【直流电源接地故障分级定位和隔离系统设计6500字（论文）】

直流电源接地故障分级定位和隔离系统设计摘要发电厂、变电站直流系统为断路器分合闸及二次回路继保设备、故障照明等重要负载提供直流电源。直流电源采用浮地方式运行，正常情况下直流母线的正、负极对地是绝缘的，但随着运行时间的增加，线缆绝缘老化或者破损，遇到下雨天气则出现明显的绝缘降低，威胁到直流系统的安全运行。本文对于检测电路首先由漏电流传感器检测出母线各支路的进线与出线之间的电流差，然后经过A/D转换生成单片机能够识别处理的数字信号，再由单片机判断出是否有接地状态，若有则计算出接地电阻和接地电压。关键词：直流电源；传感器；信号目录TOC\o"1-3"\h\u8711绪论 1258171.1课题来源 192081.2研究的目的与意义 191912直流系统接地 1299872.1直流系统接地的概念 1131932.2直流电源接地的原因 2129222.3直流电源接地的危害 2219962.4常用直流接地故障查找方法以及存在的问题 3242473直流电源接地故障分级定位系统硬件设 4120623.1绝缘监测主机 4289353.1.1ARM9主处理器 4306273.1.2触摸屏及LCD显示 435133.1.3RAM存储 5248073.1.4FLASH存储 5116473.2绝缘监测从机 687013.2.1单片机电路 6285783.2.2可编程外围并行接口8255 660213.2.3A/D转换电路 7304184直流接地故障隔离系统硬件设计 7306544.1直流接地故障隔离系统工作原理 7280244.2直流接地故障隔离系统隔离电源 8255975软件设计 9301445.1主程序设计 9110565.2液晶显示 1010922结论 1117123参考文献 131绪论1.1课题来源随着工业化进程与科技生产的发展与不断进步，电在日常生产生活中占据了重要的地位，为了减小电路发生故障所带来的不利影响，在发生故障时如何快速准确的切断故障变成了重中之重。电力系统中的直流电源接地故障是一种易发生且对电力系统危害较大的故障，且由于电力配电用户对电力电网的安全运行要求比较严格，在运行过程中，需要快速、准确地查找输电线路故障点位置，保证故障的快速、及时隔离是实现电力、电网系统稳定运行的重要保障。1.2研究的目的与意义发电厂和变电站的直流接地系统是一种对电力系统产生不利影响的故障。直流接地系统可能导致继电保护误动。跳闸线圈与直流电源连接，系统绝缘不良或其他点接地，也可能导致保护误动；保护误操作在对系统造成更严重负面影响的同时，也会烧坏继电器或保险丝的触点。因此，直流部分发生单点接地故障后，应尽快发现并消除接地故障。然而，与直流电源相连的控制电路、保护电路和信号电路都非常复杂，因此直流系统接地故障的研究一直是运营商和工程师维护的重点，本文提出的直流电源接地故障定位与隔离系统解决了上述问题。2直流系统接地2.1直流系统接地的概念因为直流电源是极性的，即电源的正负极。交流电源是一种非极性电源。交流电源系统不仅是真正的“接地”电源，也是电力系统安全的重要概念。为了系统的安全，变电站所有设备的外壳都牢固地连接到这个“接地”上，希望低阻抗更好。直流电源的“接地”只是中性点到直流电路的概念。如果直流电源系统的正负极对地绝缘电阻降到一定值或低于一定值，则称为正接地故障或负接地故障。2.2直流电源接地的原因直流系统接地划分有以下几种：按接地极性分为正接地和负接地;按接地类型分为直接接地(也可称为金属接地或全接地)和间接接地(也可称为非金属接地或半接地);按接地情况分为一点接地、多点接地、环路接地和片接地。具体的引发接地的原因多种多样，大致可以归纳为以下几点：1.电缆、电气设备损坏造成接地;2.电缆、电气设备老化造成接地;3.设备受潮引起接地;4.小动物破坏引起接地;5.断路器的合闸线圈、合闸接触器、中间继电器引线不良或线圈烧毁后绝缘破坏发生接地;6.接线松动、脱落引起接地;7.误接线引起接地。2.3直流电源接地的危害由于断路器跳闸线圈均接负极电源，因此当发生正接地时很有可能导致断路器的跳闸，如图2.2示，当图中的A点和B点同时接地时，相当于A、B两点通过大地连起来，中间继电器KM必然动作造成断路器的跳闸。同理可得，当图中的A点和C点同时接地，或者图中的A点、D点同时接地均有可能造成断路器的跳闸。如图2.2所示，当图中B点和E点同时接地时，B点和E点通过接地触头，中间继电器套管短路。如果此时系统发生事故，由于中间继电器的套管短路，保护将动作，套管不工作，断路器不会跳闸，导致拒动，事故造成的损坏增加。通过以上分析可以看出，如果直流系统只有一个接地点，二次回路不会发生事故，但如果有两个接地点，断路器可能会误动或拒动。说话根据实际运行情况，当直流系统监控电路发出预警信号指示系统接地时，可以断定直流系统接地故障可能导致故障或跳闸。应立即拆下断路器。图2.1直流系统接地状况图2.4常用直流接地故障查找方法以及存在的问题怎样才能查找到并及时排除直流系统接地故障对于直流系统的稳定运行具有重要意义。首先要找到接地的位置，也就是我们常说的接地故障定位。直流接地大多数情况下不是一个点，很可能是多个点，或者是一个片，真正通过一个金属点去接地的情况是比较少见的。更多的会由于空气潮湿，尘土粘贴，电缆破损，或设备某部分的绝缘降低，或外界其它不明因素所造成。大量的接地故障并不稳定，随着环境变化而变化。因此在现场查找直流接地是一个较为复杂的问题。本实用新型涉及一种直流接地装置选线监测方法，是一种直流对地绝缘状态的在线监测装置。本实用新型的优点是可以在线监测，随时报告直流系统的接地故障，并显示接地回路的编号。该装置的缺点是，它不仅可以监测特定的接地电路或直流接地电路的分支，还可以设置特定的接地点。从技术上讲，它限制了监测点的数量，很难将接地故障限制在很小的范围内。此外，该装置必须安装在施工现场，这给旧系统的改造带来了极大的不便。该设备还存在检测精度低、抗干扰能力差、误报率高等问题。如果监测点不受限制，检测精度高，选线精度高，直流接地装置的选择应该是一个更好的选择。3直流电源接地故障分级定位系统硬件设3.1绝缘监测主机3.1.1ARM9主处理器该处理器提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构，支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集，支持32位的高速AMBA总线接口，全性能的MMU，支持WindowsCE，Linux，PalmOS等多种主流嵌入式操作系统，MPU支持实时操作系统。支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力，大小都为16K。ARM处理器共有37个寄存器，分为多个组，包括31个公共寄存器，包括程序计数器（PC指针）和32位寄存器。6个状态寄存器，用于确定CPU的工作状态和程序的运行状态，32位。同时，ARM处理器有七种不同的模式，每种模式都有一组相应的寄存器。也就是说，在任何处理器模式下，访问寄存器包括15个公共寄存器（r0-r14）、1到2个状态寄存器和程序计数器。3.1.2触摸屏及LCD显示本设计采用TFT液晶屏，当电压采集电路将信号采集回来，通过LCD屏幕观察波形，发现其可能存在的问题，触摸屏可以将波形进行放大或缩小，也可以通过触摸屏切换模式。具体如图4.4所示。图3.1触摸屏及LCD显示电路3.1.3RAM存储随机存取存储器，也称为主存储器，是一种直接与CPU交换数据的内部存储器。它可以在任何时候以非常快的速度读写。它通常被用作操作系统或其他运行程序的临时数据存储手段。RAM可以在操作期间的任何时间从任何指定地址写入或读取信息。帮我跑快点。图3.2RAM存储电路3.1.4FLASH存储FLASH存储器又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程的性能，还可以快速读取数据，使数据不会因为断电而丢失。帮助ARM9存储更多东西。图3.3FLASH存储电路3.2绝缘监测从机3.2.1单片机电路本设计的核心部分是爱特梅尔AT89C51单片机。通过单片机控制信号采集、键盘扫描、液晶显示和报警，同时还对采集到的数据进行计算，根据计算结果判断出是否发生故障，若有故障则要产生报警。爱特梅尔AT89C51是与其它MCS-51系列单片机完全兼容的8位单片机，内部硬件资源比较丰富。具有4K字节的掩膜程序存储器(ROM)、128字节内部数据存储器(RAM)、2个16位定时器/计数器、1个全双工的异步串行口、5个中断源、2个中断优先级的中断控制器和时钟电路，时钟频丰在1.2MHZ到12MHZ之间。爱特梅尔AT89C51的引脚P0.0~P0.7、PI.0~P1.7、P2.0~P2.7、P3.0~P3.7为四个8位的并行输入输出口，其中P3口、PO口和P2口为双功能口，可以作为普通的输入输出口。PI口、P2口和P3口都有内部上拉电阻，称为准双向口，所以无须外加上拉电阻，PO口是开漏输出的，没有内部上拉电阻，是一个三态双向VO口，所以P0口必须外搂上拉电阻。RST为复位输入线，ALE、EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(————),PSEN)、EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),EA)为系统扩展控制线，XTALI和XTAL2为时钟电路输入输出线，Vcc、Vss为电源输入线，一般为+5V和地。3.2.2可编程外围并行接口8255在本设计中，工作模式寄存器的驱动字80h，即端口，被定义为工作模式0作为输出信号。芯片的使能信号由低6位控制芯片ad7506的6位数据选择，接地电阻测量信号的产生由高2位控制，有效降低了电平。端口B被定义为操作模式0，是一个输出信号。下6位用于控制报警信号的输出端，上2位用于产生面板指示灯和蜂鸣器报警信号。端口C的上4位和下4位是输出端子。下4位用于控制ad7506芯片的选择输入信号，上4位用于控制输入电压信号。因此，通过8255的操作，调节器输入数据采集信号，可以实现报警信号的精确输出。具体电路如图4-10所示。图3.48255电路图3.2.3A/D转换电路A/D转换装置把采集到的母线电压信号和以电压形式输出的支路电流信号转换成单片机能够识别的数字信号。AD转换装置采用逐次逼近式A/D转换芯片，通过这种转换芯片会在很短的时间内把输入的模拟信号转换成数字信号，并且转换精度非常高。因此，它可以为单片机提供相当精确的采样信号，这些精确的信号可以保证测量值的高精确、低误差。正因为如此，这种转换芯片应用非常广泛。电流信号由漏电流传感器直接获得，而获得的电流信号也是模拟信号，所以电流信号同样需要进行A/D转换。由于本设计配置是64路，所以需要获得64路电流信号，因此需要进行64次A/D转换，并且需要分清转换的信号路数。当然我们不能通过使用64个A/D转换芯片来解决，因此我们采用了数字多路开关AD7506芯片。AD7506芯片通过一个使能端和4位通道选择端就可以依次选通16路信号，所以通过使用4片AD7506就可以让64路信号分时进行选通，并且通过使能和选通信号就可以判断出现在采集的是知晓哪路信号。4直流接地故障隔离系统硬件设计4.1直流接地故障隔离系统工作原理直流接地故障隔离系统技术方案如图5.1，采用互为独立的双直流电源向用电单元供电，其中一个为常用电源，负责直流系统全部用电单元供电，另一个为隔离电源，处于热备用状态。每个馈线支路通过两个开关分别接到常用电源和隔离电源，若需要实现自动隔离功能，那么每个开关还必须配备带分合闸功能的电操。当绝缘监测装置检测到系统中一个或多个馈线支路发生故障时，可以手动或通过控制电操将故障支路从常用电源切换到隔离电源供电。在切换过程中，用电单元不会断电，且同一时刻有且只有一条支路进行切换，避免因为故障支路带病工作而影响到正常支路的安全运行。将故障支路隔离开来后，若原有直流电源中的绝缘故障复归，则说明已经将绝缘接地点从直流系统中隔开，然后再逐步查找具体的故障接地点，待完全排除后再把该馈线支路重新投入到原有的直流系统中，从而完成了“绝缘故障报警”、“故障隔离”、“故障定位查找和排除”、“系统恢复”的全部过程。图4.1隔离系统电气图4.2直流接地故障隔离系统隔离电源由于绝缘电源仅在接地绝缘后用作临时备用电源，因此可选择容量远小于普通电源的独立直流电源。然而，由于存在交流电源中断的风险（即使可能性很小），并且仍然需要备用电池，因此不能使用传统的一个或两个整流器单元。由于串联电池必须至少串联9节12V（110V直流电源系统）或18节12V（220V直流电源系统）单体电池，电池面积大，连接多，因此建议使用并联电源，只需要3节12V电池。12V电池应配备DC/DC升压模块，可配合电池自动充放电管理。5软件设计5.1主程序设计在本设计中软件可以分为主程序和子程序。其中子程序包括显示子程序、A/D转换子程序、8255子程序、键盘子程序和初始化子程序。显示子程序中包括显示字符、显示字符串、显示汉字和显示图形等部分：A/D转换子程序用来完成模数转换的过程：8255子程序完成了对信号采集和模数转换过程的控制：键盘子程序完成了对键值的读取。通过主程序把这些子程序联系起来，完成整个电路的工作过程。首先介绍一下主程序的流程图，如图6.1所示。图5.1主程序的流程图程序一开始运行就先对控制寄存器进行初始化然后设定参数值，判断是否有复位产生，若有则初始化显示屏和所有参数，并且显示开始页内容：若没有复位产生则在初始化显示屏后根据PAGE来判断显示那页的内容，之后再初始化8255，然后根据TCOUNT值处理程序。根据TCOUNT值可以依次完成整个程序需要处理的内容，5.2液晶显示液晶显示子程序完成了关于液晶初始化、液晶控制和液晶显示等功能，是程序的重要组成部分之一。液晶是通过指令系统来完成各种功能的，在硬件部分中已经简单介绍了指令系统种类，在这里将通过程序来具体介绍液晶如何实现汉字和字符的显示。首首先通过指令确定显示字符的首地址，然后通过数据写地址加1指令0xc0把字符代码写入液晶。显示字符是采用文本显示方式，液晶直接读取内部的字符集进行显示。显示汉字方法与显示字符类似，首先也是通过指令确定显示首地址，然后通过写地址加1指令把显示汉字代码写入液晶显示模块。不同的是显示汉字采用了图形显示方式，也就是向液晶写入自己编写的字模库内汉字的代码，通过这些代码点亮液晶内对应的点。由于一个汉字由很多点组成，所以必须通过循环方式把一个汉字的各部分代码写入液品模块。采用图形显示方式可以由我们自己描写显示内容，所以我们可以自己编写显示电阻、直线和符号的图形程序，显示程序代码和显示汉字程序类似。以上是T6963液晶显示模块的部分程序。通过这些程序可以对液晶显示的实现有一定的了解，在其它程序中将直接调用这些程序。除了液晶显示部分程序外，还有A/D转换程序、键盘扫描程序和8255控制程序。A/D转换程序完成了模拟信号到数字信号转换的过程，并且直接把转换结果保存到存储器中，随时都可以由单片机调用。键盘扫描程序完成了对按键的去抖和判别，最终把键号传给单片机。8255控制程序完成了对8255的工作方式控制和I/O口输入输出信号的控制，为其它部件提供使能信号和地址信息。通过这些程序和硬件资源的协调动作完成整个系统的所有功能，所以说软件和硬件都是系统的重要组成部分，都是设计的重点。结论直流电源是电力系统的重要设备，是变电站的控制、保护、信号指示、事故照明等装置的重要电源。设备损坏、电气设备老化、受潮引起接地、接线松动、脱落、误接线等都会引起接地，在直流电源发生接地故障后需要快速、准确地查找输电线路故障点位置，保证故障的快速、及时隔离是实现电力、电网系统稳定运行的重要保障。本文所述的直流电源接地故障分级定位和隔离系统，可以让生活中运行的变电站直流系统更加的快捷高效。针对多级开关组成的直流系统，或者长的直流馈线支路，可以便于定位直流接地故障。不用拉回路，不用便携式接地探测仪逐段排查，解决了运维人员最为发愁的直流系统接地查找定位问题，安全又简便！另外还能实现直流接地故障支路的手动或自动隔离，防止了整个直流系统在排查接地故障的过程中“带病”运行，祛除了某一支路绝缘下降对其它负载的影响，提高了直流系统供电可靠性，避免了保护设备、开关的误动或拒动的问题。本系统采用爱特梅尔AT89C51单片机和资源扩展技术实现对整个系统的控制与计算，应用了漏电流传感器、DC-DC电压传感器和桥式电阻测量方法实现了对接地电阻的测量和监控，通过T6963显示模块实现汉字化显示。整个系统拥有误差小和精度高的特点。

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