学习和生活是我生命中的 又一难以忘怀的旅程。 首先要感谢我的导师王毅教授。他严谨执着的治学态度，敬岗爱业盼专注精神， 平易近入的工作作风和诲人不倦的谆谆教导，使我受益匪浅并将受益终身，在此 谨致以我最诚挚的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，罗礼全、常广、鄢素云等同学对我论文中的 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢同实验室的各位师兄师姐师弟师妹，本论文的顺利完成离不开他们的支 持。 感谢同寝室的同学在学习和生活中给予的关心和帮助。同时衷心感谢所有关心 和帮助过我的老师和同学。 深深感谢我的父母亲和家人，他们对我的工作和学业所给予的热情鼓励，殷切 期望，无私的爱和理解是鞭策我不断进步的强大动力。 v 1 1 引言 1 绪论 随着国民经济的飞速发展，电力在工业生产和人们的生活中发挥着十分重要的 作用。如何有效地保证电力系统的稳定运行，提高供电质量，保护用电设备及人 身安全，己成为人们普遍关心的话题。断路器在供电和配电系统中起着闭合正常 线路和开断故障线路的作用。当电网出现不正常情况时，例如过载、过压、欠压 或短路等。它能自动地把负载从电网上断开。因为这些异常情况将危及操作人员 的安全和设备的正常运行，甚至引起人身死亡事故或造成火灾，所以断路器的工 作性能直接关系着电网和用电设备能否安全、稳定和经济地运行。 断路器是用于接通、分断电力系统以及对各种故障进行保护控制的一种开关器 件，具有过载、短路、接地、漏电等故障保护功能，其保护功能主要通过各种检 测单元对断路器进行开合操作来实现。而低压断路器是低压配电系统的重要组成 部分，1 9 2 3 年问世以来，不论在产品结构，还是性能上都在不断的改进。在现有 各种类型的低压断路器中，绝大多数仍采用基于电磁感应原理的继电保护方式， 这类断路器能耗大、动作时间长，温升高、准确率低，最突出的缺点是其保护的 针对性强，不易随被监控设备性能的改变而改变，给具体应用带来不便，同时实 现保护功能的一体化比较困难。随着微电子技术的发展，出现了由晶体管电路控 制的断路器，这种断路器的控制方式和传统电磁式控制比较虽然具有功耗低、重 量轻、体积小、易于构成较复杂保护装置等优点，但晶体管电路抗干扰能力差， 有关参数的修改也比较困难。从7 0 后代后期起，随着微处理器技术的飞速发展， 以单片机为基础的智能型断路器问世，人们将微处理器用于低压断路器，并推出 了许多微机控制型断路器，进一步改进了保护性能，实现保护智能化。但随着入 们对供电系统自动化程度要求越来越高，对智能型断路器也提出了更高的要求： 对单台断路器要求其自动化、智能化、模块化；对于供电系统中多台断路器要求 能实现联网控制，集中监控。为了完善断路器的各种保护功能，降低功耗，进一 步提高断路器工作的可靠性和稳定性，断路器的保护器件由电子式向数字智能化 方向发展。随着计算机、微处理器和数字处理技术的飞速发展，出现了带高性能 微处理器的智能控制器，提高了断路器的智能化程度。智能脱扣器就是其中最具 代表性的一类断路器的智能控制器，其作为智能断路器的核心设备，基本功能是 对主回路进行故障保护。智能脱扣器可以实时显示电网的有关参数，允许用户根 北京交通大学硕士学位论文 据具体的情况来设置各种保护参数，具有自检测功能和报警功能，同时提供网络 通讯接口，方便和计算机进行通信。若干个智能断路器通过现场总线组成智能供 电系统，实现电力系统遥测、遥控、遥信和遥调功能。“m ” 1 2 国内外的发展现状3 】【4 】【5 1 同 随着材料科学及其相关技术的进步，低压断路器的机械部分相当成熟，而脱扣 器由于单片机或微处理器的广泛应用而逐渐智能化。在过去的十年中，我国基于 微处理器的断路器发展迅猛，成功研制了三代断路器产品。目前，国内厂家研制 和生产的低压智能型断路器大多属第三代产品，该类型的断路器是在高性能单片 机的基础上实现的“1 。结合单片机内部集成的程序存储器( e p r o m ) 、随机读写存 储器( r a m ) 、可编程的定时计数单元、串行通信接口( s c i ) 和模数转换等硬件 资源，运用先进的保护方案和保护算法，实现了性能可靠的断路器监控部分。9 0 年代中期，许多专业的智能断路器制造厂家采用1 6 位的单片机( 8 0 c 1 9 6 ) 设计新 型的监控和保护产品，以简化硬件电路的设计。 目前较具代表性的智能化断路器有：梅兰日兰的m 系列框架断路器，三菱公司 的a e 系列框架断路器，西门子公司的3 i n 6 系列框架断路器，a 8 b 公司的f 2 系列框架 断路器，g e 公司的s a c b 框架断路器。上海电器科学研究所，遵义长征电器九厂和 上海上民电器厂联合研制的自行设计的系列产品以d w 4 5 、s 系列、c j 4 5 、c j 4 0 等系 列产品为代表。企业自行开发的产品有讲1 、c m l 、隔l 、嘲l 、r 姗1 、偶3 0 、c 嗍2 等智能型万能式断路器，均属于第三代产品。同以前的相比，该类型产品除保持 了显示、控制和在线实验调整等功能外，在提高了模数转化的精度的同时，还增 加了网络通信功能，使用户可通过通信接口实现对断路器的遥测、遥控、遥信和 遥调等“四遥”功能。现阶段该类型的产品在保护电网和用电设备的安全可靠运 行中发挥着主导作用。国外许多公司开发的断路器智能脱扣器的集中控制和检测 系统，包括有多种平台和相应软件支持的中央计算机控制系统、智能化断路器的 对话模块、低压配电装置的监控系统等。上述制造商开发的智能化断路器尽管各 有特色，但其功能有许多相似之处： 1 瞬动保护； 2 短延时保护； 3 长延时保护； 4 接地故障保护； 5 负载监控； 6 过载指示； 2 7 电流测量显示； 8 通信。 第四代的继电保护产品正处于研发当中，该类型的产品对工作性能，功能和软 硬件设计均提出了更高的要求，其大致特征可概括为以下几个方面： ll 处理器选型：处理器为数字式保护设备的核心单元，为了满足电力用户要求的 安全性、可靠性、智能化和规范化的需求，除选用运算速度快、寻址时间短和 运行效率高的位处理器外，还应突破原来基于单片机的程序结构设计、测试和 调试思想的限制。采用高速d s p ，实现保护算法和保护功能。 1 2 数据采集：为了减小量化误差对测量结果的影响，应选用高字长，转换时问短 的高性能模数转换器，数据采样频率至少应为信号频率的1 2 到2 4 倍。为了高可 靠地实现保护功能，应选取足够数量的模拟量输入信号。主保护信号的转换可 采用独立的模数转换器。 1 3 统一的硬件和软件平台：硬件设计中应合理配置各种类型的存储嚣来装载参数 设定值、故障数据、波形数据和及时响应故障状态的中断服务程序，设定值 和故障数据存放在e e p m 中以便系统在掉电时设定值和系统的故障状态不丢 失。软件设计针对不同的保护对象，采用统一格式的设定值管理、系统自检、 通信协议规范和人机接口界面； 1 4 参数显示：应考虑采用大屏幕的液晶模块，利用中文显示系统的状态参数。其 中包括检测装置所采集的电压、电流参数，电流互感器( c t ) 和电压互感器 ( p t ) 的比率，有功功率，谐波指数和有关设备的特殊参数等信息。当电网 和用电设备发生故障时，应有反映故障状态信息和输入参数数值的人机界面 和操作指导菜单。 1 5 透明化的软件设计：利用特殊的程序获取系统的状态参数和电参数信号( 包括 系统的输入、输出和中间量) ，维护人员通过相关的分析软件便可了解和分析 数字式继电保护系统的工作状态。 国外在微机保护和监控系统研制方面起步较早，第四代继电保护单元( 包括智 能型低压断路器) 产品已应用于电力、石油和化工行业。法国梅兰日兰( m g e ) 公 司、日本寺崎( t e r a s a k ie 1 e c t r i c ) 公司和美国西屋( w e s t i n g h o u s ee 1 e c t r i c ) 公司等均在原来产品的基础上，开发有相同标准，高可靠性的第四代低压断路器 产品。国内在这方面的研发较晚，主要从引进技术和自行开发两方面进行。产品 技术指标与国外差距不大，但是质量不稳定，运行可靠性较差，而且研究主要集 中在变电站综合自动化系统领域，其它行业相应低压断路器的智能化产品相对较 少。 3 北京交通大学硕士学位论文 1 3 本课题的意义 从国内外断路器及监控装置的研究动态来看，断路器智能脱扣器具有以下发展 趋势：产品化将智能脱扣器做成相对断路器独立的通用型产品，使其使用范围不 限于某种断路器，而且检测与维修也会相对简单。智能化采用了微处理器技术， 从而具有应用软件，这样在硬件不变的情况下具有很强的适用性和升级能力。 目前国内外各种智能型低压断路器，大多采用以单片机为核心建构。由于单片 机运算速度和数据处理能力有限，运用它进行数据采集和大量数据的实时处理己 不能满足综合智能型断路器控制的需求。大多数单片机芯片内集成的资源有限， 一些基本的功能( 如模数转换功能，s p i 接口等) 需由用户自己设计，且i o 口有 限，这样在增加了硬件设计工作量的同时，降低了系统的可靠性。利用运算速度 高，数据处理功能强，集成度高的d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 技术研制高 性能的综合智能型断路器，就成为断路器发展的一种趋势。基于d s p 设计的智能型 断路器，不仅可方便实现工业生产现场中对各种参数实时采集，对设备进行各种 保护的要求，而且可实现大量数据的精确实时处理。利用d s p 众多的i 0 端口，配 合液晶显示和操作键盘便可给监控设备提供界面友好的运行操作和参数设定平 台。由于o s p 芯片数据处理功能强，集成度高，使系统软件和硬件设计灵活，给实 现智能型断路器的高可信度故障诊断、谐波分析及通信组网提供了坚实的基础。 因此，开发基于d s p 的功能齐全的智能型低压断路器是工业电气自动化行业迫切需 要解决的阀题，它具有良好的发展前景和广大的用户市场。 可通信化在产品中加入相关的检测、判断和通信等芯片或电路，使监控单元的 各种状态和工作参数通过传输媒质与其他电气设备交流。采用现场总线技术可以 使标准统一，兼容性良好。今模块化模块结构无论给产品设计、制造及市场适应 能力，还是用户使用、维修方面，其作用及重要性已为多数人所认识。另外产品 的高可靠性、高稳定性、操作方便与安全等方面也是我们不断追求的目标”。因此， 为了提高断路器工作的可靠性，完善保护功能，降低功耗，节约能源，断路器的 保护由电子式向数字智能化的方向发展势在必行。断路器智能脱扣器不仅能够提 供普通断路器脱扣器的各种保护和控制功能，还具有保护的多样性和可选择性： 能够实时显示电路中的各种参数( 电流、电压、功率、功率因数等) ，各种保护 功能的动作参数也可以设定和修改。保护电路动作时的故障参数，可以存储在非 易失存储器中以便查询。若干个断路器通过互动网络可组成智能配电系统，具有 遥测、遥控、遥信和遥调等功能。使断路器从基本保护功能向数字化、智能化和 网络化的方向发展。“州” 4 1 4 本文完成的主要工作 国内开发的低压断路器监控单元与国外同类产品相比功能较弱，精度不高，实 时性较差，显示信息量小，操作比较繁琐。而国外产品的非中文界面增加了用户 使用难度，而且价格普遍昂贵，不适合国内市场。 本文在分析国内外产品的优缺点的基础上，设计开发了一种适用于低压断路器 的智能脱扣器。 总结起来，本文的主要工作包括以下几个方面： 1 在查阅国外低压断路器技术的有关文献资料，总结国产各种断路器研制的 成功经验的基础上，提出了断路器智能脱扣器的总体设计方案； 2 对各交流电量的数字化测量原理进行了剖析，选择适用于本系统的交流采 样技术和d s p 数据处理技术； 3 智能脱扣器的总体硬件原理图规划以及印制电路板( p c b ) 的设计制作； 4 完成智能脱扣器参数测量、保护算法、串口通信、液晶显示、指示灯按键、 数据储存等功能的软件编制工作； 5 完成智能脱扣器样机软硬件调试以及与上位机的联机调试； 1 5 本章小结 本章主要介绍了课题产生的背景以及国内外在这个课题上的发展情况。在 调研期间充分论证该课题的可施行性，提出了本文需要完成的任务及内容。 5 智能脱扣器的理论分析及仿真 2 智能脱扣器的理论分析及仿真 供配电系统中的低压断路器的主要功能是通过采集单元得到系统母线中的电 流、电压信号，由脱扣器的逻辑控制单元进行分析判断，根据结果采取相应的动 作，实现对线路中的过载、短路等故障的保护。 智能脱扣器是基于这个原理，它通过互感器将主线路中的电压、电流信号转换 成模拟电路可处理的信号，信号处理单元对这些信号进行滤波和整形，信号送入 c p u 后，在c p u 内部进行a d 转换后进行逻辑运算与处理，运算结果与整定值比较后 输出符合预设定保护特性的逻辑电平信号，这些信号经放大后可直接驱动脱扣器 的执行机构和其他辅助继电器，使脱扣器动作或输出声音、光信号。各种故障保 护的动作电流和时间整定值通过键盘设定并预先存储在e e p r o m 中，并可在运行期 间可进行修改。m 在电力系统中，大都需要对电压电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数 等进行测量和计算，作为液晶显示数据及上级电力部门进行监控的可靠数据，计 算故障电流，以实现系统的保护功能。智能脱扣器单元是断路器的中枢部件，它 承担着断路器的各种测量、保护、报警、电压电流参数显示、控制、故障记录以 及与计算机通信等功能。 本章从计量、保护等方面讨论智能脱扣器控制单元的设计原理与其实现方法。 2 1参数测量分析1 0 】 智能脱扣器使用采集转换而来的数字信号完成各种电量参数的计算，包括电 压、电流、有功功率、无功功率和功率因数的计算。这些基本电量参数的计算， 有助于用户了解负载的情况，以及脱扣器系统内部作为判断是否发生故障的依据。 2 1 1电压、电流的测量 根据i e c6 0 9 4 7 2 低压开关设备和控制设备、第二部分断路器，为了使断 路器在波形畸变时不会产生误动作，采用电流平均值计算。电流和电压采用均方 根值( 脒s ) 显示，均方根值检测提供了可靠的系统保护，在波形中含有高的谐波 分量时跚s 检测将减小保护装置误脱扣的可能性。本装置中三相电流、电压均采用 相应的均方根值显示。 7 北京交通大学硕士学位论文 根据周期性连续函数均方根值( 以下简称均值) 的定义，电压和电流均值的表 达式为 j 知矿。矽( 2 _ 1 ) ，- 知产似( 2 - 2 ) 式中t 为信号周期，u 为电压均值，i 为电流均值。式( 2 一1 ) ， ( 2 2 ) 电压和 电流均值的数学表达式，适用于任何周期性交变电量参数信号。 将函数离散化可得电压、电流有效值表达式： u 。持2 盼( 2 - 3 ) ，。持= 砸) ( 2 _ 4 ) 式中u ( k ) ，i ( k ) 为电压、电流的离散采样值，n 为一周期的采样点数。利 用式( 2 3 ) ，( 2 4 ) 进行编程，便可由软件实现电压和电流均值的计算。为了 提高测量的精度，本系统在一个工频周期内的采样点数n 为1 2 8 ，即采样周期为 1 5 6 2 5 u s ，频率为6 4 0 0 h z 。 2 1 2功率及功率因数的计算 1 ) 有功功率的计算 对于周期性信号，其有总功功率p 的表达式为 p 一事晚 。t 矽+ j ：魄+ 乇陟+ j ： 。t 渺1 ( 2 5 ) 式中t 为电压、电流周期，砧矿、甜。为a 、b 、c 三相电压瞬时值，屯、0t 为a 、b 、c 三楣电流瞬时值。将式( 争5 ) 离散化后锝到功率的有效值表达式为 p z 己+ 晶+ 足一言二【 “t ) + 缸) + t 如) 】( 2 6 ) 式中只、忍、足为a 、b 、c 三相有功功率，比破，“酞，“吐， 分别为同一采样周期内第k 时刻a ，b ，c 相电压和电流的采样值。 2 ) 视在功率的计算0 0 0 对于周期性信号，其视在功率s 的表达式为 s u ，茸u _ l + ，口事j 口+ ( ，c 幸j c ( 2 7 ) 8 智能脱扣器的理论分析及仿真 式中叽、为a 、b 、c 三相电压有效值，l 、厶、l 为a 、b 、c 三相 电流有效值，将上述计算得到的电压、电流有效值代入式( 2 7 ) ，可得视在功 率的值。 3 ) 无功功率的计算 对于周期性信号，其无功功率q 的表达式为 q - ( l ) 2 一砰+ ( 厶) 2 一露+ ( 【，c j 。) 2 一露( 2 8 ) 将上述求得的相应数值代入式( 2 8 ) ，可得无功功率的值。 4 ) 功率因数的计算 功率因数为有功功率和视在功率的比值，表达式如下： s 驴- o z ( 2 9 ) ， 将上述求得的有功功率和视在功率代入式( 2 9 ) ，可得功率因数的值。 2 2短路的各种情况分析1 5 】 智能脱扣器最重要的功能是在电力系统发生短路的情况下，切断故障负载，起 到保护的功能。因此分析短路发生的具体情况时十分必要的。 所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地( 或中性线) 之间地连接。在正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。短路 故障的发生，使得电力系统中的电压降低，电流增大，引起严重的不良后果： 1 强大的短路电流将引起热效应，使得导体和电气设备由于过热而造成绝缘 破坏，导体熔化； 2 导致设备的变形或者损坏； 3 会破坏整个系统的稳定性。 表2 1 示出三相系统中短路的基本类型。电力系统的运行经验表明，三相短路 情况最为严重。三相短路时三相回路依旧是对称的，故称之为对称短路；其它集 中短路均使三相回步不对称，故称为不对称短路。上述各种短路均是指在同一地 点短路，实际上也可能是在不同地点同时发生短路，例如两相在不同地点接地短 路。 9 北京交通大学硕士学位论文 z 二 f ( 3 )三相短路 两相短路 f ( 2 ) 乡 ， 单相短 与 f ( 1 ) 路接地 两相短 厶 f ( 1 ，1 ) 路接地 表2 1 短路类型 t a b l e 2 1t h ev a r i e t i e so fs h o n - c i 蜘i t 2 2 1 三相短路电流分析 图2 1 所示为简单的三相电路发生突然对称短路的暂态过程。 图2 一l 三相电路发生短路 f i g l i f e 2 1t h es h o n c i 咖i th a p p e n c di 3 p h 鹤ep o w c rn c t 在此电路中假设电源电压幅值和频率均为恒定，为大功率电源： 对于图2 一l 所示的电路，短路发生前，电路处于稳态，其a 相的电流表达式为： 毛= 厶辋s i n 0 浮+ g 一铂) ，u 卅 钿。而鬲矛意示丽 1 0 智能脱扣器的理论分析及仿真 式中：凡r 、厶工分别是故障点前后电阻及电感，- 、l h 为电压、电流短路 之前的幅值， 咱一蜘等 当在f 点突然发生三相短路时，这个电路即被分成两个独立的回路。左边的回 路仍和电源连接，而右边的回路则变为没有电源的回路。在右边回路中，电流将 从短路发生瞬间的值不断地衰减，一直衰减到磁场中储存的能量全部变为电阻中 所消耗的热能，即电流衰减为零。在与电源相连的左边回路中，每相阻抗由原来 ( r + r + 如+ 工) 减小为【r + 扣厄) ，其稳态电流值必将增大。短路暂态过程的分 析与计算就是针对这一回路的。 假定短路在t = o s 时发生，由于电路仍为对称，可以只研究其中的一相，例如a 相，其电流的瞬时值应满足如下微分方程： 工睾+ 睨一u 卅s i n + 口) 。( 2 1 0 ) 求得微分方程的解为：乞一鲁s i l i ( 耐+ 口一伊) 一ls i n ( 耐+ 口一妒) 式中z 为短路回路每相阻抗的( r + ，n 也) 模值；妒为稳态短路电流和电源电压间 的相角a r c t a n ( n ，尺) ；l 稳态短路电流的幅值。短路电流的自由分量衰减时间常 数互为微分方程式( 2 1 0 ) 的特征根的负倒数，即瓦- 工r ，短路电流的自由 分量电流为：。一；，它是不断减小的直流电流，其减小的速度与电路中r 值有关。式中，c 为积分常数，其值为直流分量的起始值，由初始条件决定。短路 的全电流为： 乙i l s i n ( n 瑶+ 口一妒) + c p ( 2 1 1 ) 在含有电感的电路中，根据楞次定律，通过电感的电流是不能突变的，即短路 前一瞬间的电流值( 用下标0 一表示) 必须与短路发生后一瞬间的电流值( 用下 标o + 表示) 相等，即乞o - - o s i n ( a 一) z i 4 矿一ls i n 一咖+ c ，所以： c 一乞o _ 一乞旷一厶s i n ( 口一) 一，埘s i n ( 口一) ( 2 1 2 ) 将式( 2 一1 1 ) 代入式( 2 1 2 ) 得： 乞= ls i n 删+ 口一妒) + 【ls i n 一) 一ls i n 一) 】麟p ( 一( 2 1 3 ) 4 由于三相电路对称，只要用( n 一1 2 0 。) 和( 口+ 1 2 0 。) 代替( 2 1 3 ) 式中 的。就可分别得到b 相和c 相电流表达式。三相短路电流表达式综合如下： 一ls i n 0 耐+ 口一妒) + 【s i n 似一一) 一ls i n 一) 卜c x p ( 一 j 口 = j m s i n 0 “+ 口一1 2 0 。一曲+ 帆s i l l 一1 2 0 。一) 一l 血缸一1 撕一) 卜既“一 北京交通大学硕士学位论文 - 咖+ 口+ 1 2 0 。一力+ s i n q + 1 驸一) 一l 嘶+ 1 万一) 】+ 唧( 一 j 4 由上可见，短路至稳态时，三相中的稳态短路电流为三个幅值相等、相角相差 1 2 0 。的交流电流，其幅值大小取决与电源电压幅值和短路回路的总阻抗。从短路 发生到稳态之间的暂态过程中，每相电流还包括由逐渐衰减的直流电流，它们出 现的原因是电感中电流在突然短路瞬问的前后不能突变。很明显，三相的直流电 流是不相等的。利用m a t l a b 的s i 姗l i n k 功能对其进行仿真，图2 2 是中性点非接地 系统三相短路仿真原理图，设置三相短路故障发生时间为0 0 2 s o 0 6 s ，图2 3 是 仿真得到的电流、电压波形图。“”嘲 盘蒜器篇。 图2 2 中性点非接地系统三相短路仿真原理图 f i g u e 2 - 2t h ee m u l a t i 伽s c h 哪eo f3 一p h a s es h o n c i r c u i ti nn e u t r a ls y s t e m 图2 3 中性点非接地系统三相短路仿真的电流电压波形图 f i g l l 玎e 2 - 3t h ee m u l a l i w a v 骼o fb o t hc u 仃c m s 卸dv o l t a g c so f3 - l h a s h o r t 匆r c u i t j nn e u t m ls y s t 锄 1 2 回| 智能脱扣器的理论分析及仿真 2 2 2 不对称故障的分析 系统发生不对称短路故障时。可以用对称分量法对其进行分析。图2 4 表示将 故障点短路电流和对地电压分解对称分量。正序网络短路的等值电路，如图2 5 ( a ) 。阻抗z f 。是自故障点看迸网路的等值阻抗。u ，( o ，为未发生故障时在该处 的正常电压，即开路电压。负序网络等值电路如图2 5 ( b ) ，阻抗z f 伫1 是为负序 网路的等值阻抗，包括发电机的负序电抗。零序网络等值电路如图2 5 ( c ) 。 由于发电机的中性点往往是不接地的，其零序阻抗开路。零序网络结构和正序网 络是不相同的。同样，阻抗z ，。、是为负序网路的等值阻抗。 图2 4 故障点短路电流及对地电压分解 f 咖r c 二4 t h e s h o r t 矗唧i t c u 眦豳a n d t h c d 。啪p o 蛆d e d v 0 l t a g c t o g r o l m d i n f h u l tp o i n t ( 袅)( b )( c ) 图2 5 正序、负、零序网络短路等值电路图 f i g i i r c 2 - 5t h ee q u i v a l e mc i f a i i 协o fp o s i t i v e - s e q u e n c c ，n e 鲥i v e s c q u e n c ca n d z c r o s e q u e n c ci ns h o n c i 砌l i t 凡1 w e rn e t 根据三个序网的等值电路，可写出一般的三序电压平衡方程： ，妒，一杉，1 ) 一j ，1 ) z q ) 0 一u ，( 2 ) 一，( 2 ) z 0 一u ，( o ) 一，( o ) z 仃( o ) 1 3 北京交通大学硕士学位论文 1 单相接地短路 单相( 假设a 相) 接地时，a 相电压为零，三序电流相等，其边界条件，则为： j u ，( 1 ) + u ，( 2 ) + u ，( 0 ) 。o( 2 1 5 ) 、f | i l f 嗡一l f 哺 式中u ，( 1 ) 、u ，伪、u ，( 0 1 分别为a 相的正序、负序、零序电压；相应地 ，o ) 、，2 、，( o ) ，分别表示a 相的正序、负序零序电流。 解联立方程式( 2 _ 1 4 ) 和( 2 一1 5 ) 得故障处得三序电流为： ；，a，。j，t。；，砷，。j：_= 故障相( a 相) 的短路电流为：j ，- j ，( 1 ) + j ，伫) + j ，t o p 乏忑。 对中性点非直接接地的系统见图2 2 ，若发生单相如图中所示a 相接地后，b 相 的对地电压保持不变，c 相电压要升高1 7 倍，可以据此故障信息作为保护的依 据。为防止故障继续扩大成两点或多点对地短路，造成相间短接，在单相接地后 应及时发出报警信号，以便操作人员采取相应措施。利用图2 2 原理图，在图中的 故障功能模块中，设置a 相接地短路故障。图2 6 为用m a t l a b 仿真的中性点非直接 接地系统的a 相在o 0 1 5 s 一0 0 5 s 接地时的各相的电压波形图。 图2 6a 相接地时各相电流、电压波形图 f i g i l m 2 - 6t l i ew a v 船o f3 p h a c l l 玎c n t 卸dv o l t a g cw h e na - p h 勰ei j n ec 0 衄c c t i n gt 0 g f o u n d 1 4 智能脱扣器的理论分析及仿真 c b 一 2 两相短路 易， i 静i 靶 r 劢，熙奶姥刃7 7 = 万7 力7 7 7 乃守7 = 万7 7 7 7 = 万 ( a )( b ) 蚋 图2 7 两相短路示意图( a ) 短路故障点电流、电压( b ) 两相短路复合序网 f i g i l r e 2 7t h es c h e m eo f2 p h 勰es h o r t 硒r c u i t ( a ) n ”c u 玳i n t 如dv o l t a g eo fi nf a u n p o i n t( b ) t h ec c 胁p l 强s c q u 朋c cn e to f 2 - p h 硒es h o n - c i r c l l i t 如图2 7 表示f 点发生两相( b 、c 相) 短路，该点三相对地电压及流出该点的 相电流( 短路电流) 具有下列边界条件： ，舟一o ；，扣- 一，声；【厂p - 【，扣 ( 2 1 6 ) 式中，声、u 斥分别表示故障点f 处，b 、c 相的电压；相应地如、，声、，弦分别表示 故障点f 处a 、b 、c 相的电流。将电流转换为用对称分量表示： i ，1 ) i ，( 2 ) i ，( o ) 1 4 4 2 1 暑! 1 1 4 ：口l 3 1 1 1li lj 0 i m 一i “堋慨k ：2 ) 沿m 这说明两相短路故障点没有零序电流，因为故障点不与地相连，零序电流没有 通路。 由式( 2 一1 6 ) 和式( 2 - 1 7 ) 中电压关系可得： u 声_ d 2 u ，( 1 ) + 口u ，( 2 ) + 【，( o ) 。u 斥量4 u ，( 1 ) + 口2 u ，2 ) + u ，( o ) ( 2 1 8 ) 即【，( 1 ) 一u ，( 2 ) 式( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 即为两相短路地三个边界条件。 根据边界条件，两相短路时复合序网，如图2 5 ( b ) 所示，即正序网络和负 序网络在故障点并联，零序网络断开，两相短路没有零序分量。由复合序网，可 黼= j ，旷五。 彳+ n 彬叫岽。加 1 5 北京交通大学硕士学位论文 彳k 4 j ，仰彬_ 4 ) 杀叫压 由此可见，当乃= z ( 2 ) 时，两相短路电流是三相短路电流的3 ，2 倍，因此 电力系统两相短路电流小于三相短路电流。利用姒t l 矗b 的s i j u l i n k 功能对其进行 仿真，图2 8 是中性点非接地系统b ，c 相短路仿真原理图，设置b 、c 短路故障发生 时间为0 0 1 s 一0 0 1 5 s ，图2 9 是仿真得到的电流、电压波形图。 l l h c = = = 卜 i 母忡b j 一一 i c l c = = = = 】一 图2 8b 、c 两相短路仿真原理图 f i g l l r c 2 8t h ee m u l a t i o ns c h e m eo f b c p h a s es h o r t c i r c u “ 图2 9b 、c 两相短路仿真电流、电压波形图 f i g i l r c 2 - 9t h ee m u l a t i o nw a v 髓o fb ， cp h 弱es h o f t - c i r c u “ 3 两相短路接地 图2 1 0 表示f 点发生两相( b 、c 相) 短路接地，其边界条件显然是： ，向l o ；u 卢口【，扣- o ( 2 一1 9 ) 1 6 智能脱扣器的理论分析及仿真 其转换对称分量的形式为： f d ，( 1 ) d ，2 ) d ，柳 1 1 ，( d + ，( 2 ) + ，t o ) o 显然，满足此边界条件得复合序网，如图2 4 中( b ) 所示，即三个序网在故障点 并联。由复合序网，可求得故障处各序电流为： 沁毛椰毫 赫。椰杀 b a i 厶i l bi 缸 + 厩岛kl 喀 ( a ) 两相短路接地两相短路接地复合序网 图2 一l o 两相短路接地示意图 f i g i i r c 2 1 0t h ef i g i l f 鼯o f2 _ p h a g u n df a u l t 故障相短路电流为： r声。口2j，t：，+4j，m+j，p，一j，。，。2一稳 ij扛一n2j，。，-口j，。，+j，to，一j，t”(口一镰) 利用姒t l a b 的s i m u l i n k 功能进行仿真，在原理图2 2 中，在图中的三相故障功 能模块中设置b 、c 接地短路故障，故障发生时间为0 0 2 s o 0 6 s 。图2 1 1 是仿真得 到的电流、电压波形图。 1 7 焉 一 + 一 ” 一 声 一z - r ， 北京交通大学硕士学位论文 图2 1 lb 、c 两相接地电流电压波形图 f i g i l r c 2 - 1 1t h ew a v 龉o f b o t hq l 玎e n t 卸dv 0 l t a g cw h e nb ， cp h a s 鼯( h o u n dr m l t 2 3保护的原理及实现方法【1 7 1 【1 8 】 配电系统和用电设备的过载运行是经常发生的，例如，照明线路的过负荷、大 容量电动机的起动、变负荷系统中负载的增减等等。低压断路器作为保护元件， 智能控制器保护特性必须与被保护对象的热特性配合，其中必须考虑的主要问题 之一是被保护对象热积累的模拟。过载时，系统中负载电流成倍增加，在线路和 设备上直接以，的形式表现出来。在反时限延时保护特性曲线范围内被保护电器 的时间一电流特性呈现“，= 常数”的反时限特性。不管电流如何变化，被保护对 象最终的热积累总值应符合，t 罗睁。，保护功能是智能控制器最重要的功能之 f 墨 一，保护功能的设计在整个控制器的设计中占有极其重要的地位。前面分析了各 种短路类型，了解短路时电压电流变化的情况后，本节主要对以上故障发生时， 采取的相应保护措施，讨论智能控制器的保护功能及其实现原理，重点介绍过载 延时、短路短延时和短路瞬动三段电流保护的实现原理。 2 3 1 保护的算法及分析 大多数保护算法的计算可视为对交流信号中参数的估算过程，对算法性能的评 价也取决于其是否能在较短数据窗内，从信号的若干采样值中获得基波分量或某 次谐波分量的精确估计值。衡量各种算法的优缺点，重要指标可以归结为：计算 1 8 智能脱扣器的理论分析及仿真 精度、响应时间和运算量。