CN110687328A - 剩余电流模拟生成装置及剩余电流动作保护系统 - Google Patents

剩余电流模拟生成装置及剩余电流动作保护系统 Download PDF

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CN110687328A CN201910905034.8A CN201910905034A CN110687328A CN 110687328 A CN110687328 A CN 110687328A CN 201910905034 A CN201910905034 A CN 201910905034A CN 110687328 A CN110687328 A CN 110687328A
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王静
刘国伟
陈思磊
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Abstract

本申请涉及一剩余电流模拟生成装置及剩余电流动作保护系统。上述剩余电流模拟生成装置，包括直流变换器、并联于所述直流变换器两端的直流变阻器、电连接于所述直流变换器与所述直流变阻器之间的开关器以及与所述直流变阻器电连接的控制器。当所述开关器闭合后，直流变换器输出电压，并且所述控制器可以控制所述直流变阻器的阻值产生不同的电阻值，进而产生不同大小的脉动直流剩余电流。所述剩余电流模拟生成装置能够实现对直流系统剩余电流动作保护器的性能进行有效地试验，提升其产品质量，进而提升直流系统安全的稳定运行能力。

Description

剩余电流模拟生成装置及剩余电流动作保护系统
技术领域
本申请涉及电气设备技术领域，特别是涉及一种剩余电流模拟生成装置及剩余电流动作保护系统。
背景技术
随着国家节能减排政策的实施，光伏、储能和电动汽车等大量接入配电网，配用电呈现出直流化趋势。但因剩余电而引起人身触电以及供电设备损坏甚至发生火灾造成了大量的人身伤亡和巨大的经济损失，因此安全用电越来越受到人们的重视。导线出现老化或者绝缘层受到破坏，施工不规范，暴力施工等都是出现剩余电流的原因。当线路中出现剩余电流时，可能会烧毁线路，引起电气火灾事故。同时，当人体直接接触到流过剩余电流的导体时，会造成触电事故，对人的生命安全造成严重威胁。但是目前我国直流系统用剩余电流动作保护器产品质量的良莠不齐，严重制约着我国直流供电领域的建设和发展。因此，一种高精度、大小极性可控的直流剩余电流模拟方法能实现对直流系统用剩余电流动作保护器的性能进行有效地试验，提升其产品质量，提升直流系统安全的稳定运行能力。
2017年，由国际电工委员会起草的国际标准IEC TS 63053:2017《直流系统用剩余电流动作保护电器的一般要求》，主要对直流系统用剩余电流动作保护器的特性和分类做出了规定。但是我国目前还没有直流系统用剩余电流动作保护器相关的标准。而且，传统的交流系统用的剩余电流发生装置无法对直流剩余电流动作保护器进行试验，且有控制精度不高的问题。
发明内容
基于此，有必要针对传统的交流系统用的剩余电流发生装置无法对直流剩余电流动作保护器进行试验，且有控制精度不高的问题，提供一种剩余电流模拟生成装置及剩余电流动作保护系统。
一种剩余电流模拟生成装置，包括：
直流变换器，与市政交流电源电连接；
直流变阻器，并联于所述直流变换器的两端；
开关器，电连接于所述直流变换器与所述直流变阻器之间；以及
控制器，与所述直流变阻器电连接，当所述开关器闭合后，所述控制器控制所述直流变阻器的阻值变化，以模拟生成不同波形的直流剩余电流。
在其中一个实施例中，还包括：
整流器，与所述直流变阻器和所述控制器分别电连接。
在其中一个实施例中，所述开关器包括：
第一选通开关，电连接于所述直流变阻器与所述直流变换器之间；
第二选通开关，电连接于所述直流变阻器与所述整流器之间；以及
第三选通开关，电连接于所述整流器与所述直流变换器之间。
在其中一个实施例中，还包括：
第一断路器，电连接于所述直流变阻器与所述第二选通开关之间。
在其中一个实施例中，还包括：
直流回馈负载，与所述直流变换器连接，构成直流主回路。
在其中一个实施例中，还包括：
第二断路器，电连接于所述直流回馈负载的第一端与所述直流变换器之间；以及
第三断路器，电连接于所述直流回馈负载的第二端与所述直流变换器之间。
在其中一个实施例中，还包括：
电压检测装置，电连接于所述直流变换器的两端，用于检测所述直流变换器的输出电压。
在其中一个实施例中，还包括：
电流检测装置，电连接于所述直流变阻器的第二端与所述第二选通开关之间。
在其中一个实施例中，所述电压检测装置为电压传感器，所述电流检测装置为霍尔电流传感器。
在其中一个实施例中，所述直流变换器的输入电压为交流380V，所述直流变换器的输出电压为直流90V至400V，所述直流变换器的额定电流为150A。
一种剩余电流动作保护系统，包括：
上述实施例中任一项所述的剩余电流模拟生成装置；以及
直流剩余电流动作保护器，与所述剩余电流模拟生成装置电连接。
上述剩余电流模拟生成装置，包括直流变换器、并联于所述直流变换器两端的直流变阻器、电连接于所述直流变换器与所述直流变阻器之间的开关器以及与所述直流变阻器电连接的控制器。当所述开关器闭合后，直流变换器输出电压，并且所述控制器可以控制所述直流变阻器的阻值产生不同的电阻值，进而产生不同大小的脉动直流剩余电流。所述剩余电流模拟生成装置能够实现对直流系统剩余电流动作保护器的性能进行有效地试验，提升其产品质量，进而提升直流系统安全的稳定运行能力。
附图说明
图1为本申请一个实施例中提供的一种剩余电流模拟生成装置图；
图2为本申请一个实施例中提供的一种剩余电流模拟生成装置图；
图3为本申请一个实施例中提供的一种空载条件下产生的直流剩余电流图；
图4为本申请一个实施例中提供的一种空载条件下产生的突然出现直流剩余电流图；
图5为本申请一个实施例中提供的一种负载条件下产生的直流剩余电流图；
图6为本申请一个实施例中提供的一种负载条件下产生的突然出现直流剩余电流图；
图7为本申请一个实施例中提供的一种剩余电流动作保护系统图；
图8为本申请一个实施例中提供的一种剩余电流动作保护系统图。
主要元件附图标号说明
剩余电流模拟生成装置10
直流变换器110
直流变阻器120
开关器130
第一选通开关131
第二选通开关132
第三选通开关133
第一断路器141
第二断路器142
第三断路器143
直流回馈负载150
电压检测装置160
电流检测装置170
控制器180
整流器170
剩余电流动作保护系统20
直流剩余电流动作保护器210
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
近年来，随着电力电子技术的发展，越来越多的光伏发电、风力发电设备和直流负荷接入电网，使得直流配用电系统成为研究热点。随着直流配用电试点的增多，由直流剩余电流引起的电气火灾事故和人身触电事故频发，造成了巨大的损失。目前，我国还没有关于直流剩余电流动作保护器的相关标准，使得目前市场上的直流系统用剩余电流动作保护器产品质量良莠不齐，难以在直流系统中形成有效的保护。同时，由于目前用电电器内部结构复杂，其运行故障会导致直流侧产生脉动形式的直流剩余电流。但是，目前缺少适用于直流系统的脉动直流剩余电流模拟方法，使得众多产品无法进行相关的试验，严重制约了我国直流剩余电流动作保护器的研究和直流配用电系统的推广应用。
请参见图1，本申请一个实施例中提供一种剩余电流模拟生成装置10。所述剩余电流模拟生成装置10包括直流变换器110、直流变阻器120、开关器130和控制器180。所述直流变换器110与市政交流电源电连接。所述直流变阻器120并联于所述直流变换器110的两端。所述开关器130电连接于所述直流变换器110与所述直流变阻器120之间。所述控制器180与所述直流变阻器120电连接，当所述开关器130闭合后，所述控制器180控制所述直流变阻器120的阻值变化，以模拟生成不同波形的直流剩余电流。
所述市政交流电源可以为380V、10KVA的交流电源。所述直流变换器110可以为交流380V输入，直流90V～400V输出，额定电流150A。所述直流变换器110可以将380V的交流电转为90V～400V的直流电，为模拟产生直流剩余电流提供电源。所述直流变阻器120可以为高精度数字可编程变阻器，调节电流步长为0.01mA。所述控制器180可以为可编程逻辑控制器。当所述开关器130导通时，可以将所述直流变阻器120并入所述直流变换器110的一极。所述控制器180可以控制所述直流变阻器120调节自身的阻值，使得所述剩余电流模拟生成装置10产生不同波形的直流平滑剩余电流。所述不同波形包括方波脉动波形和正弦形式的脉动波形。
本实施例中，上述剩余电流模拟生成装置10包括直流变换器110、并联于所述直流变换器110两端的直流变阻器120、电连接于所述直流变换器110与所述直流变阻器120之间的开关器130以及与所述直流变阻器120电连接的控制器180。当所述开关器130闭合后，所述直流变换器110输出电压，并且所述控制器180可以控制所述直流变阻器120的阻值产生不同的电阻值，进而产生不同大小的脉动直流剩余电流。所述剩余电流模拟生成装置10能够实现对直流系统剩余电流动作保护器的性能进行有效地试验，提升其产品质量，进而提升直流系统安全的稳定运行能力。
请参见图2，在其中一个实施例中，所述剩余电流模拟生成装置10还包括整流器190。所述整流器190与所述直流变阻器120和所述控制器180分别电连接。所述整流器190的开关管可以为MOS管。当设定所述直流变换器110输出一定幅值的输出电压，利用所述控制器180调整所述直流变阻器120，使产生的脉动直流剩余电流峰值为I△n(I△n，额定直流剩余动作电流标准值)，利用所述控制器180调整所述整流器190的通断，可以使产生的脉动直流剩余电流的频率为设定的频率，进而，产生不同大小、频率的脉动直流剩余电流。
在其中一个实施例中，所述开关器130包括第一选通开关131和第二选通开关132和第三选通开关133。所述第一选通开关131电连接于所述直流变阻器120与所述直流变换器110之间。所述第二选通开关132电连接于所述直流变阻器120与所述整流器190之间。所述第三选通开关133电连接于所述整流器190与所述直流变换器110之间。
所述第一选通开关131、所述第二选通开关132和所述第三选通开关133的结构可以一样。每个选通开关包括两个开关管。当所述剩余电流模拟生成装置10工作时，所述第一选通开关131中的两个开关管中的任意一个开关管导通，所述第二选通开关132和所述第三选通开关133中的两个开关管中对应的开关管也导通。例如，所述第一选通开关131包括开关管a和开关管b。所述第二选通开关132包括开关管c和开关管d。所述第三选通开关133包括开关管e和开关管f。所述直流变换器110的输出端为两极输出。所述开关管a电连接于所述直流变换器110的一极和所述直流变阻器120之间。所述开关管b电连接于所述直流变换器110的另一极和所述直流变阻器120之间。所述开关管c电连接于所述直流变阻器120和所述整流器190的一极之间。所述开关管d电连接于所述直流变阻器120和所述整流器190的另一极之间。所述开关管e电连接于所述整流器190和所述直流变换器110的一极之间。所述开关管f电连接于所述整流器190和所述直流变换器110的另一极之间。
当所述开光管a、所述开关管d和所述开关管f闭合，所述开光管b、所述开关管c和所述开关管e关断时，可以将所述直流变阻器120并入所述直流变换器110的一极。所述直流变阻器120可以通过调节自身的阻值，使得所述剩余电流模拟生成装置10产生不同大小的直流平滑剩余电流。
当所述开光管b和所述开关管c闭合，所述开光管a和所述开关管d关断时，可以将所述直流变阻器120并入所述直流变换器110的另一极。利用所述控制器180调整所述整流器190的通断，可以使产生的脉动直流剩余电流的频率为设定的频率，进而，产生不同大小、频率的脉动直流剩余电流。
在其中一个实施例中，所述剩余电流模拟生成装置10还包括第一断路器141。所述第一断路器141电连接于所述直流变阻器120与所述第二选通开关132之间。当所述第一断路器141导通后，闭合所述开关管a所述开关管d和所述开关管f，利用所述控制器180调整所述直流变阻器120，使产生的脉动直流剩余电流峰值为I△n(I△n，额定直流剩余动作电流标准值)，利用所述控制器180调整所述整流器190的通断，使产生的脉动直流剩余电流的频率为设定的频率。由此可以得到空载条件下，正极性的、具有一定频率的直流脉动剩余电流。断开所述第一断路器141，闭合所述开关管b、所述开关管c和所述开关管e，导通所述第一断路器141，利用所述控制器180调整所述直流变阻器120，使产生的脉动直流剩余电流峰值为I△n(I△n，额定直流剩余动作电流标准值)，利用所述控制器180调整所述整流器190的通断，使产生的脉动直流剩余电流的频率为设定的频率。由此可以得到空载条件下，负极性的、具有一定频率的直流脉动剩余电流。
由上述方法得到的空载条件下产生的方波形式的脉动直流剩余电流如图3所示。其频率为100Hz。在第10ms，所述控制器180控制所述整流器190导通，回路中的一极产生大小为I△n的直流剩余电流，在第15ms，所述控制器180控制所述整流器190截止并保持5ms，剩余电流减小到零，之后重复此过程。主回路中另一极的电流始终为零。
由上述方法得到的空载条件下产生的正弦形式的脉动直流剩余电流如图4所示。其频率为100Hz。在第10ms，所述控制器180控制所述整流器190导通，回路中的一极产生大小为I△n的正弦形式的直流剩余电流，在第15ms，所述控制器180控制所述整流器190截止并保持5ms，剩余电流减小到零，之后重复此过程。主回路中另一极的电流始终为零。
在其中一个实施例中，所述剩余电流模拟生成装置10还包括直流回馈负载150、第二断路器142和第三断路器143。所述直流回馈负载150与所述直流变换器110连接，构成直流主回路。所述直流主回路的电压等级为90～400V，电流等级为0～150A。所述第二断路器142电连接于所述直流回馈负载150的第一端与所述直流变换器110之间。所述第三断路器143电连接于所述直流回馈负载150的第二端与所述直流变换器110之间。所述直流回馈负载150为直流90V～400V输入，额定电流150A，功率60kW。
当所述第一断路器141、所述第二断路器142和所述第三断路器143均导通后，闭合所述开关管a所述开关管d和所述开关管f，利用所述控制器180调整所述直流变阻器120，使产生的脉动直流剩余电流峰值为I△n(I△n，额定直流剩余动作电流标准值)，利用所述控制器180调整所述整流器190的通断，使产生的脉动直流剩余电流的频率为设定的频率。由此可以得到负载条件下，正极性的、具有一定频率的直流脉动剩余电流。断开所述第一断路器141，闭合所述开关管b、所述开关管c和所述开关管e，导通所述第一断路器141，利用所述控制器180调整所述直流变阻器120，使产生的脉动直流剩余电流峰值为I△n(I△n，额定直流剩余动作电流标准值)，利用所述控制器180调整所述整流器190的通断，使产生的脉动直流剩余电流的频率为设定的频率。由此可以得到空载条件下，负极性的、具有一定频率的直流脉动剩余电流。
由上述方法得到的负载条件下产生的方波形式的脉动直流剩余电流如图5所示。其频率为100Hz。在第10ms，回路中的一极在In(额定电流值，In)基础上，所述控制器180控制所述整流器190导通，回路中的一极产生大小为I△n的直流剩余电流，在第15ms，所述控制器180控制所述整流器190截止并保持5ms，剩余电流减小到零，之后重复此过程。主回路中另一极的电流始终为In，且方向相反。
由上述方法到的负载条件下产生的正弦形式的脉动直流剩余电流如图6所示。其频率为100Hz。在第10ms，回路中的一极在In(额定电流值，In)基础上，所述控制器180控制所述整流器190导通，回路中的一极产生大小为I△n的正弦形式的直流剩余电流，在第15ms，所述控制器180控制所述整流器190截止并保持5ms，剩余电流减小到零，之后重复此过程。主回路中另一极的电流始终为In，且方向相反。
上述剩余电流模拟生成装置10利用高精度数字可编程变阻器，可以根据预设的控制条件产生不同的电阻值，使得装置产生不同大小的直流平滑剩余电流，实现不同动作值直流系统用剩余电流动作保护器的试验。上述剩余电流模拟生成装置10产生的剩余电流极性可调，通过调节选通开关使所述直流变阻器120处于电路的正负极来产生不同极性的剩余电流，实现对直流系统用有极性剩余电流动作保护器的试验。
在其中一个实施例中，所述剩余电流模拟生成装置10还包括电压检测装置160和电流检测装置170。
所述电压检测装置160电连接于所述直流变换器110的两端，用于检测所述直流变换器110的输出电压。所述电流检测装置170电连接于所述直流变阻器120的第二端与所述第二选通开关132之间。在其中一个可选的实施例中，所述电压检测装置160为电压传感器，所述电流检测装置170为霍尔电流传感器。通过所述电压检测装置160和所述电流检测装置170可以实时精确检测所述直流输出变换器110的输出电压和通过所述直流变阻器120的电流，进而确保产生的剩余电流精度高。
请参见图7，本申请一个实施例中提供一种剩余电流动作保护系统20。所述剩余电流动作保护系统20包括上述实施例中任一项所述的剩余电流模拟生成装置10和直流剩余电流动作保护器210。所述直流剩余电流动作保护器210与所述剩余电流模拟生成装置10电连接。具体的，请参见图8，所述直流剩余电流动作保护器210电连接于所述直流变换器110和所述直流回馈负载150之间。当通过所述直流剩余电流动作保护器210的剩余电流超过动作阈值，所述直流剩余电流动作保护器210切断回路进行保护。并且，在所述直流剩余电流动作保护器210与所述直流变换器110之间可以设置第四断路器。在整个所述剩余电流动作保护系统20中可以设置多个电流电测装置。例如可以在所述直流变换器110的两个输出端分别设置一个电流检测装置，以便于对每条支路上的电流进行检测。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种剩余电流模拟生成装置，其特征在于，包括：
直流变换器(110)，与市政交流电源电连接；
直流变阻器(120)，并联于所述直流变换器(110)的两端；
开关器(130)，电连接于所述直流变换器(110)与所述直流变阻器(120)之间；以及
控制器(180)，与所述直流变阻器(120)电连接，当所述开关器(130)闭合后，所述控制器(180)控制所述直流变阻器(120)的阻值变化，以模拟生成不同波形的直流剩余电流。
2.根据权利要求1所述的剩余电流模拟生成装置，其特征在于，还包括：
整流器(190)，与所述直流变阻器(120)和所述控制器(180)分别电连接。
3.根据权利要求2所述的剩余电流模拟生成装置，其特征在于，所述开关器(130)包括：
第一选通开关(131)，电连接于所述直流变阻器(120)与所述直流变换器(110)之间；
第二选通开关(132)，电连接于所述直流变阻器(120)与所述整流器(190)之间；以及
第三选通开关(133)，电连接于所述整流器(190)与所述直流变换器(110)之间。
4.根据权利要求3所述的剩余电流模拟生成装置，其特征在于，还包括：
第一断路器(141)，电连接于所述直流变阻器(120)与所述第二选通开关(132)之间。
5.根据权利要求4所述的剩余电流模拟生成装置，其特征在于，还包括：
直流回馈负载(150)，与所述直流变换器(110)连接，构成直流主回路。
6.根据权利要求5所述的剩余电流模拟生成装置，其特征在于，还包括：
第二断路器(142)，电连接于所述直流回馈负载(150)的第一端与所述直流变换器(110)之间；以及
第三断路器(143)，电连接于所述直流回馈负载(150)的第二端与所述直流变换器(110)之间。
7.根据权利要求6所述的剩余电流模拟生成装置，其特征在于，还包括：
电压检测装置(160)，电连接于所述直流变换器(110)的两端，用于检测所述直流变换器(110)的输出电压。
8.根据权利要求7所述的剩余电流模拟生成装置，其特征在于，还包括：
电流检测装置(170)，电连接于所述直流变阻器(120)的第二端与所述第二选通开关(132)之间。
9.根据权利要求8所述的剩余电流模拟生成装置，其特征在于，所述电压检测装置(160)为电压传感器，所述电流检测装置(170)为霍尔电流传感器。
10.根据权利要求9所述的剩余电流模拟生成装置，其特征在于，所述直流变换器(110)的输入电压为交流380V，所述直流变换器(110)的输出电压为直流90V至400V，所述直流变换器(110)的额定电流为150A。
11.一种剩余电流动作保护系统，其特征在于，包括：
权利要求1至10中任一项所述的剩余电流模拟生成装置(10)；以及
直流剩余电流动作保护器(210)，与所述剩余电流模拟生成装置(10)电连接。
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