消弧线圈接地保护装置

毕春艳

（福建省电力有限公司漳州电业局 福建 福州 350009）

1 消弧装置的发展

国外对接地保护的处理方式各不相同。前苏联的小电流接地系统采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式，主要采用零序功率方向和首半波原理。

我国配电网和大型工矿企业的供电系统大多数采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，近年来，一些城市电网改用电阻接地的运行方式。矿井6～10kV电网过去也一直是用中性点不接地方式，随着井下供电线路的加长，电容电流增大，近年来消弧线圈在矿井电网得到了推广应用，并主要采用消弧线圈并、串电阻的接地方式。

从50年代开始接地保护原理及装置的研究，并推出了几代产品。目前国内的选线装置主要是基于零序电流，零序功率方向原理原则，首半波原理，谐波方向原理和，“注入信号法”原理。在选线方案，除了传统的绝对价值的保护方案，还有群体比幅比相方案，最大Isinφ或Δ(Isin φ)方案。

2 消弧线圈补偿原理及其自动控制

2.1 消弧成套装置简介

消弧成套装置主要由接地变压器、消弧线圈、阻尼电阻和控制柜等四部分组成，其一次接线图如图1所示。

图1 一次接线图

谐振接地系统使用时，因为主变压器三相绕组的,一般是三角形连接，没有中性点来接消弧线圈，那么要想接入消弧线圈，那就需要建立一个中性点，然后在6KV或者是10KV的母线上连接星形接地变压器，在中性点边接上消弧线圈。接地变压器具有以下特点。首先，采用Z型的接线方式，零序阻抗小于100，90%～100%接地变压器容量消弧线圈。其次，消弧控制电容电流测量装置，系统不平衡电压不能太小，且与接地变压器也存在系统非常平衡时，增加了系统的不平衡电压功能。最后，接地变压器二次侧也可以带来容量1/3的负载，因此，它也可以用做站用变。

当二次侧负载时，接地变压器的容量是消弧线圈容量和负载容量的总和。调匝式消弧线圈充分利用了有载分接开关调节消弧线圈的多抽头改变电感值，消弧圈具有结构简单，制造技术成熟、经济、可靠，因此，目前在国内应用最多。在本文中，自动补偿消弧控制装置就是针对于调匝式消弧线圈而设计的。

2.2 消弧线圈补偿原理

图2 单相接地故障补偿电网等值电路图

消弧线圈其实就是一种带有空气间隙的可调电感线圈。消弧线圈的补偿电流有分级(阶段)调整和无级(连续)调整之分，调整方式又有手动和自动之别，而自动调整者又有发生接地故障前预先调整的预调式和出现接地故障后迅即调整的随调式两种形式。在我国的补偿系统中，虽然目前手动分级调整的消弧线圈较多，但是，自动跟踪谐调的补偿装置正在迅速发展，并已大量投入运行。在图2，为一中性点经消弧线圈接地电网A相上发生接地故障时的等值电路图，若忽略故障点的接地电阻与弧道电阻的影响，即相当于发生单相金属性接地故障。

如图3,A相接地故障时的电流电压向量图所示，故障相的电压口降低到零，中性点电压u。位移至一口，非故障相电压口。与口升高到线电压亡去与口会，相当于三相电压均叠加了一个一口。虽然这时电网的中性点发生了位移，可是，电源发电机和电力用户对该单相接地故障并无反应，所以，在这一条件下允许补偿电网在一定时间内带故障继续运行。

图3 A相接地时的电流电压向量图

图3中，IC包括对地泄露电流(有功电流)和电容电流(无功电流)，流过中性点电流I。也包括有功分量IL和无功分量IL，1为所有有功电流分量之和。据向量图可知残流I值为：Ia=IR+j(7。一I,)(2-1)残流I的性质(阻性、容性或感性)随消弧线圈补偿状态的不同而改变。当IS为感性时消弧线圈过补偿;为容性时消弧线圈欠补偿;为纯阻性时消弧线圈处于全补偿状态。

3 硬件框图

图4 装置原理图

实时检测控制部分的控制器采用MCS-51单片机组成的实时测量控制系统。由两部分组成,一是在正常运行时,用外加激磁电源注入补偿电网,使系统中性点每分钟有(0～3%)Uφ的电压波动,并取最大值进行Xc或Ic值计算。二是在发生单相接地故障时,由程序中断激磁电源,启动由消弧线圈提供的补偿电源工作,单片机提供中断前一周期测定好的补偿触发角给可控硅,使消弧线圈输出的电感电流与系统电容电流相等,在全补偿状态下,使接地电弧熄灭。电网恢复正常后,控制器自动关闭补偿电源启动激磁电源,返回主程序测量补偿电网的容性参数(Xc和Ic)。

其原理通常的构成情况如图4。

本论文的硬件框图,如图5所示。

图5 硬件框图

4 MCS-51系列的基本功能及特点

MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条。

MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。

MCS-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统。

图6 MCS-51结构图

下面以8051为代表分析一下MCS-51系列内部结构。

8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。

8051内部结构如图6所示。

单片机的微处理器：CPU是单片机的内部核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。微处理器由运算器和控制器等部件组成。运算器模块包括算术逻辑部件ALU、位处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器以及程序状态字寄存器等。该模块的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据的传送操作；时控制逻辑模块是产生操作时序的，它是单片机的心脏，有时钟电路和复位电路完成。

MCS-51的I/O端口：MCS-51单片机有4个双向的8位并行I/O口P0～P3，每个口都有一个8位的锁存器，复位后他们的初态全为0FFH。P0口是三态双向口，称为数据总线口。P0口还用于输出外部存储器的低8位地址。由于分时使用，先输出外部存储器的低8位地址，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。然后，P0口才作为数据口使用。P1口专供用户使用的I/O口，是准双向口。P2口也是准双向口，它是供系统扩展外部存储器时输出高8位地址。如果系统没有扩展外部数据存储器和程序存储器时，P2口也可作为用户I/O口使用。P3口是双功能口，也是准双向口。该口的每一位均可独立地第一为第一I/O口功能和第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与P1口相同。表1表示了P3口的第二功能时各位的定义。

表1 P3口的第二功能时各位的定义

单片机的引脚配置：现以8051为例进行介绍，8051内部包括一个8位的CPU，128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个。8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。另外，8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向；4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位使用。8051是一个40引脚的集成电路，引脚如图7所示：它有4个输入／输出口（I／O口），每个口有8条线共占32个引脚。剩余8个引脚分别为：电源、地线、接石英晶体（两根）、复位和三个特殊功能引脚（ALE、EA、PSEN）。

图7 MCS-51系列单片机的引脚配置图

5 键盘和显示器的应用

5.1 概述

图8 工作原理图

键盘和LED显示器是两种比较常见和低成本的外围设备，在本论文中它们主要提供人机交互界面，方便操作人员对系统工作的实时监控。

其工作原理图如图8所示。

5.2 键盘与单片机的接口

键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是一种廉价的输入设备。一个键盘，通常包括有数字键(0～9)，字母键(A～Z)以及一些功能键。操作人员可以通过键盘向计算机输入数据，地址、指令或其它控制命令，实现人机对话。

单片机系统中普遍使用非编码键盘，即键盘上闭合键的识别由软件来识别键盘接口应具备以下功能：

（1）键扫描功能，即检测是否有健按下；

（2）产生相应的键代码(键值)；

（3）消除按键抖动及多键按下。

在本论文中由于键盘主要作用是输入设定的电感L值，因此我设计了2×3的键盘结构。

2×3键盘结构图中的列线通过电阻接+5V。当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线断开，列线y0～y2都呈高电平。当键盘上某一个键闭合时，则该键所对应的列线与行线短路。

CPU对键盘扫描可以采取程序控制的随机方式，CPU空闲时扫描键盘。也可以采取定时控制方式，每隔一定的时间CPU就对键盘扫描一次。也可以采取中断方式，每当键盘上有键闭合时，向CPU请求中断，CPU响应中断后，对键盘扫描，以识别一个键处于闭合状态，并对该键输入信息做出相应处理。CPU对键盘上闭合键的键号确定，可根据行线和列线的状态计算求得，也可以根据行线和列线状态查表得。

其键盘结构如图9所示。

图9 键盘结构图

键闭合时列线电压波形图，如图10所示。

在键盘结构图9中，若x0为低电平，1号键闭合一次，y1的电压波形如键闭合时列线电压波形图10所示。图10中,t1和t2分别为键的闭合和断开过程中的抖动期（呈现一串负脉冲），抖动时间长短与开关的机械特性有关，一般为5～10ms之间，t2为稳定闭合期,其时间由操作员的按键动作所确定，一般为数百毫秒到几秒。t0，t4为断开期。为了保证CPU对键的闭合作一次处理，必须去除抖动,在键的稳定闭合或断开时，读键的状态,以便判别到键由闭合到释放时再作处理。非编码键盘识别按键的方法有两种：一是行扫描法，二是线反转法。这里重点介绍行扫描法：行扫描法即通过行线发出低电平信号，如果该行线所连接的键没有按下，则列线所接的端口得到的全是“1”信号，如果有键按下，则得到非全“1”信号。为防止双键或多键同时按下，再从第0行一直扫描到最一行，若发现仅有一个“1”，则为有效键，否则全部作废。找到有效的闭合键后，读入相应的键值转到对应的处理程序。本文的键盘共有6个键，功能分别为设置，左移，右移，加，减，确定键。

图10 键闭合时列线电压波形图

设置键：需要对单片机输入新的电感值时按下此键进行设置。

右移键：对某一位设置完毕后按此键设置下一位。

左移键：若发现前面位数设置错误可按此键进行修改。

加键：对指定位数进行加法加一运算。

减键：对指定位数进行减一运算。

确定键：当数值设置完毕时，按此键后开始CPU的运算。

5.3 显示数码管与单片机的接口

在本论文中我采用的是比较常见的动态显示LED显示器接口技术。所谓动态显示LED，就是一位一位地轮流点亮各位显示器，对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度跟导通的电流有关，也和点亮的时间与间隔的比例有关。动态显示器因其硬件成本较低，而得到广泛的应用。MCS-51系列单片机提供以下功能：2K字节闪速可编程可檫除只读存储器,128字节RAM,15根可编程I/O引线,2个16位定时器/计数器,1个5向量两级中断结构,1个全双工串行口,1个精密模拟比较器,两级程序加密,直接L ED驱动,掉电保护工作方式,以及片内振荡器和时钟电路。由于MCS-51单片机功能强劲,且体积小(芯片只有20个引脚),所以它在许多嵌入式和便携式测控系统中得到广泛应用,如机电式或电子式电度表、智能煤气表等智能仪器。在设计智能仪器中,既要达到预定功能指标、技术指标,还需要设法降低产品成本,因此在产品开发中应从技术上和经济上综合考虑。数显电路是智能仪器中一个非常重要的组成部分,以MCS-51为核心的智能仪表,由于其I/O引脚较少,因此在扩展数显接口时应考虑应用系统对其I/O引线的需求,若需求较大时,应采用接口电路占用MCS-51的I/O引线少的,以便空出引脚用以其它功能。下面介绍两种适用于MCS-51的I/O引线。

LED数显接口电路利用移位寄存器74HC164实现。74HC164是8位串行输入,并行输出,异步清除的移位寄存器,它有两个串行输入端A、B;8个并行输出端Q0～Q7;一个时钟脉冲输入端CL K;一个清除端MR。其功能真值表如图11所示。

图11 74HC164功能真值表

数显接口电路如图12所示，给出了利用74HC164的扩展。

图12 数显接口电路图

MCS-51的数显接口电路,图11中是以四个8段LED为例给出的。该显示电路为动态扫描显示。MCS-51的串行口采用方式0,为移位寄存器方图1，利用74HC164扩展4位LED数显接口电路式,也称为同步方式。该工作方式的设置可放置在主程序的初始化中。显示程序作为子程序,在调用显示子程序之前,将需要显示的数据先放在数据显示缓冲区中,由显示缓冲区数据在字型码表中查出对应的段选码,将此码串行发送,并且发送位选信号选通相应的LED。由于该显示电路为动态扫描方式,为消除闪烁现象,每位LED的显示应延时5ms～6 ms,程序流程如图13所示。由上述可知,这种数显接口电路软硬件实现简单,电路成本低,但其占用了较多的I/O引线,当应用系统中I/O引线较为紧张时就不适用了。下面介绍的利用MC14499构成的数显接口电路可大大减少I/O引线的占用数量。

图13 显示子程序流程

6 4052多路选择开关和采样保持器

6.1 4052多路选择开关的作用及控制

双四通道模拟多路复用器/多路分解器在本论文中也是重要的一个器件，它的作用是为A/D转换器在电压电流信号之间进行切换选择。我们选择的型号是74HCT4052，它由菲立浦公司开发。

74HCT4052内部结构原理见图14所示。

图14 74HCT4052内部结构

其控制原理见图15。

图15 74HCT4052的控制原理

6.2 采样／保持器在装置中的作用及控制

模拟信号进行A/D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变。否则转换精度没有保证，特别当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，而在A／D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。能完成这种功能的器件叫采样／保持器。采样／保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。

系统可采集的信号频率受A／D转换器的位数和转换时间的限制。

采样／保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件，它具有两个稳定的工作状态：（1）跟踪状态。在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止。（2）保持状态。对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。

7 结束语

该论文首先介绍了在中压配电网中，使用中性点经消弧线圈接地保护的国内外现状及其必要性。并且通过理论论证和国内外同类产品的使用经验说明了中性点经消弧线圈接地保护装置在实际应用中的可行性。通过对三相配电网的分析，得出了保护装置的工作过程。然后，采用示波器，单片机开发机对系统中性点经消弧线圈接地的各种状态 (包括正常运行和单相接地故障)进行了仿真，并且通过仿真实验对系统的消弧效果进行了验证，事实证明了装置的可行性与可靠性。在有了理论分析和实验证明以后，本文开发了基于MCS-51系列单片机的控制装置，该装置使得消弧线圈能够补偿系统的接地电容，从而达到了当发生单相接地故障时限制接地点电流的目的。本文采用的方案进行了仿真，仿真结果也符合要求。在本文的最后给出了对于本装置的改进意见。

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