CN105203909B - 一种单相接地保护选线的硬件判据电路 - Google Patents

Abstract

一种单相接地保护选线的硬件判据电路，包括电流采样模块、电压采样模块，电流采样模块连接第一滤波电路，电压采样模块连接第二滤波电路，第一滤波电路连接微分电路，第二滤波电路连接相位校正电路，微分电路连接第一放大电路，相位校正电路连接第二放大电路，第一放大电路连接电流方向判断电路，第二放大电路连接电压方向判断电路，电流方向判断电路和电压方向判断电路连接功率方向判断电路；通过各电路组成的判据电路，完全硬件触发，捕捉瞬间的暂态功率，采用暂态功率法，使判据准确度提高；通过硬件便可判断暂态方向，单片机就可休眠，降低了功耗需求；还能提供暂态信号，支持多判据的形式，使判据不再单一，充分保证单相接地的判断准确度。

Description

一种单相接地保护选线的硬件判据电路

技术领域

本发明属于线路接地保护技术领域，具体涉及一种单相接地保护选线的硬件判据电路。

背景技术

在变电所中、开关站和发电场中，66千伏、35千伏、10千伏、6千伏和3千伏配电线路，是电力系统的主要组成部分；在这些电压等级的系统中，变压器和发电机的中性点都采取了不接地或经过消弧线圈、电阻接地的方式进行输配电，并且在同一电压等级的母线又有多条输出或输入配电线路相连接，大部分采用铝或铜排架空引出或高压电力电缆线引出；而线路数量一般有五六条、十几条或二三十条不等，每一条配电线路又有很多分支，按照辐射状架设，再与各配电变压器连接，由配电变压器降成低压后供给用户使用。

在这种类型的配电线路中，经常会发生相间短路、过电流、过负荷和单相接地等故障现象，其中单相接地的发生最为频繁；短路故障也多为单相接地后演变成多相接地而形成的。

单相接地是指配电线路上的A、B、C三相中，任意一相导线发生断线落地或接触树木、建筑物或电线杆、塔倒地与大地之间形成导电回路；以及大气雷电或其它原因形成过电压，致使配电设备的绝缘材料遭到破坏后，对地绝缘电阻明显过低等现象；由于系统中主变压器的的中性点不接地或经过消弧线圈、高电阻接地；当在同一母线上有多条配电线路时，无论哪一条发生单相接地，都不能与主变压器的绕组线圈直接构成回路，线路中不会出现短路和过负荷等大电流现象；仅有线路与大地之间形成的电容电流发生变化，表现为每一条线路中会出现微弱的零序电流；而此电流非常小，从几毫安到几百毫安或数安培不等，与线路的长度成正比。

在系统中，由于电压互感器的一次绕组采用了Y0方式接线与系统的母线相连，当任意一条线路发生单相接地时，在二次绕组的三角开口都有零序电压产生，可以设定零序过电压报警，但不能选择某一条线路；接地时由于非接地相线对地电压上升可达相电压的数倍，当系统再伴随有铁磁谐振产生时，就会使相电压升高，形成过电压，加速了电力设备绝缘材料的老化，缩短了使用寿命，从而导致绝缘设备被击穿，就会出现两相或多相同时接地而发生短路事故，加大了电力设备的损坏程度。因此，在电力系统中经常会发生电压互感器、断路器爆炸，配电变压器烧毁，电力电缆和瓷瓶被击穿等事故；已有的继电保护或综合自动化保护装置中的“短路保护”、“过电流保护”和“零序电流”保护，都属于大电流启动保护装置；单相接地时的小电流不能驱动这类保护装置动作，因此，不能动作于高压开关(断路器)跳闸，故障线路和非故障线路也就不能被隔离。

为了避免事故的扩大，需要及时地把故障线路与非故障线路进行区分；在变电所、开关站或发电厂中，若没有安装可靠的单相接地保护选线装置，就需要人工逐次拉闸停电试查才能选择故障线路，有时甚至要把与母线相连的所有配电线路拉闸停电，才能找出；这样就会造成无故障线路供电的中断，导致大面积停电；同时，也增加了高压开关的动作次数，缩短了使用寿命，降低了供电的可靠性和供电量；而在线路上要查找接地点，还需要把众多的分支线路与主线路逐次断开，再用绝缘电阻仪表测量各段或各分支对地的绝缘电阻值，由人工判断故障点范围。这一过程非常复杂，工作量很大；为了人身安全，需要设置多种安全措施，要耗费大量的人力、物资和时间，增加了电力工人的劳动强度，同时对人身还具有不安全的隐患。

而目前的接地保护选线电路的单相接地判据采用电场法来判据，单相接地的判据十分单一，导致其信号不稳定，容易误判漏判；而且需要单片机ADC实时采样电流和电压信号，对于单片机的运算负担大，导致暂态漏掉信号。

发明内容

本发明的目的是提供判据充分全面，能提高接地保护判断准确度，让CPU休眠或不全速采样，能减轻运算负担，降低功耗的一种单相接地保护选线的硬件判据电路。

本发明通过以下技术方案实现：一种单相接地保护选线的硬件判据电路，包括电流采样模块、电压采样模块，所述电流采样模块连接第一滤波电路，所述电压采样模块连接第二滤波电路，所述第一滤波电路连接微分电路，所述第二滤波电路连接相位校正电路，所述微分电路连接第一放大电路，所述相位校正电路连接第二放大电路，所述第一放大电路连接电流方向判断电路，所述第二放大电路连接电压方向判断电路，所述电流方向判断电路和电压方向判断电路连接功率方向判断电路；所述第一滤波电路和第二滤波电路相同，由第一电阻，第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容组成，所述第一电阻的一端连接第二电阻的一端，所述第一电阻的一端还连接第一电容的一端，所述第一电容的另一端接地，所述第二电阻的另一端连接第三电容的一端，所述第三电容的另一端连接第二电容的一端，所述第三电容的另一端还连接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端接地，所述第二电容的另一端与所述第一电阻的另一端连接；所述微分电路包括第四电容和第四电阻，所述第四电容的一端连接第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端接地；在交流信号中，所述相位校正电路与所述微分电路构成相同；所述第一放大电路和第二放大电路相同，由第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第五电容、VCC电源、第一运算放大器、第二运算放大器；所述VCC电源连接所述第十二电阻的一端，所述第十二电阻的另一端连接第十一电阻的一端，所述第十一电阻的另一端接地，所述第十二电阻的另一端还连接第一运算放大器的同相输入端，所述第一运算放大器的反向输入端连接第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端连接第五电容的一端，所述第五电容的另一端接地，所述第一运算放大器的反向输入端连接所述第六电阻的一端，所述第六电阻的另一端连接所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的正极供电端连接VCC电源，所述第一运算放大器的负极供电端接地，所述第一运算放大器的输出端连接所述第九电阻的一端，所述第九电阻的另一端连接所述第十电阻的一端，所述第十电阻的另一端接地，所述第九电阻的另一端还连接所述第二运算放大器的同相输入端，所述第二运算放大器的反相输入端连接第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端接地，所述第二运算放大器的正极供电端和负极供电端悬空，所述第二运算放大器的反相输入端还连接所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端与所述第二运算放大器的输出端连接；所述电压方向判断电路与电流方向判断电路相同，由第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容、第十一电容、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、VCC电源、第一三极管、第二三极管构成，所述第一三极管的集电极连接第十七电阻的一端，所述第一三极管的集电极还连接第十电容的一端，所述第十七电阻的另一端、第十电容的另一端、第十八电阻的一端连接VCC电源，所述第十八电阻的另一端还连接所述第一三极管的基极，所述第一三极管的发射极连接第二十电阻的一端，所述第一三极管的发射极还连接第十一电容的一端，所述第二十电阻的另一端、第十一电容的另一端、第十九电阻的一端接地，所述第十九电阻的另一端连接所述第一三极管的基极，所述第一三极管的基极还连接所述第六电容的一端，所述第六电容的另一端连接所述第七电容的一端，所述第七电容的另一端连接所述第二三极管的基极，所述第二三极管的基极与所述第十三电阻的一端连接，所述第二三极管的基极还与所述第十四电阻的一端连接，所述第二三极管的发射极连接所述第十五电阻的一端，所述第二三极管的发射极还连接所述第八电容的一端，所述十三电阻的另一端、第十五电阻的另一端、第八电容的另一端与所述VCC电源连接，所述第二三极管的集电极连接所述第十六电阻的一端，所述第二三极管的集电极还连接所述第九电容的一端，所述第十四电阻的另一端、十六电阻的另一端、第九电容的另一端都接地；所述功率方向判断电路包括第一与非门、第二与非门、第三与非门、第四与非门；所述电压放大判断电路设有第一电压输出端Uref1、第二电压输出端Uref2，所述电流放大电路设有第一电流输出端Iref1、第二电流输出端Iref2，所述电压放大判断电路的第二电压输出端Uref2和电流放大电路的第二电流输出端Iref2连接所述第一与非门的输入端然后通过所述第一与非门的输出端输出；所述电压放大判断电路的第一电压输出端Uref1连接所述第三与非门的输入端，所述电流放大判断电路的第一电流输出端Uref1连接所述第二与非门的输入端，所述第二与非门的输出端和第三与非门的输出端连接所述第四与非门的输入端，然后通过所述第四与非门的输出端输出；所述第一滤波电路和第二滤波电路都为SFB双T型陷波电路。

本发明的电流采集模块利用电磁感应从线路上提取电流信号，电压采集模块利用电容分压原理从线路上提取电压信号，再通过SFB双T型陷波电路，针对配网线路的特征进行陷波处理，然后分别通过微分电路和相位校正电路，起到很好的滤波作用，接着通过有源放大电路，能效果更好的放大电流电压信号，然后分别到电压方向判断电路和电流方向判断电路，利用三级管的开关作用来进行判断，最后到功率方向判断电路，利用与非门，可硬件逻辑判断无功功率Q的大小，完全硬件触发，捕捉瞬间的暂态功率，可大大提高接地判定成功率。

本发明的有益之处在于：1）采用暂态功率法来进行判据，判据更加先进，准确度高；2）完全硬件触发，捕捉瞬间的暂态功率，硬件逻辑判断暂态方向，单片机无需一致保持运算采样，可以休眠或完成其他任务，降低了功耗需求，实时性好，不会暂态漏掉信号，大大提高接地判定成功率；3）单相接地的判据不再单一，能提供暂态信号，可再与其它信号做逻辑分析，支持多判据的形式，充分保证单相接地的判断准确度。

附图说明

图1为本发明的电路流程图。

图2为原有产品的电路流程图。

图3为本发明的电路图。

图4为本发明的滤波电路。

图5为本发明的微分电路。

图6为本发明的放大电路。

图7为本发明的方向判断电路。

图8为本发明的功率方向判断电路。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步描述。

见图1至图8，一种单相接地保护选线的硬件判据电路，包括电流采样模块、电压采样模块，所述电流采样模块连接第一滤波电路，所述电压采样模块连接第二滤波电路，所述第一滤波电路连接微分电路，所述第二滤波电路连接相位校正电路，所述微分电路连接第一放大电路，所述相位校正电路连接第二放大电路，所述第一放大电路连接电流方向判断电路，所述第二放大电路连接电压方向判断电路，所述电流方向判断电路和电压方向判断电路连接功率方向判断电路；所述第一滤波电路和第二滤波电路相同，由第一电阻，第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容组成，所述第一电阻的一端连接第二电阻的一端，所述第一电阻的一端还连接第一电容的一端，所述第一电容的另一端接地，所述第二电阻的另一端连接第三电容的一端，所述第三电容的另一端连接第二电容的一端，所述第三电容的另一端还连接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端接地，所述第二电容的另一端与所述第一电阻的另一端连接；所述微分电路包括第四电容和第四电阻，所述第四电容的一端连接第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端接地；在交流信号中，所述相位校正电路与所述微分电路构成相同；所述第一放大电路和第二放大电路相同，由第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第五电容、VCC电源、第一运算放大器、第二运算放大器；所述VCC电源连接所述第十二电阻的一端，所述第十二电阻的另一端连接第十一电阻的一端，所述第十一电阻的另一端接地，所述第十二电阻的另一端还连接第一运算放大器的同相输入端，所述第一运算放大器的反向输入端连接第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端连接第五电容的一端，所述第五电容的另一端接地，所述第一运算放大器的反向输入端连接所述第六电阻的一端，所述第六电阻的另一端连接所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的正极供电端连接VCC电源，所述第一运算放大器的负极供电端接地，所述第一运算放大器的输出端连接所述第九电阻的一端，所述第九电阻的另一端连接所述第十电阻的一端，所述第十电阻的另一端接地，所述第九电阻的另一端还连接所述第二运算放大器的同相输入端，所述第二运算放大器的反相输入端连接第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端接地，所述第二运算放大器的正极供电端和负极供电端悬空，所述第二运算放大器的反相输入端还连接所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端与所述第二运算放大器的输出端连接；所述电压方向判断电路与电流方向判断电路相同，由第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容、第十一电容、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、VCC电源、第一三极管、第二三极管构成，所述第一三极管的集电极连接第十七电阻的一端，所述第一三极管的集电极还连接第十电容的一端，所述第十七电阻的另一端、第十电容的另一端、第十八电阻的一端连接VCC电源，所述第十八电阻的另一端还连接所述第一三极管的基极，所述第一三极管的发射极连接第二十电阻的一端，所述第一三极管的发射极还连接第十一电容的一端，所述第二十电阻的另一端、第十一电容的另一端、第十九电阻的一端接地，所述第十九电阻的另一端连接所述第一三极管的基极，所述第一三极管的基极还连接所述第六电容的一端，所述第六电容的另一端连接所述第七电容的一端，所述第七电容的另一端连接所述第二三极管的基极，所述第二三极管的基极与所述第十三电阻的一端连接，所述第二三极管的基极还与所述第十四电阻的一端连接，所述第二三极管的发射极连接所述第十五电阻的一端，所述第二三极管的发射极还连接所述第八电容的一端，所述十三电阻的另一端、第十五电阻的另一端、第八电容的另一端与所述VCC电源连接，所述第二三极管的集电极连接所述第十六电阻的一端，所述第二三极管的集电极还连接所述第九电容的一端，所述第十四电阻的另一端、十六电阻的另一端、第九电容的另一端都接地；所述功率方向判断电路包括第一与非门、第二与非门、第三与非门、第四与非门；所述电压放大判断电路设有第一电压输出端Uref1、第二电压输出端Uref2，所述电流放大电路设有第一电流输出端Iref1、第二电流输出端Iref2，所述电压放大判断电路的第二电压输出端Uref2和电流放大电路的第二电流输出端Iref2连接所述第一与非门的输入端然后通过所述第一与非门的输出端输出；所述电压放大判断电路的第一电压输出端Uref1连接所述第三与非门的输入端，所述电流放大判断电路的第一电流输出端Uref1连接所述第二与非门的输入端，所述第二与非门的输出端和第三与非门的输出端连接所述第四与非门的输入端，然后通过所述第四与非门的输出端输出；所述第一滤波电路和第二滤波电路都为SFB双T型陷波电路。

本实施方式中，电流采集模块利用电磁感应从线路上提取电流信号，电压采集模块利用电容分压原理从线路上提取电压信号，保证了电流电压都能顺利地采样。

本实施方式中，所用的滤波电路为SFB滤波电路，采用双T型陷波电路，针对配网线路的特征，对50Hz、150Hz进行陷波处理，对信号起到衰减作用。

本实施方式中，微分电路采用无源的RC微分电路，针对于特定的150Hz以上能进行微分计算；而对于交流信号来说，相位校正电路与微分电路构成相同，为移相-90度。

本实施方式中，放大电路采用了有源放大电路，能效果更好的放大电流电压信号，使用单电源放大处理，放大倍数可达到24倍。

本实施方式中，电流方向判断电路和电压方向判断电路相同，都是利用三极管的开关作用，在电流方向判断电路中经过滤波的信号在第六电容和第七电容中输入，当为正信号时，第一三极管导通，第十一电容的一端Iref2由低电平变为高电平；当为负信号时，第二三极管导通，第八电容的一端Iref1由高电平变为低电平。

本实施方式中，功率方向判断电路利用与非门，硬件逻辑判断无功功率Q的大小，完全硬件触发，捕捉瞬间的暂态功率；输出的Q1、Q2信号正常时都为高电平，Iref1、Uref1正常时为高电平，Iref2、Uref2正常时为低电平，无功功率Q大于0，功率方向为正；如发生接地故障，Iref1、Uref1、Iref2、Uref2全都为高电平或全都为低电平，导致Q输出的Q1、Q2有且只有一个变为低电平，使得无功功率Q小于0，功率方向为负。

本实施方式中，本发明通过各电路组成一种单相接地保护选线的硬件判据电路，完全硬件触发，捕捉瞬间的暂态功率，判据不在采用电场法而是采用暂态功率法，使得判据准确度提高；通过硬件便可判断暂态方向，单片机就不用负担着部分工作，降低了功耗需求，减轻运算负担，实时性好；还能提供暂态信号，支持多判据的形式，与其它信号做逻辑分析，使得判据不再单一，充分保证单相接地的判断准确度。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种单相接地保护选线的硬件判据电路，包括电流采样模块、电压采样模块，其特征在于：所述电流采样模块连接第一滤波电路，所述电压采样模块连接第二滤波电路，所述第一滤波电路连接微分电路，所述第二滤波电路连接相位校正电路，所述微分电路连接第一放大电路，所述相位校正电路连接第二放大电路，所述第一放大电路连接电流方向判断电路，所述第二放大电路连接电压方向判断电路，所述电流方向判断电路和电压方向判断电路连接功率方向判断电路，所述电压方向判断电路与电流方向判断电路相同，由第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容、第十一电容、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、VCC电源、第一三极管、第二三极管构成，所述第一三极管的集电极连接第十七电阻的一端，所述第一三极管的集电极还连接第十电容的一端，所述第十七电阻的另一端、第十电容的另一端、第十八电阻的一端连接VCC电源，所述第十八电阻的另一端还连接所述第一三极管的基极，所述第一三极管的发射极连接第二十电阻的一端，所述第一三极管的发射极还连接第十一电容的一端，所述第二十电阻的另一端、第十一电容的另一端、第十九电阻的一端接地，所述第十九电阻的另一端连接所述第一三极管的基极，所述第一三极管的基极还连接所述第六电容的一端，所述第六电容的另一端连接所述第七电容的一端，所述第七电容的另一端连接所述第二三极管的基极，所述第二三极管的基极与所述第十三电阻的一端连接，所述第二三极管的基极还与所述第十四电阻的一端连接，所述第二三极管的发射极连接所述第十五电阻的一端，所述第二三极管的发射极还连接所述第八电容的一端，所述十三电阻的另一端、第十五电阻的另一端、第八电容的另一端与所述VCC电源连接，所述第二三极管的集电极连接所述第十六电阻的一端，所述第二三极管的集电极还连接所述第九电容的一端，所述第十四电阻的另一端、十六电阻的另一端、第九电容的另一端都接地。

2.根据权利要求1所述的一种单相接地保护选线的硬件判据电路，其特征在于：所述第一滤波电路和第二滤波电路相同，由第一电阻，第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容组成，所述第一电阻的一端连接第二电阻的一端，所述第一电阻的一端还连接第一电容的一端，所述第一电容的另一端接地，所述第二电阻的另一端连接第三电容的一端，所述第三电容的另一端连接第二电容的一端，所述第三电容的另一端还连接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端接地，所述第二电容的另一端与所述第一电阻的另一端连接。

3.根据权利要求1所述的一种单相接地保护选线的硬件判据电路，其特征在于：所述微分电路包括第四电容和第四电阻，所述第四电容的一端连接第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的一种单相接地保护选线的硬件判据电路，其特征在于：在交流信号中，所述相位校正电路与所述微分电路构成相同。

5.根据权利要求1所述的一种单相接地保护选线的硬件判据电路，其特征在于：所述第一放大电路和第二放大电路相同，由第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第五电容、VCC电源、第一运算放大器、第二运算放大器；所述VCC电源连接所述第十二电阻的一端，所述第十二电阻的另一端连接第十一电阻的一端，所述第十一电阻的另一端接地，所述第十二电阻的另一端还连接第一运算放大器的同相输入端，所述第一运算放大器的反向输入端连接第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端连接第五电容的一端，所述第五电容的另一端接地，所述第一运算放大器的反向输入端连接所述第六电阻的一端，所述第六电阻的另一端连接所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的正极供电端连接VCC电源，所述第一运算放大器的负极供电端接地，所述第一运算放大器的输出端连接所述第九电阻的一端，所述第九电阻的另一端连接所述第十电阻的一端，所述第十电阻的另一端接地，所述第九电阻的另一端还连接所述第二运算放大器的同相输入端，所述第二运算放大器的反相输入端连接第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端接地，所述第二运算放大器的正极供电端和负极供电端悬空，所述第二运算放大器的反相输入端还连接所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端与所述第二运算放大器的输出端连接。

6.根据权利要求1所述的一种单相接地保护选线的硬件判据电路，其特征在于：所述功率方向判断电路包括第一与非门、第二与非门、第三与非门、第四与非门；所述电压放大判断电路设有第一电压输出端Uref1、第二电压输出端Uref2，所述电流放大电路设有第一电流输出端Iref1、第二电流输出端Iref2，所述电压放大判断电路的第二电压输出端Uref2和电流放大电路的第二电流输出端Iref2连接所述第一与非门的输入端然后通过所述第一与非门的输出端输出；所述电压放大判断电路的第一电压输出端Uref1连接所述第三与非门的输入端，所述电流放大判断电路的第一电流输出端Uref1连接所述第二与非门的输入端，所述第二与非门的输出端和第三与非门的输出端连接所述第四与非门的输入端，然后通过所述第四与非门的输出端输出。

7.根据权利要求2所述的一种单相接地保护选线的硬件判据电路，其特征在于：所述第一滤波电路和第二滤波电路都为SFB双T型陷波电路。