基于单片机的绝缘电阻测量仪设计说明书.docx
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基于单片机的绝缘电阻测量仪设计说明书
第1章绪论
1.1我国漏电保护的发展
1矿井低压漏电保护进程
矿井低压电网漏电保护经历了3个发展阶段、2次飞跃。
3个阶段是机电式、半导体式和微机式。
第1次飞跃是由机电式到半导体式，主要体现在无触点化、小型化、低功耗方面；第2次飞跃是由半导体式到微机式，主要表现在数字化和智能化方面。
显而易见，第2次飞跃尤为重要，它为矿井电网漏电保护技术的发展开辟了前所未有的广阔前景。
2我国漏电保护器的发展
机电式漏电保护是矿井低压电网漏电保护技术发展的基础。
前苏联研制成功的后来被我国广泛采用的机电式漏电保护装置，是基于附加直流检测的PYB型防爆漏电继电器，在机电式漏电保护的基础上，我国曾先后研制开发出了6种不同型式的捡漏继电器，如JY82J型、JL80型、JL82型、JL83型、JY－80型和JJKB30型。
20世纪80年代初期，随着电子技术的发展，大大推动了矿井电网漏电保护技术的发展。
由原山西矿业学院开发研制的BJJ2－660（380）X隔爆型选择性捡漏继电器为了提高人身触电时的安全性，解决选择性漏电保护系统的动作选择性和安全性之间的矛盾，中国矿业大学在20世纪80年代末研制开发出BJJ4矿用隔爆型带人为旁路接地的总捡漏继电器和BJJ3矿用隔爆型选择性捡漏继电器。
在20世纪90年代初，相继出现了BKD1－400Z/660（380）Z（F）矿用隔爆型真空馈电开关、DXL－660Q型分支馈电开关选择性漏电保护器等。
1.2 漏电保护器发展现状
漏电保护系统的动作可靠性至关重要。
它是衡量保护系统性能优劣的主要标志之一。
煤矿井下存在着大量干扰信号，直接威胁着单片机的工作可靠性。
因此在漏电保护系统中建立了2级后备保护，即总漏电保护单元作为分支漏电保护单元的一级后备，漏电闭锁作为分支漏电单元的二级后备。
虽然这样会扩大停电范围，但提高了人身触电的安全性。
另外，由于电网的零序电压和零序电流之间的相位随电网参数而变化，所以将零序电压变换成脉冲序列，将零序电流变换成方波信号，可扩大比较范围，提高动作可靠性。
除此之外，利用软件的闭锁、记忆和滤波功能，也能使漏电动作的可靠性得到提高。
在此综合保护系统中，建立了良好的人机界面。
多功能数字显示屏在开关合闸前，循环显示电网的绝缘状态、动作整定值和开关的工作状态。
开关合闸后，正常工作时循环显示电网的工作参数和对地的绝缘水平。
故障跳闸后循环显示故障参数和故障状态，从而大大提高了判断故障和排除故障的效率。
第2章选择性漏电保护装置
2.1产生漏电的原因分析
井下供电系统产生漏电的原因，可以概括为一下几个方面：
（1）对电气设备、电缆的检查不够细致，操作使用不当造成的漏电；
（2）电缆在井下被压、砸、穿刺；过分弯曲电缆使电缆外皮出现裂隙；运行中的电缆盘圆或盘“8”字，导致电缆发热，绝缘老化，绝缘性能降低。
（3）设备、电缆闲置不用时不定期升井检修或干燥，导致设备、电缆受潮，绝缘降低。
（4）开关、电机等处在淋水处造成受潮或进水，而使绝缘下降。
（5）电气设备、电缆选择不合适，造成长期过载发热，使其绝缘下降。
（6）变压器并联运行、电缆线路太长、开关及电机等设备数量太多，而使电网总绝缘水平下降。
（7）电缆或开关电器超过额定电压运行，导致绝缘降低或被击穿。
（8）电缆与设备在连接时，由于接头不牢、喇叭口封堵不严以及接线嘴压板不紧等原因，使接头在运行中产生松脱而与外壳相连，或因接头发热烧坏绝缘。
2.2中性点不接地系统单相接地故障选线方法分析
选择性漏电保护原理通常不外乎有以下几种：
零序电流互感器比幅法、零序电流相对相位法、附加直流电源法、群体比幅比相法、零序功率方向法、零序电流有功分量法、五次谐波分量法、各次谐波平方和法、首半波法、小波分析法、拉路法、注入信号寻迹法、注入变频信号法和基于模式识别的选线方法。
除了以上14种方法外，还有诸如最大△法、静态DESIR选线方法、动态DESIR选线方法、DDA选线方法、零序能量法、基于负序电流的选线方法等。
多年运行实践表明，以往的选线装置多依靠某一种保护原理，发生漏电故障时经常会造成选择性无法实践，当发生漏电故障时，断开的不仅仅是故障支路，经常总开关也会伴随断开，造成矿山供电系统的大面积瘫痪。
利用故障后的稳态分量进行检测，存在的主要问题是接地稳态分量太小，常导致选线装置不能正常动作，而且该方法对中性点经消弧线圈接地电网失效。
咱太分量法的主要问题在于暂态过程非常迅速，信号难以捕捉，且受外界干扰影响大，使得实际应用中遇到许多困难。
谐波法的问题是谐波含量较小，且在有间接性电弧现象时不稳定。
以下我们对这些选线方法加以分析，来选择合适的选线方法。
2.2.1零序电流比幅法
利用故障线路零序电流大于非故障零序电流的特点，区分出故障和非故障线路，从而构成有现在性保护。
这种原理在某一线路远远长于其他线路（即其分布电容与系统总的分布电容相差不大时）的情况下较难满足选择性的要求、同时，当接地点过渡电阻较大时，电容电流较小，装置可能发生拒动现象。
该方法不适用于谐振接地电网。
2.2.2零序电流相对相位法
零序电流是选择性漏电保护中使用的最重要的参数之一。
本节我们研究发生单相接地故障后，零序电流的数学表达式，通过零序电流方向原理实现故障支路的正确选线，并讨论电流随电网参赛、漏电程度的变化规律。
需要指出，由于三相电源的中性点不接地，所以无论电网发生什么类型的漏电故障，电网的线电压将不会发生变化。
仍是三相对称的。
单相漏电和两相漏电均属于不对称故障，故障发生后，电网各相对地电源就不再对称，并且变压器中性点也要发生位移，产生对地电压（零序电压），如果系统中有零序回路，则在回路中就有零序电流流通。
中性点不不接地配电网发生单相接地故障零序等效电路如图2—1所示，其中Cn为第n条线路的相对等效电容，R为接地过渡电阻。
由于相对等地等效电阻值远大于相对的等效容抗值，在实际设计中不会对工作过程造成重大影响，故可忽略不计。
故障相电源电压为U=USin（ωt+Φ）.（2—1）
当发生单相接地故障时，相当于图2—1的零状态响应。
图2-1中性点不接地配电网单相接地故障零序等效电路
克希荷夫电压定律，当t≥0时，电路中电压和电流的微分方程分别为：
（2—2）
（2—3）
（2—4）
其中C=ΣCn（n=1,2,…,N）,N是线路的条数。
解式（2—2）得：
（2—5）
其中：
θ=Sin-1［ωRC/（1+ω2R2C2）0.5］解式（2—3）得：
（2—6）
式（2—6）中，第一项是流过接地导线中的零序基波电流，即稳态分量；第二项是流过接地导线中的零序暂态电流，即暂态分量；两项之和是流过接地导线中的零序全电流。
解式（2—4）得：
（2—7）
式（2-7）中，第1项是流过第n条线路的零序基波电流，即稳态分量;第2项是流过第n条线路的零序暂态电流，即暂态分量;两项之和是流过第n条线路的零序全电流。
发生单相接地故障时零序全电流的特点是当配电网发生单相接地故障时，中、C,Cn,R有确定的数值，式（2-6）和式（2-7）中的两项都是时间t的函数。
在单相接地初期，零序暂态电流的大小与中、R,t有关，在t≥4RC时，零序暂态电流衰减到2%以下，可以认为只有零序基波电流当（D-e时，无过渡过程，只有零序基波电流。
但是，在接地过程中，接地电阻R不是固定不变的。
当R变化时，又开始新的过渡过程cbI。
因此，在单相接地过程中，零序暂态电流有可能时有时无，也可能一直存在。
比较式（2-6）和式（2-7），数学表达式系数C和Cn不同，因此:
（1）两个零序全电流波形相同。
（2）两个零序全电流大小相差i/in=C/Cn倍，接地导线中零序全电流最大。
（3）若接地导线中零序全电流从线路流向母线，则非接地导线中零序。
根据以上特征，可以利用零序全电流的大小和方向进行故障选线。
为了提高选线的准确率，微机选线装置在采集电流信号时必须注意以下
几点:
（1）所有线路必须在同一周期内完成采样。
（2）采样点数尽量多。
（3）各线路对应采样点的采样时间相同。
（4）采用集散式并行处理技术准确测量各采样点的量值。
利用零序电流来判断供电单元是否发生了漏电，同时，利用各支路的零序电流与零序电压的相位关系来判断故障支路，而后动作，有选择的切除故障支路的电源，这种保护方案就称为基于零序电流方向原理的漏电保护方案。
当电网中某支路发生漏电故障或人身触电事故时，由采样电路从电网中取出零序电流信号，经滤波整形后，由比较处理芯片来判别故障支路，最后启动执行电路，切断故障支路的电源，从而实现了有选择性的漏电保护。
图2-3为发生单相漏电故障零序等效网络。
图2-3单相漏电故障零序等效网络
其中，r和c分别为线路Ll,L2,L3和总馈电开关处线路的每项绝缘电阻和对地电容，用集中参数表示;R。
为漏电故障点过渡电阻，设故障发生在电网A相，并设漏电故障时电网的零序电压为U，规定电流从母线指向线路为正方向。
则由图可得到流过非故障支路L1,L2、总自动馈电开关处线路首端的零序电流分别为
3I01=U0（
01）=Ir01+Ic01（2—8）
3I02=U0（
02）=Ir02+Ic02（2—9）
3I03=U0（
03）=Ir03+Ic03（2—10）
而通过故障支路L3首端的零序电流则为
=-U0
（2-11）
式中
为全电网一相对地电容之和；
=
=
观察式（2-8）一（2-11）与图2-2可知，流过故障支路L3首端的零序电流分两部分:
非故障支路绝缘电阻产生的有功电流之和-Ir，其相位与零序电压差180°；非故障支路零序电容电流之和一（Ic01I+Ic02+Ic04）,相位滞后于零序电压90°。
而流过非故障支路首端的零序电流也包括两部分:
本支路绝缘电阻产生的有功电流，与零序电压同相位;本支路对地电容产生的容性电流，相位超前零序电压900。
由于故障支路和非故障支路的零序无功电流分量相反，因此可利用此特点来实现选择性漏电保护。
该方法是基于故障线路零序电流与非故障线路零序电流方向相反的特点，区分出故障和非故障线路，从而构成有选择性的保护。
此法在故障点离互感器较远且线路很短时，零序电压、零序电流均较小会产生“时针效应”，使相位判断困难而且受电流互感器不平衡电流、过渡电阻大小、继电器工作死区及系统运行方式的影响，容易发生误判。
并且不能适应谐振接地时完全补偿、过补偿运行方式，检测可靠性受接地电弧不稳定的影响。
2.2.3附加直流电源检测法
本设计通过附加直流电源原理检测漏电动作值。
附加直流电源检测的保护原理如图2-4所示。
漏电闭锁保护单元由直流检测电源、直流检测回路、信号取样回路、控制执行回路等几部分组成。
由于磁力起动器负荷侧线路直接与异步电动机相连，对于直流检测电流来讲，电动机的三相绕组相当于把三相电网连接在一起了。
因此，直流检测回路只需要与电网的一相相连接，即可检测三相电网和电动机定子绕组对地的绝缘状况。
图2-4附加直流源检测原理图
在PM处的直流检测信号为
（2-12）
式中RPM为电位器电阻，KΩ;
RP为RARBRC的并联值，KΩ。
∑Ri为检测回路除电网对地绝缘电阻之外的所有电阻之和，KQ。
系统确定后，除∑Ri。
为定值，不随电网绝缘电阻的波动而变化。
由此可见，Us会随Rp下降线性增长，当Us大于门槛电压时，由中央处理单元发出漏电闭锁信号，断开电动机起动控制回路，达到漏电闭锁目的。
由此可见当检测电压恒定时，该系统的漏电动作值是非常稳定的。
高压硅堆是为防止电动机的反电势串入检测电路而设计的，主回路跳闸后电动机转子由于惯性继续旋转产生电动势，高压硅堆可防止该电动势窜入检测回路损坏其它元器件。
控制回路由单片机软件来闭锁磁力起动器的起动，当检测到发生漏电后，置软件标志位，断开磁力起动器的起动回路，使接触器无法合闸L叫。
从而完成漏电闭锁的护功能。
附加直流电压和电流的确定，应从以下三方面考虑。
1.电阻与外加测量电压之间的关系
电网电压等级不同，需要施加不同的直流电压才能反映其真实的绝缘状况。
以6kV电网为例，其绝缘电阻与附加直流电压之间的测试数据如表2-1所示，用这种方法测得的电网对地绝缘电阻称为直流电阻。
而采用交流方法测得的绝缘电阻则称为交流电阻。
大量的实测数据表明，绝缘的直流电阻和交流电阻差别很大，前者比后者大许多倍。
由于人身触电或单相接地的电流值主要取决于电网对地的交流阻抗大小，因此从表中可看出随着附加直流电压的升高，所测的直流绝缘电阻也越接近实际值。
表2-1直流绝缘电阻R与附加直流电压U的变化关系
U（V）
20
36
52
82
120
177.5
235
R（Ω）
1000
800
742.8
672.1
571
522
489.5
2.检测回路的本安特性
（1）合闸前，如电网存在漏电或单相接地故障，直流检测回路所产生的
电火花不应引起瓦斯和煤尘爆炸。
（2）由于附加直流电源的存在，电网对地电容总是充满电的，在发生单相接地或漏电故障时，放电火花能量应小于引起瓦斯或煤尘爆炸所需的最小能量。
3.检测电压与人身安全的关系
电网停电后，工人可能进行电气设备的维修工作，如果直流检测电压过高，一旦人身接触，便可能发生触电危险。
因此，检测电压不宜过高。
本着以上几条原则，根据爆炸环境电气设备“本质安全性电路和电气设备”规程，有关矿用I类电气设备对电容性电路的规定，电容量C和最小点燃电压U曲线，可得1.5μF电容量最小点燃电压为100V，若安全系数按2.5折算，所设计的直流工作电压为100/2.5=40V。
利用三相调压器，测试75%UN、UN、115%UN时的电压值如表2-2所示。
表2-2不同电压下漏电信号的测试值
U~/V
UA/V
UB/V
UC/
UD/
UE/
42
46.1
41.4
16.1
24.1
40.2
50
54.8
48.2
16.2
24.2
40.4
55
60.2
52.2
16.2
24.2
40.4
从上述表中的数据分析可知，当电网电压在75%UN-115%UN内波动时，直流检测电压40V比较稳定的。
此外，还要考虑到直流检测电流也不宜过大，当发生电网单相接地时，直流检测回路电流为：
I=U/∑Ri=40V/43.6KΩ=0.91mA（2-13）
式中∑Ri为附加直流检测系统内部回路电阻由图2-5可得，
∑Ri=R2+RPM=43.6KΩ
所以接地电流仅为0.91mA，满足本回路的要求。
漏电闭锁动作电阻值是根据漏电动作值确定的，而漏电动作值的确定是一保证人身触电的安全性为前提的。
在如图2-5所示的电网中，假设：
ra=rb=rc=r，根据安全规程规定，我国煤矿井下人身触电安全电流值为30mA。
在不考虑电网电容的情况下，流过的人体电流为：
（2-14）
式中，Ih为流过人体的电流，U为电网相电压，r为电网没相对地漏电电阻（三相对称），Rh为人体电阻，取1KΩ。
图2-4人身触电电流计算图
Figure2一5Countchartofpersongetanelectricshockcurrent
在6kV供电电压下，流过人体电流按30mA计算，便可确定出允许的电网最低漏电电阻值为
rmin=3U/Ih=600kΩ（2-15）
考虑到三相电网的漏电阻对直流而言为并联通路，则漏电动作电阻值
Rse=rmin/3=200kΩ（2-16）
实际采用200k0，从而得漏电闭锁的动作电阻值为400kΩ。
该系统适用于6kV电压等级的电网，它是通过在程序中设置不同的比较值来实现的。
系统试验:
依据附加直流电源检测的保护原理及所设计的直流电源，当电网电压为6kV时，而对地电容分别为0.1υF和1υF时，可测得UL.与漏电电阻RL的对应值如表2-3,2-4所示
表2-3对地电容C=0.1μF，UL与RL的对应值
RL/KΩ
UL/V
RL/KΩ
UL/V
0
4.8
120
1.173
20
3.18
270
0.625
40
2.37
680
0.266
80
1.573
1000
0.181
表2-4对地电容C=1μF，UL与RL的对应值
RL/KΩ
UL/V
RL/KΩ
UL/V
0
4.81
120
1.174
20
3.17
270
0.624
40
2.37
680
0.265
80
1.574
1000
0.182
上表的测试数据可见:
（1）电网对地电容对附加直流检测没有影响，即它不会影响漏电闭锁动作电阻值。
（2）可用U的高低来间接反映电网的绝缘水平。
由漏电闭锁电阻值R,=400kQ，可得出漏电闭锁门槛电压U,=23.7V。
将人为加设的滑线变阻器的阻值慢慢下降时，系统即模拟电网发生漏电故障，显示屏显示“06”，即第六号供电单元发生漏电。
试验结果如表2-5所示:
2-5不同电压下漏电闭锁测试值
电压/V
单相闭锁电阻值
单相解锁电阻值
要求值
KΩ
测试值
KΩ
要求值
KΩ
测试值
KΩ
0.75UN
≤400+8
420
＜600
420.5
UN
≤400+8
420.4
＜600
430
1.15UN
≤400+8
420.8
＜600
430.6
表中数据为10次测量平均值，由测试值可以看出闭锁电阻值符合标准规定。
2.2.4群体比幅比相法
该方法是先对零序电流进行比较，选出几个幅值较大的作为候选（希望通过选大的电流来避免然后在此基础上进行相位比较，“时针效应”，但实际上不能完全避免），选出方向与其它不同的，即为故障选线。
该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除电流互感器不平衡电流及过渡电阻大小的影响。
2.2.5零序功率方向法
零序功率方向保护原理利用故障线路零序电流滞后零序电压900
非故障线路零序电流超前零序电压90。
的特点来实现的。
目前采用这一
原理实现故障选线的装置在实际电网中应用较多，但对中性点经消弧线
圈接地的系统该原理失效。
2.2.6五次谐波分量法
检测五次谐波大小和方向的方法基于以下理论:
由于故障点、线路设备非线性影响，故障电流中存在着谐波信号，根据谐波在整个系统内的分布和保护的要求，使用五次谐波分量为益。
由于消弧线圈是按照基波整定的，即有L≈1/C，所以5L>1/5C，即消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅相当于工频时的1/25，可忽略它对五次谐波产生的补偿效果。
因此可根据故障线路的五次谐波电流比非故障线路的都大，且方向相反的特点达到选线目的。
该方法的缺点是五次谐波含量较小（小于故障电流的10%），且在有间歇性电弧现象时不稳定。
2.2.7各次谐波平方和法
各次谐波平方和法是先将零序故障电流中的3,5,7等谐波分量求和，然后比较各条线路电流幅值的大小，选出幅值最大的即为接地线路。
该法虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，却不能从根本上解决问题，因为负荷中的五次谐波源、电流互感器中不平衡电流和过渡电阻的大小，均会影响选线精度。
2.2.8首半波法
首半波原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设，它利用故障线路暂态零序电流和电压初始阶段极性有一段时间相反的特点实现选线。
但故障发生在相电压过零值附近时首半波电流的暂态分量值很小，所以该原理不能反映相电压较低时的接地故障。
且受接地过渡电阻影响较大同时也存在工作死区。
2.2.9小波分析法
小波分析可对信号进行精确分析，特别是对暂态突变信号和微弱信号的变化较敏感，能可靠地提取故障特征。
根据小波变换的模极大值理论可知，出现故障和噪声会导致信号奇异，而小波变换的模极大值点对应着采样数据的奇异点，由于噪声的模极大值随着尺度的增加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，即可忽略噪声影响得到较理想的暂态短路信号，小波变换是把一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值包络线高于非故障线路的，且其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就能构造出利用暂态信号的选线判据。
2.2.10拉路法
小电流接地系统发生单相接地故障时，继电保护装置发出报警信号，此时断路器不跳闸。
值班人员听到报警信号后，逐次断开各线路的断路器，当断开某一线路时，若报警信号不消失，则表明该线路不是故障线路，立即合上断路器，恢复供电;若报警信号消失，则该线路即为故障线路。
此方法的缺点是故障后需短时停电才能确定故障支路，与小电流接地系统供电可靠性高的优点相违背。
2.2.11注入信号寻迹法
利用单相接地时原边被短接、暂时处于不工作状态的故障相电压互感器向接地线路注入一个特定的电流信号（不同于故障时线路中己有的信号特征），由于注入信号会沿着接地线路经接地点注入大地，用信号电流探测器在开关柜后对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线路即故障线路。
该方法利用处于不同工作状态的接地相电压互感器TV注入信号，不增加一次设备，不影响系统运行，但注入信号的强度受电压互感器容量限制，接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流，给选线和定点带来干扰;如果接地点存在间歇性电弧现象，注入的信号在线路中将不连续且会破坏信号特征，给检测带来困难。
2.2.12注入变频信号法
对“注入信号寻迹法”高阻接地时存在的问题，应用注入变频信号法可较好地解决。
其原理是考虑故障后位移电压大小的不同，选择是向消弧线圈电压互感器副边注入谐振频率恒流信号，还是向故障相电压互感器副边注入频率为70Hz的恒流信号，然后监视各出线上注入信号产生的零序电流相角、阻尼率的变化，比较各出线阻尼率的大小，再计及线路受潮及绝缘老化等因素可选出故障线路。
但当接地电阻较小时，信号电流大部分都经故障线路流通，导致非故障线路上阻尼率误差较大。
2.2.13基于模式识别的选线方法
其原理是将故障后各线路的零序电流看成某类故障的一个模式，通过神经网络对样本的训练与学习判断此故障模式所属类别选线。
此方法本质上是对信息的并行处理，具有较强的自适应性和容错性，比传统的群体比幅比相的选线方法更为有效，即有更高的精度。
但此种理论仍不成熟，实现困难，有待进一步研究。
目前随配电自动化技术的发展，为选线技术提出了新的要求，需要研究基于就地测量量的保护方法。
现场运行表明:
上述方法都或多或少的存在一定的局限性，如:
（1）单相接地时，接地电容电流的暂态分量往往较其到几十倍，若提取暂态信号中的特征分量则有望显著提高选线精度。
（2）目前，在能获得零序电流情况下的选线理论是比较完善的，但我国电力系统中只装设两相CT的架空出线的数量很大，在许多情况下难于获得零序电流，多数选线方法失效。
虽然负序电流选线可以发挥效应，但这种方法会受到不对称负荷和单相冲击负荷的影响。
所以对只有两相装CT的出线适用的选线原理还有待于进一步研究。
（3）近年来，利用各种故障信息，把各种保护综合起来考虑的方法，如信息融合技术等正在引起人们的关注，这些研究刚刚起步，占主导的仍是最基本的故障选线方法。
2.2.14零序有功功率法
电网的线路及消弧线圈对地有电导，故障电流中含有有功分量，非故障线路和消弧线圈产生的有功分量方向相同且都经过故障点返回，因此
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