CN110703141B - 一种变电站直流接地故障模拟箱 - Google Patents
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Abstract
一种变电站直流接地故障模拟箱，涉及电力系统故障排查技术领域，包括内部总电路和操作面板，总电路设计为，通过2个直流电源系统构成一段母线和二段母线，在一段母线和二段母线之间设置9个支路，支路由双掷开关、开关三工位选择开关、接触电阻和负载组成，直流电源系统通过巧妙的设计，使正母线A和负母线B之间的电压始终保持不变，模拟出具有变电站直流系统相同特性的电源。本发明的有益效果在于：本发明可模拟变电站直流系统的各种接地故障，并可在不同支路随意设置接地故障点，可以让检测人员迅速积累变电站直流系统接地故障的查找经验，提高人员的技术水平，减少直流系统接地故障的查找时间，从而保证电力系统的安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统故障排查技术领域，具体是涉及一种变电站直流接地故障模拟箱。
背景技术
变电站直流系统是十分重要的电源系统，它是一个独立的电源，为电力系统的控制支路、信号支路、继电保护、自动装置及事故照明等提供可靠的不间断电源，还为断路器的分、合闸提供操作电源。直流系统的可靠与否，对变电站的安全运行起着至关重要的作用，是保障变电站安全运行的决定条件之一。尽管直流系统十分稳定可靠，但直流系统一旦出现了故障，就会影响整个变电站的安全运行。直流系统中最常见的故障就是直流接地故障，也是对直流系统可靠性影响最大的故障。直流系统的正接地可能导致断路器误跳闸；负接地可能导致断路器拒跳；而一旦出现两点接地，则可能造成继电保护、信号、自动装置误动或拒动，还可能造成某些继电器短接，此时一旦出现线路故障，则不能动作跳闸，致使越级跳闸，事故扩大，甚至造成变电全站跳闸失压，对于220kV以上的变电站，一旦全站失压，将影响到整个电网系统的运行安全。所以，对于变电站直流接地故障需要尽快查找，迅速排出，以减小潜在的安全风险。
220kV及以上电压等级的枢纽变电站，直流系统复杂，支路繁多，且处于重要的网络节点，一般出现直流接地故障后，不允许采用拉支路的方法进行排出，只能使用直流接地故障查找仪进行查找，这就需要相关人员具有丰富的现场经验，才能迅速、准确的判断出直流接地的故障点。由于直流接地故障发生频率小，很少会使用到直流接地故障查找仪，所以大部分电力工作人员没有现场的实际查找经验，甚至很多人不会使用仪器，更不用说去找出故障点。
对于大的培训机构，比如国网技术培训中心、省级培训中心，可以建设直流站用系统，进行直流接地故障设置，用来进行人员培训。但直流站用系统，体积大、成本高，不适合基层单位实施。
发明内容
针对上述问题，本专利设计了一种便携式直流系统接地故障模拟箱，用来模拟变电直流系统单电源供电接地故障、直流环网供电接地故障、复杂环网供电接地故障的情况，并能模拟直流系统正、负单点及两点通过高阻或金属性接地的情况。通过该直流接地故障模拟箱，可以进行人员直流接地故障带电查找的实操培训，提高人员在实际操作中的故障排查效率和水平。
本发明提供一种变电站直流接地故障模拟箱，包括内部总电路和操作面板，总电路设计为，直流电源系统P1、P2的正极分别一一对应连接保险丝F1、F2，直流电源系统P1的正母线和负母线构成一段母线M1，直流电源系统P2的正母线和负母线构成二段母线M2，一段母线M1和二段母线M2上分别一一对应设置电源开关K01、K02，一段母线M1和二段母线M2之间设置9个支路n1-n9，一段母线M1的端部为其正母线测量接口A1和负母线测量接口B1，二段母线M2的端部为其正母线测量接口A2和负母线测量接口B2；直流电源系统P1、P2之间连接地线测量接口C。
所述的支路n1-n9具体为：支路n1-n9与二段母线M2之间分别一一对应设置开关K31-K39，支路n1-n9上分别一一对应连接负载L1-L9，开关K11-K19与L1-L9分别一一对应并联连接，开关K11-K19分别一一对应串联另一组开关K21-K29，开关K21-K29分别一一对应连接接触电阻R1-R9，接触电阻R1-R9均接地；所述的开关K31-K39为双掷开关，开关K11-K19和开关K21-K29为三工位选择开关。
直流电源系统P1、P2为整套装置提供电能；保险丝F1、F2连接在电源的正极，当发生电源正负极短路时，保险丝会熔断，起到保护作用；K01、K02分别一一对应为一段母线M1和二段母线M2的电源开关，只有当其闭合时，对应母线才会带电；9个支路n1-n9，每条支路都能完成正、负母金属及非金属性接地故障的设置；
开关K11-K19，可以完成故障母线选择，以K11为例，当其悬空时，K21开关与正负母线均不连通；当K11闭合在触点1上时，K21开关与负母线连通；当K11闭合在触点2上时，K21开关与正母线连通；
开关K21-K29，可以完成故障类型（金属性及非金属性接地）选择，以K21为例，当其悬空时，K11开关与地线及电阻R1均不连通；当K21闭合在触点1上时，K11开关与电阻R1连通；当K21闭合在触点2上时，K11开关与地线连通；
开关K31-K39，当K31到K39开关全部断开时，一段母线M1和二段母线M2不互联；当K31到K39任意一个开关闭合时，一段母线M1和二段母线M2互联，即模拟双电源供电情况；接触电阻R1-R9，通过接触电阻模拟高阻接地情况，即非金属性接地。
所述的直流电源系统由正母线A、负母线B、地线Cp、直流电源DC1、直流电源DC2、直流电压表V1、直流电压表V2以及牵位电阻R0组成，直流电源DC1和直流电源DC2串联，正母线A与直流电源DC1的正极相连，负母线B与直流电源DC2的负极相连，牵位电阻R0一端与地线Cp相连，一端与直流电源DC1的负极以及直流电源DC2的正极相连，直流电压表V1设置在正母线A与地线Cp之间，直流电压表V2设置在母线B与地线Cp之间；
正母线A模拟直流系统的正母线；负母线B模拟直流系统的负母线；地线Cp模拟直流系统的地线；直流电源DC1、直流电源DC2可以是蓄电池，也可以是将交流转化为直流的电压源，为系统提供电能；直流电压表V1测量正母线A对地线Cp的电压；直流电压表V2测量负母线B对地线Cp电压；
正母线A和负母线B之间的电压始终保持不变，在一根母线接地时，接地母线电压降低值等于另一根母线电压升高值。现举例说明该直流电源系统的该特征。
如图3所示，为了便于说明，设R0=1000Ω，R2=500Ω，直流电源DC1、DC2电压均为24V。
无故障时，正母线A对地线Cp的电压UACp=24V，负母线B对地线Cp的电压UBCp=-24V，正母线A对负母线B电压UAB=48V，系统正常运行；
（1）当开关K0闭合在触点1上时，系统为正母线金属性接地故障，通过计算可知，此时UACp=0V，UBCp=-48V，UAB=48V，即正母线A发生金属性接地故障时，正母线A对地电压为0，负母线B对地电压为-48V，正母线A对负母线B电压仍然为48V；
（2）当开关K0闭合在触点2上时，系统为正母线非金属性接地故障，通过计算（
，UAB=48V）可知，此时UAC=8V，UBC=-40V，UAB=48V，即正母线A发生非金属性接地故障时（在R0=1000Ω，R2=500Ω时），正母线A对地电压为8V，负母线B对地电压为-40V，正母线A对负母线B电压仍然为48V；
如图4所示，为了便于说明，设R0=1000Ω，R2=500Ω，直流电源DC1、DC2电压均为24V。
无故障时，正母线A对地线C的电压UACp=24V，负母线B对地线C的电压UBCp=-24V，正母线A对负母线B电压UAB=48V，系统正常运行；
（1）当开关K0闭合在触点1上时，系统为负母线金属性接地故障，通过计算可知，此时UACp=48V，UBCp=0V，UAB=48V，即负母线B发生金属性接地故障时，正母线A对地电压为48V，负母线B对地电压为0，正母线A对负母线B电压仍然为48V；
（2）当开关K0闭合在触点2上时，系统为负母线非金属性接地故障，通过计算（
，UAB=48V）可知，此时UACp=40V，UBCp=-8V，UAB=48V，即负母线B发生非金属性接地故障时（在R0=1000Ω，R2=500Ω时），正母线A对地电压为40V，负母线B对地电压为-8V，正母线A对负母线B电压仍然为48V；
所述的操作面板设置有与内部总线路相对应的开关、保险丝、测量接口、连接线及用于显示电压的显示屏；具体如下：一段母线M1和二段母线M2的电源开关K01、K02，支路的故障母线选择开关K11-K19，外部可见开关状态，支路的故障类型选择开关K21-K29，外部加有遮挡罩，开关状态从外部不可见，支路双电源供电选择开关K31-K39，外部加有遮挡罩，开关状态从外部不可见，电源系统P1、P2的保险丝F1、F2，支路与一段母线M1相连接的正、负电源线n11-n19，其中红色为正极线，黑色为负极线；支路与二段母线M2相连接的正、负电源线n11-n19，其中红色为正极线，黑色为负极线；一段母线M1和二段母线M2对地线电压显示屏V；一段母线M1的正母线测量接口A1、负母线测量接口B1，二段母线M2的正母线测量接口A2、负母线测量接口B2，地线测量接口C。
本发明的模拟原理及方法
1、单电源供电情况下的故障模拟
当K01开关闭合，K02开关断开时，系统处于单电源供电状态，每条支路都可以完成四种接地情况的模拟，以n1支路为例介绍：
（1）K11闭合在触点1、K21闭合在触点1时，支路的负极电源通过电阻R1接地，此时一段母线M1的负母线电压降低，正母线电压升高，模拟负母线非金属性接地故障；
（2）K11闭合在触点1、K21闭合在触点2时，支路的负极电源直接接地，此时一段母线M1的负母线电压降为0，正母线电压升高为原来的2倍，模拟负母线金属性接地故障；
（3）K11闭合在触点2、K21闭合在触点1时，支路的正极电源通过电阻R1接地，此时一段母线M1的正母线电压降低，负母线电压升高，模拟正母线非金属性接地故障；
（4）K11闭合在触点2、K21闭合在触点2时，支路的正极电源直接接地，此时一段母线M1的正母线电压降为0，负母线电压升高为原来的2倍，模拟正母线金属性接地故障；
2、双电源供电情况下的接地故障
（1）单一支路双电源供电时
当K01、K02、K31闭合，K32到K39均断开，此时n1支路处于双电源供电状态，若将接地故障设置在n1支路，则模拟单一支路双电源供电接地故障情况；
（2）多支路双电源供电时
当K01、K02、K31、K32闭合，K33到K39均断开，此时n1、n2两条支路处于双电源供电状态（还可以根据需要设置3条及以上双电源供电支路），若将接地故障设置在n1（或者n2）支路，则模拟多支路双电源供电接地故障情况；
（3）多点接地故障的设置
该电路可以进行多支路同母线接地故障的设置，即可以在多支路同时在正母线设置金属性和非金属性接地故障，或者在多支路同时在负母线设置金属性和非金属性接地故障。但不能在正、负母线上同时设置接地故障，比如在n1支路设置正母线金属性接地故障，同时在n2支路设置负母线金属性接地故障，这就相当于把电源的正负母线短路，会产生很大的电流，此时保险丝F1（F2）会烧断，将电源断开，虽然不会对人员造成伤害，但会造成不必要的麻烦。所以在设置多点接地时，切忌在不同母线上设置。
本发明的有益效果在于：
本发明的直流电源系统的设计，通过巧妙的设计，利用简单的电路，模拟出具有变电站直流系统相同特性的电源；通过两个3位开关，便可完成一条支路正、负母线金属性及非金属性接地，共4种故障的模拟；面板布置中，在K21至K29、K31至K39系列开关上加装有可开启遮挡罩，在完成一条支路的故障设置后，合上遮挡罩，从外部无法直接判断故障支路，只能通过直流接地故障查找仪进行定位，从而实现对人员培训的功能。
本发明可模拟变电站直流系统的各种接地故障，并可在不同支路随意设置接地故障点。通过本发明装置，可以让检测人员迅速积累变电站直流系统接地故障的查找经验，提高人员的技术水平，减少直流系统接地故障的查找时间，从而保证电力系统的安全运行。
附图说明
图1为本发明总电路设计图；
图2为本发明直流电源系统设计图；
图3、图4为直流电源系统原理举例分析图；
图5为本发明操作面板布置图；
图6为实施例2总电路设计图。
具体实施方式
实施例1，如图所示，本发明提供一种变电站直流接地故障模拟箱，包括内部总电路和操作面板，总电路设计为，直流电源系统P1、P2的正极分别一一对应连接保险丝F1、F2，直流电源系统P1的正母线和负母线构成一段母线M1，直流电源系统P2的正母线和负母线构成二段母线M2，一段母线M1和二段母线M2上分别一一对应设置电源开关K01、K02，一段母线M1和二段母线M2之间设置9个支路n1-n9，一段母线M1的端部为其正母线测量接口A1和负母线测量接口B1，二段母线M2的端部为其正母线测量接口A2和负母线测量接口B2；直流电源系统P1、P2之间连接地线测量接口C。
所述的支路n1-n9具体为：支路n1-n9与二段母线M2之间分别一一对应设置开关K31-K39，支路n1-n9上分别一一对应连接负载L1-L9，开关K11-K19与L1-L9分别一一对应并联连接，开关K11-K19分别一一对应串联另一组开关K21-K29，开关K21-K29分别一一对应连接接触电阻R1-R9，接触电阻R1-R9均接地；所述的开关K31-K39为双掷开关，开关K11-K19和开关K21-K29为三工位选择开关。
所述的直流电源系统由正母线A、负母线B、地线Cp、直流电源DC1、直流电源DC2、直流电压表V1、直流电压表V2以及牵位电阻R0组成，直流电源DC1和直流电源DC2串联，正母线A与直流电源DC1的正极相连，负母线B与直流电源DC2的负极相连，牵位电阻R0一端与地线Cp相连，一端与直流电源DC1的负极以及直流电源DC2的正极相连，直流电压表V1设置在正母线A与地线Cp之间，直流电压表V2设置在母线B与地线Cp之间；正母线A和负母线B之间的电压始终保持不变，在一根母线接地时，接地母线电压降低值等于另一根母线电压升高值。
所述的操作面板设置有与内部总线路相对应的开关、保险丝、测量接口、连接线及用于显示电压的显示屏；具体如下：一段母线M1和二段母线M2的电源开关K01、K02，支路的故障母线选择开关K11-K19，外部可见开关状态，支路的故障类型选择开关K21-K29，外部加有遮挡罩，开关状态从外部不可见，支路双电源供电选择开关K31-K39，外部加有遮挡罩，开关状态从外部不可见，电源系统P1、P2的保险丝F1、F2，支路与一段母线M1相连接的正、负电源线n11-n19，其中红色为正极线，黑色为负极线；支路与二段母线M2相连接的正、负电源线n11-n19，其中红色为正极线，黑色为负极线；一段母线M1和二段母线M2对地线电压显示屏V；一段母线M1的正母线测量接口A1、负母线测量接口B1，二段母线M2的正母线测量接口A2、负母线测量接口B2，地线测量接口C。
实施例2，如图所示，一种变电站直流接地故障模拟箱，包括内部总电路和操作面板，总电路设计为，直流电源系统P1、P2的正极分别一一对应连接保险丝F1、F2，直流电源系统P1的正母线和负母线构成一段母线M1，直流电源系统P2的正母线和负母线构成二段母线M2，一段母线M1和二段母线M2上分别一一对应设置电源开关K01、K02，一段母线M1和二段母线M2之间设置9个支路n1-n9，一段母线M1的端部为其正母线测量接口A1和负母线测量接口B1，二段母线M2的端部为其正母线测量接口A2和负母线测量接口B2；直流电源系统P1、P2之间连接地线测量接口C。
所述的支路n1-n9具体为：支路n1-n9与一段母线M1之间分别一一对应设置开关K21-K29，支路n1-n9与二段母线M2之间分别一一对应设置开关K31-K39，开关K21-K29和开关K31-K39之间的导线上分别一一对应连接负载L1-L9，开关K11-K19与L1-L9分别一一对应并联连接，开关K11-K19分别一一对应连接电阻R1-R9，电阻R1-R9均接地；所述的开关K31-K39和开关K21-K29为双掷开关，开关K11-K19为三工位选择开关，所述的电阻R1-R9为可调电阻。
所述的直流电源系统由正母线A、负母线B、地线Cp、直流电源DC1、直流电源DC2、直流电压表V1、直流电压表V2以及牵位电阻R0组成，直流电源DC1和直流电源DC2串联，正母线A与直流电源DC1的正极相连，负母线B与直流电源DC2的负极相连，牵位电阻R0一端与地线Cp相连，一端与直流电源DC1的负极以及直流电源DC2的正极相连，直流电压表V1设置在正母线A与地线Cp之间，直流电压表V2设置在母线B与地线Cp之间；正母线A和负母线B之间的电压始终保持不变，在一根母线接地时，接地母线电压降低值等于另一根母线电压升高值。
所述的操作面板设置有与内部总线路相对应的开关、保险丝、测量接口、连接线及用于显示电压的显示屏；具体如下：一段母线M1和二段母线M2的电源开关K01、K02，支路的故障母线选择开关K11-K19，外部可见开关状态，支路的故障类型选择开关K21-K29，外部加有遮挡罩，开关状态从外部不可见，支路双电源供电选择开关K31-K39，外部加有遮挡罩，开关状态从外部不可见，电源系统P1、P2的保险丝F1、F2，支路与一段母线M1相连接的正、负电源线n11-n19，其中红色为正极线，黑色为负极线；支路与二段母线M2相连接的正、负电源线n11-n19，其中红色为正极线，黑色为负极线；一段母线M1和二段母线M2对地线电压显示屏V；一段母线M1的正母线测量接口A1、负母线测量接口B1，二段母线M2的正母线测量接口A2、负母线测量接口B2，地线测量接口C。
Claims (3)
1.一种变电站直流接地故障模拟箱，其特征在于：包括内部总电路和操作面板，总电路设计为，直流电源系统P1、P2的正极分别一一对应连接保险丝F1、F2，直流电源系统P1的正母线和负母线构成一段母线M1，直流电源系统P2的正母线和负母线构成二段母线M2，一段母线M1和二段母线M2上分别一一对应设置电源开关K01、K02，一段母线M1和二段母线M2之间设置9个支路n1-n9，一段母线M1的端部为其正母线测量接口A1和负母线测量接口B1，二段母线M2的端部为其正母线测量接口A2和负母线测量接口B2；直流电源系统P1、P2之间连接地线测量接口C；
所述的支路n1-n9具体为：支路n1-n9与二段母线M2之间分别一一对应设置开关K31-K39，支路n1-n9上分别一一对应连接负载L1-L9，开关K11-K19与L1-L9分别一一对应并联连接，开关K11-K19分别一一对应串联另一组开关K21-K29，开关K21-K29分别一一对应连接接触电阻R1-R9，接触电阻R1-R9均接地；所述的开关K31-K39为双掷开关，开关K11-K19和开关K21-K29为三工位选择开关；
所述的直流电源系统由正母线A、负母线B、地线Cp、直流电源DC1、直流电源DC2、直流电压表V1、直流电压表V2以及牵位电阻R0组成，直流电源DC1和直流电源DC2串联，正母线A与直流电源DC1的正极相连，负母线B与直流电源DC2的负极相连，牵位电阻R0一端与地线Cp相连，一端与直流电源DC1的负极以及直流电源DC2的正极相连，直流电压表V1设置在正母线A与地线Cp之间，直流电压表V2设置在母线B与地线Cp之间；正母线A和负母线B之间的电压始终保持不变，在一根母线接地时，接地母线电压降低值等于另一根母线电压升高值。
2.根据权利要求1所述的一种变电站直流接地故障模拟箱，其特征在于：所述的支路n1-n9具体为：支路n1-n9与一段母线M1之间分别一一对应设置开关K21-K29，支路n1-n9与二段母线M2之间分别一一对应设置开关K31-K39，开关K21-K29和开关K31-K39之间的导线上分别一一对应连接负载L1-L9，开关K11-K19与L1-L9分别一一对应并联连接，开关K11-K19分别一一对应连接电阻R1-R9，电阻R1-R9均接地；所述的开关K31-K39和开关K21-K29为双掷开关，开关K11-K19为三工位选择开关，所述的电阻R1-R9为可调电阻。
3.根据权利要求1所述的一种变电站直流接地故障模拟箱，其特征在于：所述的操作面板设置有与内部总线路相对应的开关、保险丝、测量接口、连接线及用于显示电压的显示屏；具体如下：一段母线M1和二段母线M2的电源开关K01、K02，支路的故障母线选择开关K11-K19，外部可见开关状态，支路的故障类型选择开关K21-K29，外部加有遮挡罩，开关状态从外部不可见，支路双电源供电选择开关K31-K39，外部加有遮挡罩，开关状态从外部不可见，电源系统P1、P2的保险丝F1、F2，支路与一段母线M1相连接的正、负电源线n11-n19，其中红色为正极线，黑色为负极线；支路与二段母线M2相连接的正、负电源线n11-n19，其中红色为正极线，黑色为负极线；一段母线M1和二段母线M2对地线电压显示屏V；一段母线M1的正母线测量接口A1、负母线测量接口B1，二段母线M2的正母线测量接口A2、负母线测量接口B2，地线测量接口C。
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