10KV柱上断路器涌流检测与控制装置的研究（桂林）
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10KV柱上断路器涌流检测与控制装置的研究（桂林）,10,KV,断路器,涌流,检测,控制,装置,研究,桂林
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编号： 毕业设计任务书题 目：10kV柱上断路器涌流检测 与控制装置的研究 学院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 黄 昕 学 号： 1200120312 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 范 兴 明 职 称： 教 授 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 2015年12月28日注：1、本任务书一式一份，院办留存，发给学生电子稿，任务完成后附在说明书内。2、任务书均要求打印，打印字体和字号按照本科生毕业设计（论文）统一格式的规定执行。3、以下标题为四号仿宋体、加粗，正文中文用小四宋体，英文用小四Times New Roman，日期采用阿拉伯数字。 4、“一、毕业设计（论文）的内容、要求”位于页面最顶端，“任务下达时间”位于新页面最顶端。5、请不要修改最后一页（即“任务下达时间”所在页的内容）一、毕业设计（论文）的内容1、复习并学习电力系统分析课程中关于电力系统短路和中性点接地方式章节相关理论知识，掌握10kV电力系统短路过程及电流和电压变化过程，了解涌流检测的基本原理与目前常用的实现方法，了解目前所用装置的工作原理、基本结构和性能特征；2、学习和掌握查阅科技文献的主要途径，查找并仔细阅读10kV配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，通过科技论文、技术资料的检索和阅读，了解并掌握10kV配电系统涌流检测的原理、常用方法和研究与发展状况；3、根据毕业设计题目和要求，深入分析10kV配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，最终制定毕业设计的实施方案；4、根据前期工作和计划研究方案，设计并开发10kV配电系统涌流检测和装置模拟样机，并对样机进行各部分功能测试，与研究方案进行对比分析，反过来对实施方案和仿真模型进行修订和完善，进一步指导实际样机的实现，完善样机的测试工作。二、毕业设计（论文）的要求与数据1、掌握和论述分析涌流控制器的工况和工作原理，.学习高压、强电流互感及原理及应用技术，掌握电压和电流检测原理；2、研究嵌入式微处理器应用系统常用的低功耗设计方法；研究10kV系统用涌流控制器，深入分析现有涌流控制器的结构、特点、应用场合。3、完成10kV用涌流控制器样机（短路电流1000A），详细分析其参数和工作条件，给出相应的试验结果。三、毕业设计（论文）应完成的工作1、根据毕业设计任务书中的研究内容和要求，完成二万字左右的毕业设计说明书（论文），要求内容翔实，有必要的系统原理、实施方案、必要的模型仿真、系统设计和实验过程及样机功能验证；在毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要。2、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）；具体要求为：翻译材料要与毕业设计内容相关，为了准确性作者姓名可以不翻译，参考文献可以不翻译，但所翻译的字符数应达到规定要求。3、了解和掌握用于检测大电流互感器的工作原理，论述涌流控制器的作用和应用状况；4、研究10kV系统用涌流控制器，深入分析现有故障指示器的结构、特点、应用场合；完成配电网10kV配电网柱上开关用涌流控制器样机，详细分析其参数和工作条件，给出相应的试验结果。四、应收集的资料及主要参考文献1 陈燕来，郎永平，王鸿伟.10kV配电线路励磁涌流问题的研究J.煤矿机电， 2013,3:29-32.2 王道普.线路故障指示器实用技术J.节能,2005, 8: 47-51.3 何勇.电缆故障指示器及其使用情况评析J.广东输电与变电技,2004, 3: 46-50.4 冯文胜.电缆故障指示器的应用J.广东电力.2002,15(5):66-68.5 孙镇华,侯义明.单相接地故障指示器检测原理分析J.广东输电与变电技, 2004, 21(5) : 30-32.6 卢兴旺.线路故障指示器的分类及应用J.农村电气化，2006,1:60-61.7 冯文胜.电缆故障指示器的应用J.广东电力，2002,15(5):66-68.8 施伟斌.基于10kV小电阻接地系统的架空线路接地故障指示器J.低压电器， 2007,13:34-36. 9 张斌,袁钦成,袁月春.配电线路故障指示器现状分析J.供用电，2005， 22(5):29-30.10 徐永远，徐彦素.10kV线路接地故障指示器的安装J.农村电气化,2006, 4:27-28. 11 倪良华，姚春球.故障电流与励磁涌流的EMD特性分析J.电力系统保护与控 制，2009,37(10):27-32.12 A.-R.Sedighi, M.-R.Haghifam. Detection of inrush current in distribution transformer using wavelet transformJ.Electrical Power and Energy Systems, 2005,27:361-370.五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件计算机1台，示波器，单片机开发系统任务下达时间：2015年12月28日毕业设计开始与完成时间：2015年12月28日至 2016年05 月22日组织实施单位： 教研室主任意见：签字： 2015年12月30日院领导小组意见：签字： 2015年12月31日编号： 毕业设计(论文)开题报告题 目： 10kV柱上断路器涌流检测 与控制装置的研究 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 黄昕 学 号： 1200120312 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 范 兴 明 职 称： 教 授 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 2013年03月01日开题报告填写要求1开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见审查后生效。 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写，或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3学生查阅资料的参考文献应在5篇及以上（不包括辞典、手册），开题报告的字数要在1000字以上。4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。5“指导教师（签字）”日期填写成在2014年12月27日 31日之间的某个日期；“开题小组组长（签字）”日期填写成在2015年1月4日9日之间的某个日期。1毕业设计的主要内容、重点和难点等研究内容涌流电力系统中的涌流是一种持续时间很短的电流，由于涌流值需要与稳定电流相比较才有意义，因此通常不用涌流的电流值来描述涌流，而是用倍数来描述涌流，所谓涌流倍数就是涌流与稳定电流的比值。由于涌流是一种持续时间很短的电流，因此没有有效值的概念，只有瞬时值的概念，因此准确地讲，涌流倍数就是涌流峰值与稳定电流峰值的比值。可以用涌流检测仪来检测涌流的数值。主要用于电网开关上，当开关合闸或电网处于工作状态，线路上有浪涌电流形成时，它能检测线路电流并延时脱扣控制，防止浪涌产生开关误动脱扣。采用微控制器技术，当电流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时。本课题的研究内容主要有以下几个方面：（1） 通过科技论文、技术资料的检索，掌握和论述分析柱上分段断路器及涌流控制器的工况和工作原理。；（2） 分析高压、大电流的监测原理和方法，学习高压、强电流互感及原理及应用技术，掌握电压和电流检测原理。（3） 研究嵌入式微处理器应用系统常用的低功耗设计方法；（4） 分析故障涌流控制器的工况和工作原理， 根据涌流控制器的用途和工作原理, 制作可供演示的涌流控制器样机。研究重点及难点重点：（1）涌流控制器硬件设计，使基本硬件电路能满足测距量程要求和基本精度要求；（2）了解10KV柱上断路器涌流检测与控制装置的特点和工作原理；（3）设计故障涌流控制器的涌流检测环节。（4）设计涌流故障指示环节；难点：（1）高压、强电流的检测和互感器的应用；（2）嵌入式微处理器低功耗的设计；（3）柱上断路器涌流判断的软件设计；2准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等）研究概况及发展趋势在电力设备投运中,变压器的空投由于其伴随产生的励磁涌流的危害性而受到人们的关注和研究,多年来,对变压器励磁涌流的产生原理、特点及其危害性都有比较全面深入的研究和分析,已经得到了大家比较公认的结论一、变压器励磁涌流的产生原因产生励磁涌流的根源是在变压器任一侧绕组感受到外施电压骤增时,基于磁链守恒定理,该绕组在磁路中将产生单极性的偏磁,如偏磁极性恰好和变压器原来的剩磁极性相同时,就可能因偏磁与剩磁和稳态磁通叠加而导致磁路饱和,从而大幅度降低变压器绕组的励磁电抗,进而诱发数值可观的励磁涌流。变压器全电压充电时在其绕组中产生的暂态电流。变压器投入前铁芯中的剩余磁通与变压器投入时工作电压产生的磁通方向相同时，其总磁通量远远超过铁芯的饱和磁通量，因此产生极大的涌流，其中最大峰值可达到变压器额定电流的6-8倍。励磁涌流随变压器投入时系统电压的相角，变压器铁芯的剩余磁通和电源系统地阻抗等因素而变化，最大涌流出现在变压器投入时电压经过零点瞬间（该时磁通为峰值）。变压器涌流中含有直流分量和高次谐波分量，随时间衰减，其衰减时间取决于回路电阻和电抗，一般大容量变压器约为5-10秒，小容量变压器约为0.2秒左右。当变压器在停电状态时，变压器铁芯内部的磁通接近或等于零，当给变压器充电时，铁芯内产生交变磁通，这个交变磁通从零到最大叫做铁芯励磁，我们把这一过程产生的电流叫做变压器励磁涌流，这个电流要高于变压器的额定电流，从变压器的机械力、电动力到保护整定都要为 躲过励磁涌流整定。为了消除电容器投入时的涌流，最好的办法是采用电压过零投入方式。所谓电压过零投入方式就是在电源电压与电容器电压相等的瞬间将电容器接入系统，这样就不会产生涌流。由于电容器的电压与电流有90度的相位差，因此即使采用了电压过零投入方式，在电容器投入的瞬间，电流却正好是电容器额定电流的峰值。研究意义随着超高压，远距离输电在电力系统中的应用越来越广泛，大容量变压器的应用日益增多。电力变压器在空载合闸投入电网或外部鼓掌切除后电压恢复时会产生很大的励磁涌流，同时波形严重畸变，可能造成差动保护误动。稳态情况下，变压器的励磁涌流很小，只有额定电流的1%左右。但是变压器空载合闸或外部短路被突然切除时，暂态励磁电流的大小有时可以与短路电流相比拟，这个过程将持续几个周波甚至几秒钟的时间。此外，变压器在运行过程中经常承受短时过负荷和短时过电压的作用。经验表明，很多的变压器故障就是许多次轻微故障以及各种非正常的暂态过程的损坏累计造成损失。主要参考文献1陈燕来，郎永平，王鸿伟.10kV配电线路励磁涌流问题的研究J.煤矿机电，2013,3:29-32.2王道普.线路故障指示器实用技术J.节能,2005, 8: 47-51.3何勇.电缆故障指示器及其使用情况评析J.广东输电与变电技,2004, 3: 46-50.4胡玉峰，陈德树，基于采样值差动的励磁涌流鉴别方法J.中国电机工程学报，2000，20(9) :55-55孙镇华,侯义明.单相接地故障指示器检测原理分析J.广东输电与变电技, 2004, 21(5) : 30-32.6 童诗白，模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社，1998.7 冯文胜.电缆故障指示器的应用J.广东电力，2002,15(5):66-68.8 施伟斌.基于10kV小电阻接地系统的架空线路接地故障指示器J.低压电器，2007,13:34-36. 9 徐永远，徐彦素.10kV线路接地故障指示器的安装J.农村电气化,2006, 4:27-28. 10 倪良华，姚春球.故障电流与励磁涌流的EMD特性分析J.电力系统保护与控制，2009,37(10):27-32.11葛宝明，王祥珩，卢鹏声，等.电力变压器的励磁涌流判据及其发展方向J.电力系统自动化，2003，27（22）:1-612 A.-R.Sedighi, M.-R.Haghifam. Detection of inrush current in distribution transformer using wavelet transformJ.Electrical Power and Energy Systems, 2005,27:361-370.现有设备和实验条件计算机一台、单片机开发系统、示波器、直流稳压电源、数字万用表，开放实验室3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料实施方案 故障涌流控制器由单片机及外围电路模块，电源模块，模拟信号采集模块，开关量输入模块，显示模块构成，由于控制器工作在户外架空线路上，因此无电源放电，因此电流互感器中的二次侧电流 经CT转换成合适控制器使用的电源，A,B,C三项的电流通过电流互感器后电流依然较大，不适合单片机系统使用，一次增加微型CT进行电流转换，信号调理部分负责将电流信号转拖成电压信号并整流，滤波，通过AD使单片机能够采集，显示模块可以显示控制器运行的参数等，当有故障发生时，故障指示电路动作进行故障指示并作用于脱扣线圈，完成分闸操作。控制器可以采用半波傅式算法进行对短路电流和励磁涌流的鉴别，通过零序互感器可以区分是否发生单相接地短路。图1系统机构框图进度实施计划: 第一阶段（2015-12-30至2016-01-13）：分析毕业设计题目，阅读理解任务书内容，确定实施计划方案。第二阶段（2016-01-14至2016-03-05）：查阅相关文献和资料，了解真空开关永磁机构原理并画出原理结构框图，提交毕业设计开题报告，并翻译4万字外文文献。第三阶段（2016-03-06至2016-04-15）：确定可实行方案。设计电路，画PCB图，做出样机电路板。提交PCB图源文件一份。第四阶段（2016-04-16至2016-05-01）：调试硬件，设计程序。软件编程并与硬件进行调试，完成制作的模拟样机。第五阶段（2016-05-02至2016-05-19）：撰写并完善毕业设计论文。预期提交的毕业设计资料1、撰写两万字以上的毕业设计说明书（兼附15篇以上的参考文献）；在毕业设计说明书中应包括300500个单词的英文摘要及关键词；2、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）；3、完成装置的整体原理、功能和结构设计方案，要求图表资料齐全。4、计算机绘制相关硬件的原理图、电气安装接线图、制版图等；5、设计出系统的硬件和相应软件并完成其调试；6、根据课题任务与要求，做出可供演示的模拟样机，并进行系统测试。指导教师意见指导教师（签字）： 2016年03月日开题小组意见开题小组组长（签字）：2016年03 月日 院（系、部）意见 主管院长（系、部主任）签字： 2016年03月日- 6 - 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第2页 共32页编号： 毕业设计说明书题 目： 10KV柱上断路器涌流 检测与控制装置的研究 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 黄 昕 学 号： 1200120312 指导教师： 范 兴 明 职 称： 教 授 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Atmel公司AT89S51单片机的性能和特点。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AT89S52单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，AD电路的设计，电路电源模块设计，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multisim模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：10kV配电线路；励磁涌流；线路保护；变压器；检测方法AbstractBecause of the influence of magnetization inrush current, the power transmission or coincidence may cause mis-operation of line protection when the capacity of distribution line transformer is large. Then you need to use the current controller to monitor surge current on line and make delay tripping control which prevent the surge current switch malfunction trip. The micro controller technology is adopted, when the current exceeds the setting current, the quick break protection can be carried out immediately, and the delay can be carried out according to the requirement.In this paper, the principle and detection method of inrush current detection device has been introduced in detail, as well as the performance and characteristics of AT89S51 MCU of Atmel. On the basis of the analysis of the principle of magnetizing inrush current, a simple method to detect the inrush current is designed, and the working state of the controller is simulated by detecting the three-phase current and the zero sequence current. The hardware circuit and software design method of digital display detection current based on AT89S52 MCU as the core is presented. The system circuit design is reasonable, stable, good performance, fast detection speed, calculation is simple, easy to control, and can meet the detection requirements. The contents of this subject are mainly the following aspects:(1) Described the related technology about detection of magnetic inrush current; analysis of the feasibility of the relevant methods in the actual line, analysis of the heavy and difficult points of the detection of magnetizing inrush current, and the application of a variety of new technology.(2) Described hardware circuit design, including the design of the current acquisition circuit, microcontroller module design, AD circuit design, circuit power module design, display circuit design and alarm circuit design.(3) Described software design and apply the multisim simulation software to simulation the system, debugging the current acquisition module. The hardware prototype is made, and the related current is measured.Key Words: 10 kV distribution line; magnetization inrush current; line protection; transformer; testing principle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 课题的研究背景及意义11.2 涌流鉴别方法和10kV系统涌流特点11.2.1鉴别方法11.2.2有关10kV系统涌流的特征介绍21.3 励磁涌流的危害性21.4 论文的主要工作22 10KV配电线路的保护及励磁涌流检测方法32.1 10kV不接地系统的零序保护32.1.1采用零序电压判断接地短路32.1.2采用MR301P通用型保护装置中零序电流保护32.1.3零序功率原理32.1.4零序电流保护装置42.2 励磁涌流42.3 电流辨别励磁涌流的方法42.3.1二次谐波制动的方法42.3.2间断角原理52.3.3波形对称原理52.3.4基于采样值差动的方法52.3.5小波变换识别方法62.4 基于电流电压识别励磁涌流的方法62.4.1磁通特性判别方法62.4.2等值电路参数鉴别方法82.4.3利用瞬时电感判断据识别法82.4.4基于模糊逻辑的多判据法92.5 新型技术在励磁涌流识别方面的应用92.6 10kV配电线路励磁涌流控制方法92.7 本章小结103 硬件系统设计113.1 电流采集模块113.1.1电流采集模块中I/V变换113.1.2精密全波整流滤波电路133.1.3二阶低通滤波133.1.4稳压管的电路133.1.5大电容滤波143.1.6芯片周边及电源周边电容滤波143.2 电源电路模块153.3 显示电路163.4 主控电路163.4.1单片机部分163.4.2单片机各接口在电路中作用173.4.3单片机的复位183.4.4模数转换器（AD）部分183.4.5基准电源端电路193.5 声光报警193.6 本章小结194 系统软件设计204.1 主程序设计204.2 基于LCD1602显示屏程序204.4 本章小结225 系统仿真与样机调试235.1 系统仿真235.1.1仿真软件multisim235.1.2系统软硬件的仿真235.2 硬件调试与硬件效果255.2.1硬件调试255.2.2硬件实际结果255.3 本章小结256 结论26谢 辞27参考文献28附录一 基于AT89S52单片机电流检测及报警系统电路原理图29附录二 基于AT89S52电流检测及报警的系统PCB图30附录三 基于AT89S52电流检测及报警系统C语言原程序31 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 36 页 共34页1 绪论1.1 课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，10kV的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。1.2 涌流鉴别方法和10kV系统涌流特点1.2.1鉴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。1.2.2有关10kV系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。1.3 励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。1.4 论文的主要工作本论文是针对10kV柱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10kV配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10kV配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。2 10kV配电线路的保护及励磁涌流检测方法2.1 10kV不接地系统的零序保护2.1.1采用零序电压判断接地短路10kV母线上的电压互感器，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DMR381P提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。2.1.2采用MR301P通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MR301P通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。2.1.3零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（3I0）是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（3I0）相位超前零序电压（3U0）90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(3I0)大于设定；（2）零序电压(3U0)大于设定；（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，可以对整个的系统的运行的稳定性能有极大的保障。2.1.4零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。2.2 励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。2.3 电流辨别励磁涌流的方法2.3.1二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：I2K2I1。K2就是二次谐波的制动比，整定的范围通常为K2=15%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，极有可能导致误判。2.3.2间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TA暂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。2.3.3波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：KKset。K=fK为波形的不对称度，Kset为整定值，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：Ii+Ii+180Ii-Ii+180K (2-1)式(2-1)中，Ii是差电流导数前半波第i点的数值，Ii+180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2.3.1提出的相比，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。2.3.4基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TA饱和的差流，并且也具备抗过励磁的能力。2.3.5小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。2.4 基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。2.4.1磁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-差流曲线有些差别。这种方法的基本原理为：令Ll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：d/dt=u-Lldi/dt (2-2)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2.1中曲线1、2)，无论变压器剩磁的大小多少，斜率d/did都比较大在变压器还没有饱和时，而变压器在和区域时，d/did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d/did随着id呈周期性大小值变化；而部故障状态的曲线3，d/did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2.2）。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，d/did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d/did，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Kc，若d/did的位置在区域B内，则加1；若d/did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，Kc是单调增加的9。因此，得到下面判据：KcKcset (2-3)Kcset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Kcset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。2.4.2等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2.3所示。图2.3 三相变压器等值电路图对于该电路，有如下特点：（1）Y13、Y23、Y12常数与运行状态无关。（2）Y10、Y20、Y30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，Y10和Y30为大于0的常值；内部故障时，故障绕组的导纳(Y10、Y20或Y30)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Y10和Y30的瞬时值可以建立判据，如果 Y10 1或Y30 2 (2-4)则变压器为内部故障。其中，1和2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1=0和2=2。但是，该方法需要获取变压器漏电感参数，以求取Y13、Y23或Y12，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Y10和Y30；而且1和2的整定较难11。2.4.3利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：u1=r1i1+lldl1dt+ri+Ldidt (2-5)在式子中的参数：L、r1、u1、i1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r、i分别为变压器的励磁电阻，变压器的电流；L为瞬时励磁电感。若已经知道就是原边和另一边的比值，则L可表示为:L=ddiu (2-6)当空载合闸合闸发生励磁涌流时，励磁电感的瞬时值因为变压器的铁芯在不饱和和饱和之间的过程来回变换，而随着励磁涌流的变化值来发生着比较大的变化。通过使用傅里叶级数来分解得到的励磁电感值，就能发现其还有非常大的基波分量，而这个分析出来的量都不会低于一个特定值，利用这个值得到的整定值就可以用来对励磁涌流进行鉴别。2.4.4基于模糊逻辑的多判据法该方法只是变压器在励磁涌流问题上的一个新的探索，仍有许多难题还未攻克，该方法还需要有关的科研人员继续深入的进行细致的研究。2.5 新型技术在励磁涌流识别方面的应用在模糊数学，人工神经网络取得突破性进展的今天，这些新技术被引入到差动保护中。然而，与目前的方法相比，他们不是用于独立提取特征量进行涌流识别，但是作为一种辅助手段渗透到传统的差动保护方法。学习能力超强并且有高度的神经计算能力的特点，这还不是最重要的，还有极强的自适应能力并能高容错度等特点的人工神经网络被设计采用人脑神经细胞的结构和功能，并将其运用到各个领域。变压器原，副边的正序和负序点流量的方向可以用来辨别变压器状态的专家神经网络方法，不对称的故障和对称的故障分别通过变压器两侧电流的负序和正序其相对方向来进行分辨。将励磁涌流的多种特征通过神经网络的三层前向网络模型提取出各次谐波和间断角，最终把神经网络结构确定下来是通过对比过励磁12。2.6 10kV配电线路励磁涌流控制方法(1)因为励磁涌流中有大量的二次谐波，所以可以在10kv线路上采用带有二次谐波制动的保护装置，使用这种方法就需要将老旧的电路全部进行按照所需进行修改和重建，这会极大的增加装置的复杂性，在电力系统的可靠性也有所隐患，并不可取。(2)因为励磁涌流的大小会随时间而衰弱，所以我们可以延长过流保护的动作时间。10kV的线路上的过流保护装置的设定时间最大为0.5s就能保证电网正常运行，这样的设定在考虑保证灵敏度的同时，又可以避开励磁涌流。在上下级电路能满足这种情况的时候，可以优先考虑这种方法。但是在有些线路上无法采取延长时间的办法。(3)只是单单提高过流保护的设定值，但是一旦设定值过高的话，又不能保证设备的可靠保护，选择合适的1.41.6倍较好、此法只能在有限的范围内进行调整，而在过流保护上有过高的设定值就可能对一、二次设备的稳定运行造成安全隐患，一般情况下不可用。(4)在10kV的线路上的过流保护上采用加低电压或者复合电压闭锁的措施来进行保护，但是由于线路过长，在这条线路上的电压元件就有可能因为发生故障而出现灵敏度不够甚至降低了保护动作的可靠性。因此，这种方法也必须慎重使用。(5)就按照所在线路的需求来重新进行CT的选择，重新选择后的CT要提高一次侧额定线路能通过的最大电流，根据重新选择的值来设定过流保护定值。CT一次额定电流要比线路终装配容量的60%大，根据实际运行情况，将过流保护时限设定在0.3s时，10KV线路过流保护定值必须大于额定电流才能可靠的躲过励磁涌流。更换了CT后，就再没有出现了当送电时由于励磁涌流而引发了过流保护动作的问题13。2.7 本章小结本章就10kv配电网络的中性点不接电方式的相关零序保护方式做了详细的介绍，并且通过实际验证选出了最佳零序保护方式，也介绍了励磁涌流对于线路电流的区别以及其相关的传统及未来新方法的检测手段。3 硬件系统设计 硬件电路是整个模拟样机的核心部分，硬件电路的方案的提出，其电路的性能是否优质都将直接影响整个电路的可完成性和稳定性。在硬件电路设计完好的基础上在进行软件程序的编写。才能最终完成我们的模拟样机。我们所做出的模拟样机就是为了测量三相电路上的电流以及当发生单相接地短路的时候测量出相应的零序电流。三相电流测量电路如图所示，而零序电流的测量方法也与三相电流的检测方法大体相同，基本检测电路都是一样的，只是在51单片机编写程序，测量电流的大小时，需要预先设定好阈值，当电流超过预先设定的值时，硬件电路中的声光报警电路就会工作。本章将分模块对所做样机进行介绍，其中就包括了：电流采集模块、电源模块、模数转换模块，显示模块，AT89S52单片机模块，后续我们将对每个模块分开讲述。3.1 电流采集模块下图3.1所示为电流采集模块，本小节对该模块进行介绍：图3.1 电流采集模块电路图3.1.1电流采集模块中I/V变换I/V变换的电路图如图所示，在这一部分中，所选用的CT(Current Transformer）是一种应用变换器的变比是5A/2.5mA的电流传感器，在存在CT的环境下，降低微小电流范围的激磁电感，与次级电流相比来讲，激磁电流所占到的比例就会变大，所以变换比低，直线性差。基于这种情况，我们选用CT的磁心应该是具有良好的初始导磁率的坡莫合金，改善他的直线性。而在CT过后加入二极管D1，D2。是因为在有CT的电路中，如果初级注入了过大的电流，那么次级也会按比例发生过大的信号，往往会损坏前置放大器中使用的运算放大器受到损害，因此加了两个二极管，以防止过大电压加在运算放大器上。起到保护作用。而在运放的选择上我们使用的是LM358AP双路运算放大器。它的里面含有两个独立的高增益并且具有内部功率补偿功能的运放，用的单电源的大小范围比较宽广。图3.2 lm358引脚图及引脚功能Lm358可以输入的共模的电压范围比较宽广范围大概是电源电压的维度。由虚短和虚断可知，放大出来的电压由前段电流乘以电阻所得。而在我们所采用的I/V变换电路中的运放，不止单单是上面的部分，下面358的另外一部分我们用来做类似积分器的部分。因为I/V变换部分，只需要对交流信号有效，电容C6对交流成分的积分为0，而对直流信号进行积分将其积分后反馈回点3的位置。此部分电路构成超级伺服电路，因为CT本不能处理直流，而且我们也不需要直流增益。所以超级伺服电路能将输出的直流成分补偿为0。就能得到预期想要的结果了14。然而R1的选择是由于我们后面所选用的AD所能采集到的电压区间为05V，AD的平均电压为5V，初级电流最大值为5A，次级电流最大值为2.5mA，我们要把已经知道的平均值全部通过相关的计算方式转换成有效值，通过查找资料可已得到15。平均值*波形系数=有效值因为我们输入的波形是正弦波，波形系数有关正弦波就是1.11所以有效值为5.55V。所以计算出电阻为2.22k，所以我们选用一个定值电阻2k串联一个1k的电位器，方便后续的调试和取值。对于高频电路来讲，C1对于高频率的等效容抗小，只有几个欧姆，相当于短路。但是对于低频50Hz的工频信号来讲，等效容抗近似好几十千欧，相当于断路。所以此处用0.033微法的电容起到一个滤波，对来自电网的很高的频率进行过滤。让运放对检测到的信号是低频的发生作用，对高频信号不起作用。3.1.2精密全波整流滤波电路这个部分的基本电路就是绝对值电路，电容C3是在绝对值电路基础上加的。绝对值电路：R5R6=R32R13 (3-1)当满足上述公式的时候，绝对值电路所发出的各个波峰高度全部相同的输出电压，如果固定电阻选用了长期稳定性比较出色的产品，那么绝对值的精密性就显的不是特别重要，在不容易将全部电阻的精度控制在1%以内的时候，为了保证上述公式恒成立，我就自己制作了一个电阻代替R13，用一个47K的固定电阻串联一个5K可变电位器的组合。此处精密全波整流滤波电路的选用是因为我们后续使用的模数转换器是单极性的，所以我们此处要将电压全部转化为正的。而加入电容C3是因为我们要将绝对值电路所产生的波形进行粗略的滤波，得到后面所需要的波形。此部分的调试部分会在后面给出。3.1.3二阶低通滤波查阅相关资料后，按照图3.1中的电路即可实现滤波，从上一级电路得到的电压波形会变的更加平稳，使得后续的工作更加顺利的进行。如图，依旧是采用LM358，第一部分的运放在前面参与二阶低通滤波，另外一部分的在后面承担一个电压跟随器的作用。电压跟随器：看到这几个字自然就能想到作用是什么，通过这个东西前后的电压就是不发生改变的，那也就说明了一个问题，电压跟随器对于流过电压的放大倍数就是基本为1。这个东西其作用无非就是把带负载能力提高，外加可以缓冲和隔离。共集电路就满足了这一基本情况，输入和输出的阻抗前者高，后者低，这样的作用可以让它起到阻抗匹配的效果。在电路中它可以让后面的下一级的运放更加好的工作。也可以用来作为隔离前后级的影响，这时候还是利用了高Ri，低Ro的特性。3.1.4稳压管的电路如图所示，就是由一个稳压管和一个限流电阻构成的电路。选用一个1K的限流电阻和5.1V的稳压管。此处的目的在于后方的AD采集模块的采集最大电压为5V，如果前端电压大于此处AD的最大值，那么可能会损坏AD。超过我们需要的电压将会顺着稳压管流入大地。只有符合要求的电压才会进入下一级电路。 图3.3 稳压管电路 图3.4 大电容滤波3.1.5大电容滤波如图3.4，通过接一个47微法的电容对所得到的波形进行更加准确的滤波，使我们得到的波形越来越平稳，然后通过电路连接到模数转换器上，进行后续工作。3.1.6芯片周边及电源周边电容滤波 图3.5 芯片周围电容分布图 图3.6 电源周围电容分布图所谓的旁路电容的作用就是把电源相对于地的交流阻抗降低，说的通俗易懂就是电源的去耦电容。当无类似电容的电路存在时，其交流特性变得比较不规律，最为严重的时候有可能会导致电路产生激烈震荡。电容阻抗的计算公式通过研究得到为： T=1/（2*f*C） （3-2）通过公式可以看出一个很明显的事情，那就是阻抗随频率升高而减小。但在实际中的内部感抗的成分等因素的影响，到达某个频率后，阻抗反而会升高，在结构上，点容量较小的在高的频率处，而容量大的电容器则在低的频率处，电容的阻抗会变的最低。如下图3.7。图3.7 电容特性曲线但是，在高频下降低阻抗是用小容量的电容器，所以一定要配置在电路附近，因为过长的引线就会产生阻抗，从而导致电源的阻抗降低的不明显甚至基本不降低。一般大小的电容范围是0.01uF0.1uF，1uF100uF。能保证电路进行相关准确工作的前提条件就是电源。这是这个旁路电容就显得很重要了，被认为是整个电路工作的“保险”。在画电路图的时候即使没有画旁路电容。但是在实际电路的装配时，我们要加上旁路电容就会使整个电路变得高大上一点。因此在LM358周围布下0.1uF的抗干扰电容，并联在芯片电源管脚附近，每个LM358用两个0.1uF的电容，三个358公用两个100uF的大电解电容，使得电路工作更加稳定。 3.2 电源电路模块由图3.8可以看出，在经过变压器得到15V电压后，经过由KBP307组成的整流桥后，电压通过C1滤波，L7815CT三端稳压，得到+15V的电压，在L7815前要安装一个电容为0.33uF的电容，这是为了防止7815振荡，所选用型号和数值是根据官方数据手册推荐使用的。同理，对称下去的就是L7915CT，原理与L7815一样，只是得到的是-15V的电压。这两个15V电压是为了给前面电流检测部分提供电压。上半部在+15V后继续接了一个L7805CT三端稳压。同理，根据官方数据手册要接个0.33uF的电容防止振荡，加C4后进一步滤波，L7805输出较为平稳的+5V电压，后端接入一个1K的电阻和指示灯，因为指示灯电压为2.5V，我们前面的电阻选择1K是为了减少功耗，灯只需要亮就可以，不用过大的电流。经过计算接1K电阻以后电流为2.5mA可以满足要求。图3.8 电源电路电路图并且在前文我们所计算的出电压的有效值为5.55V，那其最大值为5.55*27.84V，外加运放LM358的运放摆幅最大为1.5V。所以我们最后所选取的电压一定要比9.34V大，通常所用电源为9V，12V，15V，24V。由于我们所买的变压器变比为220/15V，并且15V的容错考虑范围比选择12的好很多。在这里电源电压选用15V。另外因为在单片机和模数转换两个部分所产生的电流都是很小的几个毫安，所以我们粗略估算图3.8中点3出电流为1A，我们选择的整流桥型号为KBP307二极管组成的，这种组成的额定电流为3A，反向电压的最大值为700V，均满足我们的要求。而电解电容的大小选择是因为，我们估算电流为1A，电压为15V，所以电阻为15。根据：T=R*C，因其电网周期为0.02s，我们要求三倍到五倍的电网周期的一半，按照最大量计算为0.05/15=3333uF4700uF。满足要求。3.3 显示电路 图3.9 LCD1602引脚图 图3.10 LCD1602实物图下表3.1所示为各个引脚功能，其中D0D7口与AT89S52单片机P0口的7个端口对应链接。表3.1 LCD1602各个引脚功能管脚数功能1VSS为电源地2VCC接5V电源正极3VO口为对比度调整端，通过外接一个电位器来调整的4RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器5RW读写信号线6E端为使能端714D0D7为8位并行端1516分别为背光正负极3.4 主控电路如图所示3.11和图3.12就是整个模拟样机的主控系统，由8位的AD芯片PCF8591和AT89S52单片机组成，下面将分别介绍这两部分。3.4.1单片机部分它是一种高性能、低功耗的CMOS8位微控制器。具有以下标准功能：（1）8K字节可编程Flash存储（2）全静态操作：0-33MHz（3）32个可编程I/O口线（4）3个16位定时器/计数器（5）8个中断源（6）全双工UART串行通道（7）看门狗定时器（8）双数据指针（9）掉电标识符图3.11 AT89S52单片机电路 图3.12 AD电路单片微型计算机被广泛的应用于控制领域，被简称为单片机。单块集成电路芯片被用来设计构成单片机，那在内部含有一些比较基本的功能器件：CPU，I/O口还有存储器等一系列东西。所以，单片机只需要跟一些比较合适的软件或者外设相连时，就会变成一个单片机控制系统，内部结构就按照下面的图3.13。图3.13 单片机内部结构3.4.2单片机各接口在电路中作用P0口是8位开漏输出的双向I/O口，没有自带上拉电阻，这时给它一个外部接上一个10K的上拉电阻才能让它工作。P1口是自带上拉电阻的8位双向I/O口。只有上面两口接AD，从P1口烧程序。P1.0 T2是时钟输出。P1.1 T2EX的作用是捕捉触发信号和方向控制。P2口同样是一个具有上拉电阻的的8位双向I/O口，在这里链接显示屏上的三个端口(已在图上标识），作为控制端。P3口不接。晶振电路选12 MHz频率的，选这个数值是因为计算定时准确，选用晶振分频之后定时器参数是整数，误差较小。其中C8，C9为起振电容，考虑的选择范围是10pF30pF，这里选择30pF。3.4.3单片机的复位复位电路在设计的时候考虑两种方法来实现，当通电时产生+5V电压来对这个电路供电，电容C7上端有5V电压，因为电容电压不能突变，所以给电容两端的电压是曲线上升状态，慢慢等到RST点的电位大小变成5V，而51单片机是工作原理上是高电平复位，当达到这个电位时单片机开始复位并开始运行。另外，当手动按下S1时，RST也会通过电源直接得到高电平实现复位。通过这样的设计之后，复位系统可以实现两中复位方法。3.4.4模数转换器（AD）部分图3.14 PCF8591引脚模数转换器电路如图3.14所示，PCF8591是一个单极性的AD，这个模数转换器是有4个模拟输入和一个串行IIC总线接口，硬件地址的编程通过A0,A1,A2来实现，在PCF8591通过双向IIC总线来进行数据信号、输入输出地址、控制等操作以串行的方式进行传输。下表3.2所示为PCF8591各个的引脚功能：在所做的电路中，AD中SCLK接P1口的P1.0端，SDA接P1.1口下载程序并进行通信，其中，AD和单片机通信必须根据IIC通信协议，在外接上拉电阻的情况下才能进行。一般选择5.1K的电阻即可。另外，AD的A0A2口作为IIC地址选择线，AGND与EXT口都接地。表3.2 PCF8591各个的引脚功能引脚功能AIN0AIN3模拟信号输入端A0A2引脚地址端VDD、VSS电源端SDAIIC总线的数据线SCL总线的时钟线OSC外部时钟输入端、内部时钟输出端EXT内部、外部时钟选择线，选择使用内部的时候就直接接地:AGND模拟信号地AOUTD/A转换输出端VREF基准电源端3.4.5基准电源端电路因为，我们要对单片机通信，一定要设置基准电压，而电源电路所产生的+5V电压不稳定，基准电压一定要求稳定不变。所以，通过电源电路+15V，来重新设计一个电路能够产生稳定的可供使用的+5V电压。3.5 声光报警 +5V电源接到一个PNP三极管上，发光二极管以及报警器。没有通电的时侯，Beel端处于高电平状态，不发生报警，灯不亮。当有电压时，PNP三极管有基极电流IB，而当IB变得越大的时候，IC逐渐发生饱和，根据PNP导通的理论依据，管子就会导通了，这时就会发出警报灯也会亮。图3.15 AD基准电源端电路 图3.16 声光报警电路3.6 本章小结本章对所做样机的硬件做了分步细致的介绍，通过对检测电路，电源电路以及主控部分的电路的合理设计，为这个样机的完成打下了坚实的硬件基础。4 系统软件设计电流检测模拟样机的软件部分的设计主要是由主程序、报警函数子程序以及显示模块的子程序组成。电流检测需要精度较为高的计算，又需要准确的计算程序运行的报警时间，所以使用Keil uVision4软件，对系统进行相关C语言的编程。Keil uVision4的51系列能够兼容单片机C语言系统，支持使用C语言编写，因为C语言比汇编语言更加易学易用，在结构和功能以及可读性都占有极大的优势，而且他的优点还体现在相关工作效率上的极大提升，KeilC51提供了标准的C语言编译环境，能够进行软件开发，但是还同时把汇编得高效性和快速等优点进行了保留，C51的功能强大。主程序和两个子程序进行编写，主程序主要实现电流信号的采集显示，而两个子程序分别是报警和显示。4.1 主程序设计主程序需要先对1602和定时器两者进行初始化。首先程序初始化定时器0/1中断初始值，定义定时器0/1工作方式为16为模式，开定时器0中断，再开定时器1中断，定时器0设定的初值50ms，定时器1的初值设定50ms，打开计数器0，开中断。液晶屏上显示固定的信息，然后读取PCF8591的ad，把4组AD值存入到V_C_data数组中去，然后设定程序，当AD的值过小的时候则直接认定为0，设定值为3。然后进行判断，判断零序电流是否大于一定值，此处设定的为220V，100mA就报警。当检测到的超过100mA时，打开定时器1，定时器1中有报警程序。4.2 基于LCD1602显示屏程序LCD1602是字符型液晶显示屏。在设计相关软件时，对HD44780液晶芯片进行操作即可。特别值得注意的是，AT89S52对液晶传输数据或命令前，需要判断液晶的忙碌状态。DS18B20显示字符需要经过以下3个步骤 ：（1）对LCD1602显示模式初始化需要做的工作有关初始化LCD1602主要包括；功能设定、显示开关控令、输入模式设置和清屏。功能实现分别如下：Write_Com(0x38);Write_Com(0x0c);Write_Com(0x06);Write_Com(0x01);（2）对LCD1602写显示地址表4.22 LCD1602显示屏地址显示位置1234567 40DDRAM地址第一行00H01H02H03H04H05H06H 27H第二行40H41H42H43H44H45H46H 67H需要注意，如果想在DDRAM的某地址处显示数据，则必须将此处地址加上80H。Write_Com(0x80+Addr)例如在DDRAM的01H处显示数据，则写入Write_Com(0x81)。（3）对LCD1602写的显示的数据160个不同的点阵字符图形被存储在LCD1602模块内部的字符发生存储器（CGROM)。这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。 Write_Data(uchar Data);用标准的ASCII码来写数据Data。4.3 电流检测及零序电流报警主程序框图 图4.1 电流检测与报警主程序框图4.4 本章小结本章对系统的软件部分进行了讨论和设计，系统的软件程序使用了C语言进行编写，并利用Keil软件进行编译写入单片机。5 系统仿真与样机调试在完成所需要做的软件和硬件后，就要对所设计的东西进行相关可行性和可靠性的验证工作，降低硬件制作的风险，通常来说会把已设计好的系统进行一次系统仿真模拟，并且通过仿真得到的测试结果来对已经做好的硬件和软件系统加以完善。multisim系统仿真软件是一种被学生广泛使用并且简单易学的系统仿真软件，在这里通过对电流采集部分的硬件电路进行仿真，在对I/V变换、精密全波整流，以及滤波环节的仿真，得出相应的结果作为电路调试的基础环节。5.1 系统仿真5.1.1仿真软件multisimMultisim仿真软件是Windows为基础的，现在这软件的模拟/数字电路板的设计只是在板级程度。含电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有非常强大的仿真分析能力。Multisim10.0是网上最为普遍的也是这一版本。在这个已经广泛使用EDA技术来进行电子设计的时代，发达国家现在在一台电子厂品的设计过程，概念的确立再到电路原理等后续一系列操作全在计算机上完成。而这仿真软件可以解决理论与实际脱节的问题。可以制造自己的仪表通过来使用它自带的虚拟仪器技术。那些虚拟信号和实际硬件电路相互传输，在计算机上的都可以输出到硬件，而在硬件上产生的结果也自然的可以反馈回电脑分析。Multisim提供了丰富的模拟仪器以及资源，使得模拟仿真更加易用。（1）比较容易的实现设计电路的目标，通过使用电路图捕捉环境（2）通过交互式SPICE仿真，迅速了解电容行为（3）通过分析高级电路的一些原理，从而来加深基本设计的理解（4）通过工具链将所需要的电路设计和虚拟测试实现无缝的集成（5）改进设计流程的主要目的就是减少建模的错误之后，再加上之前的改进从而就能大大的缩短上市时间16。5.1.2系统软硬件的仿真仿真系统是在电流采集模块电路进行，最初在如图5.1所示位置连接三个示波器。图5.1 电流采集仿真结构图先将电容器C1断开，开始仿真，波形如图5.2所示：图5.2 示波器2与示波器1显示图再将C3接上，此时得到的波形为图5.3 示波器1与示波器3结果结果如图5.3。仿真系统运行的出的波形是所需要的波形，证明系统硬件元件的选择与软件的编写程序是可行的，并且可满足系统的设计目标。接下来可以进行硬件样机的制作和调试。5.2 硬件调试与硬件效果5.2.1硬件调试当完成所有的硬件制作步骤之后，在下一步就需要进行相关硬件调试的工作。制作完成的实物图就如下面的图5.5所示。首先，先将I/V电路拆下来，并且先不将C3焊接在电路上，在R2电位器旁链接一个函数发生器，输入的电压频率和数值为50Hz、1Vpp，然后再在电路右侧与二次低通滤波电路之间接入示波器观察电压变化，通过调节R14电位器来使两个波峰的高度相平，要达到R5/R6=R3/2R13的要求就会使得波形相平，这时的波形就如下图5.4所示。全波0 整流电路波形 t 图5.4 全波整流整流电路的波形达到这种波形之后就可以将C3焊接入电路中，再将I/V电路接上。其次，调试完精密全波整流电路之后，整个电路完全接好之后，去调节电位器R2，让电压调节到能被AD采集的数值即可。最后，通过调节显示屏的VO口来调节对比度，通过扭转电位器来使显示屏的对比度达到能看清楚数字显示为止。调试过程并不是特别困难，系统基本上能达到最初设计的预想要求，接下来进行实际结果的测量。5.2.2硬件实际结果将电路的软件和硬件全部完成之后，将插头接到220V供电电源上，分别按下A，B，C三相电流的开关，就会在显示屏上显示出相应的电流值，然后按下零序电流的开关，模拟故障情况，这时，报警系统就会工作，发光二极管亮，并且发出警报。此时，所有要测量的电流均以乘上一次测折算的倍数放大160倍后显示在液晶显示屏上，模拟样机完成所有需要测量的工作。5.3 本章小结通过对仿真软件的应用，对精密全波整流进行了仿真分析，总结了其满足波形特点的电阻要求，通过仿真验证了电阻比的公式成立。而且硬件的实际效果也都很理想的达到了目标要求。6 结论本次的设计是以单片机为核心的控制的应用系统，利用了I/V变换，精密全波整流，以及各种滤波手段，通过硬件的合理选择，电路板的合理布线以及软件程序的合理编写，最终实现了电流检测，以及零序电流检测与报警的功能。本系统采用了多种滤波整流手段来减小后面模数转换器所采集电压随电网波动所产生的波动，使采集到的电压更加平稳。硬件模块包括了，电流采集模块，电源电路模块，AD模块，单片机模块，显示模块以及声光报警模块；在软件设计中，采用了合理的分模块编程的设计思想。最终由软硬件完美结合实现了测量三相电流以及零序电流大小，并对零序电流超过设定值发生警报的功能，在完成设计之后，又对其进行精确地调整，使得最终的硬件电路能准确的达到理论目标。同时也在理论上对10KV配电线路上的励磁涌流进行了分析，对其单相接地短路电流和励磁涌流进行了区别分析，对目前主流的检测励磁涌流的方法进行了列举，通过分析发现要做到对变压器抑制其励磁涌流并非易事。只有使用多种抑制涌流的方式联合才能大大提高检测能力和抑制能力。谢 辞通过了16周的理论与实际操作的时间，本次的毕业设计终于圆满的完成了，在本次设计中，我充分的并且深刻的体会到了那个道理，实践是检验真理的唯一标准、本次毕业设计是对本人大学四年所学知识的一次综合性考评与测试。无论是动手能力还是理论知识都得到了实质性的提高。本次设计是在范兴明老师的精心指导下完成的、范老师学识渊博，对待学生毕业设计工作认真负责，无论是严谨的治学精神还是深厚的理论水平都让我受益匪浅，在对学科体系和方向上有自己独特的理解。在硬件电路的设计初期，学多问题都一头雾水的时候，是范老师耐心的讲解，为我提供了一条明确的思路，才能使得我后期的制作过程少走很多弯路。在论文的撰写中，由于缺少论文撰写的经验，范老师帮忙提出积极的修改意见，给了我很多在写论文方面的建议，让我克服了很多困难，最后的论文也得以顺利完成。在整个的毕业设计过程中，老师每周都为我们答疑解惑，及时地给与我们悉心的指导和亲切的关怀，在此表示衷心的感谢！同时，我还要感谢那些在我制作硬件和撰写论文过程中实验室的同学提供的帮助。最后，我要感谢我的母校以及所有机电工程学院的任课老师，正是你们这三年多的辛勤工作，不断给我们传输知识，丰富我们的学识库。是你们的无私付出，让我能在知识的海洋遨游，让我的毕业设计完成的更加轻松。你们不辞辛劳的教学态度以及以身作则的教学态度对我今后步入社会的工作产生了深远的积极的影响。在此向你们表示崇高的敬意以及由衷的谢意。感谢父母，那些一路陪伴我成长的亲人，感谢朋友，同学，希望与你们共勉，齐创美好明天！参考文献1 葛宝明, 王祥珩, 苏鹏声,等. 电力变压器的励磁涌流判据及其发展方向J. 电力系统自动化, 2003(22):1-5.2 陈燕来, 郎永平, 王鸿伟. 10kV配电线路励磁涌流问题的研究J. 煤矿机电, 2013(3):29-32.3 张斌, 袁钦成, 袁月春,等. 配电线路故障指示器现状分析J. 供用电, 2005, 22(5):29-30.4 施伟斌. 基于10kV小电阻接地系统的架空线路接地故障指示器C/ 配电系统运行与故障管理技术研讨会暨配电系统接地方式与故障点测寻研讨会. 2007:34-35.5 朱亮. 10kV配电网小电阻接地系统单相短路故障及其保护研究D. 湖南大学, 2011.6 梁武星. 三相变压器励磁涌流若干问题的理论分析和研究
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