10kV中性点不接地配电网系统故障检测装置的分析与设计

摘要
配电网系统的实际运行状态在不同运行的条件下有以下几种分类，分别是：正常运行状态、不正常运行状态和故障状态。

配电网系统处于工作状态时，会出现各种类型的不正常运行状态和故障，常见的故障为短路故障，短路故障分为三相短路、两相短路、两相短路接地和单相短路接地故障四种类型。

针对以上的状况，本文通过对配电网系统的过流故障的分析，设计线路故障检测装置，使10kV中性点不接地配电网系统更加智能化。

线路一旦发生故障，巡线人员可以立即查看故障检测装置的警报，快速定位故障区段位置，从而减少巡线工作人员检修时的工作量。

本文详细介绍硬件设备的整体设计方案和整体设计过程，给出电路图和详细的原理图。

通过模拟样机的设计检验了设计理论的正确性以及装置判据的可靠性。

首先通过对短路而产生的过流故障进行分析，给出线路对应的故障判断依据。

针对不同的故障类型设计出不同样的解决方案。

其次再利用单片机编写程序，使设计电路简洁且有效。

利用故障检测装置的工作原理，更好的分辨出系统的故障类型。

硬件设计电路用STC12C5A60S2内部的10位A/D采集电路，实现对短路情况的模拟信号转换为数字信号。

通过单片机发送数字信号来显示其故障，再经工作人员快速检测维修电路，以确保用户能正常使用电。

最后，在完成整体设计的基础上，通过使用模拟样机的运行，来进行相关的试验。

详细分析其中的参数和工作条件。

结果表明，检测装置在各种条件下，都能以较好的工作达到预期要求。

关键词：中性点；配电网系统；故障检测装置；接地故障；短路故障
Abstract
Distribution network system running in actual different operation conditions there are several kinds of classifications, namely: Normal operating statue, abnormal operation statue and fault status. Distribution network at run time, there will be various types of abnormal operation status and fault status. Common failure is short circuit fault, short circuit fault is divided into three phase short circuit,two phase short circuit,two phase short circuit grounding and single phase short circuit grounding fault four types.
In view of the above situation, the paper through the analysis of overcurrent fault in distribution network system, design line fault detection device.10kV neutral point ungrounded distribution network system more intelligently. Once the line fails, inspection staff can immediately view to fault detection device alerts, locating fault section, so as to reduce the maintenance workload for staff.This article detailed describes the overall design of the hardware equipment and the overall design process, and give diagrams and detailed schematics and diagrams. Through a prototype designed to test the theory as well as the criterion of reliability.
First of all analysis the type of overcurrent fault which caused by short circuit , given the fault judgment basis of the line. And then designed different solutions for different fault types. Meanwhile, 51MCU integrated circuit programming, circuit design is simple and effective. By using the working principle of the fault detection device, the fault type of the system is better resolved.Hardware design circuit using STC12C5A60S2 internal 10 bit A/D acquisition circuit, realize the short circuit of analog signals into digital signals.Through the 51MCU to send a digital signal to show its fault, and then by the staff to quickly detect and repair the circuit, in order to ensure that the user can normally use electricity.Finally, on the basis of the completion of the design, by simulating the prototype runs for relevant trials. Detailed analysis of their parameters and conditions of work, the results showed that the detection devices in a variety of conditions, can achieve the desired requirements for good.
Key words:Neutral point;Distribution network system;Fault detecting device; Earth fault;Short circuit fault.
目录
摘要 (I)
ABSTRACT....................................................................................................... I I 1 绪论 . (1)
1.1 课题背景，目的和意义 (1)
1.1.1前言 (1)
1.1.2设计目的 (1)
1.1.3设计意义 (2)
1.2 国内外系统故障检测装置研究近况 (2)
1.2.1发展历史 (2)
1.2.2发展方向 (3)
1.3 本章小节 (3)
2 配电网系统故障基本特征分析 (4)
2.1 配电网中性点不接地方式原理介绍 (4)
2.1.1中性点不接地方 (4)
2.1.2中性点单相接地故障 (5)
2.1.3中性点不接地系统的中性点位移 (6)
2.1.4中性点不接地系统的特点 (6)
2.1.5中性点不接地系统的应用范围 (7)
2.1.6中性点不接地系统暂态特征分析 (7)
2.1.7中性点接地方式性能分析 (8)
2.2 中性点不接地配电网系统故障检测装置 (9)
2.2.1配电网系统短路故障的危害 (9)
2.2.2配电网系统故障检测装置工作原理 (9)
2.2.3配电网故障检测装置的特点 (10)
2.2.4配电网系统相间短路分析 (10)
2.2.5配电网故障检测装置的安装事宜 (11)
2.2.6配电网系统故障的的一般类型 (12)
2.3 电流互感器工作原理 (12)
3 配电网系统故障检测装置硬件设计 (14)
3.1 电路板制作过程 (14)
3.2 单片机系统 (14)
3.2.1单片机系统概述 (14)
3.2.2硬件部分的功能流程分析 (14)
3.3 硬件部分的整体设计 (15)
3.4 系统核心电路设计 (16)
3.4.1电源电路模块设计 (16)
3.4.2电流互感器和精密整流滤波处理模块 (17)
3.5 单片机芯片的选用及显示电路的设计 (19)
3.5.1单片机最小系统 (19)
3.5.2复位电路和系统时钟电路 (20)
3.6 LCD1602液晶显示模块 (20)
3.7 对模拟样机部分的制作与调试 (21)
4 配电网系统故障检测装置的软件设计 (25)
4.1 软件部分设计 (25)
4.2 系统软件整体设计 (25)
4.2.1 A/D采样主控模块 (26)
4.2.2 ABC相故障检测模块 (26)
4.2.3 LCD1602液晶显示与人机交互模块 (26)
4.3 本章小结 (27)
5 结论 (28)
谢辞 (29)
参考文献 (30)
附录一电源电路原理图及PCB (31)
附录二精密整流滤波电路原理图及PCB (33)
附录三基于STC12C5A60S2单片机故障检测装置原理图及PCB (35)
附录四基于STC12C5A60S2单片机故障检测装置C语言原程序 (37)
附录五元件清单 (41)
1 绪论
1.1 课题背景，目的和意义
1.1.1前言
配电网系统运行方式较为繁杂，存在的分支特别多，这就会对每天的系统管理，还有后期维护工作造成影响。

配电网系统的精密程度决定了系统在发生短路故障时定位相对会麻烦，为了提高定位精确度。

国内外的工程师们提出了许多种不同的解决处理方案。

同时，一旦系统发生故障，人工检测起来时既辛苦又费时，还使得供电可靠性大大降低了。

而且在电网系统运行的过程中，工程师们也发现一些存在的问题，比如检测故障不能够及时显示，系统运行不符合额定值等。

供电企业的最基本责任之一是努力提高配电可靠性，参照网络数据表明，电网客户停电事故90%都是因为配电网系统故障照成的。

所以，高效、精准地进行故障检测定位。

能够使停电时间有效缩短，使得企业和用户的损失减少，这对于电力系统的安全性、可靠性、经济性、准确性的提高具有积极意义。

1.1.2设计目的
在面对上诉这些问题，电网企业工程师们就要组建更加完善的故障检测装置，以保证电网结构以及电网控制的科学严谨性，加强企业设备管理等级，最终实现配电网系统故障检测装置的良好发展。

用了改进过后的故障检测装置，可以填补以上系统在出现故障时，检测功能上的不完整，更好地提高效率，还能加快检测的速度，最短的过程查找到故障区段，为客户迅速恢复供电提供了强有力的保障。

优良的故障检测装置可以实现每时每刻都能显示出线路的工作情况，指出出现故障的区段，这些装置安装在箱变、电缆、电缆分支箱、架空线、环网柜里，用来显示故障电流发生时的区段，包括停止供电、供电、过流故障、短路故障、接地故障等等。

安装了这些装置还可以对电网设备实现整体有效监控。

这在传统的设备管理中，各大企业往往都是通过工人来检修，使得电力企业的运营成本增加，而且也会加大后勤人员的工作压力。

10kV中性点不接地配电网系统能准确显示单相接地短路故障和两相短路故障，选用故障检测装置和零序互感器两两结合的方法，来显示零序电流发生突变的故障，以保证配电网系统接地故障引起的断路器跳闸后，故障检测装置能够正确给出显示，让工作人员能迅速地排除故障并且复位。

1.1.3设计意义
10kV配电网系统存在于生活生产的各个方面，中性点接地方式的选择应用对电网向客户供电的稳定性有着积极的意义。

10kV城市配电网系统是这当中规模属于最大的,它的应用面也最为广泛的，此系统的好坏程度早已经成为了一项重要的指标，是对电力系统的供电能力、供电稳定性以及电能输出程度等硬性指标的最终体现。

现如今,我国国内企业正在加大建设电网设施和升级器件,其结构日渐成熟可靠,与此同时系统也更加复杂化,电网系统不可避免的要受到故障的影响。

比如说大面积的停电事故,就会影响到日常生活生产,军队的日常训练和国防安全等。

根据网络数据调查得出,电力系统中78%的故障事故都是来源于配电网系统,由此可以知道对配电网故障的分析与研究是非常有意义的。

现如今，我国国内企业正在加大建设电网设施和升级器件，其结构日渐成熟可靠，与此同时系统也更加复杂化，电网系统不可避免的要受到故障的影响。

比如说大面积的停电事故，就会影响到日常生活生产，军队的日常训练和国防安全等。

根据网络数据调查得出，电力系统中78%的故障事故都是来源于配电网系统，由此可以知道对配电网故障的分析与研究是非常有意义的。

为了电力企业更好的对配电网系统起到管理与监控，必须要通过使用故障检测装置，来提高电网电路的运行效率，从而做到安全的生产工作。

企业的值班人员也可以利用线路上的报警显示，一旦某个区域发生了运行状态的变化，就可以及时的判断出位置，做到快速给出处理方案，使供电线路可靠性、用户满意度得到更好的提升。

在实际的生产工作中，电缆和架空配电网络的短路故障、接地故障经常因为种种原因而发生。

因此高效地、准确地、安全地找出出现故障的区域，对于电力工程公司来说是非常重要的。

1.2 国内外系统故障检测装置研究近况
1.2.1发展历史
现如今我国生产的配电网系统故障检测装置的公司以及发展这些技术的时间，相对来说都比较短暂。

随着我国国内有关技术的不断进步，生产故障检测装置的企业越来越多，技术也日趋成熟，规模不断扩大，已经能基本上实现配电网系统的故障检测、通信方式以及管理技术的密切有效结合[1]，最终提升了电力系统的运行情况，实现对电网电电力公司的快速发展。

在我国，最开始使用的配电网系统故障检测装置是一种简单的带有开合功能的闭合铁心，输电线路从铁心的下方穿过。

当经过的电流大于额定的值时，铁心关闭，显示为此处有故障，短路电流从下方流过，故障点就在这里。

但是，这类产品还不够成熟，有着不智能的缺点，它必须通过寻线工人的手去人工复位开合，这就给实际的生产工作带来了不方便，不能得到普及和多数企业的使用。

自从上个世纪配电网系统故障检测装置被发明以后就被各个国家电网公司所重视，不断加大研究研发力度，从而进入到了一个飞快发展进步的时期。

我国也是从1990年以后派遣优秀工程师渠道国外学习了配电网系统故障检测器的原理，以及相关的自动复位显示器装置技术，回到国内后，经过不断创新研究再结合我国配电网线路的实际情况，政策的大力扶持，国内企业在不停歇的消化，吸收，改进，对产品的大力创新，积累了一批忠实的客户，并且得到了广泛的应用推广，以及各大电力部门单位的认可。

现如今我国配电系统的故障检测装置已经处于先进水平，为电力系统的正常运行作出了巨大的贡献。

在一些发达的欧洲国家，如法国，波兰等国逐渐将配电网系统由中兴迪昂经过低电阻接地的方式改变为谐振接地方式，他们进行了大大小小数百次的实验和研究，小电流接地保护装置日趋成熟。

比如应用了有功电流法，法国电力公司（EDF）在九十年代研制出了一套基于DESIR的保护装置。

在应用零序导纳法，波兰的电力企业开发出新型的导纳接地保护装置，并且在自己的国家大力推广，截至到2000年为止，已经有多套设备投入到该国的电力中压电网生产企业中运行
1.2.2发展方向
使用配电网系统故障检测装置能检测出配电线路上出现的故障电流，可以把系统发生的故障区域、区段、分支详细显示出来，很是方便迅速、精准地找出故障。

虽然在发达国家配电网系统的智慧化等级很高，可是他们查找配电线路故障的最主要方法还是要以来故障检测指示器[2]。

1.3 本章小节
配电网在用户与电力系统直接相连接的环节中扮演着重要的成分，此套系统运行环境是相当的复杂，它能否在实际的生产工作中正常运行，关乎一个电力企业的直接经济效益，对企业有着最重要的影响。

因此，电网企业必须要重视配电网系统的安全运行，强调管理着的安全运行意识，这样才能确保实际的生产工作中的各项指标的合格，增加电网系统的供电输电能力，使广大的用户群体满意放心。

本毕业设计方案充分考虑了配电网系统的各项指标、故障情况，尽可能的让成品制作简单明了，降低配电网故障效率，降低成本带来的影响，控制在一个比较合理的区域，以此来提升成品的核心竞争力，力求在配电网系统中发挥巨大作用，实现故障的准确定位与检测。

2 配电网系统故障基本特征分析
配电网系统中性点接地方式的选择是个具体的综合性技术性问题，它直接影响到电网装置的过电压水平、绝缘情况、电网供电稳定性、接地保护措施、通信影响、人员和设备安全等多方面，是配电网系统能实现正常、高效运行的保证基础[3]。

2.1 配电网中性点不接地方式原理介绍
配电网电力系统的中性点接地的方式大体上能归结为这两大类：中性点有效接地和中性点非有效接地[4]。

其中中性点有效接地方式包括中性点直接接地和低电阻接地、经经低电抗；中性点非有效接地方式包括中性点不接地、经消弧线圈接地和经过高点组接地[5]。

2.1.1中性点不接地方
在电力配电网系统中，中性点一般是指在变压器低压侧中，三相线圈构成星形联结，联结点称中性点。

又因这点的电位为零，也可以称为零线端，一般的零线就从此点引出的。

在配电网开始发展的初期，因为人们对电流危害作用估计不足，多数国家采用的是中性点直接接地的方式。

可是，经常性的线路跳闸而造成的停电事故的增多，人们认识到这种方式的不可靠性。

于是在经过大亮科学实验研究后，开始改为中性点不接地方式运行。

“不接地”一词，准确地讲是指大地与配电网系统的中性点之间不存在有连接。

在实际运行中，中性点不接地的方式也随之出现了诸多的问题，比如：
（1）单相接地故障在多数时候不能被及时的检测出来，工程师们无法迅速找出隔离接地点，单相接地会转变为相见短路故障。

（2）带有故障运行的时间太长，相对地电压会升高成为线电压，如果此时配电网存在有严重污染或者绝缘不好的话，就很容易引起异地两个点接地故障。

（3）接地点电弧不会自主熄灭，流经电容的电流加大，容易产生铁磁谐振过电压和间歇性电弧过电压，这会导致PT 的大量烧毁事故故障。

实际应用中设系统三相电源电压Uu ∙、Uv ∙、Uw ∙
对称。

由于在各相导线间和相对地之间沿导线全长都有分布电容，各项绝缘有对地泄漏电导。

因此，在电源电压作用下，这些电容和电导上将会流过附加电流。

因为分布电容、泄漏电导可以使用集中电容和电导作为代替。

集中相见电容对系统的接地特性影响很小，及计及相对地电容Cu 、Cv 、Cw 和各相的对地泄露电导gu 、gv 、gw 。

如图2-1所示为中性点不接地系统正常运行状态图。

（a ）原理接线图 （b ）电压向量图
图2-1 中性点不接地系统的正常运行状态
中性点不接地系统正常工作时，中性点所具有的对地电位，称为不对称电压，用表示。

可见正常运行中，电源中性点对地电压为0，即中性点对地电位相等[6]。

则各相对地电压为： U 相：U ud Uu Un Uu ∙∙∙∙
=+= （1-1） V 相：U vd Uv Un Uv ∙∙∙∙=+= （1-2） W 相：U wd U w Un Uw ∙∙∙∙
=+= （1-3） 由于各相对地电压为电源各相的相电压。

所以电容电流大小相等，相位差为120 ，三个值相加和为零，所以不会有电容电流流过大地。

当每一个相对地电容不相等时，Uu ∙不为零，发生中性点位移现象[6]。

在中性点不接地系统中，正常运行时中性点所产生的的位移电压较小，可忽略[6]。

2.1.2中性点单相接地故障
发生单相接地故障时，中性点对于地的电压U n U w ∙∙
=-，非故障相对地电压此时为线电压，而中性点对地电压为相电压[7]。

如图2-2所示为单相接地故障原理接线图。

其中各相对地电压情况： U 相：U ud U u U n U uw ∙∙∙∙
=+=（线电压） （1-4） V 相：U vd U v U n U vw ∙∙∙∙=+= （线电压） （1-5） W 相：0U wd ∙
= （1-6）
图2-2 单相接地故障原理接线图
配电网系统线路发生短路故障时，由于流过故障点的电流值会很大，可以通过继电保护来实现对故障线路的快速切断。

但是，系统要是发生单相接地故障时，流过故障点的电流就为三相对地电容上电流的和，即[8]
c 3I C U ωϕ=⋅ (1-7) 式中c I 为一相接地时，通过故障点的电容电流，（A ）；
2f ωπ= ，f 为电网运行的频率，（Hz ）；
C 为电网每相对地电容，（F ）；
U ϕ为电网额定相电压，（V ）。

配电网系统10kV 架空线路，c I 通常就是10A 到100A ，但是在电缆线路中，c I 的值都比较大，可以达几百安。

一般的配电网系统电网的单相接地电容电流值不能够引起继电保护的跳闸动作。

它的有效值是Ik=3UC0，故障电流是非故障单相电容电流3倍。

按照上文的阐述可以有以下结论，当中性点不接地系统有单相接地故障发生时，零序分量可以概括为以下几点：
a.配电网的故障元件中所流过的零序电流和配电网中的非故障元件对地电容电流的总和一样。

b.在非故障元件中有和原来的零序电流大小相等的电流流过，它的方向是由母线指向故障线路的方向。

c.当配电网系统发生单相接地时，可以认为出现故障的地方产生一个零序电压，这个零序电压与故障前的相电压在数值上相同，方向相反，因此导致零序电压出现在整个配电网。

d.零序网络配电网中性点不接地系统中，通过同一等级的电压线路元件对地的等值电容组成，它与由中性点接地系统所构成的通路差别很大，该线路的零序阻抗与之前的相比差别很大。

当上叙a 、b 、c 、d 四个条件都得以成立的时候，就可以断定配电网系统单相接地短路故障。

2.1.3中性点不接地系统的中性点位移
多数的架空线路因为排列的不对称且换位不安全，产生各相位之间对地电容不想等，这就导致了中性点不接地系统正常运行时的中性点位移，也可以说中性点对地电位出现了位移现象。

但是，一般位移电压只要控制在电源电压的5%以内，都正常运行都没有太大影响。

2.1.4中性点不接地系统的特点
配电网系统发生单相接地故障时，线电压维持在一个稳定值内，使用者即使能够正
常的工作，但是接地的那个位置可能会有电弧效应产生。

当输电线路不是很长、输出电压不高的情况下，接地部分的电流值很小，电弧效应只会产生很短的一段时间，尤其是在35kV及以下的配电网系统中，企业不用在绝缘方面做太大的投资，且供电稳定性作为一个优点得以突出，所以中性点适宜采用不接地的方式运行。

当在一段较长的线路之中时，此时电压也较高，接地电流较大。

这时所产生的电弧就不会自主熄灭，表现为稳定电弧和间歇性电弧，而且电压值维持在一个高值时，企业对于绝缘方面的投资就要占整个配电网系统较大的比例。

其中中性点不接地方式的优缺点分别为：当电网系统出现单相接地故障时，故障点
此为最大的优点。

在系统的单相接地电容不足5A时，所有的热效应都可以被电路上的各个元件的绝缘所承受，这种规格准许配电网电路在有故障的状态下持续运行1~2小时。

但是，从实际的生产工作来说，应当减少这种带故障运行的时间；对于10kV电网电路
，因为安全起见，不论电路的绝缘有多而言，每一相对地电容的大小都至多为0.04F
好，电阻有多大，都要确保人在无意中直接接触下不至于死亡。

然而，这在实际配电网中是不存在的，接地保护和漏电保护措施只是作为间接接触的主要手段而已。

2.1.5中性点不接地系统的应用范围
（1）电压小于500V的系统装置，其中220V或380V系统除外；
（2）3到10kV电网系统当单相接地电流小于30A时；
（3）20到35kV电网系统用小于10A电流作为单相接地电流时，系统出现单相接地时线路接地电流很小，线电压维持对称状态。

所以电压不等于零，其余别的相正常，电压夹角为120度，因为断相导致三项电压不维持平衡，在开口三角形处出现零序电压[9]。

2.1.6中性点不接地系统暂态特征分析
在配电网系统发生单相接地故障时，此时系统应该使用中性点不接地系统，所以开关S必须为断开状态。

如图所示2-3所示，配电网系统单相接地故障暂态电流的分布图。

图2-3 配电网系统单相接地故障暂态电流的分布
在发生接地故障的那一瞬间，系统中电路的非故障相电压就上升到一个很大的值，然后大小电容都可以快速充电，但是在发生故障的那一相，电压就会快速降低到一定值，并且所连接的电容会大量放电。

2.1.7中性点接地方式性能分析
（1）供电可靠性与故障范围
中性点不接地对于供电稳定性来说，单相接地后，电路的相电流维持在一定的稳定值，线电压也保持一个平衡状态，对用电客户没有造成大影响。

单相接地故障电流数值很小，大多表现为瞬间性的故障，主要是架空线路，瞬间性故障在单相接地故障中占有85%以上的比例，这就不需要断路器跳闸。

对于经消弧线圈接地方式来说，单相接地连接时流经电路上电容的电流得到补偿，在接地点残留下来的电流值很小，这就能让故障点产生的电弧自然熄灭，同时可以让故障处相电压数值上升减慢，这就对故障电弧的避免重燃和自然熄灭产生积极的作用，约有65% ~ 85%的故障能够自动消去，供电稳定性强。

在低电阻接地方式上，永久故障和瞬间故障一样都会引起开关装置的跳闸，配电网线路跳闸机率远远高于之前的两种接地方式。

对于架空线路组成的混合型配电网系统，这种方式的接地开关会很容易跳闸，供电稳定性很低；而对于像主要以电缆构成的电网来说，发生永久性单相故障会比较多，而低电阻接地方式能够迅速在开关跳闸，这就有利于防止事故扩大化，对电网的供电是积极的。

（2）故障电流对电网设备的影响
对于中性点不接地方式，故障电流表现为对电气设备的危害，故障电流的持续时间和故障电流的幅值。

这种方式的电网电容电流往往小于10A，此时这个故障点上的耗散功率比较小，即使很长一段时间运行，也不会存在严重的威胁。

对于经消弧线圈接地方式来说，线圈处于谐振状态时，在接地点剩余的电流量很小，较长时间运行是不会对电网设备产生严重影响。

在使用低电阻接地方式时，故障点周围增加了几百安的有功电流，一方面出现了短路故障时要马上跳开线路，断路器和其他所相连接的设备负担较重，这就加大了电网企业工人的检修维护时间；另一方面短路时电流对各种电网设备危害较大。

（3）人身安全
使用中性点不接地方式时，故障电流很小，配电网的跨步电压和接触电压很低，短时间对于人身安全不会造成大的危害。

而经消弧线圈接地时，就有利于瞬时故障的电弧自助熄灭，降低了人员触电的机率。

为了取得更加快速的获得接地保护时所需要的一定电流值，在经低电阻接地方式时，一般系统单相接地电流值都比较大，往往为99A~1000A。

因为此时的流过线路的故。