專利名稱：小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本裝置涉及小電流接地系統(tǒng)中高低壓電網(wǎng)單相接地故障檢測裝置，屬于電力系統(tǒng)故障檢測和繼電保護(hù)。
二、現(xiàn)有技術(shù)狀況目前的3～60KV高壓配電網(wǎng)及礦井380～1140V低壓供電網(wǎng)廣泛采用小電流接地系統(tǒng)即中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)(NUGS)，包括中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)(NUS)，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)(NES)和中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)(NRS)。NUGS中發(fā)生最多的故障是單相接地，而發(fā)生單相接地時，故障線路難以迅速、準(zhǔn)確地找出，尤其是NES過補(bǔ)償系統(tǒng)。因此，快速而準(zhǔn)確地檢測出單相接地的故障線路(稱接地故障選線)，一直是國內(nèi)外電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域的一個重要研究課題。關(guān)于這方面的詳細(xì)情況，可參閱中文核心期刊《繼電器》2001年第4期中“小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法綜述”一文(作者是昆明理工大學(xué)電力學(xué)院碩士研究生肖白，上海交通大學(xué)電工站出站博士后、研究電力系統(tǒng)新型繼電保護(hù)的教授束洪春)。此文全面系統(tǒng)地總結(jié)了該項(xiàng)技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀，并對單相接地故障的各種選線原理作了分析與評述。該文總結(jié)了近二十種單相接地選線方法，這些方法大致可分為兩大類，即利用接地故障電流的選線方法(如零序電流基波分量法、諧波分量法、暫態(tài)分量法、有功分量法以及負(fù)序電流分量法等)和不用故障零序電流的選線法(如拉閘試探法、注入信號法等)。這些選線方法構(gòu)成的單相接地故障選線裝置在使用中的準(zhǔn)確性和可靠性還不能令人滿意。正如該文所述；“到目前為止，基于上述不同選線理論已經(jīng)先后推出幾代產(chǎn)品。但在實(shí)際應(yīng)用中的效果并不十分理想，所以此問題還有必要進(jìn)一步研究”。
三、發(fā)明的目的設(shè)計(jì)人依據(jù)自己發(fā)明的“零序電流時序鑒別選線方法”，設(shè)計(jì)一個帶有“時序鑒別器”的單相接地選線模塊，以模塊為核心組成高壓電網(wǎng)單相接地選線裝置和礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)裝置；該裝置還可應(yīng)用到含有單相接地漏電選線功能部件的高低壓電器綜合繼電保護(hù)裝置中和發(fā)電廠、變電所綜合自動化裝置中。以實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確地檢測出單相接地故障線路，并分別通用于小電流接地系統(tǒng)的無補(bǔ)償、欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償電網(wǎng)，即通用于高、低壓NUGS的NUS、NRS或NES。四、技術(shù)方案本技術(shù)方案采用了零序電流時序鑒別的選線原理。首先將選線原理描述如下1、從三相電壓母線上的電壓互感器PT開口三角側(cè)取出零序電壓信號u0，進(jìn)入接地選線模塊后分成兩路，一路經(jīng)低通濾波、阻容移相、整形、光隔，形成脈寬為180度的對稱方波U0J，用以作為時序鑒別的基準(zhǔn)信號；另一路經(jīng)低通濾波、阻容移相、鑒幅、整形、光隔，形成不對稱的方波信號U0f，作為零序電壓的比幅信號。U0J和U0f均進(jìn)入時序鑒別器。
2、從該三相母線的各饋出線上的零序電流互感器CT二次側(cè)取出零序電流信號i0，經(jīng)I/U變換后進(jìn)入接地選線模塊，然后經(jīng)低通濾波、鑒幅、整形、光隔，形成脈寬和相位不確定的方波。其脈寬隨著i0(正弦波)的幅值大小可在0～180度之間變化，I0方波相對U0J的相位隨著三相電網(wǎng)是無補(bǔ)償、欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償?shù)某潭燃s在0～170度之間變化。各I0方波信號亦送入時序鑒別器。
3、設(shè)定單相接地故障線路I0的時序鑒別法則，法則規(guī)定I0的上升沿滯后U0J的上升沿，同時超前U0J的下降沿，即I0的上升沿必須在U0J的上升沿和下降沿之間，而I0的下降沿必須滯后U0J的下降沿約0～170度。I0和U0J的這種時序關(guān)系可以通過時序鑒別器進(jìn)行判定。時序鑒別器可以是邏輯電路，可以是單片計(jì)算機(jī)，也可以是現(xiàn)代可編程邏輯器件CPLD或FPGA。
4、當(dāng)某一饋出線路發(fā)生單相接地故障時，時序鑒別器根據(jù)設(shè)定的I0與U0J的時序關(guān)系(時序鑒別法則)，對接于同一母線上的各條饋出線路的I0逐一進(jìn)行時序鑒別。若為非故障線路，時序鑒別器無信號輸出；若為故障線路，時序鑒別器輸出信號，通過驅(qū)動電路發(fā)出聲光報警信號。并由發(fā)光管指出故障線路(必要時還可以使斷路器跳閘)，還可以數(shù)字顯示器顯示故障線路編號。
為進(jìn)一步說明時序鑒別法則，現(xiàn)結(jié)合圖1進(jìn)行描述。圖1是I0的時序鑒別圖，圖1中分a，b，c，d，e五種情況a、表示某線路I0的上升沿和下降沿分別滯后U0J的上升沿和下降沿，符合時序鑒別法則，該線路判為接地故障線路。圖a中I0與U0J的相位關(guān)系還表明，此時的電網(wǎng)為NES過補(bǔ)償狀態(tài)。
b、表示某線路I0上升沿和下降沿分別滯后U0J的上升沿和下降沿，符合時序鑒別法則，該線路也判為接地故障線路。圖b中I0與U0J的相位關(guān)系則表明，此時的電網(wǎng)為無補(bǔ)償或欠補(bǔ)償狀態(tài)。
C、表示某線路I0上升沿和下降沿分別超前U0J的上升沿和下降沿，完全不符合時序鑒別法則，該線路為非接地故障線路。
d、表示某線路雖然I0的上升沿滯后U0的上升沿，但I(xiàn)0的下降沿卻超前U0J的下降沿，也不符合時序鑒別法則，該線路為非故障線路。該圖還表明i0因幅值較小而使I0脈寬小于180度。
e、表示某線路I0的方波小于180度并且完全處于U0J的方波之外，純屬非接地故障線路。
現(xiàn)結(jié)合圖2說明時序鑒別器如何依據(jù)圖1所示的時序鑒別法則，對故障線路與非故障線路進(jìn)行時序鑒別的。圖2是依據(jù)時序鑒別法則設(shè)計(jì)的一種最簡單、最初級的邏輯電路實(shí)施方案。
圖2中只畫出兩路I0的時序鑒別電路。每一路包括兩個D觸發(fā)器、一個三輸入與非門和一個RS鎖存器。U0J為時序鑒別的基準(zhǔn)信號(180度對稱方波)，U0J信號接D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端D。I0為各線路零序電流信號整形后的方波，其相位隨NUGS的是否為NES及是過補(bǔ)償還是欠補(bǔ)償而變化；其脈寬最大為180度，但若i0幅值小，則I0方波將小于180度，。I0信號送到各D觸發(fā)器的時鐘輸入端CL。每一路的兩個D觸發(fā)器中，上一個D觸發(fā)器鑒別I0上升沿的時序邏輯，下一個D觸發(fā)器鑒別I0下降沿的時序邏輯，只有T0上升沿和下降沿都分別滯后U0J的上升沿和下降沿，兩個D觸發(fā)器才各有鎖存信號加到三輸入與非門的兩個輸入端，該與非門的第三個輸入端的信號是u0的比幅信號U0f，只有u0(交流正弦波)幅值高于某一設(shè)定值時才有U0f(方波信號)輸送到與非門?？傊?，只有當(dāng)I0上升沿和下降沿都符合時序鑒別規(guī)則，而且u0的幅值也高于設(shè)定值時，三輸入與非門才打開，有低電平信號輸出，使R-S鎖存器觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，將該線路記為單相接地故障線路。否則，只要三個條件中有任意一個不滿足，均判為非故障線路。
根據(jù)上述選線原理，本實(shí)用新型的構(gòu)造如下1、它包括單相接地選線模塊，其構(gòu)造是以時序鑒別器為核心，在時序鑒別器輸入端接入零序電壓信號電路和1～8路零序電流信號電路在時序鑒別器輸出端分兩組輸出，一組連接到驅(qū)動器，通過驅(qū)動器連接到輸出線插座CZ2，另一組直接連接到輸出插座CZ3及STD總線。其中(1)上述的零序電壓信號電路是從輸入插座CZ1接出后分二個支路，第一支路由低通濾波器、阻容移相器、整形電路、光電隔離器電連接后再連接到時序鑒別器輸入端；第二支路與第一支路的電路構(gòu)造相同，只是在阻容移相器和整形電路之間加入了鑒幅電路；(2)上述的零序電流信號電路構(gòu)造是由輸入插座CZ1與低通濾波器、鑒幅器、整形電路、光電隔離器電連接后再連接到時序鑒別器輸入端；(3)上述的驅(qū)動器由集成電路2803構(gòu)成，用于驅(qū)動1～8路發(fā)光二極管；(4)上述的時序鑒別器可用邏輯電路實(shí)現(xiàn)，也可用單片機(jī)，也可用可編程邏輯器件CPLD實(shí)現(xiàn)，只要將依據(jù)時序鑒別法則編成的應(yīng)用程序輸入單片機(jī)或?qū)r序鑒別電路輸入CPLD即可。
2、它還包括以下外圍電路(1)小變壓器的低壓端輸出線接入單相接地選線模塊輸入插座CZ1；(2)單相接地選線模塊輸出插座CZ2與1～8路發(fā)光二極管連接，指示單相接地故障線路編號；必要時連接到1～8路斷路器使單相接地線路跳閘；(3)單相接地選線模塊輸出插座CZ3與接地故障信息的數(shù)字顯示器連接，或經(jīng)STD總線與單片機(jī)連接，再由單片機(jī)連接輸出單相接地故障信息的打印機(jī)、語音報警器、漢字顯示器等。
五、本技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)1、本裝置首先是針對接地選線難度最大的NES過補(bǔ)償電網(wǎng)構(gòu)思的。采用時序鑒別選線方法，比相同功用的諧波分量法、負(fù)序分量法、小波分析法、模式識別法、最大△(ISin)法等簡單明了，便于實(shí)現(xiàn)(可不用計(jì)算機(jī)，也不用選頻器或?yàn)V序器)；比有功分量法省事、安全(不需在消弧線圈上加串功率電阻)，比首半波法工作可靠(沒有死區(qū))。
2、這種用時序鑒別法的技術(shù)方案不僅可以用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，而且還可用可編程邏輯器件CPLD來實(shí)現(xiàn)，從而大大提高了“接地故障選線”這種保安設(shè)備的動作快速性、可靠性和抗干擾能力。
3、由于采用時序鑒別法使故障線路的接地電流至少有0度～170度的移相范圍(動作區(qū))，從而保證了該裝置可通用于NUS、NRS、NES，即通用于NUGS的無補(bǔ)償、欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償任意電網(wǎng)。
4、由于時序鑒別法可以不用計(jì)算機(jī)而只用CPLD硬邏輯電路來實(shí)現(xiàn)，這就使單相接地(漏電)選線裝置的印制板及連接線大為簡化，有利于實(shí)現(xiàn)模塊化、小型化、以至單路化，從而還有利于制成礦用一般型產(chǎn)品、礦用防爆型產(chǎn)品，還可制成小繼電器式產(chǎn)品。六、實(shí)施例例1
圖3是單相接地選線模塊M的電路圖；圖4是由兩塊單相接地選線模塊M1、M2為核心組成的單相接地選線裝置。
圖3和圖4構(gòu)成實(shí)施例1。
在附圖3中，由兩塊專用集成電路VC1(CPLD)、VC2(CPLD)構(gòu)成時序鑒別器，VC1的輸入端接入U0信號線，U0信號線分成兩個支路第一支路由低通濾波器(由R7、R8和C3、C4組成)、移相電路(由R9至R13、C5、C6及IC2組成)、整形電路(IC3)、光隔耦合電路(由IC11及R14、R15組成)，電聯(lián)接后接入專用集成電路VC1之44號引腳；另一路依次經(jīng)低通濾波器(由R7、R8和C3、C4組成)、移相電路(由R19至R23、C7、C8及IC4組成)、鑒幅與整形電路(由IC5和R16、R17組成)、光隔耦合電路(由IC10及R14、R15組成)，電聯(lián)接后接入VC1的42號引腳。
VC1的輸入端還接入I01～I(xiàn)08信號線，I01～I(xiàn)08信號線經(jīng)插座CZ1分別經(jīng)過各自的低通濾波器(由R1、R2和C1、C2組成)、鑒幅與整形電路(由IC1及R3、R4組成)、光電耦合電路(由IC9及R5、R6組成)電聯(lián)接后依次接入集成電路VC1的28、29、30、31和37、38、39、40八個引腳；VC1的3～10引腳分別接VC2的19、20、21、22、25、26、27、28八個引腳，每條引腳線分別經(jīng)電解電容C7接地；VC1的20、17、25三個引腳分別接入VC2的04、03、44三個引腳；VC1的12、34接正5V電源；VC2的43引腳經(jīng)R24接正5V電源，VC2的12、34兩引腳接正5V電源；VC2的5、6、7、8、914、15、16引腳接插座CZ3的各個引腳；VC2的42、41、40、39、38、37、32、31引腳接集成電路2803驅(qū)動器(IC6)的01～08引腳，IC6的11～18引腳分別經(jīng)電阻R18接到插座CZ2；VC2的17號引腳經(jīng)雙排插針CZ5接譯碼器(74LS138)IC7引腳Y0～Y7，IC7的E2引腳經(jīng)雙排插針CZ6接入譯碼器IC8引腳Y0～Y7，IC7的引腳A、B、C、E1、E3和IC8的引腳A、B、C、E1、E2、E3接STD總線。VC2的02引腳接到NE555(IC11)的03號引腳。
在圖4中，由兩塊如圖3所示的單相接地選線模塊M1、M2為核心構(gòu)成了單相接地選線裝置。它包括小變壓器ST，其低壓輸出線接入M1的CZ1插座，M1、M2的CZ2插座分別接入8路發(fā)光管8LED，M1、M2的CZ3插座分別接入接地故障數(shù)字顯示器JGSX或通過STD BUS(總線)接入單片機(jī)MPU，由MPU控制故障信息的打印機(jī)DY、漢字顯示器HX和語音報警器YB。
例2.本實(shí)用新型的實(shí)施例二是時序鑒別器采用含有時序鑒別程序的單片機(jī)，其余電路與例3.本實(shí)用新型的實(shí)施例三是時序鑒別器用圖2所示邏輯電路，每一路包括兩個D觸發(fā)器CF1、CF2，一個三輸入與非門yF1、一個RS鎖存器及有關(guān)的分頻、限時電路。其中U0J為時序鑒別基準(zhǔn)信號，I01為零序電流經(jīng)濾波、鑒幅、整形、光隔后的信號，U0f是零序電壓鑒幅信號。D觸發(fā)器CF1用來鑒別I01的上升沿的時序，CF2用來鑒別I01的下降沿時序。只有當(dāng)I01的上升沿與下降沿都符合時序鑒別法則，且U0的鑒幅信號也滿足要求時，三輸入與非門yF1才有信號輸出(低電平有效)，使R—S鎖存器觸發(fā)并鎖存時序鑒別的結(jié)果；否則yF1無輸出。
權(quán)利要求1.一種小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置，其特征是(1)、它包括單相接地選線模塊，其構(gòu)造是以時序鑒別器為核心，在時序鑒別器輸入端接入零序電壓信號電路和1～8路零序電流信號電路；在時序鑒別器輸出端分兩組輸出，一組連接到驅(qū)動器，通過驅(qū)動器連接到輸出線插座CZ2，另一組直接連接到輸出插座CZ3；其中①上述的零序電壓信號電路是從輸入插座CZ1接出后分二個支路，第一支路由低通濾波器、阻容移相器、整形電路、光電隔離器電連接后再連接到時序鑒別器輸入端；第二支路與第一支路的電路構(gòu)造相同，只是在阻容移相器和整形電路之間連接上鑒幅電路；②上述的零序電流信號電路構(gòu)造是由輸入插座CZ1與低通濾波器、鑒幅器、整形電路、光電隔離器電連接后再連接到時序鑒別器輸入端；③上述的驅(qū)動器由集成電路2803構(gòu)成，用于驅(qū)動1～8路發(fā)光二極管；④上述的時序鑒別器用二塊可編程邏輯器件CPLD實(shí)現(xiàn)，將時序鑒別電路寫入可編程邏輯器件CPLD中；(2)它還包括以下外圍電路①小變壓器低壓端輸出線接入單相接地選線模塊輸入插座CZ1；②單相接地選線模塊輸出插座CZ2與1～8路發(fā)光二極管相連，指示單相接地故障線路編號；必要時連接到1～8路斷路器，使單相接地線路跳閘；③單相接地選線模塊輸出插座CZ3與1～8路數(shù)字顯示器連接，顯示單相接地故障線路的編號。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，選線模塊中的時序鑒別器用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，將依據(jù)時序鑒別法則編成的應(yīng)用程序輸入到單片機(jī)中。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征是，單相接地選線模塊輸出插座CZ3連接到STD總線再與外部單片機(jī)連接，從單片機(jī)上連接打印機(jī)、語音報警器及漢字顯示器等外圍設(shè)備。
專利摘要一種小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置，屬于電力系統(tǒng)故障檢測和繼電保護(hù)設(shè)備。其特征是由兩塊時序鑒別器構(gòu)成的單相接地選線模塊和外圍電路所構(gòu)成，模塊輸入端連接兩路零序電壓信號電路和1～8路零序電流電路，電路中主要由濾波器、移相器、整形電路、光電隔離器電聯(lián)接，模塊輸出端一組連接驅(qū)動器，驅(qū)動1～8發(fā)光二極管，另一組連接到數(shù)字顯示器或連接到STD總線后接單片機(jī)，由單片機(jī)連接打印機(jī)和語音報警器、漢字顯示器。
文檔編號G01R31/08GK2594804SQ0223756
公開日2003年12月24日 申請日期2002年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月10日
發(fā)明者傅桂興, 傅英 申請人:泰安開發(fā)區(qū)魯興測控設(shè)備研究所