CN106251748A - 一种电力系统故障模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力系统故障模拟装置，包括发电机系统故障模块、输电系统故障模块和变电系统故障模块，发电机系统故障模块包括模拟发电机过压保护实验模块和模拟发电机输出功率的调节实验模块；输电系统故障模块包括模拟电力系统并联与短路实验模块、模拟配电网自动化实验模块和模拟电力系统组成实验模块；变电系统故障模块包括模拟变压器的差动保护实验模块和模拟变压器的低电压启动的过电流过电压实验模块。本发明为电力系统安全生产领域内的新技术、新产品、新装备，该电力系统故障模拟装置对科研人员、专业技术人员、现场高级技师对电力系统过程中可能出现的故障，故障的产生、故障的现象、故障的处理都有很大的现实指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力系统故障模拟装置。
背景技术
随着经济的发展和电力需求的增长，电力系统的规模不断扩大和结构日趋复杂，电力系统运行的安全可靠性越来越受到人们的高度重视。近年来，电力系统由于局部故障而造成大面积停电故障的情况时有发生，通过对这些电力系统停电事故的统计发现，这些停电事故多由连锁故障引起。电力系统连锁故障严重影响电力系统的安全运行和可靠供电，造成的经济损失和社会影响巨大，因此构建合理的模拟电力系统故障模型，研究解决故障方法，为降低电力系统故障发生的概率及影响范围提供可靠依据具有十分重要的意义。
发明内容
为了研究并解决以上电力故障问题，本发明提供一种电力系统故障模拟装置，用以模拟各种电力系统可能出现的故障并提供解决电路。
本发明的一种电力系统故障模拟装置，包括发电机系统故障模块、输电系统故障模块和变电系统故障模块，
所述发电机系统故障模块包括DZA故障模块和DZB故障模块，所述DZA故障模块为模拟发电机过压保护实验模块，所述DZB故障模块为模拟发电机输出功率的调节实验模块；
所述输电系统故障模块包括DZC故障模块、DZD故障模块和DZE故障模块，所述DZC故障模块为模拟电力系统并联与短路实验模块，所述DZD故障模块为模拟配电网自动化实验模块，所述DZE故障模块为模拟电力系统组成实验模块；
所述变电系统故障模块包括DZF故障模块和DZG故障模块，所述DZF故障模块为模拟变压器的差动保护实验模块，所述DZG故障模块为模拟变压器的低电压启动的过电流过电压实验模块。
进一步的，所述DZA故障模块包括过压电路和电压调节电路，所述过压电路模拟过压状态后，通过电压调节电路的控制调节断开过压电路，排除过压故障，完成过电压保护。
进一步的，所述DZB故障模块包括发电电路和功率调节电路，所述发电电路用于控制发电机和变压器的运行，所述功率调节电路模拟功率的增加，当功率增加至过功率状态，并联高压电容提高功率因素而降低功率状态，完成输出功率的调节，排除故障。
进一步的，所述DZC故障模块包括系统并联电路和系统短路电路，所述系统并联电路用于并联多个用电器和输电线，所述系统短路电路用于模拟短路状态，在短路回路中连入时间继电器和电压接触器，在短路状态中控制短路故障，断开系统，保护电路。
进一步的，所述DZD故障模块采用馈线自动化实现配电网的自动化供电，使用重合器和设置在重合器之间的若干时间型分段器，模拟在两个时间分段器之间短路故障，通过馈线自动化调整而排除故障。
进一步的，所述DZE故障模块包括电力发电电路和输电电路，并模拟发电故障状况和输电短路故障状况，通过在电路中装设断路器，在故障状况下再通过与继电保护的配合，排除故障。
进一步的，所述DZF故障模块包括变压器电路、差动保护电路和时间控制电路，所述差动保护电路模拟因变压器绕组及引出线的相间短路引发电流增大，超过差动变压器预设值后通过时间控制电路切断变压器电路保护变压器。
进一步的，所述DZG故障模块包括低电压启动过电流电路、低电压启动过电压电路和调节保护电路，所述低电压启动过电流电路、低电压启动过电压电路分别模拟过电流状态和过电压状态，当发生过电流或过电压时通过调节保护电路进而切断电路，保护变压器。
本发明的一种电力系统故障模拟装置为电力系统安全生产领域内的新技术、新产品、新装备，该电力系统故障模拟装置对科研人员、专业技术人员、现场高级技师对电力系统过程中可能出现的故障，故障的产生、故障的现象、故障的处理都有很大的现实指导意义。
附图说明
图1为本发明中DZA故障模块的实验电路结构图；
图2为本发明中DZB故障模块的实验电路结构图；
图3为本发明中DZC故障模块的实验电路结构图；
图4为本发明中DZD故障模块的模拟环形馈线自动化接线图；
图5为本发明中DZD故障模块的模拟环形结构开环运行接线图组；
图6为本发明中DZD故障模块的馈线自动化重故障的隔离与恢复接线图组；
图7为本发明中DZD故障模块的实验电路结构图一；
图8为本发明中DZD故障模块的实验电路结构图二；
图9为本发明中DZE故障模块的简单电力系统组成图；
图10为本发明中DZE故障模块的实验电路结构图；
图11为本发明中DZF故障模块的实验电路结构图；
图12为本发明中DZG故障模块的实验电路结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例的一种电力系统故障模拟装置，包括发电机系统故障模块、输电系统故障模块和变电系统故障模块，
所述发电机系统故障模块包括DZA故障模块和DZB故障模块，DZA故障模块为模拟发电机过压保护实验模块，DZB故障模块为模拟发电机输出功率的调节实验模块；
输电系统故障模块包括DZC故障模块、DZD故障模块和DZE故障模块，DZC故障模块为模拟电力系统并联与短路实验模块，DZD故障模块为模拟配电网自动化实验模块，DZE故障模块为模拟电力系统组成实验模块；
变电系统故障模块包括DZF故障模块和DZG故障模块，DZF故障模块为模拟变压器的差动保护实验模块，DZG故障模块为模拟变压器的低电压启动的过电流过电压实验模块。
如图1所示，DZA故障模块包括过压电路和电压调节电路，所述过压电路模拟过压状态后，通过电压调节电路的控制调节断开过压电路，排除过压故障，完成过电压保护。
具体实施方法为：
1)通以220V电压，闭合开关A-K1，指示灯A-DX1亮，电压表V指示电压220V，表示发电机已发电；
2)闭合同步联动开关A-KDL，1、3和2、4均接通，指示灯A-DL亮，工作正常；
3)电压继电器A-UL设定在220V，调节可调交流电压源V/N输出超过设定值，表示发电机输出电压为发电机过电压，A-UL吸上并输出一个信号使UL触点接通，时间继电器A-SJ通电延时(如延时设定在10秒)，表示发电机输出电压过高需调整发电机输出电压，如在10秒调整回到正常电压，A-UL释放，A-UL触点1、3断开，A-SJ断电释放，恢复正常；如过了10秒，发电机输出电压仍为过电压，A-SJ触点1、3接通，交流接触器A-KM吸上，A-KM常闭触点1、2断开，A-DL灭，A-KM常闭触点13、14断开，表示发电机因过电压故障未消除，V/N不再输出电压。
如图2所示，DZB故障模块包括发电电路和功率调节电路，所述发电电路用于控制发电机和变压器的运行，所述功率调节电路模拟功率的增加，当功率增加至过功率状态，并联高压电容提高功率因素而降低功率状态，完成输出功率的调节，排除故障。
具体实施方法为：
1)合上开关B-K1，变压器指示灯亮，电压表V指示220V，表示发电机已发电；
2)合上开关B-K2，系统指示灯亮，时间继电器B-SJ延时后并网指示灯亮，表示B-系统投入运行，有功功率表有显示功率；
3)分别合上B-KP1，B-KP2，有功功率表显示功率逐步增加，表示发电机随着用户用电量增加而增加了发电量；再合上B-KP3，功率继续增加，这时电压表显示220V会下降，表示用户用电量超过发电机发电容量，出现过功率情况；
4)功率因素表COSΦ表显示功率因素较低(例0.3左右)，合上开关B-KC1时，交流接触器吸合，电容2μF并接到输出功率端，功率因素提高；
5)再继续合上开关B-KC2，B-KC3，B-KC4，功率因数逐步提高，说明原发电机系统输出是感性负载为主，改善功率因数通常采用并上高压电容。
如图3所示，DZC故障模块包括系统并联电路和系统短路电路，所述系统并联电路用于并联多个用电器和输电线，所述系统短路电路用于模拟短路状态，在短路回路中连入时间继电器和电压接触器，在短路状态中控制短路故障，断开系统，保护电路。
具体实施方法为：
1)开关C-K1闭合，指示灯C-DX1(红色)灯亮，表示发电机投入运行；
2)开关C-MK闭合，电压表V指示电压，指示灯C-DX2灯(红色)亮，表示变压器投入运行；
3)开关C-KDL3闭合，指示灯C-DL3(绿色)灯亮，表示总输电线投入，同时接触器C-KM2吸上；
4)开关C-KDL1闭合，指示灯C-DL1、C-DL2(绿色)灯亮，表示第一输电线投入；同时接触器C-KM2吸上；
5)开关C-K2闭合，接触器C-KM3吸上，系统灯亮，指示灯C-DL1`、C-DL2`(绿色)灯亮，表示第二输电线投入；
6)开关C-KDL2闭合，第一输电线、第二输电线并联；
7)开关C-DK1闭合，表示一相短路，观察电压表、电流表读数，并与正常情况比较(电流表指示加大)；
8)C-DK2闭合，表示二相短路，观察电压表、电流表读数，并与正常情况比较(电流表指示继续加大)；
9)C-DK3闭合，表示三相短路，观察电压表、电流表读数，并与正常情况比较；C-DK3闭合时，时间继电器C-SJ投入(电流表读数再加大，电压表读数降低)；
10)时间继电器延时若干秒后动作，接触器C-KM4吸上，C-KM1、C-KM2释放，自动断开短路(表示故障未切除，自动断开系统)。
以上图3中有两个C-KM3触点和两个C-KM4触点，表示接触器C-KM3同时控制两个C-KM3触点，接触器C-KM4同时控制两个C-KM4触点。
如图4-8所示，DZD故障模块采用馈线自动化实现配电网的自动化供电，使用重合器和设置在重合器之间的若干时间型分段器，模拟在两个时间分段器之间短路故障，通过馈线自动化调整而排除故障。
馈线自动化是监视馈线的远方运行方式，当故障发生后，及时准确的确定故障区段，迅速隔离故障区段并恢复健全区供电。
具体实施方法为：
1)模拟手拉手环形馈线自动化接线图，如图4所示；
实施时重合器C、D整定为一慢一快，即第一重合时间为15s，第二次重合时间为5s。E、F、H采用电压-时间型分段器，并且设置在第一套功能，它们的x时限均整定为7s，y时限均整定为5s；G亦采用电压-时间型分段器，但设置在第二套功能，其x时限整定为45s，y时限整定为5s；
2)模拟环形结构开环运行的接线图，如图5所示；
正常运行，依次合上开关k、k’、k1、k2、k3、k4，指示灯灯亮，在开关G处分段为1区和2区，观察分段运行情况；合上开关dk，在2区模拟短路故障；
在2区发生永久性故障后，重合器C跳闸，导致联络开关左侧线路失压，造成分段器E分闸，并起动分段器G的x计数器；事故跳闸15s后，重合器C第一次重合，又经过7s的x时限后，分段器E自动合闸，此时由于2区存在永久性故障，再次导致重合器C跳闸，从而线路失压，造成分段器E均分闸，由于分段器E合闸后未达到y时限(5s)就又失压，该分段器将被闭锁；又经过5s，重合器C进行第二次重合，由于分段器E因闭锁保持分闸状态，将电供至1区；自动的将故障定位并进行隔离。
3)观察馈线自动化重故障的隔离与恢复(指示灯变化)，如图6所示；
在重合器A第一次跳闸后，经过45s的x时限后，分段器G自动合闸，此时由于2段存在永久性故障，导致联络开关右侧的线路的重合器D跳闸，从而右侧线路失压，造成其上所有的分段器均分闸，由于分段器G合闸后未达到y时限(5s)就又失压，该分段器将被闭锁；联络开关以及右侧的分段器和重合器又依顺序合闸，而分段器G因闭锁保持分闸状态，从而隔离了故障2区段，恢复了健全区段供电。
上述馈电自动化电路结构图如图7、图8所示，具体实施方法为：
1)合上开关D-K，D-K`，D-K1，D-K2，D-K3，D-K4，断开D-DK，指示灯D-TB1，D-TB2，D-C，D-E，D-D，D-F，D-H亮
2)合上开关D-K5，灯D-G亮，这时灯D-C、D-E、D-D、D-F、D-H、D-G全部亮，表示1区，2区，3区，4区，5区工作正常
3)断开开关D-K5，D-G灯灭，表示1区，2区与3区，4区，5区区分开
4)D-DK合上，D-KM1通电吸合，同时D-SJ1通电延时，D-SJ1延时设定为10S
5)D-SJ1延时10S，常开触点通，D-SJ2通电延时，D-SJ2延时设定为10S
6)D-SJ2延时10S后D-KM2通电吸合，D-SJ3通电延时，D-SJ3延时设定为10S，这时，D-C，D-E灯灭
7)D-SJ3过10S，D-C灯亮，但D-E灯仍灭，表示2区段发生故障
8)另一方面D-DK合上时，D-KM0吸合，D-KM0常开触点3，2通，D-SJ4通电延时，这时D-SJ4延时设定为45S(D-SJ4延时时间应大于D-SJ1+D-SJ2+D-SJ3延时时间总和)
9)D-SJ4延时45S后D-KM5吸合，D-KM5常开触点5，6通，D-G灯亮，表示D-G进行重合闸
10)D-KM5吸合，D-KM5常开触点3，2通，D-SJ5通电延时，通电延时设置2S，过了延时2S后，D-KM3吸合，D-KM3常闭触点3，4与6，7断开，灯D-D，D-F，D-H，D-G全灭，表示重合闸失败，故障区2不能恢复，应视为永久性故障。
11)D-KM3吸合，常开触点3，2通，D-SJ6通电延时，通电延时设置5S，过5S后，D-SJ6常开1，3通。D-KM4吸合D-KM4常闭触点6，7断开，使D-KM5释放，D-KM5释放使常开触点3，2断开，D-KM3释放，D-KM3释放，使D-KM3常闭触点3，4与6，7通，灯D-C，D-D，D-F，D-H亮，恢复了1区，3区，4区，5区健全区工作，隔离故障区2
12)合上开关D-K5，灯4亮，表示2区外其他区段均正常
如图9所示，电力系统是由发电、输电、变电和用户组成的系统。DZE故障模块包括电力发电电路和输电电路及变电电路，发电机发电后经升压变压器成高压输电。输电至目的地，经变压器降压至10KV进变电所，变电所再经变压器降压为380V向用户供电。发电部分产生的故障情况，输电部分产生短路故障情况以及故障发生后采用馈线自动化隔离故障区段恢复健全区供电前面已有所述。后面变电部分故障系统在下面所述，不再重复。该模块通过实验可理解电力系统的基本组成。
发电机是由固定部分(定子)和旋转部分(转子)组成，是产生电能的设备。一般情况下，要由原动机拖动发电机旋转起来，在水电厂是水轮机，火电厂是汽轮机，在此实验系统中采用电动机拖运；再给发电机加上励磁，发电机的电压就建立起来了。
一般的发电机远离城市和居住区，因此就需要一套输电系统把发电机发出的电能送到用户中去，但是发电机出口电压通常是10KV，如果采用这个电等级进行传输，不仅输电线上的损耗增大，而且需要的导线截面积大，这样会造成巨大的浪费，因此通常采用高压输电系统进行电能传输。
变电所是变换电压的主要场所，通常分升压变电所和降压变电所。变电所主要设备是变压器，通常情况下在发电机的出口需要升压变压器将电压升高，进行高压输电，而在负荷中心需要将电压降低供给用户。
为了使电力系统运行更加灵活，需要在系统中装设断路器，在正常情况下进行投切，在故障情况下与继电保护配合排除故障。
图10模拟电力系统的组成操作步骤，具体实施方法为：
1)E-K1闭合，E-DX1(红色)灯亮，表示发电机投入运行；
2)E-MK闭合，电压表V指示电压，E-TB1灯(红色)亮，表示变压器1(升压变压器)投入运行；
3)E-KDL3闭合，E-DL3(绿色)灯亮，表示总输电线投入；
4)E-KDL1、E-KDL2闭合，E-DL1(绿色)、E-DL2(绿色)灯亮，表示第一输电线投入；E-KDL2闭合时接触器E-KM1吸上，变压器2(降压变压器)投入(E-TB2亮)；
5)E-KDL4、E-KDL5闭合，E-DL4、E-DL5(绿色)灯亮，表示第二输电线投入，与第一输电线并网；
6)E-K2闭合，E-EJ灯(绿色)灯亮，表示用户(负载)已用电。
如图11所示，DZF故障模块包括变压器电路、差动保护电路和时间控制电路，所述差动保护电路模拟因变压器绕组及引出线的相间短路引发电流增大，超过差动变压器预设值后通过时间控制电路切断变压器电路保护变压器。
具体实施方法为：
1)开关F-K闭合，发电机灯亮；
2)开关F-KDL1闭合，变压器F-1DL和F-TB灯亮，表示高压输电线到降压变压器，变压器正常工作；
3)开关F-KDL2闭合，F-2DL灯亮；
4)开关F-DK闭合，调节电流发生器电流逐渐加大，模拟表示由于变压器绕组及引出线的相间短路引发电流加大；差动变压器F-DCD设定为5A(电流互感器副边电流标准为5A)，当电流发生器的电流超过F-DCD设定值，F-DCD动作；
5)F-DCD动作，常开10、12闭合，时间继电器F-SJ吸合(设定延时10S)；
6)在10S内如故障消除，即电流发生器电流减少，F-DCD释放，恢复正常；
7)过了10S故障仍未消除，F-SJ常开1、3闭合，接触器F-KM吸上，这时因F-SJ另一常开6、8闭合，灯F-DX2亮；
8)F-KM吸合，F-1DZ，F-2DZ灯灭，表示断开系统。
如图12所示，DZG故障模块包括低电压启动过电流电路、低电压启动过电压电路和调节保护电路，所述低电压启动过电流电路、低电压启动过电压电路分别模拟过电流状态和过电压状态，当发生过电流或过电压时通过调节保护电路进而切断电路，保护变压器。
具体实施方法为：
A.变压器过电流保护，包括低电压启动过电流电路和调节保护电路；
1)闭合开关G-K1，G-DX1(红色)灯亮，发电机投入运行；
2)开关G-KDL1闭合，G-TB灯亮，变压器投入运行，同时G-DL1灯亮，表示第一输电线投入运行；
3)开关G-KDL2闭合，G-DL2灯表示第二输电线投入运行；过流继电器G-LT动作电流为1dzj。
4)调节电流发生器的电流输出，模拟变压器过电流，当电流发生器输出电流大于G-LT动作电流1dzj，过流继电器G-LT动作，当G-LT常开触点2、3闭合，时间继电器G-SJ通电吸合(延时时间如设定在10s)；
5)在10s内如故障排除，用电流发生器输出电流减少小于动作电流1dzj，G-LT释放，恢复正常；
6)如过了10s故障仍未排除，G-SJ常开触点1、3闭合，接触器G-KM吸上，同时G-SJ常开触点6、8闭合，指示灯G-DX2亮；
7)接触器KM吸上，G-TB、G-DL1、G-DL2灯灭，表示断开系统。
B.变压器过电压保护，包括低电压启动过电压电路和调节保护电路；
用电压发生器与电压继电器G-UL替换电流发生器和电流继电器G-LT，原理步骤同上。
本实施例的一种电力系统故障模拟装置为电力系统安全生产领域内的新技术、新产品、新装备，该电力系统故障模拟装置对科研人员、专业技术人员、现场高级技师对电力系统过程中可能出现的故障，故障的产生、故障的现象、故障的处理都有很大的现实指导意义。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种电力系统故障模拟装置，其特征在于：包括发电机系统故障模块、输电系统故障模块和变电系统故障模块，
所述发电机系统故障模块包括DZA故障模块和DZB故障模块，所述DZA故障模块为模拟发电机过压保护实验模块，所述DZB故障模块为模拟发电机输出功率的调节实验模块；
所述输电系统故障模块包括DZC故障模块、DZD故障模块和DZE故障模块，所述DZC故障模块为模拟电力系统并联与短路实验模块，所述DZD故障模块为模拟配电网自动化实验模块，所述DZE故障模块为模拟电力系统组成实验模块；
所述变电系统故障模块包括DZF故障模块和DZG故障模块，所述DZF故障模块为模拟变压器的差动保护实验模块，所述DZG故障模块为模拟变压器的低电压启动的过电流过电压实验模块。
2.根据权利要求1所述的一种电力系统故障模拟装置，其特征在于：所述DZA故障模块包括过压电路和电压调节电路，所述过压电路模拟过压状态后，通过电压调节电路的控制调节断开过压电路，排除过压故障，完成过电压保护。
3.根据权利要求1所述的一种电力系统故障模拟装置，其特征在于：所述DZB故障模块包括发电电路和功率调节电路，所述发电电路用于控制发电机和变压器的运行，所述功率调节电路模拟功率的增加，当功率增加至过功率状态，并联高压电容提高功率因素而降低功率状态，完成输出功率的调节，排除故障。
4.根据权利要求1所述的一种电力系统故障模拟装置，其特征在于：所述DZC故障模块包括系统并联电路和系统短路电路，所述系统并联电路用于并联多个用电器和输电线，所述系统短路电路用于模拟短路状态，在短路回路中连入时间继电器和电压接触器，在短路状态中控制短路故障，断开系统，保护电路。
5.根据权利要求1所述的一种电力系统故障模拟装置，其特征在于：所述DZD故障模块采用馈线自动化实现配电网的自动化供电，使用重合器和设置在重合器之间的若干时间型分段器，模拟在两个时间分段器之间短路故障，通过馈线自动化调整而排除故障。
6.根据权利要求1所述的一种电力系统故障模拟装置，其特征在于：所述DZE故障模块包括电力发电电路和输电电路，并模拟发电故障状况和输电短路故障状况，通过在电路中装设断路器，在故障状况下再通过与继电保护的配合，排除故障。
7.根据权利要求1所述的一种电力系统故障模拟装置，其特征在于：所述DZF故障模块包括变压器电路、差动保护电路和时间控制电路，所述差动保护电路模拟因变压器绕组及引出线的相间短路引发电流增大，超过差动变压器预设值后通过时间控制电路切断变压器电路保护变压器。
8.根据权利要求1所述的一种电力系统故障模拟装置，其特征在于：所述DZG故障模块包括低电压启动过电流电路、低电压启动过电压电路和调节保护电路，所述低电压启动过电流电路、低电压启动过电压电路分别模拟过电流状态和过电压状态，当发生过电流或过电压时通过调节保护电路进而切断电路，保护变压器。
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