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e 瘟銮适太主亟堂位i 佥塞 a b s t r a c t a b s t r a c r a sa nu n p o l l u t e dc o m m o nt r a f f i cv e h i c l e ,t o d a yt r o l l e ya t t r a c t sm o r ea t t e n t i o nt h a n b e f o r eo nt h eb a c k g r o u n do ft h ed e v e l o p m e n tt r e n da b o u tt h eg r e e nt r a f f i c t h ep o w e r s u p p l ys y s t e mo ft h et r o l l e yi st h el o wv o l t a g ed i r e c tc u r r e n tt r a n s m i te l e c t r i c i t y , i t s p o w e rs u p p l yc a b l eb e l o n g st ot h el o wv o l t a g ec a b l e s n o wt h er e s e a r c he m p h a s e so f t h ec a b l ef a u l ti n s p e c t i o na n dt h ed i s t a n c em e a s u r en e a r l ya r ea b o u tt h eh i g hv o l t a g e c a b l e so ni n b o a r da n do n b o a r d t o d a yi no u rc o u n t r y , t h e r ea r en os p e c i a lo n l i n e i n s p e c t i o na n dl o c a t i o ni n s t r u m e n t sw h i c ha i ma tt h el o wv o l t a g ec a b l ef a u l ti n s p e c t i o n i nt h ef a c eo f t h ef a v o r a b l ed e v e l o p m e n to f t h et r o l l e ya n dt h el o w - l e v e la u t o m a t i z a t i o n o ft h et r o l l e yp o w e rs u p p l yl i n ef a u l ti n s p e c t i o ns t a t u s ,t od e v e l o pap r o f e s s i o n a lt r o l l e y c a b l ef a u l to n l i n ei n s p e c t i o na n dt h ef a u l tl o c a t i o ne q u i p m e n th a sv e r yi m p o r t a n t p r a c t i c a lm e a n i n ga n de n o r m o u se c o n o m i cb e n e f i t t oa i ma tt h et r o l l e yp o w e rs u p p l yc a b l e ,t h ea r t i c l ed e s c r i b e sh o wt od e s i g na t r o l l e yp o w e rs u p p l yc a b l ef a u l td i s t a n c em e a s u r es e t t h es e tu s et h es i n g l e c h i pa st h e m i c r o p r o c e s s o r , i tc a nb ef u n c t i o n a l l ys e p a r a t e di n t ov o l t a g ed a t ac o l l e c t i o nm o d u l e , d a t as t o r a g em o d u l e ,d e f a u l ta l e r tm o d u l e ,k e y b o a r dc o n t r o lm o d u l ea n dl c dm o d u l e a n do t h e rm o d u l e s t h ea r t i c l ea l s od e s c r i b e st h ep r o c e s so ft h eh a r d w a r ed e s i g n a t i o n , t h es o f t w a r ep r o g r a m m i n ga n dt h es y s t e md e b u g i ta l s oh a sd e t a i li n t r o d u c t i o na b o u t t h ec l i ps e l e c t i o np r o c e s s ,c i r c u i td e s i g n a t i o np r o c e s sa n dt h ec o d i n gp r o c e s so fe a c h m o d u l e s ,a n da l s oi n c l u d e st h ed i s c u s s i o na b o u th o wt oa p p l yt h ee l e c t r i c a lb r i d g e t h e o r yt ot h ea c c u r a t e l yf a i l u r el o c a t i o n t h es y s t e mh a sp r o v e dt ob ef e a s i b l ei n p r a c t i c e k e y w o r d s :l o w - v o l t a g ep o w e rc a b l ;s i n g l eb o a r dm i c r o c o m p u t e r ; a dt r a n s f o r m i n gd e v i c e ;d a t ac o l l e c t i o n ; l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) ;f a u l tl o c a t i o n e 童坌迪厶堂亟:f :翌i 立迨窆 致谢 本论文的工作足在我的导师高沁翔副教授的悉心指导下完成的,高沁翔教授 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在学习上和生活上 高老师都给予了我很大的关心和帮助,在此向高沁翔老师表示衷心的谢意,衷心 感谢三年来高沁翔老师对我的关心和指导。 吴振升老师,桂峻峰老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见 和指导,并在电车公司的现场工作中教会了我很多实践知识,在此表示衷心的感 谢。 在实验室工作及撰写论文期i 、日j ,刘建芳、时磊、张谦、魏路、凌季平、王霞、 程相杰等同学对我论文中的硬件设计研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达 我的感激之情。 另外也感谢我的家人,他们的理解和支持使我能够在学校专一1 5 完成我的学业。 1 绪论 1 1课题的研究背景 电车,又称无轨电车,是以电能作为能源的一种公共交通工具,具有加速性 能好,无尾气排放,噪音小的特点。它介于轨道电车和内燃机公共汽车之间,将 轨道电车和内燃机公共汽车的优点集于一身,同时又克服了这两种交通工具的缺 点。同时它也有自身的缺点,无轨电车虽然无轨,但有线,车辆需要随着线网运 行,车辆的机动性差;电车的架空线网,特别是交弯处和十字路口处的线网零乱, 有碍观瞻。正是因为有这些优缺点,无轨电车在我国运营发展了近半个世纪,经 历了几次起起落落。在我国公共交通的发展上,无轨电车的发展占据着重要的位 置。 从电车开始在我国出现到1 9 8 9 年时,我国有2 6 个城市使用无轨电车,有近 5 0 0 0 辆电车在运营,每年载客约3 0 亿人次,当时无轨电车约占公交车辆的6 7 , 但承担了约1 1 的客运量。到上个世纪9 0 年代,一些城市相继实施“电改汽工程” 缩减了电车规模,有的城市干脆拆除了线网,无轨电车在一些城市相继退出公交 运输的舞台,无轨电车的发展受到了冷落。造成这一现象的原因是无轨电车的线 网会对城市景观造成“视觉污染”,同时,电车的机动性差,比较容易造成交通堵 塞。城市的内燃机公交车得到迅速发展,逐步替代了电车p “1 。 随着社会的发展进步,从能源、环境等角度出发,公共交通的发展得到了所 有国家的重视,然而我国在发展公共交通和清洁能源交通方面远远落后于发达国 家。 联合国环境保护机构最近的调查报告指出,无论是工业化国家还是发展中国 家,在制定其交通政策时,无不受到以下4 个因素的制约,即人口、环境、能源 和道路。越来越多的国家认为,从总体和长远来看,应将长远发展方向定位在公 众交通上,“公交优先”应成为本国实施城市交通改革的政策基础p j 。 调查报告提供的数据显示,2 0 世纪9 0 年代的1 0 年间,北美、欧洲和日本在 公共交通方面的投资年均增长达1 3 5 ,1 9 9 6 - - 2 0 0 0 年,上述增幅更是达1 6 5 。 过去2 0 年,全世界公共汽车的销售量以年均9 8 的幅度增长,1 9 9 6 年- 2 0 0 0 年增幅达到年均1 5 ,2 0 0 5 年,全世界公共汽车的销售量年均增幅达到2 2 ,可 见“公交优先”的趋势正在逐渐增强。据统计,1 9 9 8 年中国城市数量由1 9 4 9 年的 1 3 2 个增加到6 6 8 个。城镇人口由1 9 4 9 年的5 7 6 5 万人增至1 9 9 8 年的3 亿7 9 4 2 e 丞窑垣盔堂亟土望位j 金塞 万人。如果把户口在农村而实际已脱离农村,长期居住在城镇的流动人口8 0 0 0 多 万人计算在内,城镇人口达4 3 4 8 亿人。另外,据统计,老龄人口占人口总数 的1 0 1 5 ,这势必带来公交客车的更大需求。1 9 9 7 年,我国城市公共汽车拥 有量约1 7 万辆,其中大中型城市公共客车约为9 万辆,年客运总量达2 8 0 万亿 人次,约每2 5 0 0 一3 0 0 0 人拥有1 辆公共客车,与国外8 0 0 1 0 0 0 人拥有一辆 公共汽车相差甚远p 】。公共汽车数量满足不了城市人口增加的要求。和其他出行方 式相比,公交客车更能发挥快捷、方便、安全、集中、效率高、运送能力大、道 路占有率低、能耗低的优势。掘对欧盟7 个轿车普及率较高的国家进行的调查, 乘坐私人轿车与使用公交工具相比,前者的能源利用率仅为后者的1 5 ,道路利 用率仅为后者的1 1 5 ,而占用单位道路产生的有害排放物是后者的1 0 倍。因此, 在许多集中型城市和汽车化程度不高的国家,特别是交通状况欠佳的发展中国家 的城市,公共交通列为优先发展的地位。一些私人轿车占有率较高的国家近几年 也提出了要恢复和发展公共交通。如美国纽约上下班时利用公共交通工具的人数 超过半数,其全国2 0 0 1 年使用公共交通的人数比1 9 9 9 年增加了6 5 ,法国巴黎 早晚高峰时,公共交通车辆出行比达8 5 ,平时为5 6 1 6 0 o l 。 从能源资源状况可以看出,尽管目前石油产品供应充足,但实际上是一种透 支,按目前的开采速度6 5 0 0 万桶年,加上年增1 5 0 万桶,到2 0 3 5 就将耗尽p 1 。 我国石油资源本身并不丰富,从1 9 9 3 年起就已成为石油净进口国,而且随着汽车 保有量的迅速增加,其缺口会越来越大。中国地质科学院最新发表的报告指出, 除了煤之外,中国所有矿产资源都处于紧张状态,将在2 0 3 0 年内面临包括石油 和天然气在内的各种资源短缺,增加对进口的依赖程度,这对国家安全非常危险。 报告说,中国的主要油田都己接近生产结束期p j 。到2 0 2 0 年,中国需要进口5 亿 吨原油和1 0 0 0 亿立方米天然气,分别占中国消费量的7 0 和5 0 。中国2 0 0 0 年进口6 5 0 0 万吨石油,占当年消费量的3 c i l o j o 另一方面,我国的煤炭和水力资源却十分丰富特别是水电资源,不仅位居世 界第一,而且开发程度低,至2 0 0 1 年底,我国的水电开发率仅有2 0 4 ,年水 电发电量仅占全部发电量的1 7 4 ,而发达国家已开发9 5 以上。水电作为一种 可再生的清洁能源,在我国能源建设中将作为重点予以开发。目前,我国的能源 消费结构仍然是以煤为主,由于资源限制,我国不可能走发达国家石油文明的道 路。发展无轨电车和新型能源车辆是解决我国现有公共交通落后与石油资源短缺 现状的有效途径p - 。 虽然无轨电车有许多不足,如车速不高,机动性差,可能影响城市景观等, 但从影响可持续发展的两大主要因素能源和环保方面来看,公共无轨电车运 输有其独特的优势。随着科学技术的飞速发展,我国人民的生活水平不断提高, 2 特别是大城市的市政建设的飞速发展,节约能源、环保等因素被提高到前所未有 的高度上加以重视,汽车的尾气排放成了环境污染的一个急待解决的问题,特别 是一些老式的内燃机公交车的尾气排放对城市环境污染的影响更是严重。即使是 采用了电喷汽车还是新型燃料汽车都不能达到无污染、零排放的目的,这一点只 有无轨电车可以做到p “一j 。 从技术角度上来说,无轨电车调速技术的日臻完善,为电车牵引使用蓄电池 作为能源提供了可能性。新型蓄电池以及相关的充电技术不断被创新推出,为无 轨电车提供了优质的大功率动力电源,使双能源应用于无轨电车具有了极大的可 行性,并且使得原有无轨电车的优点得以发扬,弱点得以抑制,无轨电车在经过 重要交通路口时摆脱了线网束缚,解决了重要路段架空线网的视觉污染,成为绿 色的交通工具,更加适应了现代化城市建设的需要u ”1 。 从发展绿色交通、保护环境、节约能源的角度看,无轨电车使用的是清洁、 廉价的电能源,尾气零排放、无污染、低噪声,有显著的环保效应。资料显示, 每辆汽车的年排污量高达4 吨以上,主要是一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等 对人体十分有害的物质。而无轨电车的排放污染指标几乎为零v ,。 从经济角度来看,我国水电资源丰富,水电作为一种再生的清洁能源,是我 国发展电气化产业的有利保障。如今,燃油价格不断上涨,电力成本相对低廉, 一辆汽车用汽油行驶一公里的成本远远高于使用电能行驶一公里的成本1 。 2 0 0 1 年,我国成功的申办了奥运会,“绿色奥运”是我国申办奥运的一个口号。 现代化的交通是一个国家和城市最重要的特征和最直观的体现,在城市公交现代 化的主要特征中,环保性是决定城市能否可持续发展的重要因素之一。因此,逐 渐消失的无轨电车又作为一种重要的公共交通工具焕发了第二春。 因此,发展以电为能源的经济型无轨电车,既能合理利用能源,节约不可再 生的油气资源,降低运营成本,又对环保有利。寻求持久有序的发展和进步是人 类永恒的目标,而发展绿色交通正是实现这一目标不可缺少的重要环节。在这样 的背景下,北京市开始重新评价和认识无轨电车,加大无轨电车的投资和建设力 度。 1 2无轨电车供电系统现状和故障电缆监测及定位装置研究现 状 供电系统是无轨电车重要成套设备,电车供电系统基本采用一个模式:由供 电部门用电缆把高压电源( 一般为i o k v ) 输到电车变电整流站,经过整流站变压器 整流输出低压直流( 一般为6 0 0 v ) ,通过架空馈线电缆或地埋馈线电缆供给架空线 b 立銮适盔堂亟翌位诠塞 网,作为电车运行的动力源”1 。从宏观上来看,整流站和架空线网是供电系统的 核心,是提供电能和输送电能的关键,这种电车的供电技术在相当一段时间不会 有太大的改变。目前,无轨电车的供电系统存在:整流站投资过大;供电区域过 长时,线网末端电压过低( 规定末端处最大电压降不能超过6 0 0 伏额定电压的3 3 3 ) ”。,同时造成末端无保护运行的状态;直流供电系统自动化程度较低,线路 故障检测和故障点查找还处于人工方式等诸多问题。由于无轨电车曾一度处于退 出公交舞台的状态,其自动化程度较低,落后的发展现状还没有被人们所重视。 无轨电车供电系统没有专门的故障监测装置,以人工方式进行故障检测降低了无 轨电车的运行效率,增加了供电系统故障检测人员成本,严重阻碍的无轨电车的 发展。 另外一个方面,由于电车的供电系统是6 0 0 v 直流供电系统,属于低压电力电 缆供电。目前对于高压电力电缆故障,国内外有关专家一直都十分重视,高压电 力电缆故障检测装置的研究日趋成熟;从近年的发展趋势来看,采用电压或电流 脉冲法作为测距原理的装置,以其测试速度快、操作简便等优点得到越来越广泛 的应用。如德国的德累斯顿电子测量设备厂生产的8 0 系列故障定位仪,美国3 m 公司生产的5 7 3 a ,4 4 2 0 l 故障定位仪,西安电子科技大学生产的d g c 7 1 1 测试仪 和科汇公司生产的 i - 9 0 2 故障测距仪都属于这类产品“”j 。高压电力电缆故 障精确定点装置,大都以声测法和音频感应法作为定点原理。现有高压电力电缆 故障检测装置存在的主要问题是:成本高,体积大。由于多种原因,低压电力电 缆故障检测装置的研究,一直没有得到足够的重视和发展。目前国内唯一的专用 低压电力电缆故障检测装置,是天津电业局研究所研制的仪器,该仪器没有测距 功能,功能仅仅局限于直接利用声测法对低压电力电缆的故障点进行测寻。 面对无轨电车良好的发展趋势及目6 f 针对无轨电车低压直流馈线系统没有专 门的故障监测和定位系统的现状,急需开发一套专门用于无轨电车直流馈线系统 的故障监测和定位装置。丌发无轨电车直流馈线系统的故障监测和定位装置具有 广阔的应用前景和巨大的经济效益。 1 3本课题的来源和课题目标 为了配合发展绿色公交,适应现代化城市建设的需要,提高无轨电车供电线 路自动化水平,针对无轨电厂供电线路过长,线路故障检测基本靠人工的情况, 北京电车公司和北京交通大学共同提出了“电车供电线路故障监测及定位装置研 究”这一项目,项目目标是丌发一套电车供电线路监测装置,实现:对直流供电 系统线路接地故障的在线监测,发生故障后,实时报警;对发生的故障进行初步 估计,提出处理建议;在实现在线监测的基础上开发一套便携式精确故障定位装 置,对电车线路故障进行精确定位。 i 4课题的技术内容及要求 根据电车公司变电站设备和出线的实际情况,利用嵌入式p c 实现数据采集和 分析计算工作,并利用液晶显示装置显示监测结果,对电车供电线路进行动态的 实时监测。通过对多路出线的实时监测,采集电车馈线线路电压数据并进行初步 处理;当发生接地故障或其他不正常现象引起线路电压变化低于标定值时,给出 分类报警,报警级别分为“一般接地故障”和“严重接地故障”,存储故障时产生 故障的线路的数据;在在线监测的基础上,用便携式精确故障定位装置对故障进 行定位分析。 在线监测装置采用电压传感器采集电车馈线电缆电压数据,利用单片机数据 处理做成集成数据处理控制装置。 主要功能包括: l 、数据采集与存储; 2 、数据处理; 3 、实时显示; 4 、自动分类报警; 5 、根掘实际环境情况更改报警整定值; 图1 - 1 系统功能图 f i g u r e1 - 1f u n c t i o no f s y s t e m 便携式精确故障定位装置利用电桥法的原理,对接地故障分析、判断和计算, e 塞奎垣叁堂亟堂焦诠塞 最后将接地故障估算到故障区段。通过在线检测功能部分的初步估计,能够初步 判断故障位于的区段,根据电车公司的作息时间协调,可以在电车停止运营的时 间内采用移动式故障测距装置结合预估情况对故障位置进行精确定位。 一般电车线路采用一路双线,即一条路线上有来及回两路直流导线来对电车 进行供电,这样为停电以后的线路故障检测提供的便利。如图所示, 2 r g 1 2 图l 一2 连接不愿图 f i g u r e1 - 2f i g u r eo f c o n n e c t i o n 当某段线路上导线1 发生故障时,与其并行的2 线路良好,这样通过移动作 业对l 、2 远离变电站出线的末端进行短接,并利用小功率恒压电源u 分别对地接 入l 、2 两条线路出线端,分别获得电流为i l ,1 2 ,将2 末端接地,电源接至2 出 线端,测得电流为i o 。这样距离变电站出线的故障距离为: 1 5电缆故障测距方法概述 ( 式1 1 ) 电车电缆故障的定位是开发无轨电车在线监测和定位装置中重要的一个部 分。如何快速查找电缆的故障点是目前国内工程技术人员研究的热点。 1 5 1 电缆故障测距的步骤 电缆故障的探测一般要经过诊断、测距、定点三个步骤【l o 15 1 。 ( 1 ) 故障性质的诊断,即确定故障的类型与严重程度,以便测试人员选择 适当的测距与定点方法。 ( 2 ) 故障测距,又叫粗测,即测量故障点至测量端的电气长度,以确定故 障点的大致位置。它是整个故障探测工作中关键的一步。这一步的准确和迅速与 6 厶虿 一 生弘 + o ,、 度 妊 胀路线 段陔 为 l 中其 否,直接决定了故障探测的速度和效率。在实际应用中,对故障测距所要求的精 度用不着太高,只要能满足定点的要求即可。 ( 3 ) 故障定点,又称精测,即根据故障测距的结果,准确地确定故障点的 所在位置。这是整个故障探测工作的最终目的。 一般来说,成功的电缆故障探测都要经过以上三个步骤,通过这三个步骤一 步一步的缩小故障点范围,最终精确测定故障点。 1 5 2 电缆故障分类 电缆故障的测距方法取决于故障的性质,因此测距工作的第一步就是判明故 障性质,一般来说,电缆故障分为5 类【1 5 、1 0 1 : ( 1 ) 低阻接地或短路故障。电缆对地绝缘电阻或相相间绝缘电阻低于1 0 0 欧姆,而导体连续性良好。 ( 2 ) 高阻接地或短路故障。电缆对地绝缘电阻或相相间绝缘电阻低于正话 擦正常数值很多,但高于1 0 0 欧姆,而导体连续性良好。 ( 3 ) 断线故障。 ( 4 ) 断线并接地故障。 ( 5 ) 闪络故障。这类故障大多发生在电缆中间接头或终端头内。发生这类 故障时故障现象不一定相同。大多情况下是在一定电压下发生击穿。有时是发生 击穿现象后,等到绝缘恢复后击穿现象便完全停止。 为了方便测量,通常将这5 类故障分为电缆绝缘破坏和电缆连续性破坏两种, 即发生了短路故障或是发生了断路故障,也有可能是两种情况混合发生,而通常 情况下发生的大多是发生的是短路故障。 1 5 3 常用的故障测距方法分类 目前常用的故障测距方法可以按照工作原理和数据来源两种方式分类: 一、按照工作原理分类可分为阻抗法和行波法两大类1 1 1 2 1 5 1 9 1 7 1 引: l 、阻抗法: 阻抗法通过测试电缆的阻抗参数( 电阻、电容等) ,再利用阻抗与电缆长度成 正比例的原理,来获得故障点距测试端的距离。常见的有电桥法与电容法。 ( 1 ) 电桥法 电桥法是一种经典的方法,其设备成本低廉,测量精度较高,适用于低电阻 接地或相间短路故障。当故障电阻较大时,可适当提高测试电压。按使用的电源 7 e 塑銮适厶堂亟竺位诠童 电压来分,电桥法可分为低压电桥法( 直流电压数百伏以下) 与高压电桥法( 直流 电压数千伏以上) ,低压电桥法和高压电桥法分别应用于低阻故障接地和高阻故障 接地。当接地电阻r f i o z 。时,为了 得到在测距时所需的电流( 1 0 1 5 m a ) ,应使用高压电桥法,或烧穿故障点,使接地 阻抗变小后,再使用低压电桥法。 ( 2 ) 电容法 电容法就是利用直接或间接的方法测得故障电缆段的电容,然后根据电容与 电缆长度成正比的原理,求得故障点距测试端的距离。这种方法适用于断线故障 的测定,在测定电容量时,可使用交流电桥法和直读式的电容量计。 2 、行波法 行波法是依据传输线理论:电波在其传输线路上遇到阻抗不均匀点( 故障点) 时会产生反射现象这一原理实现的。 ( 1 ) 低压脉冲反射法 低压脉冲反射法又称雷达法。它适用于测量电缆的低阻短路与断线的故障距 离,测量电缆的长度、电磁波在电缆中的传播速度等。 低压脉冲反射法的原理为:测试时向电缆注入一低压脉冲,该脉冲沿电缆传 播到阻抗不匹配点( 短路点、故障点、中问接头等) ,脉冲产生反射,回送到测量 点被仪器记录下来,波形上发射脉冲与反射脉冲的时间差t ,对应于脉冲在测量 点与阻抗不匹配点往返一次的时间,若已知脉冲在电缆中的波速度,则阻抗不匹 配点的距离,可由下式计算: x = v a t 2 ( 式1 - 2 ) ( 2 ) 直流法 直流法是一种适用于测量高阻故障的测距方法。按取样信号的不同,又可以 分为直流电压法和直流电流法。直流法的工作原理与低压脉冲法相似,只是其使 用的是直流高压电源。在测试电缆故障时,它首先使电缆故障在直流高压的作用 下击穿,然后通过观察放电电压( r g 流) 行波在观察点与故障点之间往返一次的时 问来计算故障距离。 ( 3 ) 冲击法 在直流法故障测距中,并不是所有的高阻都能够被击穿而达到测量的目的, 因为受设备限制,电压不能升得太高,而且过高的电压会对电缆产生不必要的损 害;另外对接地电阻相对低的高阻故障,高电压只是增加泄漏电流,而不会使故 障点击穿。冲击法的出现,正是为了解决这一问题。同直流法相似,冲击法也可 分为电压法和电流法, 由于冲击法也是使故障点瞬时击穿,从而对来波产生反射,所以冲击法也称 冲击闪络法。冲击法的工作过程和直流法基本相同,所不同的是,冲击电压对绝 缘的薄弱点更有针对性,更容易使故障点击穿。因而,冲击法的应用范围较直流 法更广。 阻抗法和行波法是故障测距的常用方法,电车电缆供电方式特殊,属于低压 直流电缆。对于直流电缆来说,通常采用阻抗法中电桥法进行故障测距。 二、按照故障测距的数据来源,可以分为双端故障测距和单端故障测距两类“ 2 2 ,1 9 、2 0 2 1 ,2 7 3 4 : l 、双端故障测距: 双端故障测距是利用输电线路两端的电压和电流数据来确定线路故障位置的 方法。这种方法不受线路对端系统阻抗变化的影响,并且不需要进行故障相的判 别。但是,这种方法要求由线路一端向另一端或者线路两端向调度中心传送数据, 将输电线路两端的数据放在一起进行处理。如何使两端数据同步是这种方法的关 键,其方法种类很多,例如使用g p s 同步卫星定位。因此,这种方法需要很多辅 助的设备来传送数据,其造价高,就我国目前的经济和技术水平来说,还不适用 与低压电力的故障测距。 2 、单端故障测距: 单端故障测距是仅利用输电线路一端的电压电流数据确定输电线路故障位置 的一种方法。由于只需要输电线路一端数据,所以设备的费用可以大大降低,单 端测距法的数掘量比双端测距法少且不需远距离传送。 单端故障测距的缺点:一是很难克服对侧系统等值阻抗变化对故障测距精度 的影响;二是数据窗长度长,而数据窗口位置一般在线路故障后第二周波。因此, 单端故障测距在电力系统中的故障测距受到了很大的限制。但是,对于低压直流 的电车供电系统,不需要采集周波数据,因此可以克服这种影响。 1 6 低压电力电缆故障检测装置在测距原理上存在的问题1 0 9 2 0 ,2 1 】 因为电车供电系统采用的是低压直流供电,因此在电缆馈线故障定位中有别 与一般的高压交流供电电缆。低压电力电缆的绝缘电压水平低,这使得低压电力 电缆无法承受故障测试时所施加的高电压。若在低压电力电缆上用高压电桥法、 脉冲直流法、冲击法来进行故障测距,都可能使电缆出现二次击穿,产生新的故 障。因此,低压电力电缆常用的故障测距方法是低压脉冲反射法与电桥法。低压 脉冲法简单、直观,但这种方法有以下不足: ( 1 ) 当故障电阻r t 1 0 z 。时,脉冲反射系数幅值小于5 ,故障点反射脉冲较 j e 立銮适盘鲎亟翌鱼论塞 难识别,因此低压脉冲法不适用于故障电阻大于1 0 z 。的电缆高阻故障测距; ( 2 ) 低压电力电缆线路较短,若使用低压脉冲法进行故障测距,脉冲的发 射波与反射波之间的时问差非常小,不易分辨。因此故障点接近测试端时会出现 测距死区: ( 3 ) 低压脉冲反射法的使用必须具有脉冲发射装置与接受装置,这会使整 个测距装置的成本较高。 低压电桥法操作简单、精度高,而且装置成本低,但这种方法同样存在其局 限性: ( 1 ) 在故障电阻很高的情况下,由于电桥里的电流很小,一般灵敏度的仪 表很难探测到电流。因此,电桥法不适用于电缆高阻故障的测距: ( 2 ) 当低压电力电缆发生三相短路、三相短路接地和断线故障时,由于无 法构成测量回路,电桥法不能进行电缆的故障测距。 ( 3 ) 只能用于检测绝缘阻值在l m 欧以下的绝缘故障; ( 4 ) 绝缘阻值的测量需要使用兆欧表; ( 5 ) 在不知道电缆总长度的情况下,要用专门的测量仪器测量电缆长度; ( 6 )电桥平衡的调节需要手工进行,测量结果需要复杂的手工计算。 但是电桥法测量故障距离具有使用简单方便,精确度高,不需要复杂仪器等 优点。针对特定的电车馈线系统,由于电车采用6 0 0 v 直流输电,只需要两相电缆, 正好回避了电桥法不宜用于三相短路、三相短路接地故障的不利因素。 1 7电桥式电缆故障检测方法n 5 2 4 2 5 2 6 1 7 1 电缆长度的测量 用电桥法进行电缆故障的检测在实际应用过程中需要考虑测许多因素,例如 不同材质的电缆导电系数不同,温度对电缆电阻的测量的影响,电桥法中使用的 短接线对电阻测量的影响,下面先简要介绍电桥法的基本测量原理,然后讨论如 何上述条件下使用电桥法进行故障测距。电缆故障可以分为低阻故障和高阻故障, 因为高阻故障可以采用高压击穿的方式转换成为低阻故障,所以在这里讨论的电 桥法都是针对测量低阻接地故障。 一、基本测量原理 电缆长度是电缆故障距离测量过程中必需知道的参数,一般情况下,在电缆 敷设完成后,应该保存电缆长度、走向等原始资料,但现场往往因为管理不善, 而无法得到电缆的准确数据。因此,大多数情况下,电缆长度也需要现场测量。 用电桥法测量电缆长度时,首先将两根芯线在电缆远端短接,测出回路电阻,然 后根据电缆材料的电导率计算出电缆长度,其测量原理如图l 一3 所示,当两根芯 线直径和材料都相同时,其阻值也相同,忽略短接线阻值,调节r l 使电桥平衡后 有如下关系式: 图1 - 3 电缆测量基本原理图 f i g u r e1 - 3t h eb a s et h e o r ya b o u tt h ec a b l ed i s t a n c em e a s u r e r l r s l r 22 r 1 ( 式卜3 ) 其中r s l 为标准电阻,r i = r a = r b 是单根芯线的电阻值,由此计算出单芯电 缆的电阻值 r :r 2 r s l 2 r i ( 式l - - 4 ) r l 与电缆长度,的关系式为: ,= r s 盯( 式l - - 5 ) 其中s 为电缆截面积,单位m m 2 ;盯为电缆导电系数,2 0 。c 时铜芯电缆的导 电系数为5 7 0 0 m f 2 m m 2 ,铝芯电缆的导电系数为3 3 9 0m f 1 m m 2 ,由此可以计算 出电缆长度。 一、电缆截面积和材质不同的情况 当被测电缆的两根芯线截面积及材质不同时,电缆长度的测量原理一样,但 计算过程相对复杂一些。设图1 1 中芯线a 和芯线b 的截面积分别为s a 和s b , 测量时的导电系数分别为d _ a 和c r b ,忽略短接线的阻值,电桥平衡时有如下关系式; r i r s i r 2r + r b 其中r a 与r b 分别是芯线a 和芯线b 的电阻值,由此计算出电缆回路的电阻 e 盛銮迪厶主亟堂位迨塞 而 则 即 所以: r + r b - r k s * r l :一 r jla:- s a 吼 r jl。- s b 盯b i = a + l b r 一+ r b = i 丽1 + 丽1 ) r s t r :“上+ 上) r is a o - as b o - b f - ( 羔坠! b 野) r s i r 2 一 s a o - a + s b o - br i ( 式1 - - 7 ) ( 式1 - - 8 ) ( 式1 - - 9 ) ( 式1 1 0 ) ( 式1 1 2 ) ( 式1 1 3 ) 二、温度变化对测量的影响 金属材料的导电系数会随温度的变化而变化,铜和铝的导电系数与环境温度 之间有如下关系式: = - - 0 1 1 7 6 t - - 3 6 1 6 ( 式1 - - 1 4 ) = - - 0 1 9 6 2 t + 6 0 9 0 ( 式1 1 5 ) 其中盯钳和d 碡分别为铝芯电缆和铜芯电缆在温度t 的时的导电系数,为了对 温度的影响进行补偿,需要对环境对测量结果进行修正,实际测量时,用温度传 感器检测环境温度,再根据公式计算出该温度下的电缆芯线的导电系数,然后将 该温度下的导电系数代入,即可计算出电缆长度。 三、短接线的影响及系统误差的消除 在使用电桥法对电缆长度进行实际测量时,还有一些误差源需要克服,首先, 电力电缆的截面积一般在数十平方毫米到数百平方毫米,为了携带方便,一般使 用1 2 r a m :的短接线,0 5 m 的短接线阻值相当于同种芯线材料2 4 0 m m 2 电缆2 0 m , 这将导致1 0 m 的测量误差;另一方面,电缆敷设环境非常复杂,现场测量时,仪 器与电缆端头之间的连线,根据用户实际需求,可达2 5 m ,截面积3 m m 2 的连线 2 5 m ,相当于2 4 0 肌n 2 同种材料芯线2 0 0 0 m 的电阻值。为了消除以上两方面引起的 误差,在实际测量时,我们先测量短接线回路电阻值,然后将短接线接入系统, 测量总的回路电阻,两者相减得到实际的回路电阻值,这种测试方法还可以同时 消除接触电阻引起的误差。 1 7 2 绝缘阻值测量 电缆故障定位的第一步是确定故障的性质,对于电车馈线电缆,只有两根电 缆,因此只需要判断电缆故障是正负极的极地间短路还是正负极问短路。先在一 端测量电缆各芯间和芯对地的绝缘电阻,再将另一端两两短路测量其有无断线( 即 导通试验) ,由所测数据不难判断故障性质。电缆的绝缘阻值的测量可以通过电桥 法测定“。极间绝缘阻值和极地绝缘阻值测量的原理图如图1 - 4 和图1 5 。两者的 测量原理相同,只是接线方法不同而已,调节r i 使电桥平衡后,有如下比例关系: r t - - r z r s r ( 式l 一1 6 ) 其中r s 为标准电阻,r f 为绝缘阻值。根据所测到的绝缘阻值即可判断电缆的 故障类型。 图1 4 极问绝缘阻值测量 f i g u r e1 - 4 m e a s u r e m e n tt h ei n s u l a t i n gr e s i s t a n c ev a l u e sb e t w e e np h a s e s e 塞变适盘堂亟翌位迨塞 彳 图1 5 极地绝缘阻值测量 f i g u r el - 5m e a s u r e m e n tt h ei n s u l a t i n gr e s i s t a n c ev a l u e sb e t w e e np h a s ea n dt h eg r o u n d 1 7 3 故障距离测量 一、故障距离测量原理 电桥法测量极地绝缘降低故障距离的原理如图1 - 6 ,将电桥的测量端子x 1 和 x 2 分别接于故障芯线和完好芯线,这两根芯线的另外一端用导线短接,g 为检流 计。绝大多数情况下,两根电缆芯线的截面积和材质相同,调节r l 使电桥平衡时 有如下比例关系: r i 一2 卜一i 。 r 2, 化简后得故障距离: 剐击 ( 式1 一1 8 ) 极间绝缘故障降低的情况与极地绝缘故障的情况类似,只是接线方式有所改 变,极问绝缘故障降低的接线如图: i 享 图1 6 电桥法测量极地短路故障距离的原理图 f i g u r el 一6t h et h e o r yo f t h em e a s u r e m e n tt h ei n s u l a t i n gr e s i s t a n c ev a l u e sb e t w e e np h a s ea n d t h eg r o u n dw i t ht h ee l e c t r i c a lb r i d g em a n n e rt or e d u c et h ef a u l t sd i s t a n c e 1 7 电桥法测量极问短路故障距离原理 f i g u r e1 - 7t h et h e o r yo f t h em e a s u r e m e n tt h ei n s u l a t i n gr e s i s t a n c ev a l u e sb e t w e e np h a s e sw i t ht h e e l e c t r i c a lb r i d g em a n n e rt or e d u c et h ef a u l t sd i s t a n c e 公式( 1 1 8 ) 就是电桥法故障测距的距离公式。 通过对故障电路电阻的精确测量,利用公式( 1 1 8 ) 即可计算出故障距离。 以上是电桥法故障测距的理论方法,但是在实际故障测距和定位中有许多问 题需要解决,如:如何在高阻接地或短路的情况下应用电桥法,电缆路径和故障 测距如何结合进行故障定位等等。由于时问有限,这部分内容尚未进行深入研究。 1 8 课题的研究内容 课题项目的具体研究分为两个阶段,本论文主要的工作是第一阶段。第一阶 段主要完成电车线路故障的在线监测功能,包括硬件的设计、制作和软件的编制、 调试等。在进行调研和搜集国内外相关检测技术的资料和技术并加以研究的基础 上,首先进行系统的总体设计,然后进行系统硬件、软件的具体设计,最后进行 系统联调,取得初步结果。硬件电路的设计主要是在线监测功能模块电路的设计, 其中包括a d 采样,数据存储,键盘功能,液晶显示模块等电路模块的设计制作 和调试。系统软件设计是在硬件设计的基础上,完成主程序的软件框图设计和编 写调试;针对采集数据完成对故障发生、故障类型和故障位置的初步判断程序框 图的设计和编写调试;对键盘液晶的人机互动模块软件框图的设计和编写调试。 垄线堕型装置的硬住进让 2 在线监测装置的硬件设计 2 1引言 电车线路故障在线监测装置的设计是本课题中重要部分,装置的设计包括硬 件电路的设计和基于硬件设计基础上的软件编程。根据在线监测装置需要实现的 不同的几个功能,将硬件设计分为:a ,d 采样、数据存储、键盘控制、液晶显示、 报警等几个模块分别设计,最后将各个功能模块整合在一起,实现在线监测装置 的全部功能。出于对装置实用性和稳定性的角度考虑,系统硬件设计选用的处理 器和功能扩展芯片是应用技术比较成熟的芯片,从经济角度考虑,应用技术成熟 的芯片生产量大,价格便宜,有利装置的大批量制造生产。本章主要介绍各个功 能模块硬件芯片的选型和硬件电路的设计。 2 2系统硬件设计的原则 本在线监测系统装置的硬件设计围绕其功能进行,同时要求遵循以下几个准 则【3 5 】: ( 1 ) 软硬件合理的划分;系统中软件和硬件在逻辑功能是等效的,其软硬件功 能分配可以在很宽的范围内变化。系统的软硬件功能分配要根据系统的要求而定, 提高硬件功能的比例可以提高速度,减少所需的存储容量,有利于系统处理和控 制的实时性。相反,提高软件功能的比例可以降低硬件的造价,提高灵活性和适 应性,但是相应速度要下降,软件设计费用和所需的存储容量要增加。划分的原 则是在满足系统实时性及可靠性的前提下,系统功能尽可能用软件来实现。 ( 2 ) 简化设计:硬件设计时尽可能选用集成电路,少用分立元件,这样有利于 提高系统的集成度,减少元件之间的连线、接点和封装数目,从而大大提高系统 工作的可靠性。 ( 3 ) 模块化设计:硬件设计根据预期实现的功能划分为若千功能模块,尽可能 选用模块化结构的典型电路,各模块问的联系力求松散,以便于硬件发生故障时 检修。 ( 4 ) 抗干扰设计:监控单元工作现场环境比较恶劣,在硬件设计时必须具体分 析可能的干扰源,并采取相应的硬件抗干扰措施来抑制干扰,以增强自身工作的 稳定性。 e 塞銮迪盘堂亟堂位逾塞 2 3 系统总体结构设计 电车在线监测装置系统包括采样a d 模数转换模块,数据存储模块,键盘控 制、液晶显示和报警等几个主要模块,系统的工作流程是:首先通过电压传感器 电流传感器从电车馈线电缆采集到线路运行电压电流信号,经过电压的隔离变换 和信号调理后输入在线监测装置,在微处理器的控制下,由装置中a d 转换模块 将采集到的模拟信号转换为数字信号,提供给微处理器进行后续的判断报警处理; 微处理器将处理过的采样数据送数据存储模块存储,最后将处理结果送液晶显示 模块显示。键盘模块在微处理器的控制下实现调整判断整定值和调出指定线路电 压数据的功能。系统总体功能规划图如图2 1 : 卜卜 宁 卜卜_ c p i j _ j ,。转换 m c s - 5 1 单h 机 卜卜 一 键盘输入 图2 - i 系统总体功能规划图 f i g u r e2 - 1s y s t e mo v e r a l lf u n c t i o nl a y o u t 2 4 微处理器的选择 电子计算机自1 9 4 6 年诞生以来,已经历了微型计算机发明、初级单片机、高 性能单片机、8 位单片机巩固发展及1 6 位单片机推出等四个阶段,并继续向第五 代计算机人工智能计算机和第六代计算机一神经网络计算机发展。电子计算 机的发展趋势是:一方面向着高速、智能化的巨型机的

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