煤矿6kv小电流接地系统选线设计 58页

青岛理工大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外．论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果．也不包含为获得青岛理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作丁明确的说明井表示了谢意。，∞’研究生签名：垤她日期：z盟苫￡!，青岛理工大学学位论文使用授权声明青岛理工大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、CDMD和DMD有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致；除在保蔷期内的保密论文外，允许论文被查哥和借阅．可以公布f包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权青岛理工大学研究生处办理。研究生签名：幽师签名：／兰坦日期：乏逍，厂 目录摘要1AbstxactII第一童绪论l1I煤矿小电流接地系统单相接地故障选线问题的提出I12课题研究的意义及发展现状I12】煤矿小电流接地系统故障选线研究的意义I12．2小电流选线系统的发展现状313论文的主要内容4第二章小电流接地系统类型及其故障选线方案521煤矿电力系统中性点接地方式的选择52．2小电流接地方式分析6221中性点不接地62．22中性点经消弧线圈接地82．3小电流接地系统故障选线方法92．4本章小结11第三章小电流系统接地选线技术的进一步研究1231选线影响因素分析123．2提高装置选线性能措施133．21避免铁磁谐振对选线的影响133．22增强软件抗干扰143．3综合选线算法153．4本章小结17第四章煤矿小电流接地故障选线系统硬件构架184】嵌入式微处理器概述184．2小电流接地故障选线装置硬件设训4．21装置硬件总体构成4．22高速数据采集模块】919 t自ⅢI女掌I字碾±字位论直423高速AID转换模块4．24人机交互模块43硬件抗干扰设计44本章小结第五章小电流接地系统软件设计51ARM集成开发环境ADSl2511ARM集成开发环境24512JjtC／OS—II系统简介5．2小电流接地系统软件设计5．21软件主程序设计5．22多路帅程序设计5．23显示及接键程序设计5．3软件对突发事件的应急姓理5,4远程监控32n355．5本章小结第六章结论与展望61结论6．2展望II|{录363738参考文献45攻读硕士学位期间发表的学术论文49致谢50硝拍"盯 胃岛Ⅱ=x掌I学碾±学Ⅲ论R圈目在煤矿6kV低压供电电网中，为保证供电的可靠性大都采用中性点非有效接地方式。在这种接地方式下．当电缆中出现单相接地故障时．线路中三相电压仍然对称，设备在故障条件下仍然能够继续运行1-2小时。由于故障线路的相电压升高到线电压值，为系统的供电安全性带来隐患，所以需要对故障线路进行选线。但是故障线路中故障信息不明显，目前开发的小电流选线装置对于故障线路的选择准确率低，经常出现误选漏选的情况。这表明小电流接地故障选线问题仍要继续研宄，研制的基于$3C2440控制单元的小电流接地故障选线装置。$3C2440是ARM920T构架的新一代嵌入式控制器，内核采用RISC结构和5级if!【水线指令执行机制，在提高了信息处理速度的同时还简化了硬件的复杂度。考虑到装置采集的信号路数较多，在装置中采用了高频多路开关MAX308。干扰是影响装置进行精确选线的重要因素，在硬件抗干扰上采取减小电磁干扰的方式．为保证控制器免受现场的干扰信号的冲击．在装置上还采用了光电隔离。在软件设计上，本装置采用的是gC／OS—li内核。llC／OS．II内核可移植、可裁剪、可固化，适用于对实时性要求高、任务处理多的场合．而且"c／OS—II源代码完全开放，为本装置的软件系统在gC／OS-II内核平台上的开发提供了便利条件；在人机交互上．本装置采用6拄键输入和触摸屏输出的方式。通过按键操作可以实现对装置参数的调整和电缆故障信息的查询：通过触摸屏能够显示被测电缆的运行状态，对电缆进行实时监控。对检测出的电缆上的零序电流和零序电压能够实时显示，对线路故障发生后的故障电路的信息能够进行记录。关键字煤矿供电．小电流接地．故障选线，嵌入式系统．$3C2440 AbstractNon—effectivelygroundedneuralpointisusuallyadoptedincoal6kVpowersupplysystemTinsapproachcaDincreasetheraliabflityofalecnricitysupplyInthispowersupplysystemthree-phasevohageisstillsymmetrywhensinglephasetogroundhappenedEquipmentcanstillbeabletocontinuetorunoneortwohoursunderthisfaultcondJrionsBecauseoftheincreaseofphrasevohagesupplysecurityisdamagedSothefaultlineselectionisveryimportantBecauseoftheweakfaultmformationltlsaliuledilliculttofindltAtthepresenttimethefauhline1susuallyfalsedroppedormissdroppedThefaultLineselectionofthellOll-effectivalygroundsystemisstillneededcontinuousresearchThe$3C2440isusedasthecontrolleroftheIlon—effectivelygroundedsystemdeviceThe$3C2440lsanewgenerationofembeddedcontr31inrsbasedOilthearchitectureoftheARM920TRlSCarchilgct】lreIsused1nmecoreThatSITGell．ire／10Ionlyincreasesprocessingspeedbutalsosimplifiesthehardwarecomplexib"．Consideringmanysignalsneededtocollectmutipe-wayswitchMAX308isusedmthedeviceInterferenceis加importantfactorinfluencedthepreciselineselectionThedeviceincreaseitthroughdecreaseelectromagneticofthecableOptoelectronieisolatorisusedtokeepingthecontrollerfromtheimpacloftheinterferencesignalThe“C／OS—11isusedasthekernelofthedevice．“C—oS-IIis8portable,scalablekernelandCallbecuredThiskernelcRrlsarisfythedevicewellbothinreal·timeandstabilizationMoreimportantisthaipC／OS—IIhascompletelyopensou／r℃ecodeSoitisveryconveniencetodesignthedevice6-buttoninputandtouch—scrccnoutputmodeisusedasthehuman-computerinteraction6-buttonisusedtosetlingtheparameterorpollingfaultinformationTouchscreencandisplaytheconditionofthecableandmoinlormgthepowersystematreal-timeThetouchscreencandisplaythevalueofzero—sequenceCU／Terltandzero—sequencevoltageinrealitmeAndthefaultwinchisdetectedcallberecordedKeywordscoalpowersupply"．non-effectvelygroundedsystemfaultlineselectionembeddedsystem．$3C2440 第一章绪论1．1煤矿小电流接地系统单相接地故障选线问题的提出电网中性点采用非有效方式接地的系统是小电流接地系统，为我国煤矿井下供电的6kV低压电网采用的是小电流接地系统⋯。d,Eg流接地系统的中性点接地方式按照现场的情况可分为中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经高阻接地三种接地方式口]。在小电流接地系统中，发生单相接地故障时．三相线电压对称性没被破坏，设备正常运行，故障线路产生微弱的零亭电流．这使线路的故障变得十分隐蔽。在小电流接地系统中，发生单相接地故障虽然对负荷的供电暂时没有影响．但是由于故障线路的相电压升高，对电缆的绝缘性是一个很大考验．如果系统长时间带故障运行．不仅可能造成用电设备的损坏．还有可能发生相间短路等事故，一般规定小电流接地系统可带敢障运行1．2小时口]．以此提高供电的可靠性和持续性，煤矿井下6kV供电系统发生单相接地故障时产生的电孤或释放的火花会绐煤矿安全生产带来极大的隐患，随着输电线路分布电容的增大，接地点电弧不能自行熄灭甚至引起弧光接地过电压【4l，还有可能引起相问短路．故必须尽快进出故障线路并排除故障．确保井下作业安全，在煤矿生产中，供电的安伞性与可靠性至关重要．返就要实时保证输电线路的稳定运行，在线路发生故障时，要及时采取措施进行排除。为提高煤矿供电的可靠性．煤矿电网普遍采用中性点非有效接地的方式口】．但是这种接地方式F的线路故障信息检测成为一项技术难题。1．2课题研究的意义及发展现状1．2．1煤矿小电流接地系统故障选线研究的意义煤矿井下供电主要采用电缆，电缆线路对地分布电容比较大，发生单相接地故障时产生的零l芋电流也较大n因此，对于煤矿井下电2缆线路的供电电缆中 自BⅨ二^字二字《±字ⅢBi性点一般要加消弧线睡．防止发生接地故障时产生的接地电弧发生危险。为此有些煤矿供电系统采用的是经消弧线圈接地的方式．用蚍补偿较大的单相接地零序电容电流．使电网单相接地故障产生的接地电弧能够自行熄灭m]。在发生单相接地故障时，中性点不接地或是经高阻接地的系统故障线路的非故障相电压升高，故障线路产生零序电流：中性点经消弧线圈接地的系统中，消弧线圈与电网对地电容构成并联谐振回路，消弧线圈感抗一股取值在谐振点附近，使电感电流与电网电容电流最大限度的互相抵消．从而减小故障点电流，保证接地电弧可靠自熄．提高了电网运行的可靠性并保证了供电的连续性．在这种电路中，由于线路故障时产生的容性流经过消弧线圈的抵消，使得线路的故障更加难以诊断Ⅲ。针对小电流系统单相接地故障选线难的现状，研究人员进行了大量的试验研究．并提出了多种选线方法。如通过比较基波在线路中占的比例进行故障选线或是通过零序电流的大小和方向进行故障选线等方法。部分学者还提出采用注入信号法选择故障线路并能对故障点进行定位【ion]。再根据相应的方法开发研制了实际装置，但在投入现场后，运行的结果并不理想．对于故障线路的选线正确率比较低．系统存在大量对线路的误选、漏选现象。对于我国煤矿采煤设备的供电系统，当电网发生单相接地故障时，虽然故障点不会产生大的短路电流，也不影响系统连续供电，但是这并不表示该故障情况就没有危险。小电流接地方式下的故障线路相电压的升高对于线路的绝缘性是一个极大的考验。所以此类故障必须尽快找出故障点排除故障，尽量避免可能会发生的一系列危害。小电流接地系统发生的单相接地故障如果排除不及时，可能发生的故障有f恻：(1)电缆发生单相接地故障时可能产生接地电弧．如果该电弧不能自行熄灭，就可能造成电缆绝缘薄弱处击穿，进而造成相问短路等事故．使电网局部停电或损坏设备。(2)如果小电流接地系统的单相接地故障引起铁碰谐振，故障相的过电压可能导致电压互感器回路熔断器熔断或电压互感器烧毁。(3)在电网中发等三间歇性接地电弧时，可能引起线路过电压，导致电网绝缘薄弱处被击穿．进而拉展成水久性接地。【4】在线路故障发生时．如果接触到线路的漏电部分．就可能危害到人体的生命安全。 再岛RI^孛工字砸±学Ⅱ论文(5)小电流接地系统在出现单相接地故障时．会产生强烈的电磁波．对故障线路周围的通讯阿络造成干扰，严重影响设备间的通信㈣。当煤矿供电小电流接地系统发生单相接地故障时，为保证人身安全和设备安全，必须尽快检测出故障线路，并采取措施排除故障。由于小电流接地系统线路的故障信号比较复杂而且信号微弱，设计开发一款能够实时监测小电流接地系统上的线路，并能够准确迅速的发现线路故障的小电流接地系统选线装置，这对提高煤矿的安全生产和增加煤矿生产效益都具有重要意义。1．2．2小电流选线系统的发展现状由于小电流接地系统太大增加了供电的可靠性．虽然线路的故障比较难检测．但是对于供电连续性要求比较高的场合，如煤炭、化工、炼钢行业．萁供电系统普遍采用小电流接地系统。世界各国对于小电流接地系统单相接地故障的选线问题一直在研究。为检测故障线路．很多公司都研制出选线装置，并且在不断完善。在苏联，供电电阿主要采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地的方式．并深入研究了小电流接地系统单相接地故障的原理，设计出选线装置．在对电力要求高的生产环境中得到广泛应用114,t5l。小电流接地系统单相接地故障选线方案从过电流、过电压发展到零序电流电压法、群体比幅比相、首半波法等选线判据。选线装置也从电磁继电器、晶体管发展到控制系统练合选线装置．有些系统甚至采用微机。挪威利用测量空间电场和磁场的相位来反映零序电压和零序电流相位的方法．研制了悬挂式接地指示器。在我国，6～35kV中低压配电网中大多数采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。由于本身电网的网络结构薄弱．我国从五十年代就开始了对小电流接地系统的单相接地保护服理和装置的研究工作，井先后研发了几代产品．我国对该技术的研究在国际上处于领先水平。五十年代，我国根据接地电流的首半波极性，研制了小电流接地系统选线定位保护装置Ii6．17]。近年来，随着嵌入式技术的发展．嵌入式单片机对于信号的处理能力逐步增强。由于信号处理芯片DSP的出现，咀其高频率的数据处理能力．使得单片机在信号处理方面的应用大为增加。由于DSP片内．虽然其数据处理能力根强． ■＆Ⅲ二^学I学Ⅲ±学Ⅲ*x但是片内的存储空间较小，还不能完成对于故障数据的长期的存储．在使用时常常需要外扩存储芯片。在嵌入式领域．以ARM为控制核心的自动化控制系统发展迅速。ARM芯片以其可以与DSP相媲美的数据信号处理功能和自身就带有的存储单元，使得ARM芯片技术在系统控制中的地位大大提高【瑚。以ARM芯片为控制核心的小电流检测控制系统正在迅速发展㈣。本次研制的基于ARM920T构架的小电流接地故障选线装置采用了嵌入式操作系统上的开发．不仅使选线装置的可靠性提高．而且还大大简化了选线装置的复杂度．选线装置体积小．既能独立工作又能实现上位机的监控，在现场的使用非常方便。1．3论文的主要内容本论文主要进行了以下工作·首先，论述了煤矿供电系统中性点的接地方式及其特点，指出了煤矿生产的供电电网采用小电流系统的必要性和开发切实可靠的小电流系统检测装置的重要性：简要分析了煤矿小电流接地系统中的故障机理，分析了目前研究出的针对小电流系统的检测方案．并在现有的选线方案的基础上设计了自己的小电流选线系统的选线方案。这部分主要是为开发可靠性高的小电流系统检测装置做理论基础。其次，在分析了现有的小电流系统检测方案和设计出系统所选择的选线方案的基础上．对选线抗干扰进行设计：在分析了以往小电流选线系统的选线正确率低的基础上，针对可能影响系统正确选线的因素．提出自己的选线抗干扰方案。将小电流选线方案与软硬件的抗干扰方案结合起来，形成自己的新的小电流系统检撩4方案体系。该体系采用硬件上的和软件上的可行性方案来尽量避免选线装置的误判与漏判，提高了系统的可靠性。母后，基于小电流选线原理以及选线方案，选择系统的软硬件开发平台。根据本装置处理信号多及实时性高的特点．选用了ARM920T构架的$3C2440控制核心。为使小电流系统具有更好的实时性与故障的可调度性+在软件上采用了多任务、可移植、可裁剪的嵌入式操作系统gC／OS—II。 青岛理工^学工学砸±学位论文第二章小电流接地系统类型及其故障选线方案小电流接地系统根据其中性点接地方式的不同．需采用不同的线路检测方案。中性点不接地系统、中性点经高阻接地系统以及中性点经消弧线圈接地的系统在线路出现故障时．都有不同的故障特征，所以，本章就对这些中性点采取不同方式接地的电网性能进行分析，并练台目前己有的小电流接地故障的选线方法．针对煤矿供电电缆确定台适的选线方案，2．1煤矿电力系统中性点接地方式的选择一般来说，电网中性点接地方式是指变电所中变压器各级电压中性点与大地的电气连接方式。中性点接地方式涉及电同的安全可靠性、经济性，同时直接影响系统设备绝缘水平的选择、过电压水平及继电保护方式、通讯干扰等。所以，中性点接地方式的选择与现场的工况要求密切相关口⋯。在我国的煤矿井下作业中，采用的主要是三相6kV低压供电。由于煤矿井下的工况对供电可靠性的特殊要求．煤矿井下一般不允许断电‘21丑]。在供电系统的选择上一般采用的是小电流接地方式以提高供电的可靠性，对于井下的供电则采用电缆。由于电缆供电的对地电容比空架线的要高得多．所以在电缆线路出现单相接地故障时产生的零序电流要比空架线产生的要高，而且还伴随着接地电弧的产生．而且接地电弧可能长时间不能自行熄灭，长时间的接地电弧在煤矿行业中是非常大的隐患瑚】。所以在煤矿井下的供电系统的处理上采用三相电缆接成中性点经消弧线圈接地的小电流接地系统为其供电。中性点经消弧线圈接地的煤矿井下供屯电缆的接八，使得在线路故障时产生的零序电流被消弧线圈的感性电流补偿．故障时产生接地电弧的几翠减小而且接地电弧能够自行熄灭。这提高了煤矿供电的可靠性口q。但是由于消弧线圈的接入，使得线路中敲障时的零序电流减小．为选线装置的故障选线造成定的崮难。 青岛理Ix学二学碾±学位访立2．2小电流接地方式分析2．2．1中性点不接地中性点不接地系统是指除保护或测量用途的高阻抗接地以外，中性点没有人工接地的系统。中性点不接地系统中，由于线路没有接地部分，所虬线路中的各种信息丰富㈣。在线路正常运行时，线路中也存在较小的零序电流与零序电压，这部分零亭电流零序电压是由于现场供电的不对称性引起的。在中性点经高阻或是经消弧线圈接地的系统中，由于供电不对称产生的零序电流和零序电压被中性点引向大地，所以在线路中的体现不明显。在中性点不接地的系统中，当线路发生故障时．由于故障信息全部包含在电路中．所以对故障线路的选线特征比较容易检测，在中性点不接地系统发生单相接地故障时．线路的相电压就升高到线电压值，线路的零序电流增大。这种接地方式下，选线装置采用零序电流与零序电压判据就能够实现对故障线路的准确选线。中性点不接地系统在正常运行时，各相对地电压对称．中性点对地电压为零，电阿中无零序电压。由于三相线对地电容C相同，在各相电压作用下各相电容电流相等并超前于相应电压90。8。。非故障线路的基波零序电流都可以表示为如式2l的形式·L．。=，嵋Uo(21)式中：L。为故障情况下第i条非故障线路的零序电流：¨。为故障情况下中性点的零序电压．C=巳+％+C，，为第i条非故障线路的对地总电容。中性点不接地系统的接线方式如图2-1中K断开时所示： —型堂堂坠——————卜T—————丁i=i工F__韭垫瞰迸L——————一堡盆—LU二}“==“。圭“。巨口一；；；臣刖／KL塑垦塑堕L——————一RjLLj—{——vv—。．r—L——————L—l一“3L一旷毕_c-上p__c”图2-1中性点接地处理方式Fig2-lNeutralgm血dingⅡ∞衄∞t当系统发生单相接地故障时，设第，条线路中的A相线发生接地故障，则第J条电路中的零序电流如式2．2所示：k=一，州C—C，)乩。(2．2)式中：‘。为故障线路的零序电流：c为电阿所有线路对地总电容：C，=C“+c∞+fr·为第，条非故障线路的对地总电容。此时．线路中的三相线路中的零序电流与零序电压间的关系如图2-2所示：圉2-2中性点不接地系统故障线路中的零序电流与零序电压的向量关系Fig2-2Thevcctormlationofzerosequence㈣andmsequmcevottageinfaultline由图2-2可以看出．三相线的零序电流不再对称．故障线路中的A相线零序电流增大：根据图2-1牛电压的相位关系，故障线路三相对地电压如式(2．3)(2．4) 鹰岛ⅡIx学I字《±字Ⅲ馆支和(2．5)所示：U=0(2．3)乩=岛一只=43e．,e””(24)昵=丘一E=43E。e“”(25)故障线路故障相对地电压为零．故障线路的非故障相的对地电压升高到电阿线电压值，根据式(23)，(24)和(2．5)可以看出．故障后的线路电压值仍然对称。线路中的零序电压如式(2．6)所示：1砜=÷(u』+u月+u，)=—只(26))当线路发生接地故障时，故障线路中的零序电流是非故障线路中的零序电流之和，而且故障线路的零序电流与非故障线路中的零序电流在相位上相差180。，既故障线路中的零序电流与非故障线路中的零序电流反向。2．2．2中性点经消弧线圈接地在煤矿井下的供电系统中，主要采用电缆供电，本装置检测的是10组3相6kV供电电缆．由于本供电系统出线多且都采用电缆供电．在出现单相接地故障时，可能出现接地电弧．由于电缆的对地电容较大，出现的电弧不易自熄，为煤矿的安全生产带来较大的安全隐患。在煤矿电缆的供电中一般采用中性点经消弧线圈接地的方式870”。这主要是由于这种方式下的线路在出现故障接地时，线路中产生的接地容性电流被从中性点接八的感性电流补偿．使线路中的零序电流减小，也有效抑制了接地电弧的发生。在中性点经消弧线圈接地的系统中．线路正常运行时，线路中的零序电流与中性点不接地系统的零序电流相同，在中性点经消弧线圈接地的系统发生单相接地故障时，如幽2-1中K闭台时所示，线路中第，条线路发生了单相接地故障．该线路中的零序电流如式27所示：i，，’‰一詈一瓷一』。(C-oJ‰。7’式中．R为消弧线圈的电阻值：L为消弧线圈电感值．当中性点经消弧线圈接地系统出现单相接地故障时．线路中零序电流与霉序电压 要耋耋三三：三兰兰三三玺笙兰的相位角关系如图2-3所示：图2-3消弧线匿接地系统单相接地故障各相电压电流相位关系Fig2-311evectorrelationofvoltageⅫdcIl㈣tinthefaultlineofextinctiontollgmtmdingsystem中性点经消弧线圈接地的系统中，发生单相接地故障时，该线路中的霉序电流与中性点不接地系统中的是零序电流是相同的，均为：J?口=ii?+i-_!+i1Ht2s)由于中性点上接上消弧线圈．其感性电流为，。，滞后零序电压90“。所以该接地方式上的接地电流妞式(29)所示：r—j。1十iLc29’由于，。。与J。相位上相差180。．所以在叠加后t幕统的接地电流变小-有利于接地电弧的熄灭。2．3小电流接地系统故障选线方法小电流接地系统经过多年的研究．对于不同的使用工况研制出了多种不同的选线方法，口前常用的选线方法有：零芹电压电流法㈣、群体比幅比相j去【Ⅻ、五次谐波法1311、零序导纳法吲等。选线方法的提出是根据当前工况要求以及该工况下线路的故障信息进行设计的，所以每种选线方法都有萁各自的信息检测方注。选线方法的选择．根据现场的供电网的要求以及中性点接地方式的不同·各种选线的方法适用场合也有所不同，各自的优缺点分析如下：1零序电压电流法零序电压电流法是根据小电流接地电路发生单相接地故障时．是通过故障线路的非接地相丰甘电压升高到线电压值．故障线路的零序电流等于非故障线路的零序电流值来判断的。在使用该力法进行选线时．通过零序电压互感器与零序电流 j岛gIx字I字《i字位诧i互感器对线路的电压和零序电流进行测量，测出线路电压变化幅度较大或是线路中的零序电流显著增大的线路就认为是发生了接地故障。选用这种方法对于中性点不接地或经高阻接地的小电流系统故障选线比较准确，但是由于电压互感器在线路电压出现大幅度变化时，互感器内的磁通变化容易导致互感器磁通饱和而烧毁互感器㈣。而且，在中眭点经消弧线圈接地的系统中，零序电流经消弧线圈的补偿，仅通过比较零序电流的幅值来判断故障线路的方法也经常会出现靖选线的现象。2群体比幅比相法群体比幅比相法是通过比较线路的各条线路中的零序电流与零序电压的幅值来进行选线，线路粒生故障时．线路中的零序电流与零序电压增大，通过对线路中所有的零序电流和零序电压的幅值进行比较．得到最大的那条线路就是故障线路=由于现场检测中，信号中可能存在较大的干扰，使得故障相的零序电流或零序电压值不是最大．是第二大或是第三大㈨．所以在利用这种方法进行选线时，要确定出零序电流与零序电压最大的三条或是四条线路。群体比幅比相法在当前的选线装置中经常用到，但是由于其对线路的不确定性及较弱的抗干扰性．该选线方法选线的精确性火大降低。3五次谐波法在输电线路中存在着很多谐波，其中五次谐波所占的比重是最大的。在小电流接地系统发生单相接地故障时，线路中的五次谐波所占的比重还会增加，在中性点经消弧线圈接地的系统中．电感线罔几乎对高额谐波没有影响Ⅲ堋，所以五次谐波在线路中所占的比重与接地方式影响小。五次谐波在线路中的含量是衡量线路是否发生故障的一个比较精确的指标，而且受接地方式的影响小。但是由于线路中的五披谐波的含量相对基波来说比较小．而且五次谐波的检测难度也比较大．在现场的检测中用的还不是很多。4零序导纳法零序导纳法是利用导纳的公式．根据故障线路的电压与电流的关系和非故障线路的电压和电路的关系来选线的。在正常线路中，电流超前电压90。，在故障线路中，电压超前电流90。1371．零序导纳法就是根据这种关系来判断故障线路的．在线路中．采用筝序导纳法需要检测霉亭电压和各电路的零序电流及其相位 苎莹垄三：兰±茎篓圭：堡里三角。南于线路中存在大量的谐波对于电流相位的精确测量就增大丁难度，所以零亭导纳注在小电流选线装置中用的也很少m]，2．4本章小结本章主要是对配电嗣中的中性点非有效接地系统的故障特点进行分析．井对目前的小电流接地选线方法进行比较。小电流接地方式主要分为三类：中性点不接地方式、中性点经高阻接地方式和中性点经消弧线圈接地方式。其中，中性点不接地和中性点经高阻接地的方式下的故障信号成分基本相同，区别在于中性点不接地系统下，线路发生故障时，线路产生的零序电流比较大．线路的接地电流也比经高阻接地系统中的大。中性点经高阻接地的系统下的故障线路零序电流由于高阻的接地．使得通过故障点的电流比较小．但是不会影响设备对于线路中零序电流的检测。在中性点经消弧线圈接地的系统中．由于消弧线圈对线路中的窑性电流的补偿作用，使电路中的零序电流减小，对于这种接地方式下线路零序电流的检测方法失效。在中性点经消弧线圈接地的系统中，对于故障线路的选线，还需采用一种别的选线方法。目前，对于小电流接地系统的故障选线方法主要有群体比幅比相法、五次谐波法、有功法、小波法等。每种选线方法都有其进线的主因素。对于中性点经高阻接地或是不接地系统．其中的零串电流变化明显，采用群体比幅比相法就比较台适。对于中性点经消弧线圈接地的系统．由于零序电流变化不明显，采用有功法进行检测。总之，对于不同的接地方式，系统就要根据它的特点选择一种或几种相应的方法。 第三章小电流系统接地选线技术的进一步研究在小电流接地系统中，由于故障线路中的故障信息复杂且易受接地方式或是外界环境的影响．所以对于小电流接地系统故障选线的准确率一直都不高。据调查，目前已投产的检测设各．在运行过程中也经常出现对故障线路误选漏选的情况。为此，本章就小电流接地系统易出现对故障线路错误选线的因素进行分析．总结出一套比较合适的选线方案。3．1选线影响因素分析在中性点非有效接地的系统中，笈生接地故障时线路中的电压对称，设蔷正常工作．在线路中产生的零序电流与线路的工作电流相比所占的比重小，所以在现场对于小电流接地系统的单相接地敲障检测变得非常困难。而且现场各种干扰信号对于接地特征信号的提取也增加难度。在工作现场影响系统单相接地故障选线的吲素主要有：线路中性点的接地方式、线路的供电方式、线路的运行时间以厦互感器的信号处理方式等”w。对于小电流系统中线路中性点的接地方式主要有三种，运三种中性点的处理方式主要是根据现场工作环境的需求及特点进行选择㈣。在煤矿的井下输电系统中，中性点主要采取的是经消弧线圈接地的方式，这种接地方式下虽然能够有效减小接地电弧引发的线路故障，在对故障的检测上．由于消弧线圈的感性电流补偿了单相接地的容性电流．使得线路的故障信息更加不明显。在输电线路的供电方式上，主要有空架线和电缆。对于煤矿的井下供电主要使用电缆供电。由于电缆的对地电容比字架线的大得多，所以这种供电方式更容易在线路出现故障时产生接地电弧。这不仅增加了电路故障时的安全隐患．还造成大量的电路的谐波，增加了选线的难度【4”。在小电流接地系统中，线路出现接地故障时．故障线路的非故障相电压升高到线电压．这对线路的绝缘度是一个很大考验。当线路随着时间的绝缘度降低时．线路的故婚时的发生相问短路的几率以及线路中的谐被也会明显增多，影响着选 耋兰罂三奎茎三兰竺兰三粤誊三线的准确性与实时性。对于选线装置，在选用零序电流互堪器与零序电压互媾器时，互感器的精度对于整个装置都会有饭大的影响。在选择传感嚣时尽量选择检测精准抗干扰性强的互感器，以提高装置的选线的准确性。3．2提高装置选线性能措施3．2．1避免铁磁谐振对选线的影响在小电流接地线路中，当发生单相接地故障时．线路的电压变化就可能使变压器或是电压互感器产生铁芯磁饱和㈣现象。在变压器或是电压互感器产生铁芯磁饱和时就可能发生线路的过电压，也就是铁磁谐振过电压【43州1。所以在对小电流接地系统单相接地故障进行检测时，采用的零序电压互感器必须防止系统出现铁磁谐振过电压。在中性点非有效接地系统中，以前的选线装置获取零序电压通常是将电压互感器的二次侧接成开口三角形，通过这种接线方式的两条引线来测得零序电压值。在现场的应用中．当线路出现故障引起相电压被动时就可能使电压互感器铁芯产生饱和现象，继而出现过电压。过电压容易造成线路的绝缘破坏而引发的相间短路。1谐振过电压的机理分析电力系统运行中．电缆遭到电网大电压冲击或是外力的冲击而发生弧光接地，使得线路中的相电压升到线电压值，由于线路电压的迅速变化使得电压互感器内产生大的涌流，引起电压互感器铁芯饱和而引起谐振过电压。谐振过电压引起的铁磁饱和使电压互感器发热烧断熔断器，严重时甚至会烧坏电压互感器【”I。谐振过电压现象不仅增加了运行维护工作量，同时影响到系统的安全运行。铁磁谐振过电压产生的原理如图3-1所示．10kV母线上所连接的84、85断路器(带有并联电容)在断开位置．相应的两侧刀闸在合闸位置．1lOkV母线电压互感器在运行状态．此时如果84断路器线路侧．85断路器线路侧任意一处带有电压时，就会使电感和电容之间形成振荡回路．而发生铁磁谐振， ≮842j84＼84l★852j85文85l[i凳自磁性自压一～互感器35kV母线圈3-1单母线接线方式Fig3-1Smglebusco血ectlngmode2改变电压互感器接线方式对铁碰谐振进行改进本装置通过改变电压互感器的接线方式减小线路故障时互感器铁芯内的电磁量：本系统改变接线方式是通过降低每个电压互感器上承载的电压来进行减小各个互感器上承担的磁通。本次改变接线方式是根据星三角变化的原理．将传统上采用的星形接法上重新接八一个电压互感器变成三角形．这就降低了每个互感器上所承担的电压，这样可以有效的防止电压互感器铁磁谐振过电压的筮生。3．2．2增强软件抗干扰由于中性点非有效接地系统中在线路故障时．线路中产生各阶谐波，并且谐波所占的比重很小很难检测。在小电流接地系统选线中，干扰成为导致误判的主要原因之一mj。减小线路中可能产生干扰的因素，对于提高选线的准确度十分关键。电力系统中的干扰是大量存在的，比如现场开关动作产生的大干扰、各娄噪声等[47,4s]。针对不同形式的干扰，可在软件中分别采用相应措施克服其带来的危害。1分级判断克服大干扰的影响在现场的生产中．经常会出现开关的断台．尤其是对设备进行操作时。这些开关在断合时，会对电阿造成一定的电压冲击．对于一些采用单级判据的小电流选线装置来说，就会导致装置误启动。这主要是由于在开关动作时．线路的电压就会发生变化，尤其是当负载较大时，对于电网电压的冲击过程中产生的零序电压的突变量超过了设定的f]限值，造成装置误启动。针对上述影响装置误判的情 !墨墨王銮王圭茎里苫三玺笙兰况．在装置中加入零序电流检期0装置作为选线的二级判据。在对零序电压进行检测超限后．在启动零序电流检测装置对线路中的零序电流进行检测．如果另两项指标均超过设定的阀值，则判定线路故障。这样就避免了仅仅因为零序电压冲击引起的装置误选线现象。2多次连续采样判断在小电流接地系统中，由于线路存在大量谐波以及时有发生的电压波动，所以在通过电压互感器及零序电流互感器检测电路故障时．要避免园这些偶然信息产生的误选线状况。为解决这种现状．在装置的选线判据中采用连续判断选故障线路的方法。本装置所采用的连续判断是通过零序电压互感器对检测到有故障的线路进行连续几次采样，经过几次连续的采样都得到故障信息时，系统才会认为该线路发生故障：在选线时除了采用对故障线路的连续选线外，还利用了多种判据对故障线路的多种信息进行判断．保证了装置的选线结果的准确性。3．3综合选线算法中性点非有效接地的系统在单相接地故障时．故障信息复杂多样，而且不同接地方式表现出来的故障信号特征在形式上、大小上都有所不同。虽然目前有很多种小电流接地选线的方法被提出并应用到现场中，但是由于每种选线方法都足靠线路中的某一方面的故障特征来进行设计的．昕以在应用中，由于现场的环境的复杂性使得目前的选线装置的选线的效果很不理想l叫。经过对已经投八使用的小电流选线装置的研究来看．对于仅采用一种方式对小电流接地系统进行故障选线是很不可靠的。为了解决单一选线方法对选线正确率低的现状，本装置采用几种选线方法对小电流接地系统中的线路信息分别检测。由于本次设计的针对煤矿井下电缆的运行状况的检测，根据该类型电缆的特点．本装置采用的是检测电缆零序电压、零序电流及比较零序电流相位角的方法。采用零序电压检测作为本装置检测系统的启动条件．这样的结构可以提高装置对电缆检测的实时性：采用零序电流进行电路中的故障信息的检测．根据线路中零序电流的大小判断该线路是否是故障线路：由于煤矿供电电缆普遍采用中性点经消弧线圈接地的方式，这就可能使线路 ■§g二x{I{《±孛n论X故障产生的零序屯斌为消弧线匿的感性电流补偿，所以在对线路的零序电流进行相位比较。根据煤矿供电的特点，采用这三种检测方法使得装置在保证了实时检测的同时，还有效防止了误选、漏选线现象，小电流接地系统在故障发生时，变化量培明显的是电路中相电压升高到线电压幅值．故本系统首先是对于输电线路的电压值进行检测。在小电流接地故障发生时．电路产生的零序电流增大，系统可以进一步对电路的零序电流进行检测．以提高检测的可靠性。对于中性点经消弧线圈接地的系统．在过补偿方式下，故障线路的稳态零序电流为过补偿时产生的过剩电感电流．其方向与非故障线路相同．所以这种情况下．对于零序电流的检测方法可能会失散；在系统中采用了零序补偿导纳法进行最后的判别。在上述的选线方案中．整个电网中各条线路的测量数据经过A／D转换后输送到CPU中，各种选线方法对信号分别提取所需的特征量，最终装置对信号的昕有特征进行分析，判定是否故障线路。这种选线方法使得选线决策能够从被识别对象全局状况出发，综合考虑了多个测点数据．从各个角度提取信号的特征．因此选线正确性有了极大的提高．其信息融台模型如图3-2所示。—’FT检测信号中性点—’CTl检测信号一非有效接地系一统—"m检测信号霉序电g鬈L一薯嚣堡!塑．检测算选线法阁3-2多种选线方法集成的信息融台模型Flg3-2Themodelofvado惦methodsofmtegrau!dthformalionfusion在小电流接地系统中，选线装置采用的是零序电流和零序电压信号的综台选线算法；装置以故障信息明显的霉序电压作为装置豹启动条件．在零序电压越限时启动线路的零序电流检测程序。在中性点经消弧线圈接地的系统中，消弧线圈产生的感性电流与电路中的零序电流抵消．使得故障线路的零序电流减小，降低了接地电弧的发生．但是使得线路的故障特征变得更不明显，在这种类型的电路中．装置采用零序电流与零序电压的相位比较法进行故障线路的判*4。 !呈兰三奎三三茎堡圭三墨兰三3．4本章小结本章主要是对小电流系统故障选线装置选线方案的设计。在论述了影响小电流接地选线准确性的因素后．提出解决方案并设计了一套完成整的针对煤矿供电电缆的选线方案，目前影响小电流选线的因素主要有：线路接地方式的影响、线路的运行时间、所选用的传感器的规格等。不同的中性点接地方式所产生的线路故障时产生的故障信息不同．奉装置就是通过煤矿电缆中性点经消弧线圈接地的方式来选择的选线方案。在中性点经消弧线圈接地的小电流系统中，由于发生单相接地时产生的零序电流被消弧线圈产生的感性电流所补偿．所以在故障线路中检测到的零序电流是补偿过的零序电流，检测值要比实际值偏小。为防止这种情况下的漏选线现象，在选线方沽中加入了对零序电流相位的检测。通过比较零序电流的相位角来判断零序电压升高的线路是否发生了故障。在中性点经消弧线圈接地的小电流系统中采用三种判据进行选线，只要有两种判据成立，就认为被测线路发生了小电流接地故障．采用这种方法的组合，既能保证选线系统的实时性，又能保证选线的精确性．选线方法紧凑台理，不误选不漏选。 第四章煤矿小电流接地故障选线系统硬件构架在煤矿供电系统中，由于供电电缆路数较多，采用综合选线方式对小电流接地系统的单相接地故障进行实时监测时+需要控制器具有快速的数据处理能力．本装霞采用的是以嵌入式系统为控制核心，在采样、A／D转换及信号的输出方面均选用了实时性能好的芯片以满足系统实时性能的要求．本章主要就小电流系统接地故障选线系统的硬件进行设计4．1嵌入式微处理器概述嵌入式微处理器是指用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。该装置具有体积小、功耗低、功能强等优点。本次设计的小电流接地系统选线装置的控制器是基于ARM920T构架的$3C2440控制器。S3C2440是由三墨公司生产的32位RISC微处理器唧]．为一般类型的应用提供了性能上与价格上的最优控制方案=$3C2440控制器上集成了电路控制单元需要的常用功能，其内部设备的原理框图如图4．】所示：『rAGa％模块，工～一一G2G2H$DRAM蚀摸屏d>$3C244(]<；；lNANDFLASH按键模块=型><二=制sD卡电源模块图4-1$3C2440内部结构原理框图Fig4-1Theumer$1rUClXkrCof53C2440S3C2440控制器是集存储单元和控制单元于一体的芯片．片上自带2G的ROM存储空间，不仅方便了装置数据的存储，还增大了芯片的应用范围。在芯片的数据传输上采用AMBA总线协议㈨．使片上信息的传输更快更精确。由于 髯岛Ⅱ=女学I学《±字m镕X采用的是RISC指令结构。片上有独立的指令寄存器和数据寄存器，采用指令单元与数据单元分别存储的方式降低了硬件执行指令的复杂度．同时也降低了控制器的功耗㈤。$3C2440片上集成了很多的功能．就在开发小电流接地系统故障选线装置的过程中所用到的片上资源有：片上的存储单元、】个UAKT通道、片上自带的A／D转换模块、片上的I／O端口以及外部中断端口。在选用选线装置的控制器时，考虑到后期系统需要不断完善，昕以控制器的冗余较高，很多片上功能没有用到，所选的控制器及其应用较为合理。$3C2440控制器采用5级流水线处理技术．不再区分时间周期和机器周期，指令按照系统时钟执行。而且大部分指令仅需I-2十系统时钟即可完成．井且能在执行指令期可预先处理下一条指令．提高了指令执行效率，最高工作频率可达500MIPSm]。这种结构的控制器在功能上不仅满足了选线装置的需求，在实时性能上也较好的满足了现场选线的实时性需要。4．2小电流接地故障选线装置硬件设计4．2．1装置硬件总体构成本装置的选线方案是通过检测零序电流、零序电压及比较零序电流的相位来判断的=零序电流与零序电压的检测时通过零序电流互感器完成，零序电流的检钡嗵过零序电流互感器完成。经过零序电流互感器和零序电压互感器检测的信号经过信号调理电路转换成嵌入式系统范围内的电平。装置检测的故障信息通过触摸屏进行人机交互。硬件结构采用的是互感器、信号处理电路、CPU控制器以及人机交互等模块。小电流接地装置的结构如图4-2所示： 膏岛莲二女字工字顸±字位论x盥t2装置结构框图Fig4-2ThesⅡucmnofdeice4．2．2高速数据采集模块信号采集是小电流接地选线装置中最重要的一个部分，由于装置需要检测的信号量比较多，所以信号采样的速度与精度是影响装置实时性与可靠性的重要因素。本装置需要对煤矿井下的lO组供电电缆进行检测，所以需要采样的对象为30组。在对零序电压的检测可通过检测供电段母线的零序电压进行判定，这样就大大减少丁零序电压的检测量。为了尽量少占J1|I控制器的“0端口，装置选用了MAX308多路开关㈣。MAX308是一款高性能16选l多路开关。所需检测的63路信号经过4个多路开关后进入A／D转换装置。l信号检测装置本系统需要对零序电压、零序电流咀及电流的相位角进行检测。在中性点经高阻接地或是不接地的系统中．通过零序电流与零序电压的变化就够判断哪条是故障线路：在中性点经消弧线圈接地的系统中．由于消弧线圈的补偿作用，使电路中的零亭电流减小，单靠零序电流作为判据可能产生漏判．所以装置还采用了通过判断零序电流的相位角的方法。零序电压互感器利用电路发生故障时电压变化引起的互感器的磁通变化原理进行电压检测，在线路正常时．三相电压不发生变化．零序电压互感器内磁通不变零序电压互感器-次侧没有输出。当线路发生单相接地故障时．故障线路相电压被拉低，其余两相电压升高到线电压幅值，线路中产生零序电压·零序电压互感器内产生磁通，二次侧就产生感应电动势。在通过电爪互感器对线路进行 目B理Ix学二学硕士学位论X检测时，由于电压互感器的自身阻抗小，在线路发生可靠接地故障时容易使互感器发生硅通饱和继而可能发生互感器烧毁事故。在现场的安装时，对于零序电匪互感器通常原边设有熔断保护．对于互感器的副边，采用可靠接地方式【5”。三相电压互感器的第三个线圈接成开口三角形．开口三角形的两个引出端与接地保护继电器的电压线圈连接。在正常运行时，线路中的三相电压对称，第三线圈上的三相感应电动势的和为零。当线路巾出现接地故障时．电匝的中性点出现偏移，线路中出现零序电压，零序电压经过滤波及信号调理电路送到控制器中。经过控制器的判断，再启动其他的故障信息诊断办法。由于线路中出现的零序电压会使电压互感器中的磁通发生变化，为防止电压互感器出现磁通饱和现象，在接线时采用三弁单相电压互感器．接成三角形的方式，确保线路故障时不会造成电压互感器因碰通饱和而烧毁。电压互感器的接线方式如图4-3所示：圈40电压互感器接线方式Fig4-3Theeo衄eedonmodeofvoltagewansfo皿er零序电流保护的基本原理是基于基尔霍夫电流定律㈣：流入电路节点的电流等于从该节点流出的电流。在线路中当线路正常时，线路中的电流三相对称，线路的电流矢量和为零，装置信号无输出：当线路的某处出现单相接地故障时，电流的对称性梭打破，电流互感器铁芯中啬≈碰通产生变化．零寄电流互感器中的二次侧产生电动势，装置输出故障信息。零序电流互感器的接线原理如图4-4所示： 重呈耋三主兰三兰至圭耋堡至三二)负荷图4-4零序电流互感器的接线原理Fig4-4Theco—tionmodeofcurrentIransfo皿er对于零序电流与零序电压相位角的检测，本装置采用的是集成电路的锁相环CD4046。CD4046是款采用CMOS工艺设计的锁相环集成电路，该芯片通过两个相位比较器I和II进行两路信号的比较．并根据比较的结果进行输出。此外．在芯片中还具有信号的处理电路．如压控振荡器、整形电路等IS7]．CD4046应用电路如图4-5所示：圉}5零序电流相位检测电路Fig4-5Thevgctordetecfionofz目osequenceClLrr曲t装置采用芯片的COMPARATORIN与SIGNALⅣ引脚作为芯片的相位比较的信号输八端．对于两个端口输入的信号相位相同时．输出端PHASECOME】OUT就会输出低电、r．当两个输八端口输八的信号相位币同时，就会输出高电 曼璺蛋三銮兰当耋量苫置垩童三平，信号的输出经过信号处理接到控制器的端口上．控制器通过检测该端口电平的高低就会知道线路的零序电流的相位是否发生变化从而判定是否是故障线路。对于相位检测装置的控制，控制器是通过控制端口INHIBIT实现的。2滤波装置在小电流接地系统中，发生单相接地故障时，线路的电压对称性被打破，产生零序电压和零序电流。小电流接地系统的母线零序电压信号和备条线路的零序电流信号经过现场的电压互感器和电流互感器变换后输八高精度滤波电路．经低通滤波器滤波后变换为平滑的电压信号送至A／D转换器。为防止现场的大干扰信号影响装置的正常工作，信号在送入A／I)转换器前还要经过光电隔离=电路中的电流主要是发生单相接地故障时的零序电流．互感器的中流通的电流范围在0-】A之间，由于A／D转换器的输入信号是电压信号，所以在信号输入前先将电流信号变成0-33V的电压信号。小电流接地系统选线装置的滤波电路如图4-6所示：④9等1≯—rr+r’。’乍]，可r’a旦互’鼍]—T—羔]—T一宁‰宁‰占』，罔4-6滤波电蹄Fig4-6Filtercircuit3多路开关由于本装置是对煤矿井下设各的输电系统进行检测．预设的井下的为10组三相6kV电缆．考虑到系统的紧凑型与资源的合理利用．装置采用了高速多路开关MAX306。MAX306是美国美信公司生产的高精度16通道高性能CMOS模拟多路复用器，该芯片的线路切换时间为250ns．温度变化引起的信号的损耗小于25hA， 青岛理工x§工字磺±学位诧i零序电流信号和零序电压信号进入互感器及信号调理模块后，首先经过高精度电流电压互感器，变换成为～定幅值范围的电流信号。该电流信号经过光电隔离后送^控制器中，为充分利用装置的资源．在信号经传感器送出时，进八多路开关，在对各路信号进行统一的处理。零亭电流互感器和零序电压互感器的输出信号均是双极性，而A／D只允许单极性输八．而且信号的允许输入电压为0~33V．因此可通过加偏置电压匹配A／D输^=基本电路原理图如陶4—7示：圈4．7偏置电路原理F镕如7Thegraphofoffsetcircuit考虑到在线路正常时的零序Eg压,K30V以内．所以在偏置电路中选择的参考电压是15V。4．2．3高速A／D转换模块在小电流接地系统中，通过互感器检测的信号在进行调理后需要经过AID转换才能为控制器识别。由于本装置选用的S3C2440控制器上集成了一个8通道10位CMOS的模数转换器。所以本装置就充分利用了控制器的片上资源．在A／D转换器的选择上就采用片上集成的A／D转换器。该集成转换器的最大转换苹是在25MHz转换时钟下达到500KSPS。A／D转换器的微分线性误差是±】0LSB，积分线性误差是±20LSB．芯片的供电电压是33V，输入模拟电压的范围是0-33V，而且芯片自带片上采样保持功能㈣。选用该AiD转换模块．不仅减少了硬件电路的设计．还有效减少了电磁干扰源．大大提高了系统的可靠性 ■日Ⅲ工x学I{∞±{Ⅲ论卫与实时性；4．2．4人机交互模块本装置的几机交互采用触摸屏对信息的输入和输出。触摸屏与控制器之间是通过总线的连接方式，控制器通过4路A／D转换接口与触摸屏实现交互。通过触摸屏实现对装置参数的设置和更改。对于故障线路的信息的输出也是通过触摸屏实现的。本装置选用的触摸屏是W35的3．5寸触摸屏，选用该型号的触摸屏在不影响系统性能的基础上，大大缩小了装置的占用空间，使得小电流接地故障选线装置的现场的安装大为简便。小电流接地故障选线装置的检测信息既能在触摸屏上进行又能通过异步通信进行远程监控。本装置采用的是RS』．85进行的远程串12通讯。4．3硬件抗干扰设计为增加小电流接地系统故障选线的可靠性，在对信号进行处理时，要注意对线路中干扰信号的处理。针对小电流接地系统经常出现的干扰信号源，本装置硬件方面设计的抗干扰措施主要有：1防止电磁干扰小电流接地选线装置的干扰信号很大一部分是电磁干扰。本装置采取的减小电磁干扰的方式主要有两种：一种是装置中线路均合理有效接地．二是为装置加装金属外壳．金属外壳有效接地。对于装置内部的不同线路的接地方式处理上进行分别接地的方式。数字地与模拟地均采用分别接地方式．防止因接地方式的不同而产生对线路产生干扰，分别接地方式很好的削弱了电源回路引入的干扰，保证电源的稳定。装置的金属外壳接地有效防止了外界电磁场的干扰，装置内部电路的台理接地有效减小了装置的内部电路的相互干扰。2光电隔离本装置为确保控制系统不被线路中产生的大干扰影响．在对线路信号进行采集后+在信号进入故障线路前先进行光电隔离处理：在线路中进行光电隔离，不仅避免了供电线路中的大干扰对控制器造成的损坏．还有效抑制了电路中的微弱 要量誓三至三；：誊三耋堡耋三信号对装置造成的干扰。为保护控制系统避免遭到现场大干扰的影响，在信号送凡AfD转换前要经过光电隔离e由于本装置中经过光电隔离的信号是模拟量信号，所以本装置选用的是款高速的光电隔离芯片TIL300。TIL300是TI公司生产的精密线性光耦合器，本装置就是采用该器件来实现模拟信号的隔离功能。光电隔离器件的应用电路如图4-8所示：4．4本章小结圈4-8光电耦台器件的直用电路Fig4-8Theapplicationcircuitoflightelec口1ccoupler本章是对小电流接地系统单相接地故障选线装置的硬件设计。在充分考虑了系统硬件功能的基础上，为保证装置选线的准确性与实时性．本装置采用了高速嵌入式控制器$3C2440。嵌入式控制器的信号处理速度达到500KSPS。由于需要采集的电缆的路数较多，为了更好的利用装置上的端口．本装置选用了开关频率较高的多路开关．其电路转换的时间在250ns，能够达到了系统的实时性要求：在信号的模数转换方面．装置采用控制器上集成的模数转换器，使得装置完全能够宴时的对10组电缆进行检测．本系统在硬件的设计上已能够达到系统对于小电流接地系统的检测要求， 第五章小电流接地系统软件设计小电流接地系统选线装置的实时性与准确性是衡量装置的重要指标。为提高实时性·装嚣在软件方面采用了实时性能好的嵌入式操作系统pc／os—i1。pclOS-II系统支持多任务，内核可移植可裁剪∽】，使得在该嵌入式操作系统上的开发提供了方便。本章就在嵌入式系统上的开发流程做了详细介绍。5．1ARM集成开发环境ADSI．25．1．1ARM集成开发环境ADSI2是ARM公司的集成开发环境软件．包括了四个模块分别是：SIMULATOR，C编译器，实时调试器．应用函数库。ADS可以实现对C和c抖的完全编译，在该系统平台上报容易实现基于C语言的应用服务程序的开发。ADSl2还提供了一个软件仿真功能，根据仿真软件AXD．可以完成埘控制器的内部寄存器的实时监控．为程序员的软硬件{崩试给出了很大方便，使得开发的周期人为缩嫡；在ADS开发工具中，安装库上可以自己选择控制器的型号，然后可以根据所选择的型号建立了ADS工程．就能够实现完成对装置系统的应用程序二次开发1叫。5．1．2ljtC／OS—II系统简介BC／OS—II足一种基于优先级的抢占式多任务实时操作系统，其中包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步(信号最．邮箱．消息队列)和内存管理等功能。系统的各个任务间独立工作互不干涉，使程率能够自动实现模块化设计，对于程序结构及程序时亭的设计过程大为减化㈨。pC／OS．Ⅱ内核采用的是抢占式机制，而且系统代码完全公开很容易根据现实需要实现对系统的移植、裁剪和固化。BC／OS．II内部的代码主要是采用C语言进行编写．使得该系统的可移植性大大增强；目前，pC／OS．1I已经在超过40 !曼蛋三至：三三堡三主垩誊苫种不同架构的徽处理器上运行。本次设计的小电流接地故障选线装置采用的就是IIC／OS—II系统，这不仅使得系统的优越的实时性、稳定的可靠性得到利用，而且系统的源代码公开，这就大大缩短了开发的周期．使得装置能够在比较短的时间内得到高质量的开发。本装置就是基于gC／OS．II系统上设计的应用层面上的二次开发，在操作系统上的开发使得小电流接地故障选线装置具有更强的选线性能。5．2小电流接地系统软件设计5．2．1软件主程序设计软件设计是在基于硬件设计基础上的对装置的进一步的完善。由于本装置软件的开发是基于pC／OS—IT平台上的开发，在程序设计时，底层驱动函数已基本完备，所以软件的设计是基于控制系统应用层上进行的。本装置的软件方面，采用模块化设计，由于uc／OS．1I采用的是抢占式的任务处理方式，在各个任务之间不需要进行任何的联系，只需要设置好任务的优先级和任务的时序．小电流检测系统软件设计的主要任务有零序电压监测任务、零序电流监测任务、零序电流相位比较任务、时间任务、按键任务以及显示任务。其中的主要流程如下：(1)为提高系统的实时性能，系统首先对于输电线路的零序电压进行实时监测。当霉序电压的测量值超过设定的门限值时．启动零序电流监测任务与补偿导纳检测任务。(2)零序电流检测任务的检测值超过设定电流或是零序电流的相位角发生变化，系统就启动报警程序。(3)系统时钟采用电池单独供电，确保时钟的正行运行。增加系统的可靠性。(4)系统的人机交互主要采用的是触摸屏。触摸屏负责对小电流接地系统信息的显示以及对于系统内部参数的设置。在主程序中主耍是对零序电压的实时检测，当线路中的零序电压出现异常时．装置再次采样该电路，如果连续两次结果均表明系统故障．则检测该线路的故障电流．零带电流互感器输卅越限．表明该线路故障，启动装置报警程序，输 !璺里三銮主三三塑三三垩兰三出报警信息井对时间进行记录。如果在检测互感器信号时，前后连续两次控制器获得的信号的性质不一样，比如说．零序电压互感器第一次采样的零序电压越限．第二次采样的零序电压正常，则系统会再次对线路的零序电压进行采样。为防止装置采集的零序电压的不断浮动，设定采样参数N．在N小于5次时。装置会对线路进行采样，当连续采样零序电压的次数都等于5次时．表明供电系统不稳定，这种情况下也认为线路故障，启动报警装置．输出故障线路的信息和类型。装置零序电压检测程序的流程如图5-I所示：—i矿r■二t=二_—]4“；。8I◇I_自5譬a乡一—L＼，；——L《目图5-I小电流监测系统主程年框图Fig5-ITh㈨枷programdiagramofthenoⅡ一effectivelygro∞dmgsystem主程序的部分代码如下：intMain(imargcchar¨argv)TargetlmtO；OSInit()OSTmaeSeⅡO}：OsTaAc跳(MainT∞k(void+)0&MainTaskStk[MainT∞kStkLen窑h—1]MainTaskPno}： 对于零序电流相位检钡雌，系统是通过检测两条线路的零序电流之间的相位差来进行判别，本装置对于零序电流相位的比较并没有采用测量零序电流相位的方式．这是由于如果电缆发生点相接地故障电缆中就会包涵大量的零序电流的谐波分量，在这种情况下来检测零序电流的相位角就比较难测而且精度也很难保证=本装置采用CD4046锁相器，当两线路的输入零序电流相位相同时．锁相器输出低电平．当锁相器的两个输人不同时，就会输卅高电平，所以对于线路中零序电流相位角的判断就变得比较可行而且还能保证精度。当有线路发生接地故障时，故障线路的零序电流与其余线路的零序电流相位产生差值．由于是交流电．所I三L在幅值上就会有所不同．零序电流的相位角检测的流程如图5-2所示： 厂釜r一、≯——!———一*^目口*；I—云]◇％————￡一t目H————————————————————————————一圈5-2零序电流相住法判别故障线路流程F195-2Thcfaultlinediagnosisofzcrosequencecu腓mphasemethod程序在启动零序电流的相位角比较程序后．装置就通过控制端口INHIBIT启动锁相器并对锁相器的端口进行检测．如果检测的是高电平，则对线路进行在一次检测．如果还是高电平，则表明被检测的两条线路中有一条是故障线路．则通过零序电流或是零序电压的变化就能判断出故障线路。如果被检剽线路的零序电流的变化不稳定，锁相器的输出不稳定时，如果检测次数超过5此也判断为线路故障在检测时锁相器的输出被连续检测山两次低电平，则装置认为系统无故障．◇垒 要里生；至三；兰堡三茎堡兰三5．2．2多路A／D程序设计小电流接地故障选线装置的A／D转换器采用的是S3C2440上集成的A／D转换功能。$3C2440上集成丁一个8路10位A／D转换器，A／D转换的速度在GCLK设置为25MHz时．所以转换速率最高达到500kSPS。由于装置需要对10组3相电缆进行零序电流和零序电压信号的采集．信号在多路开关的作用下，信号的强度在不断发生变化，为使信号能够表现出电压的稳定．本装置对控制器上的4路A／D转换端口进行扩展，这四个A／D转换接口是AIN0～AIN3。对于$3C2440，通过其片上集成的A／D转换功能实现A／D转换非常方便，而且还大大减少了在电路建立时产生的干扰。本装置使用的A／D转换主要应用的是ADC控制寄存器ADCCON和ADC转换数据寄存器ADCDAT0；寄存器ADCDAT0的低10位用于存储A／D转换后的数据：寄存器ADCCON的第15位用于标识A／D转换是否结束。第14位用于使能是否进行预分频，而第6位到第13位则存储的是预分频数值，因为A／D转换的速度不能太陕，所以要通过预分频处理才可以得到正确的A／D转换速度，如我们想要得到A／D转换频率为IM}Iz，Ⅲ0预分频的值应为49。第3位到第5位表示的是A／D转换的通道选择，第2位可以实现A／D转换的待机模式。第1位用于是否通过读取操作来使能An)转换的开始：第0位则是在第1位被清零的情况下用于开启A／D转换。A／D的转换时间的为：当GCLK频率为50MHz，预分频值为49时，总共10位转换时间如下：AD转换器频率：50MHz：IMHz转换时间2—IMH—：二／5—cy—clesAD转换器设计在最大25MHz时钟下工作，。200+kHz25“所以转换速率最高达到500kSPS本装置采用的pC／OS．II系统上的A／D转换功能的实现如图5-3所示 一苎呈堡三三兰三三堡三耋兰重三，，，＼a转换结《，＼——j《道觳*$——i一目5-3A1D转换功能流程凰Fig5‘3TheflowprocessofA／Dprogram在A／D转换程序中，首先对装置的内存进行初始化．通过设置ADCCON的参数值改变装置的转换模式。控制器通过查询A／D转换的状态，判断是否转换完毕。由于本装置采用的是控制嚣上的四路A／D转换，所以程序通过一个对路数的计数嚣N来对转换通道的切换进行计数。当N大于2时，系统对N进行清霉。5．2．3显示及按键程序设计小电流接地故障选线装置的参数设置采用的是六个按键实现的。六十按键的功能是：上下左右按键、确认键和返回键。在对装置系统参数进行设置时．通过呈亲一争 !璺蓦三銮童三兰量圭竺堡兰圣确认键进入到参数设置的界面，通过上下左右按键来实现光标的移动，在选定要设置或更改的参数后．再按确认键实现对参数的更改设置．在对参数设置时．通过左右键选择要更改的参数的位数，通过上下键设置参数的大小。参数设置完毕后．按确认键对参数进行确认，按返回键返回到上一级菜单。程序设计的流程如图5_4所示：开始一镕口"*m*m*Ⅲii确认键接下小屯流选线装置检测显示菜单界面其他链按下—，儿．———i—一—!—————￡—一日“键按F上移键按下T移键技下左移键按下右移键接下取消链按F选2婪☆i的菜单——】返回图54按键程序设计流程Fig54Th⋯flowccssofk。yprogram在按键程序中．艘置在主界面上显示的是系统的开机界面，在按下确认键后．装置自动进入小电流检测程序；在开机界面上按下取消键，装置则退出系统。在运行过程中，如果需要更改系统的参数．按下确认键装置就会弹出菜单界面．然后按上移与下移键进行菜单的切换+当切换到目标菜单时，按下确认键，就进入到参数的设置界面．对于参数的设置．通过t移与下移改变参数的大小，通过左移与右移改变要设置的参数的位数。在醴置好参数后，按下确认键，然后可再更奎一一睾奎皇空章一 g岛霆二★掌二学碾士学位论直改相应的参数。如果想返回上一级菜单，按取消键。对于所检测的线路的信息的显示．本装置采用W35触摸屏进行显示。在主界面上，显示检测线路的总体的零序电流与零序电压的平均值，为考虑到显示器在显示时的稳定性问题，本装置显示的零序电流与零序电压值每隔1秒钟刷新一次。在装置的主界面上显示的是时刻刷新着的电缆的零序电流与零序电压值．为万便对故障信息的故障时间的记录，在主界面上有时问与日期的显示。电缆中出现的小电流接地故障被装置检测到时，装置就会自动切换到故障界面。故障界面上能够显示出现单相接地故障的线路的编号．故障零序电流与故障零序电压的幅值以及出现故障的时间，同时在该情况下装置启动报警装置。在现场的设备维护人员按下确认键后，装置报警停止，界面转到主界面上。此次故障信息作为一条记录存储在装置中。本装置提供了对于零亭电流与零宁电压上限参数的设置与变更界面。由于键盘上没有数字键．在对参数进行调整时，采用左右键决定越限值的位数，在初始位置左侧是高位．右侧是低位，光标的初始位置右移一位就是小数点的第一位．每位数字均是从零开始，按上下键可以实现对每位数字的变更。在参数设置界面．还可以完成对装置时问及日期的设置。对于以前发生的故障信息，装置还能对其进行信息存储。在故障信息的存储界面．按时间由近及远排列装置检测到的线路的故障信息，主要包括故障线路的编号，故障零序电流和电压的幅值，故障时间信息。可以更好的进行电缆的维护。5．3软件对突发事件的应急处理对于线路过电压造成的对小电流接地故障选线装置造成的零部件的损坏，装置采嘲对装置实时检测的方式，当多次检测到传感器没有输出时，就认为该互感器可能发生故障。在煤矿井下小电流接地系统中电缆由于绝缘性的下降或是意外事故损坏，有可能发生相曰短路故障。在友生相间短路时由于线路中的故障电流大于负荷电流．装置通过检测得到的同组两条电缆的零序电流越限．就判定为相间短路，这种情况下．为防止事故的恶化．装置就采取自动跳闸。装置设置的自动跳闸的时间可|三L根据现场的需求进行设置。 青岛理工x学工学硕士学位诧豆5．4远程监控对于装置的远程监控，本装置还采用RS一485串行通信与上位机进行信息传输。由于装置所选的开发板上有远程串口通信．所以完成装置与上位机的信息交互就显得比较方便。在上位机上采用的是操作系统自带的超级终端，使得装置检测的故障信息进行远程传输。5．5本章小结本章主要是对小电流接地故障选线装置的软件进行设计。根据小电流接地故障选线装置的工作特点，软件设计主要针对的是电缆线路零序电流与零序电压的实时检测、故障信息的输出和系统的维护三个方面来介绍。对于电缆零序电流与零序电压的实时检测方面，装置的最重要的指标之一是实时性与可靠性。装置采用的pC／OS。II系统不仅减小了装置软件的开发周期，还从性能上大大提高了装置的实时性。为提高装置选线的准确性，在对线路的信号进行榆测时，对于检测出的故障线路的信号采用多次测量的方法，确认故障线路的故障信号是稳态信号。在对于系统的故障输出方面，装置采用的是触摸屏W35完成对检测的电缆线路信息的实时输出，在检测到线路的故障信息时，输出故障线路的编号以及故障信号的幅值、故障发生的时间．装置还能够对线路的故障历史进行记录．协助现场人员更好的对线路实现长期的故障统计。在装置的维护上+可以通过按键实现对装置参数的设置。通过以上措施，提高了装置的可维护性和可靠性。 重兰耋三三三；三!i三三堡篁三第六章结论与展望本文详细分析了煤矿井下6kV电缆小电流接地方式的性能以及在发生单相接地故障时的特点，表述了研制小电流接地进线装置的重要性。然后．对于目前常用的小电流接地故障选线算法原理进行了阐述评价．指出各种算法的优缺点及其适用范围。在此基础上，提出了综合选线和连续选线的方法．井在运种选线方案的基础上设计了基于嵌入式系统的小电流接地故障选线装置。本文重点阐述了煤矿6kV电缆小电流接地故障选线装置采用嵌入式系统实现的各种软硬件的设计。6．1结论文章所设计的小电流接地故障选线装置的主要指标是选线的准确性、实时性与稳定性。本次设计的装置为提高以上装置的性能，采取的措施首先是在选线算法上的改进，其次是在硬件平台搭建上的设计．最后在软件设计上也提高了装置的性能．在选线算法上，本文首先对目前提出的小电流接地故障选线进行分析，阐述了各种算法的优映点．最后提出了综合的选线方案和对故障线路连续检测的方式。本装置采取的综台选线方案是首先对线路的零序电压进行检测井以零序电压的越限为装置检测系统的启动条件，再对电路进行零序电流的检测。考虑到t}1性点经消弧线圈接地的系统，线路中的零序电流可能会被消弧线圈的感性电流抵消．所以在零序电压出现越限而零序电流没有越限的情况下．装置还会对线路中的零序电流的相位进行检测，通过检测灵虚电路与零序电压的相位关系判定是否发生线路故障，在硬件设计上，考虑到装置所需检测的对象为lO组3相电缆．装置需对每条电缆都进行检测，检测的信号量比较大，本装置选用的是基于嵌入式控制器$3C2440的开发平台。$3C2440是基于ARM920T构架的高速控制器，主频可这400MHz．同时采用的是5级流水线．最高指夸执行速度可达500MIPS。在选用 胥岛gI^学二学硕±学位诧文外围器件时，围绕控制器的主频要求，选用了高速多路开关，开关关断间隔在5us，满足了装置实时性的要求。在软件设计上，采用宴时性好的uc／OS。II操作系统作为装置的软件开发平台。由于装置选用的是在嵌入式操作系统上的开发，使得在装置研制对，对于底层函数的编写量大为减少，本装置的开发是在系统应用层上的开发。由于所选系统是多任务、内核抢占式工作流程．还使得装置性能较单片机的开发有很大提高。由于本装置的研制时间较短，加之作者水平有限，该装置仍有许多值得完善的地方．就目前而言，包括硬件的进一步调试．软件的不断完善，以后还有一些测试等工作有待完成：6．2展望采用嵌八式系统实现对煤矿6kV低压电缆的小电流接地系统故障选线不仅降低成本．还保证了装置的实时性与可靠性：本文提出了基于嵌入式系统实现方式的装置软硬件设计方案，并加以实现。实践证明，基于$3C2440嵌入式控制器的小电流故障选线装置是确实可行的。在装置设计时采用的选线策略及对故障选线的路数都选用的都是最小系统，对现场的较复杂或是电缆出现数较多的供电系统的选线中．对于装置的性能要做进一步的完善。在故障信息远程输出上，本装置采用的足串口直接输出故障信息，在以后的完善中．可采用组态软件完成对小电流接地系统故障信息的实时监控， 附录 i岛理工^学工学砸士学位诒R远程监控结果 ■岛莲工x学二学硕±学位论i主要程序模块：#mclude”configh。’#incinde“Dcflh。’#mclude”2440addLh”#indude”2440[ibh’’#include”2440slibh’’#mcinde”appckh“#mcinde。’Printi【h’’#inelude”ledh’’#inelude“Kevs0加h’10ssTKMamTaskStk『Mmn丁askStkLen曲1OS—STKKeyTaskStk[Key_TaskStkLeng】l】"，’DefinctheTaskOstackOSSTKADTaskStk[ADkkstlcLen曲1．“DefinetheTasklsb吐OSSTKLedTaskStkfLcdTaskStkLcngh]：／／DefmetheLcdT∞kstackvoidRtc“Hvoid)：／中断龋数声明voidTaskLCD(void‘p)，Ⅳ显示函数声明voidKeyISR(void)：U8KeySca“voidlvoidKevsc拙Init(void)；intReadAdc(mtcbl／／0SEVENT+Setup：／／Croat—U8e“．／／报错标志位U8key．n键盘键值U32i2,imrYeⅡ,rMonnl．rDay,rDayOfmekrHouLrMinuterSecond：intMam(mtargcchar++argvlTargetlmt0；／，初始化目标板OSImtf1／／幸JJ始化uC／OSOSTimeSet(0)；／／初始化系统时基Ⅳ创建系统初始任务OSTaskCreate(MamTasL(void‘10&MamTaskStk[MainTaskStkLcngh·1]MainT∞kPriolOSSmnO：／／启动任务MamTask0；㈣O．voidMamTask(void+pdata)／tMainTaskcreatctaks0扑dtask#ifogCRITICALMETHOD一3∥AHocatestorageforCPUsnmsresister0SCPUSRcpusr#tndif0sENTERcRmCAL0；Tuner0Inltf)．qmtinItimeroforucostimedekIgPdnit0：／／mitialmte肌ptprioore∞b}eordibble0SExrrCRⅢCALn．OSPrmtflmt0：，^㈣taskprintm—geIoUartOSStatlnit0；KeyScanImt0：／／Setup=OSSemCfeate(1)：“创建系统中的各个任务．任务名的声明在app_cfgh文件中OSTaskCreate(KeyT∞L(void+10&KeyTaskSin[Key_TaskStk．Lengh—l】Key_TaskPrio)：OSTaskCreate(AD_Task，(void+)0&AD_TaskStk[AD—TaskStkLengh一1]AD—TaskPrio)：osT∞kc⋯(LCd_T&sLWoid+)0&Lcd_TaskStk[LcdTaskStkLen∞‘l】LcdTaskPfiol：whi]d¨OSPnmt《“helloword”)：．显示的内窖OSPr；nt“”m_FnterMamTaskm”1： 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