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基于PCB板型电流传感器的110KV线路微机保护分析与设计.pdf

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基于PCB板型IU流传感器的110KV线路微机保护研究’j设计to be saturated is oVercame.This solution can realize automatic production and haVeimponant use Value and practical signincance.Key Words PCB current transducer;Data acquisition;Microcomputer protection;Digital Signal Processor; Anti-interferencelV硕士学位论文插图索引图1.1 Rogowski线圈原理结构图.3图1.2分压器原理图.5图1.3电阻式互感器整体框图..5图2.1 PCB电流互感器结构示意图..9图2.2 PCB电流互感器测量电流示意图.10图2.3理想积分器ll图2.4改进积分器..12图2.5修正积分电路12图2.6新型积分电路13图2.7 PCB电流互感器抗干扰原理图16图2.8系统整体结构图17图3.1交流变换模块电路20图3.2保护测控模块整体框图20图3.3模数转换电路.21图3.4测频电路原理图.23图3.5 TMS320F2812芯片供电电路图24图3.6 SP708复位电路图..24图3.7实时时钟电路图25图3.8 SRAM扩展电路.25图3.9 JTAG仿真接口电路..26图3.10 RS485总线通信电路27图3.11 CAN通讯接口电路.28图3.12以太网通讯接口电路..30图3.13开关量输入电路.31图3.14开关量输出电路.3 l图3.15液晶显示接口电路..32图3.16键盘电路.33图3.17电源模块框图.33图4.1偏移特性阻抗圆38图4.2保护主程序流程图40图4.3采样子中断服务程序流程图4lⅦ塾r pcl3扳型电流传感器的1 10KV线路微机保护研究与设计铊铊躬躬¨~~~~~~~~~~~~i|||~一一一¨一||~|j~『|~一~~~;|;|||~||一一~~一一一一一一~~~~~~~~~~●●●●●●●●●●~一~i;~~~~一一~~~~一|;一||;|~~~~~一一~一~一~;|i|~;|~~~~~~~~~~~~~~~图图~一一程程图~一流流程~图序序流序程程程序程流理锁程理序处闭主管程障荡控盘讯故振监键通45678伞重ttt图图图图图研士学位论文附表索引表2.1 PCB板型电流互感器实验测试....16表3.1 AD数据格式2l表3.2 AD数据输出结果.22表3.3 AD转换器命令设置..22表3.4 CS8900A内部8个16位I/o口对应表‘29D湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。辄姗青 吼帅朋狮学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口,在 年解密后适用本授权书。2、不保密团。请在以上相应方框内打“√”作者签名史导师签名周日期凹吵9年,月劢日日期2l,2旁年多月勿日fi}i I学位论文第l章绪 论1.1论文研究背景及意义现代电力系统是一个巨大的统一的整体,系统中的装置以及所接的用电设备都是开放性设备,受到周围环境的影响,发生故障的可能性很大。大型电气设备价格昂贵,一旦损毁不仅带来巨大的经济损失,而且会对电力系统本身稳定和工业生产及人民生活产生巨大影响。电力系统是一个复杂的、非线性的大系统,具有许多其它系统所没有的特殊性,随着电力系统不断向高电压、远距离、大容量的方向发展,系统的网架结构和运行方式日益复杂,这就对系统中继电保护装置提出了更高的要求,即要求选择性更好、可靠性更高、动作速度更快【I】。为适应这种要求,各种新型的保护原理和保护装置不断涌现。微机继电保护的出现,使原有继电保护装置的工作性能有了显著的改善,大大提高了电力系统运行的安全性和稳定性。继电保护是保障电力系统安全稳定运行的重要手段。近几年来,在广大继电保护人员的共同努力下,继电保护动作率逐年提高。其中,作为继电保护组成部分之一的微机保护起了重要作用。伴随着集成电路、计算机技术的飞速发展,信息技术的广泛应用,微机保护也迅速发展起来,其结构更加合理,性能更加完善,有效地承担起确保电网安全的重任。与传统的继电保护装置相比,微机保护装置由于其在性能和可维护性方面的巨大优势得到了越来越广泛的应用。尤其是近年来,随着计算机硬件尤其是数字信号处理器DSP技术的迅猛发展,微机保护技术得到了硬件方面的有力支持,性能进一步提高。各种保护原理方案、算法的微机线路保护和微机主设备保护相继问世,为电力系统提供了一批优质可靠的微机继电保护装置,同时也积累了丰富的运行经验。随着微机保护装置的深入研究,在微机保护软件算法等方面也取得了很多的理论成果。我国继电保护技术已进入了微机保护的时代,并且也带动了变电站综合自动化的发展。当前,微机线路保护装置已广泛应用于我国电力系统中【2J。作为电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备之一,电力互感器包括电流互感器和电压互感器的精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。目前,在继电保护和电流、电压测量中占主导地位的仍然是电磁式电流、电压互感器,其主要优点在于简单、可靠性高、输出容量大,同时性能比较稳定,适合长期运行。但是,随着电力系统传输的电力容量的逐步增大和电压等级的逐步提高,传统的电磁感应式互感器暴露出一系列本身难以克服的严重问题,这些皋JI,CB扳型lU流传感器的110KV线路微机保护研歹‘’j设汁问题主要包括【35】1绝缘结构复杂,造价随着电压等级的升高呈指数增加;2动态测量范围小,频带窄;3大都依赖绝缘油做主绝缘材料,易燃易爆;4电压互感器存在铁磁谐振的可能性,容易引起过电压;5电流互感器存在磁饱和问题【6】,且在大容量系统中显得尤为突出。互感器性能的好坏直接影响到电流计量的准确性和控制保护系统动作的正确性。通过对以往电力系统继电保护故障的分析,除保护装置本身问题之外,大部分故障与电流、电压互感器的测量误差和运行性能有关。受传感原理的限制,电磁式互感器在运行性能、测量准确度和安全可靠性上存在的问题,是无法从根木上完全克服的。近年来,随着计算机技术的广泛应用,电力系统综合自动化成为不可逆转的发展趋势。传统的电磁式互感器已经难以满足现代电力系统的在线检测、高精度故障诊断、计算机控制与管理等发展需要,寻求更理想的新型电力互感器己势在必行17J。基于光学和电子学原理的电子式电压、电流互感器经过30多年发展以其独特的优点,成为超高压条件下最具发展前途的电压、电流测量设备与传统电磁型互感器相比,电子式互感器具有如下的优点【811】1绝缘结构简单且性能优良,造价低,随电压等级的升高,其造价优势愈加明显;2不含铁芯,不存在磁饱和问题;3抗电磁干扰性能好,低压侧无开路高压危险。由于ECT的高压侧与低压侧之间只存在光纤的联系,而光纤具有良好的绝缘性能,可保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离,低压侧没有因开路而产生高压的危险,而且避免了电磁干扰的影响;4动态测量范围大,精度高。ECT测量电流的范围可从几十安培至几千安培,过电流范围可达几万安培。另外,一个ECT可同时满足计量和继电保护的需要,从而避免了多个CT的冗余问题;5频率响应范围宽。ECT实际能测量的频率范围主要取决于电子线路部分,这种电流互感器可以测出高压电力线路上的谐波,还可进行暂态电流、高频大电流与直流电流的测量,而电磁式电流互感器则难以进行这些方面的工作;6一般不采用油绝缘,避免了易燃、易爆等危险;7体积小、重量轻,互感器传感头本身的重量一般比较小。据美国前西屋公司公布的345kV的ECT,其高度为2.7m,重量为109kg。而同电压等级的充油电磁式电流互感器高为6.1m,重达2300kg,这给运输与安装带来了很大的方便;f8数字化输出适应了电力计量与保护数字化的潮流。2硕lj学位论文随着电磁学、光电子学、智能传感技术、数字信号处理技术、通讯和计算机技术的飞速发展及多学科的交叉融合,具有了很好的研究新型电力互感器的条件。新型电力互感器包括电子式电流互感器、电子式电压互感器、组合电压电流互感器等。根据高压侧获取电源的方式分为有源型和无源型;根据高压侧的传感器原理可分为全光型互感器和混和式互感器。综上所述,电子式电流互感器与传统电磁式电流互感器相比有优越的性能和明显的经济效益【l 21。研究电子式电流互感器,对电力系统的安全运行,自动化水平的提高,对电力工业和国民经济发展都有重要意义。1.2电子式互感器传感部分原理概述电子式高压电力互感器有两个主要类别光学电子式互感器和混合电子式互感器。光学电子式互感器的电流测量原理包括Faraday效应、磁致伸缩效应、Kerr效应和逆压磁效应等,电压测量原理包括Pockels效应、Kefr效应和逆压电效应等【13J。其中利用Faraday效应测量电流,Pockels效应测量电压的方法最直接,装置最简单、精度高,所以应用范围最广、研究力度最大。混合电子式互感器是指采用Rogowski线圈、带铁心的低功率电流互感器、霍尔器件以及分压器等作为传感器,利用光纤完成从高压端到低压端的数据传输,通常高压传感部分需要电源供能的各类电子式互感器f14q 51。从二十世纪九十年代开始,混合电子式互感器作为传统互感器的又一类替代产品,受到人们的广泛关注【l 6l。罗柯夫斯基线圈Rogowski coil又称空心线圈、磁位计,它是由导线均匀绕在一个非铁磁性骨架上而制成1171 91,图2.3所示为截面为矩形和圆形的罗氏线圈的结构图。逗 墨 ;鼬厅a矩形截面 b圆形截面图1.1 Rogowski线圈原理结构图3et雄j‘I,CB嵌型IU流1‘慝嚣阴110KV线跆傲制L保iJo训,£。j砹汁当载流导体穿过线圈时,线圈两端感应出电势Pf。根据安培环路电流定律叮万·析f,则日去 1.1所以B风日.坐 1.2由电磁感应定律砸__警 1.3以图2.3a为例,磁通为【20】≯扣嬲叮筹搬e筹办毋等-n鲁 ∽4,总磁链为缈Ⅳ≯ 1.5故感应电势为町卜警一警h鲁罢式中f一导体中流过的瞬时电流,.一罗氏线圈的骨架的任意半径胁一真空磁导率,4万10。7H/朋Ⅳ一罗氏线圈匝数办一骨架高度足一骨架外径置一骨架内径绕组互感M业lIl墨2万 墨因此可得线圈的感应电势州一M罢即线圈的感应电势正比于电流的变化率,比例系数是线圈的互感。面的线圈,同样有式2.21成立,此时线圈互感为肘业垒一 24√砰一式中碣一线圈的平均大直径;t一线圈截面的直径。41.61.71.8对圆形截1.9硕l学位论文电压传感器从原理上可分为传统的电磁式、电容式和光电式三种,传统的电磁式传感器随着电力系统电压等级和传输容量的增加,对绝缘要求越来越高,体积也跟电压等级成正比增加,铁心易饱和,存在谐振现象。分压器按测量元件可划分为三种基本类型【21】1电阻分压器,高低压臂均为电阻。2电容分压器,高低压臂均为电容,又可分为串连电容式由多个电容器叠置串联和集中的双电容式集中的高压电容是由两个电极构成。3阻容分压器,高低压臂的测量元件即既有电阻,又有电容,属于阻容混合,是作为以上两种分压器的改进类型发展起来的。iUIu%熹.乙 1.10‘ ZlZ2 ‘ 、 7分压比S七堕生堕1互% z2 Z2图1.3电阻式互感器整体框图准确测量要求被测电压与Z2上的电压仅在幅值上差七倍,相角应完全相同,
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