消弧線圈接地保護裝置

畢春艷

（福建省電力有限公司漳州電業局 福建 福州 350009）

1 消弧裝置的發展

國外對接地保護的處理方式各不相同。前蘇聯的小電流接地系統采用中性點不接地方式和經消弧線圈接地方式，主要采用零序功率方向和首半波原理。

我國配電網和大型工礦企業的供電系統大多數采用中性點不接地或經消弧線圈接地的運行方式，近年來，一些城市電網改用電阻接地的運行方式。礦井6～10kV電網過去也一直是用中性點不接地方式，隨著井下供電線路的加長，電容電流增大，近年來消弧線圈在礦井電網得到了推廣應用，并主要采用消弧線圈并、串電阻的接地方式。

從50年代開始接地保護原理及裝置的研究，并推出了幾代產品。目前國內的選線裝置主要是基于零序電流，零序功率方向原理原則，首半波原理，諧波方向原理和，“注入信號法”原理。在選線方案，除了傳統的絕對價值的保護方案，還有群體比幅比相方案，最大Isinφ或Δ(Isin φ)方案。

2 消弧線圈補償原理及其自動控制

2.1 消弧成套裝置簡介

消弧成套裝置主要由接地變壓器、消弧線圈、阻尼電阻和控制柜等四部分組成，其一次接線圖如圖1所示。

圖1 一次接線圖

諧振接地系統使用時，因為主變壓器三相繞組的,一般是三角形連接，沒有中性點來接消弧線圈，那么要想接入消弧線圈，那就需要建立一個中性點，然后在6KV或者是10KV的母線上連接星形接地變壓器，在中性點邊接上消弧線圈。接地變壓器具有以下特點。首先，采用Z型的接線方式，零序阻抗小于100，90%～100%接地變壓器容量消弧線圈。其次，消弧控制電容電流測量裝置，系統不平衡電壓不能太小，且與接地變壓器也存在系統非常平衡時，增加了系統的不平衡電壓功能。最后，接地變壓器二次側也可以帶來容量1/3的負載，因此，它也可以用做站用變。

當二次側負載時，接地變壓器的容量是消弧線圈容量和負載容量的總和。調匝式消弧線圈充分利用了有載分接開關調節消弧線圈的多抽頭改變電感值，消弧圈具有結構簡單，制造技術成熟、經濟、可靠，因此，目前在國內應用最多。在本文中，自動補償消弧控制裝置就是針對于調匝式消弧線圈而設計的。

2.2 消弧線圈補償原理

圖2 單相接地故障補償電網等值電路圖

消弧線圈其實就是一種帶有空氣間隙的可調電感線圈。消弧線圈的補償電流有分級(階段)調整和無級(連續)調整之分，調整方式又有手動和自動之別，而自動調整者又有發生接地故障前預先調整的預調式和出現接地故障后迅即調整的隨調式兩種形式。在我國的補償系統中，雖然目前手動分級調整的消弧線圈較多，但是，自動跟蹤諧調的補償裝置正在迅速發展，并已大量投入運行。在圖2，為一中性點經消弧線圈接地電網A相上發生接地故障時的等值電路圖，若忽略故障點的接地電阻與弧道電阻的影響，即相當于發生單相金屬性接地故障。

如圖3,A相接地故障時的電流電壓向量圖所示，故障相的電壓口降低到零，中性點電壓u。位移至一口，非故障相電壓口。與口升高到線電壓亡去與口會，相當于三相電壓均疊加了一個一口。雖然這時電網的中性點發生了位移，可是，電源發電機和電力用戶對該單相接地故障并無反應，所以，在這一條件下允許補償電網在一定時間內帶故障繼續運行。

圖3 A相接地時的電流電壓向量圖

圖3中，IC包括對地泄露電流(有功電流)和電容電流(無功電流)，流過中性點電流I。也包括有功分量IL和無功分量IL，1為所有有功電流分量之和。據向量圖可知殘流I值為：Ia=IR+j(7。一I,)(2-1)殘流I的性質(阻性、容性或感性)隨消弧線圈補償狀態的不同而改變。當IS為感性時消弧線圈過補償;為容性時消弧線圈欠補償;為純阻性時消弧線圈處于全補償狀態。

3 硬件框圖

圖4 裝置原理圖

實時檢測控制部分的控制器采用MCS-51單片機組成的實時測量控制系統。由兩部分組成,一是在正常運行時,用外加激磁電源注入補償電網,使系統中性點每分鐘有(0～3%)Uφ的電壓波動,并取最大值進行Xc或Ic值計算。二是在發生單相接地故障時,由程序中斷激磁電源,啟動由消弧線圈提供的補償電源工作,單片機提供中斷前一周期測定好的補償觸發角給可控硅,使消弧線圈輸出的電感電流與系統電容電流相等,在全補償狀態下,使接地電弧熄滅。電網恢復正常后,控制器自動關閉補償電源啟動激磁電源,返回主程序測量補償電網的容性參數(Xc和Ic)。

其原理通常的構成情況如圖4。

本論文的硬件框圖,如圖5所示。

圖5 硬件框圖

4 MCS-51系列的基本功能及特點

MCS-51單片機是美國INTEL公司于1980年推出的產品，與MCS-48單片機相比，它的結構更先進，功能更強，在原來的基礎上增加了更多的電路單元和指令,指令數達111條。

MCS-51系列單片機主要包括8031、8051和8751等通用產品。

MCS-51以其典型的結構和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統。

圖6 MCS-51結構圖

下面以8051為代表分析一下MCS-51系列內部結構。

8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數據存儲器(RAM)、定時/計數器、并行接口、串行接口和中斷系統等幾大單元及數據總線、地址總線和控制總線等三大總線。

8051內部結構如圖6所示。

單片機的微處理器：CPU是單片機的內部核心部件，它決定了單片機的主要功能特性。微處理器由運算器和控制器等部件組成。運算器模塊包括算術邏輯部件ALU、位處理器、累加器ACC、寄存器B、暫存器以及程序狀態字寄存器等。該模塊的功能是實現數據的算術邏輯運算、位變量處理和數據的傳送操作；時控制邏輯模塊是產生操作時序的，它是單片機的心臟，有時鐘電路和復位電路完成。

MCS-51的I/O端口：MCS-51單片機有4個雙向的8位并行I/O口P0～P3，每個口都有一個8位的鎖存器，復位后他們的初態全為0FFH。P0口是三態雙向口，稱為數據總線口。P0口還用于輸出外部存儲器的低8位地址。由于分時使用，先輸出外部存儲器的低8位地址，故應在外部加鎖存器將此地址數據鎖存，地址鎖存信號用ALE。然后，P0口才作為數據口使用。P1口專供用戶使用的I/O口，是準雙向口。P2口也是準雙向口，它是供系統擴展外部存儲器時輸出高8位地址。如果系統沒有擴展外部數據存儲器和程序存儲器時，P2口也可作為用戶I/O口使用。P3口是雙功能口，也是準雙向口。該口的每一位均可獨立地第一為第一I/O口功能和第二I/O口功能。作為第一功能使用時，口的結構與操作與P1口相同。表1表示了P3口的第二功能時各位的定義。

表1 P3口的第二功能時各位的定義

單片機的引腳配置：現以8051為例進行介紹，8051內部包括一個8位的CPU，128個8位用戶數據存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數據，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數據，所以，用戶能使用的的RAM只有128個。8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數據或表格。另外，8051有兩個16位的可編程定時/計數器，以實現定時或計數產生中斷用于控制程序轉向；4組8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于對外部數據的傳輸。8051內置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數據傳送，該串行口既可以用作異步通信收發器，也可以當同步移位使用。8051是一個40引腳的集成電路，引腳如圖7所示：它有4個輸入／輸出口（I／O口），每個口有8條線共占32個引腳。剩余8個引腳分別為：電源、地線、接石英晶體（兩根）、復位和三個特殊功能引腳（ALE、EA、PSEN）。

圖7 MCS-51系列單片機的引腳配置圖

5 鍵盤和顯示器的應用

5.1 概述

圖8 工作原理圖

鍵盤和LED顯示器是兩種比較常見和低成本的外圍設備，在本論文中它們主要提供人機交互界面，方便操作人員對系統工作的實時監控。

其工作原理圖如圖8所示。

5.2 鍵盤與單片機的接口

鍵盤是由若干個按鍵組成的開關矩陣，它是一種廉價的輸入設備。一個鍵盤，通常包括有數字鍵(0～9)，字母鍵(A～Z)以及一些功能鍵。操作人員可以通過鍵盤向計算機輸入數據，地址、指令或其它控制命令，實現人機對話。

單片機系統中普遍使用非編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別由軟件來識別鍵盤接口應具備以下功能：

（1）鍵掃描功能，即檢測是否有健按下；

（2）產生相應的鍵代碼(鍵值)；

（3）消除按鍵抖動及多鍵按下。

在本論文中由于鍵盤主要作用是輸入設定的電感L值，因此我設計了2×3的鍵盤結構。

2×3鍵盤結構圖中的列線通過電阻接+5V。當鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行線和列線斷開，列線y0～y2都呈高電平。當鍵盤上某一個鍵閉合時，則該鍵所對應的列線與行線短路。

CPU對鍵盤掃描可以采取程序控制的隨機方式，CPU空閑時掃描鍵盤。也可以采取定時控制方式，每隔一定的時間CPU就對鍵盤掃描一次。也可以采取中斷方式，每當鍵盤上有鍵閉合時，向CPU請求中斷，CPU響應中斷后，對鍵盤掃描，以識別一個鍵處于閉合狀態，并對該鍵輸入信息做出相應處理。CPU對鍵盤上閉合鍵的鍵號確定，可根據行線和列線的狀態計算求得，也可以根據行線和列線狀態查表得。

其鍵盤結構如圖9所示。

圖9 鍵盤結構圖

鍵閉合時列線電壓波形圖，如圖10所示。

在鍵盤結構圖9中，若x0為低電平，1號鍵閉合一次，y1的電壓波形如鍵閉合時列線電壓波形圖10所示。圖10中,t1和t2分別為鍵的閉合和斷開過程中的抖動期（呈現一串負脈沖），抖動時間長短與開關的機械特性有關，一般為5～10ms之間，t2為穩定閉合期,其時間由操作員的按鍵動作所確定，一般為數百毫秒到幾秒。t0，t4為斷開期。為了保證CPU對鍵的閉合作一次處理，必須去除抖動,在鍵的穩定閉合或斷開時，讀鍵的狀態,以便判別到鍵由閉合到釋放時再作處理。非編碼鍵盤識別按鍵的方法有兩種：一是行掃描法，二是線反轉法。這里重點介紹行掃描法：行掃描法即通過行線發出低電平信號，如果該行線所連接的鍵沒有按下，則列線所接的端口得到的全是“1”信號，如果有鍵按下，則得到非全“1”信號。為防止雙鍵或多鍵同時按下，再從第0行一直掃描到最一行，若發現僅有一個“1”，則為有效鍵，否則全部作廢。找到有效的閉合鍵后，讀入相應的鍵值轉到對應的處理程序。本文的鍵盤共有6個鍵，功能分別為設置，左移，右移，加，減，確定鍵。

圖10 鍵閉合時列線電壓波形圖

設置鍵：需要對單片機輸入新的電感值時按下此鍵進行設置。

右移鍵：對某一位設置完畢后按此鍵設置下一位。

左移鍵：若發現前面位數設置錯誤可按此鍵進行修改。

加鍵：對指定位數進行加法加一運算。

減鍵：對指定位數進行減一運算。

確定鍵：當數值設置完畢時，按此鍵后開始CPU的運算。

5.3 顯示數碼管與單片機的接口

在本論文中我采用的是比較常見的動態顯示LED顯示器接口技術。所謂動態顯示LED，就是一位一位地輪流點亮各位顯示器，對每一位顯示器而言，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度跟導通的電流有關，也和點亮的時間與間隔的比例有關。動態顯示器因其硬件成本較低，而得到廣泛的應用。MCS-51系列單片機提供以下功能：2K字節閃速可編程可檫除只讀存儲器,128字節RAM,15根可編程I/O引線,2個16位定時器/計數器,1個5向量兩級中斷結構,1個全雙工串行口,1個精密模擬比較器,兩級程序加密,直接L ED驅動,掉電保護工作方式,以及片內振蕩器和時鐘電路。由于MCS-51單片機功能強勁,且體積小(芯片只有20個引腳),所以它在許多嵌入式和便攜式測控系統中得到廣泛應用,如機電式或電子式電度表、智能煤氣表等智能儀器。在設計智能儀器中,既要達到預定功能指標、技術指標,還需要設法降低產品成本,因此在產品開發中應從技術上和經濟上綜合考慮。數顯電路是智能儀器中一個非常重要的組成部分,以MCS-51為核心的智能儀表,由于其I/O引腳較少,因此在擴展數顯接口時應考慮應用系統對其I/O引線的需求,若需求較大時,應采用接口電路占用MCS-51的I/O引線少的,以便空出引腳用以其它功能。下面介紹兩種適用于MCS-51的I/O引線。

LED數顯接口電路利用移位寄存器74HC164實現。74HC164是8位串行輸入,并行輸出,異步清除的移位寄存器,它有兩個串行輸入端A、B;8個并行輸出端Q0～Q7;一個時鐘脈沖輸入端CL K;一個清除端MR。其功能真值表如圖11所示。

圖11 74HC164功能真值表

數顯接口電路如圖12所示，給出了利用74HC164的擴展。

圖12 數顯接口電路圖

MCS-51的數顯接口電路,圖11中是以四個8段LED為例給出的。該顯示電路為動態掃描顯示。MCS-51的串行口采用方式0,為移位寄存器方圖1，利用74HC164擴展4位LED數顯接口電路式,也稱為同步方式。該工作方式的設置可放置在主程序的初始化中。顯示程序作為子程序,在調用顯示子程序之前,將需要顯示的數據先放在數據顯示緩沖區中,由顯示緩沖區數據在字型碼表中查出對應的段選碼,將此碼串行發送,并且發送位選信號選通相應的LED。由于該顯示電路為動態掃描方式,為消除閃爍現象,每位LED的顯示應延時5ms～6 ms,程序流程如圖13所示。由上述可知,這種數顯接口電路軟硬件實現簡單,電路成本低,但其占用了較多的I/O引線,當應用系統中I/O引線較為緊張時就不適用了。下面介紹的利用MC14499構成的數顯接口電路可大大減少I/O引線的占用數量。

圖13 顯示子程序流程

6 4052多路選擇開關和采樣保持器

6.1 4052多路選擇開關的作用及控制

雙四通道模擬多路復用器/多路分解器在本論文中也是重要的一個器件，它的作用是為A/D轉換器在電壓電流信號之間進行切換選擇。我們選擇的型號是74HCT4052，它由菲立浦公司開發。

74HCT4052內部結構原理見圖14所示。

圖14 74HCT4052內部結構

其控制原理見圖15。

圖15 74HCT4052的控制原理

6.2 采樣／保持器在裝置中的作用及控制

模擬信號進行A/D轉換時，從啟動轉換到轉換結束輸出數字量，需要一定的轉換時間。在這個轉換時間內，模擬信號要基本保持不變。否則轉換精度沒有保證，特別當輸入信號頻率較高時，會造成很大的轉換誤差。要防止這種誤差的產生，必須在A/D轉換開始時將輸入信號的電平保持住，而在A／D轉換結束后又能跟蹤輸入信號的變化。能完成這種功能的器件叫采樣／保持器。采樣／保持器在保持階段相當于一個“模擬信號存儲器”。

系統可采集的信號頻率受A／D轉換器的位數和轉換時間的限制。

采樣／保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態的器件，它具有兩個穩定的工作狀態：（1）跟蹤狀態。在此期間它盡可能快地接收模擬輸入信號，并精確地跟蹤模擬輸入信號的變化，一直到接到保持指令為止。（2）保持狀態。對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進行保持。

7 結束語

該論文首先介紹了在中壓配電網中，使用中性點經消弧線圈接地保護的國內外現狀及其必要性。并且通過理論論證和國內外同類產品的使用經驗說明了中性點經消弧線圈接地保護裝置在實際應用中的可行性。通過對三相配電網的分析，得出了保護裝置的工作過程。然后，采用示波器，單片機開發機對系統中性點經消弧線圈接地的各種狀態 (包括正常運行和單相接地故障)進行了仿真，并且通過仿真實驗對系統的消弧效果進行了驗證，事實證明了裝置的可行性與可靠性。在有了理論分析和實驗證明以后，本文開發了基于MCS-51系列單片機的控制裝置，該裝置使得消弧線圈能夠補償系統的接地電容，從而達到了當發生單相接地故障時限制接地點電流的目的。本文采用的方案進行了仿真，仿真結果也符合要求。在本文的最后給出了對于本裝置的改進意見。

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