CN106093668A - 一种配电网故障模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种配电网故障模拟装置，包括用于模拟配电网的供电线路、控制模块、分别与控制模块连接的参数设置模块、过零时刻获取模块和故障模拟模块，过零时刻获取模块与供电线路连接，故障模拟模块用于使供电线路发生故障。本发明还提供一种配电网故障模拟方法。本发明能够精确地实现故障相角控制，从而实现在任意故障相角下进行配电网故障模拟，且可实现任意故障相角重复试验，故障模拟结果准确可信，同时本发明能够模拟短路故障、短路故障和接地故障，且接地故障能够模拟多种电阻性接地和孤光接地故障，从而实现配电网故障模拟的一体化。
Description
技术领域
本发明涉及一种配电网故障模拟装置及方法。
背景技术
在实际配电网上由于运行安全稳定的要求一般难以进行故障实验来研究保护设备的性能，搭建模拟配电网的供电线路来进行故障模拟实验是进行配电网保护研究和保护设备测试的有效途径。
配电网的故障是随机而不可控的，因此对配电网保护的研究往往需要大量不同位置不同类型的故障研究才能较好把握配电网故障特点，其中电压的故障相角是电气故障很重要的参数，不同故障相角对电气设备产生的冲击是不同的，但由于在不同故障相角下模拟配电网故障比较困难，所以现有配电网故障模拟的研究中，均是在未考虑故障相角的情况下进行的，导致配单网保护研究和保护设备的测试均存在一定的缺陷；另一方面短路、断路及接地故障均是配电网常见的故障，在故障模拟实验中这些故障的模拟必不可少，而对于接地故障而言，接地位置的不同会造成不同类型的接地故障，其中弧光接地是比较严重的故障，设计能够集模拟多种故障为一体、根据需要在设定的故障相角下模拟相应的故障的装置均是存在困难的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种可在任意设定的故障相角下模拟短路、断路和接地故障的配电网故障模拟装置及方法。
本发明通过以下技术方案实现：
一种配电网故障模拟装置，包括用于模拟配电网的供电线路，还包括控制模块、分别与控制模块连接的参数设置模块、过零时刻获取模块和故障模拟模块，过零时刻获取模块与供电线路连接用于获取供电线路电压当前的过零时刻并反馈至控制模块，故障模拟模块与供电线路连接用于使供电线路发生故障，参数设置模块用于向控制模块输入设定的供电线路电压的故障相角，控制模块可根据故障相角和当前的过零时刻计算动作时刻，并根据动作时刻控制故障模拟模块动作，使供电线路在设定故障相角下发生故障。
进一步的，所述过零时刻获取模块包括电压转换电路和过零比较电路，电压转换电路与所述供电线路连接用于采集供电线路电压并对采集的电压进行降压处理，过零比较电路分别与所述控制模块和电压转换电路连接，用于对降压处理后的电压信号进行过零比较，获取供电线路电压的过零时刻并反馈至所述控制模块。
进一步的，所述故障模拟模块包括从所述供电线路引出至接地的接地电阻故障电路和从所述供电线路引出至接地的电弧生成电路，接地电阻故障电路包括可调电阻、用于控制可调电阻投入不同阻值的第一开关和位于可调电阻输入侧用于导通或断开接地电阻故障电路的第二开关，电弧生成电路包括电弧触发装置和位于电弧触发装置的输入侧用于导通或断开电弧生成电路的第三开关，第一、第二、第三开关和电弧触发装置均与所述控制模块连接。
进一步的，所述故障模拟模块还包括连接在电弧生成电路与接地电阻故障电路之间的关联线路，关联线路一端连接在可调电阻与第二开关之间，另一端连接在电弧触发装置与第三开关之间。
进一步的，所述供电线路上设置有位于接地电阻故障电路引出点与电弧生成电路引出点之间的第四开关，第四开关与所述控制模块连接。
进一步的，所述第一开关为接触器，第二、第三、第四开关为双向晶闸管。
进一步的，所述电弧触发装置包括底座、固定设置在底座上的第一支柱、可相对第一支柱移动地设置在底座上的第二支柱、分别设置在第一、第二支柱上的第一、第二放电尖端和通过传动机构连接驱动第二支柱移动的电机，第一、第二放电尖端中的一方与所述供电线路连接，另一方接地，电机与所述控制模块连接。
进一步的，所述故障包括短路、断路或者接地故障。
进一步的，所述电压转换电路还与控制模块连接，用于将供电线路的电压反馈至控制模块。
本发明还通过以下技术方案实现：
一种配电网故障模拟方法，包括以下步骤：
A、设定故障发生时供电线路电压的故障相角θ；
B、采集供电线路电压信号并将该电压信号进行降压处理；
C、对降压处理后的电压信号进行过零比较，获得电压当前的过零时刻t1；
D、根据公式计算设定的故障相角θ对应的时间延迟t2，其中，fz为供电线路频率；
E、将时间延迟t2叠加至当前的过零时刻t1，即可得到动作时刻t＝t1+t2；
F、在动作时刻t到来时，控制相应开关动作，使电线路在故障相角为θ时发生短路、断路和接地故障。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明能够精确地实现故障相角控制，从而实现在任意故障相角下进行配电网故障模拟，且可实现任意故障相角重复试验，故障模拟结果准确可信。
2、本发明能够模拟短路故障、短路故障和接地故障，且接地故障能够模拟多种电阻性接地和孤光接地故障，从而实现配电网故障模拟的一体化。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明装置的原理框图。
图2为本发明故障模拟模块的电路图。
图3为本发明电弧生成电路的结构示意图。
具体实施方式
如图1至图3所示，配电网故障模拟装置包括用于模拟配电网的供电线路1、控制模块2、分别与控制模块2连接的参数设置模块3、过零时刻获取模块4、故障模拟模块5和为各模块供电的电源模块，过零时刻获取模块4与供电线路1连接用于获取供电线路1当前的过零时刻并反馈至控制模块2，故障模拟模块5与供电线路1连接用于使供电线路1发生短路、断路或者接地故障，参数设置模块3用于向控制模块2输入设定的供电线路1电压的故障相角，故障相角定义为当供电线路1发生故障时，供电线路1电压的瞬时相位，控制模块2可根据故障相角和当前的过零时刻计算动作时刻，并根据动作时刻控制故障模拟模块5动作，使供电线路1在设定故障相角下发生短路、断路或者接地故障。
过零时刻获取模块4包括电压转换电路41和过零比较电路42，电压转换电路41分别与供电线路1和控制模块2连接，过零比较电路42分别与电压转换电路41和控制模块2连接，电压转换电路41采集供电线路1的电压后，使用380V/6V的电压互感器将采集的供电线路1的电压降压为适合过零比较电路42的电压后传输至过零比较电路42，并使用380V/3.6V的电压互感器将采集的供电线路1的电压降压后反馈至控制模块2，控制模块2将该电压传输至参数设置模块3，并在参数设置模块3显示出来，过零比较电路42包括依次串接的滤波器、比较器和光耦，滤波器与电压转换电路41连接，光耦与控制模块2连接，滤波器滤除电压转换电路41传输至滤波器的电压中的谐波，比较器将滤波后的正弦信号的电压转化为方波信号，并通过光耦隔离后输入控制模块2。
故障模拟模块5包括从供电线路1引出至接地的接地电阻故障电路51、从供电线路1引出至接地的电弧生成电路52、连接在接地电阻故障电路51与电弧生成电路52之间的关联线路55，接地电阻故障电路51包括可调电阻53、用于控制可调电阻53投入不同阻值的第一开关56和位于可调电阻53输入侧用于导通或断开接地电阻故障电路51的第二开关57，电弧生成电路52包括电弧触发装置54和位于电弧触发装置54的输入侧用于导通或断开电弧生成电路52的第三开关58，关联线路55一端连接在可调电阻53与第二开关57之间，另一端连接在电弧触发装置54与第三开关58之间，在供电线路1上设置有位于接地电阻故障电路51引出点与电弧生成电路52引出点之间的第四开关59，第一开关56、第二开关57、第三开关58、第四开关59、电弧出发装置54均与控制模块2连接，第一开关56为接触器，第二开关57、第三开关58、第四开关59为双向晶闸管。
本实施例中，供电线路1包括A、B、C三相线，第四开关59包括开关K1、K2、K3，第二开关57包括开关K4、K5、K6，第三开关58包括开关K7、K8、K9，可调电阻56阻值为500Ω，输入侧有四个分接头，第一开关56包括分别与四个分接头连接的开关K10、K11、K12、K13，当K10闭合，K11、K12、K13断开时，可调电阻53投入的电阻值最大，为高阻状态，当K11闭合，K10、K12、K13断开时，可调电阻53为中阻状态，当K12闭合，K10、K11、K13断开时，可调电阻53为低阻状态，当K13闭合，K10-K12断开时，可调电阻56未投入电阻值，供电线路1直接接地。
本实施例中，开关K1-K9均为双向晶闸管，K10-K13均为接触器，控制模块2中包括用于触发开关K1-K13的光电耦合器。
电弧出发装置54包括底座541、固定设置在底座541上的第一支柱542、可相对第一支柱542移动地设置在底座541上的第二支柱543、设置在第一支柱542上的第一放电尖端E1、设置在第二支柱543上的第二放电尖端E2和通过传动机构连接驱动第二支柱543移动的电机544，第一放电尖端E1与供电线路1连接，第二放电尖端E2接地，电机544与控制模块2连接，用于第二支柱543移动，以实现不同的拉弧距离和拉弧速度。
参数设置模块3包括与分别与控制模块2连接的人机交互单元31和通信单元32、与通信单元32连接的远程控制单元33，人机交互单元31为触摸屏eview et070，可向控制模块2输入故障相角或者显示供电线路1的实时电压，远程控制单元33为计算机，通过通信单元32与控制模块2实现信息交换，可向控制模块2输入故障相角或者显示供电线路1的实时电压。
配电网故障模拟方法包括如下步骤：
A、设定故障发生时供电线路1电压的故障相角θ，具体为通过人机交互单元31或者远程控制单元33向控制模块2输入故障相角θ；
B、电压转换电路41采集供电线路1电压信号并将该电压信号进行降压处理；
C、过零比较电路42对降压处理后的电压信号进行过零比较，获得电压当前的过零时刻t1，并将该过零时刻t1传输至控制模块2；
D、控制模块2根据公式计算设定的故障相角θ对应的时间延迟t2，其中，fz为供电线路频率；
E、控制模块2将时间延迟t2叠加至当前的过零时刻t1，即可得到动作时刻t＝t1+t2；
F、控制模块2在动作时刻t到来时，控制相应开关动作，模拟供电线路在故障相角为θ时的短路、断路和接地故障，其中，各类故障所对应的开关状态具体如下：
a、短路故障：
a1、两相短路：K1-K3闭合，K4、K5闭合，K6断开，K7-K9断开；
a1、三相短路：K1-K3闭合，K4-K6闭合，K7-K9断开；
b、断路故障：
b1、单相断路：K1、K2闭合，K3断开，K4-K9断开；
b2、两相断路：K1闭合，K2、K3断开，K4-K9断开；
b3、三相断路：K1-K9断开；
b4、单相断路，首端落地：K1、K2闭合，K3断开，K4闭合，K5、K6断开，K7-K9断开，K13闭合，K10-K12断开；
b5、单相断路，末端落地：K1、K2闭合，K3断开，K7闭合，K8、K9断开，K4-K6断开，K13闭合，K10-K12断开；
b6、两相断路，首端落地：K1闭合，K2、K3断开，K4、K5闭合，K6断开，K7-K9断开，K13闭合，K10-K12断开；
b7、两相断路，末端落地：K1闭合，K2、K3断开，K7、K8闭合，K9断开，K4-K6断开，K13闭合，K10-K12断开；
b8、三相断路，首端落地：K1-K3断开，K4-K6闭合，K7-K9断开，K13闭合，K10-K12断开；
b9、三相断路，末端落地：K1-K3断开，K4-K6断开，K7-K9闭合，K13闭合，K10-K12断开；
Cc、接地故障：
Cc1、单相接地：K1-K3闭合，K4闭合，K5、K6断开，K7-K9断开，可调电阻56可选择高阻、中阻、低阻或者直接接地；
Cc2、两相接地：K1-K3闭合，K4、K5闭合，K6断开，K7-K9断开，可调电阻56可选择高阻、中阻、低阻或者直接接地；
Cc3、弧光接地：K1-K3闭合，K4闭合，K5、K6断开，K7-K9断开，电弧生成单元58的放电尖端E1、E2之间有间隙，形成弧光。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种配电网故障模拟装置，包括用于模拟配电网的供电线路，其特征在于：还包括控制模块、分别与控制模块连接的参数设置模块、过零时刻获取模块和故障模拟模块，过零时刻获取模块与供电线路连接用于获取供电线路电压当前的过零时刻并反馈至控制模块，故障模拟模块与供电线路连接用于使供电线路发生故障，参数设置模块用于向控制模块输入设定的供电线路电压的故障相角，控制模块可根据故障相角和当前的过零时刻计算动作时刻，并根据动作时刻控制故障模拟模块动作，使供电线路在设定故障相角下发生故障。
2.根据权利要求1所述的一种配电网故障模拟装置，其特征在于：所述过零时刻获取模块包括电压转换电路和过零比较电路，电压转换电路与所述供电线路连接用于采集供电线路电压并对采集的电压进行降压处理，过零比较电路分别与所述控制模块和电压转换电路连接，用于对降压处理后的电压信号进行过零比较，获取供电线路电压的过零时刻并反馈至所述控制模块。
3.根据权利要求1所述的一种配电网故障模拟装置，其特征在于：所述故障模拟模块包括从所述供电线路引出至接地的接地电阻故障电路和从所述供电线路引出至接地的电弧生成电路，接地电阻故障电路包括可调电阻、用于控制可调电阻投入不同阻值的第一开关和位于可调电阻输入侧用于导通或断开接地电阻故障电路的第二开关，电弧生成电路包括电弧触发装置和位于电弧触发装置的输入侧用于导通或断开电弧生成电路的第三开关，第一、第二、第三开关和电弧触发装置均与所述控制模块连接。
4.根据权利要求3所述的一种配电网故障模拟装置，其特征在于：所述故障模拟模块还包括连接在电弧生成电路与接地电阻故障电路之间的关联线路，关联线路一端连接在可调电阻与第二开关之间，另一端连接在电弧触发装置与第三开关之间。
5.根据权利要求3所述的一种配电网故障模拟装置，其特征在于：所述供电线路上设置有位于接地电阻故障电路引出点与电弧生成电路引出点之间的第四开关，第四开关与所述控制模块连接。
6.根据权利要求5所述的一种配电网故障模拟装置，其特征在于：所述第一开关为接触器，第二、第三、第四开关为双向晶闸管。
7.根据权利要求3或4或5或6所述的一种配电网故障模拟装置，其特征在于：所述电弧触发装置包括底座、固定设置在底座上的第一支柱、可相对第一支柱移动地设置在底座上的第二支柱、分别设置在第一、第二支柱上的第一、第二放电尖端和通过传动机构连接驱动第二支柱移动的电机，第一、第二放电尖端中的一方与所述供电线路连接，另一方接地，电机与所述控制模块连接。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种配电网故障模拟装置，其特征在于：所述故障包括短路、断路或者接地故障。
9.根据权利要求2或3或4或5或6所述的一种配电网故障模拟装置，其特征在于：所述电压转换电路还与控制模块连接，用于将供电线路的电压反馈至控制模块。
10.一种配电网故障模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、设定故障发生时供电线路电压的故障相角θ；
B、采集供电线路电压信号并将该电压信号进行降压处理；
C、对降压处理后的电压信号进行过零比较，获得电压当前的过零时刻t1；
D、根据公式计算设定的故障相角θ对应的时间延迟t2，其中，fz为供电线路频率；
E、将时间延迟t2叠加至当前的过零时刻t1，即可得到动作时刻t＝t1+t2；
F、在动作时刻t到来时，控制相应开关动作，使供电线路在故障相角为θ时发生短路、断路和接地故障。
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