CN112531648A - 一种蓄电池组短路联切保护装置及其保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蓄电池组短路联切保护装置，应用于变电站直流系统中蓄电池组运行保护中，属于电力系统作业现场运检领域。包括蓄电池组保护装置、串联在蓄电池组中间位置的第一直流断路器、安装于蓄电池组正负极出口处的第二直流断路器，蓄电池组保护装置包括用于采集第一直流断路器的K1位置信息的光耦隔离输入电路以及用于采集蓄电池组电压、蓄电池组电流、直流母线电压的低通滤波器，光耦隔离输入电路及低通滤波器均与工控机通讯连接，工控机输出端连接有固态继电器输出电路，固态继电器输出电路控制连接第二直流断路器。本发明原理简单、稳定可靠、安装简便、灵敏迅速、适用范围广的、可具有选择性切除短路故障。

Description

一种蓄电池组短路联切保护装置及其保护方法
技术领域
本发明涉及一种蓄电池组短路联切保护装置，应用于变电站直流系统中蓄电池组运行保护中，属于电力系统作业现场运检领域。
背景技术
目前，变电站内蓄电池组短路故障可分为两大类，一类是蓄电池组内短路，蓄电池组内短路通常因金属工器具使用不当造成，由于变电站内蓄电池架上单体蓄电池间横向间距较窄，在检修过程中易发生绝缘工具使用不当导致跨多块蓄电池的短路故障。另一类是蓄电池组正负极出口短路，蓄电池组正负极出口电缆穿过电缆夹层、竖井或电缆沟才能到达保护室内的直流屏，此部分电缆属于蓄电池组“出线”。蓄电池组“出线”因所处环境恶劣、缺少足够的保护措施，易因着火、机械损伤等原因造成短路故障。
由于蓄电池组短路属于直流短路，若无有效保护将故障点切除，短路会对蓄电池组及短路点周围设备造成毁灭性的损失。若蓄电池组出口熔断器拒动，还将导致短路点在直流系统中无法被切除，充电机难以恢复工作，直流母线长期失压。
至今为止，还没有一种保护装置能够有效切除蓄电池组内部短路及“出线”的短路故障。
发明内容
本发明目的在于解决上述问题，提供一套原理简单、稳定可靠、安装简便、灵敏迅速、适用范围广的、可具有选择性切除短路故障的蓄电池组联切保护装置。
本发明的一种蓄电池组短路联切保护装置，其特殊之处在于包括蓄电池组保护装置、串联在蓄电池组24中间位置的第一直流断路器1、安装于蓄电池组正负极出口处的第二直流断路器2，蓄电池组保护装置包括用于采集第一直流断路器1的K1位置信息的光耦隔离输入电路3以及用于采集蓄电池组电压、蓄电池组电流、直流母线电压的低通滤波器4，光耦隔离输入电路3及低通滤波器4均与工控机5通讯连接，工控机5输出端连接有固态继电器输出电路6，固态继电器输出电路6控制连接第二直流断路器3；
所述低通滤波器4通过A/D转换器7与工控机5相连接，所述低通滤波器4、A/D转换器7、工控机5、固态继电器输出电路6均与电源模块8相连接；
所述固态继电器输出电路6输出端还与第一直流断路器1通讯连接；
所述工控机5连接有通信单元9；
所述蓄电池组短路联切保护装置外部设有壳体10，壳体10背面设有电源模块插接板11、通讯板12、用于接入第一直流断路器1K1的辅助触点信息的开入接口15、备用开入接口16、用于接入第二直流断路器2K2励磁脱扣器控制接点的开出触点接口17、备用开出触点接口18、第一电流采样接口20、第二电流采样接口21、第一电压采样接口22、第二电压采样接口23，通讯板12上开设有多个以太网口13、B码对时接线口19、打印机接线口14。
一种蓄电池组短路联切保护装置的保护方法，其特殊之处在于包括以下步骤：
1、蓄电池组保护装置的工控机5通过采集蓄电池组内第一直流断路器1的K1位置信息、蓄电池组电流、蓄电池组两端电压和直流母线电压值来判别蓄电池组是否发生短路故障逻辑；
所述工控机5的判别逻辑为：
若第一直流断路器1的K1位置状态为分位；
若蓄电池组电流突变值超过最大负荷电流值；
若蓄电池组两端电压低于蓄电池组短路蓄电池组两侧电压识别定值；
若直流母线电压低于蓄电池组短路短路母线电压识别定值；
同时满足上述四条，工控机5判定发出脉冲指令，控制蓄电池组出口处的第二断路器2的K2断开，K2断路器脱扣后保证了充电机和直流母线与短路点有效隔开，充电机有条件恢复母线供电，从而母线电压能够及时恢复，站内直流负荷可以正常运行；
2、蓄电池组保护装置的工控机5根据回路是否发生短路故障来控制第二直流断路器2跳开。
3、工控机5发出信号至通信单元9，通信单元9利用61850规约、103规约将故障报告通过过程层交换机上传至站内后台机，利用相应以太网口和104规约，通过路由器上传至调度数据网，然后将信息传送至调度值班员，及时为运维值班员和调度值班员提供故障信息。
本发明可产生如下积极效果：本发明可实时监控蓄电池组的运行情况，在检修人员误将蓄电池组正负极短接或因火、机械损伤等原因造成蓄电池组“出线”短路时，能够快速可靠的将故障点切除，并将保护动作信息上传至监控中心。在避免了对蓄电池组造成毁灭性损失的同时保证直流母线电压快速恢复。其具有：
1、原理简单可靠。本装置通过采集蓄电池组电压值、直流母线电压值、蓄电池组的出口电流变化率和断路器(熔断器)位置状态，对蓄电池组短路故障进行逻辑判断和保护启动，从而有效切除故障。其原理简单，易实现。
2、可远方感知故障。本装置的通讯模块可以将故障信息传送到变电站MMS网上，站端自动化设备将此信息转发到变电站后台机和调度数据网，实现运维人员和调度值班员远程浏览。
3、适用范围广。可针对不同型号、不同数量的变电站蓄电池组。
4、故障切除准确、快速。本装置可以在毫秒级内准确判断蓄电池组短路故障，并迅速切除，提高蓄电池组安全性和变电站直流系统运行稳定性。
附图说明
图1本发明的运行原理图；
图2本发明的结构框架图；
图3本发明的蓄电池保护装置的结构框图；
图4本发明的装置后视图；
图5本发明装置正视图；
图6本发明工控机逻辑判别流程图。
图中：1、第一直流断路器；2、第二直流断路器；3、光耦隔离输入电路；4、低通滤波器；5、工控机；6、固态继电器输出电路；7、A/D转换器；8、电源模块；9、通信单元；10、壳体；11、电源模块插接板；12、通讯板；13、以太网口；14、打印机接线口；15、开入接口；16、备用开入接口；17、开出触点接口；18、备用开出触点接口；19、B码对时接线口；20、第一电流采样接口、21、第二电流采样接口；22、第一电压采样接口；23、第二电压采样接口；24、蓄电池组。
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。
实施例1
本实施例对某220kV变电站内直流蓄电池组进行了短路保护联切实验。变电站蓄电池组的额定容量为300Ah，由104节GFMG-300型蓄电池构成。下面将结合本实施例中的附图1-6，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
(1)计算蓄电池组的短路电流，选择具有可靠分断能力的直流断路器。依照DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计技术规程》中附录G的计算公式
Ik＝n*U0/[n*(rb+r1)+rj]
式中：r1为蓄电池连接条的电阻；n为蓄电池个数；rj为蓄电池组端子到直流母线的连接电缆或导线电阻。
计算得出额定容量的第一直流断路器1、第二直流断路器2的额定容量值，该容量直流断路器可实现对蓄电池组短路电流有效切除。
(2)蓄电池组保护装置包括光耦隔离输入电路3、低通滤波器4、A/D转换器7、固态继电器输出电路6、电源模块8、工控机5、通信单元9。蓄电池组内的第一直流断路器1的K1辅助触点经光耦隔离输入电路与工控机5相连；蓄电池组电流由电流传感器采集并经低通滤波器4、A/D转换器7与工控机5相连；蓄电池组电压、直流母线电压由电压传感器采集并经A/D转换器7传送至工控机5，工控机5发出跳闸命令，控制分励脱扣器，使第二直流断路器2跳闸，在判定发生短路故障后，工控机5发出信号至通讯模块，通讯模块利用61850规约、103规约将故障报告通过过程层交换机上传至站内后台机，利用相应以太网口和104规约，通过路由器上传至调度数据网，然后将信息传送至调度值班员，及时为运维值班员和调度值班员提供故障信息；
(3)运算处理模块中保护逻辑设计，由直流系统短路故障特性可知，在短路故障发生时，蓄电池组内电流增大、蓄电池组两端电压降低，当蓄电池组短路电流达到蓄电池组内第一直流断路器1的K1开断电流时，第一直流断路器1断开。此时，蓄电池组内电流降为0，蓄电池组两端电压降低为0。若蓄电池组出口处的第二断路器2的K2、K3未及时动作跳开，直流母线向故障点提供短路电流，直流母线电压大幅降低。经过对实际直流蓄电池组短路试验和分析，确定实现蓄电池组短路保护联切功能的逻辑判据，联切功能逻辑判据为：
1)蓄电池组电流突变量判据：
ΔI＞KIIfmax
2)蓄电池组电压值判据：
Uc＜KUUdc
3)直流母线电压值判据：
UM＜KUdM
4)蓄电池组内断路器K1位置判据：
FK1＝1
式中：ΔI为蓄电池组电流突变值；KI为短路电流可靠系数；KU为短路电压可靠系数；Ifmax为冲击负荷电流最大值；Udc为蓄电池组短路蓄电池组两侧电压识别定值，可设置为额定蓄电池组电压的10％—50％区间；UdM为蓄电池组短路直流母线电压识别定值，可设置为额定直流母线电压的10％—50％区间；FK1为蓄电池组内断路器K1常开位置状态。
该保护逻辑实现方式参见附图6，本实例利用STM32单片机实现保护逻辑判别策略。
附图4是装置的后视图，包括电源模块插接板11，输入±110V直流电压；通讯板12，支持以太网通讯,通过以太网口13实现，用于与站内双网过程层交换机、调度数据网路由器进行信息交换，实现支持站内103规约、61850规约，主站104规约，通过对装置4个以太网口13进行设定实现以上三种规约通讯；支持网络对时，将对时信号由主站通过以太网口13中与调控数据网相连接的以太网口13将对时信息下发给本装置对时，支持电B码对时，通过B码对时接线口19与对时装置连接；打印机接线口14，可打印动作报告、装置定值、装置型号版本信息；开入接口15，蓄电池组内第一直流断路器1的K1的辅助触点信息接到此接口，备用开入接口16，与开入接口15的功能完全相同；开出触点接口17，蓄电池组的出口处的第二直流断路器2的K2励磁脱扣器控制接点接到此接口；备用开出触点接口18，与开出触点接口17功能完全相同，10、11电流采样接口；通过第一电流采样接口20或第二电流采样接口21连接电流互感器采集蓄电池组的电流信息，通过第一电压采样接口22、第二电压采样接口23采集蓄电池组的电压信息。
附图5是装置正视图，包括装置正常运行指示灯，装置运行异常指示灯，装置故障闭锁指示灯，CPU通过逻辑运程序算判别装置状态，选择性点亮三个指示灯；液晶面板，为触摸时液晶屏，可以显示每路通道收发功率、故障报告、整定装置参数和定值。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种蓄电池组短路联切保护装置，其特征在于包括蓄电池组保护装置、串联在蓄电池组中间位置的第一直流断路器、安装于蓄电池组正负极出口处的第二直流断路器，蓄电池组保护装置包括用于采集第一直流断路器的K1位置信息的光耦隔离输入电路以及用于采集蓄电池组电压、蓄电池组电流、直流母线电压的低通滤波器，光耦隔离输入电路及低通滤波器均与工控机通讯连接，工控机输出端连接有固态继电器输出电路，固态继电器输出电路控制连接第二直流断路器。
2.按照权利要求1所述的一种蓄电池组短路联切保护装置，其特征在于所述低通滤波器通过A/D转换器与工控机相连接，所述低通滤波器、A/D转换器、工控机、固态继电器输出电路均与电源模块相连接。
3.按照权利要求1或2所述的一种蓄电池组短路联切保护装置，其特征在于所述固态继电器输出电路输出端还与第一直流断路器通讯连接。
4.按照权利要求1所述的一种蓄电池组短路联切保护装置，其特征在于所述所述工控机连接有通信单元。
5.按照权利要求1所述的一种蓄电池组短路联切保护装置，其特征在于所述所述蓄电池组短路联切保护装置外部设有壳体，壳体背面设有电源模块插接板、通讯板、用于接入第一直流断路器K1的辅助触点信息的开入接口、备用开入接口、用于接入第二直流断路器K2励磁脱扣器控制接点的开出触点接口、备用开出触点接口、第一电流采样接口、第二电流采样接口、第一电压采样接口、第二电压采样接口，通讯板上开设有多个以太网口、B码对时接线口、打印机接线口。
6.按照权利要求1-5任一权利要求所述的一种蓄电池组短路联切保护装置，其特征在于所述一种蓄电池组短路联切保护装置的保护方法，其特征在于包括以下步骤：
1)、蓄电池组保护装置的工控机通过采集蓄电池组内第一直流断路器的K1位置信息、蓄电池组电流、蓄电池组两端电压和直流母线电压值来判别蓄电池组是否发生短路故障逻辑；
所述工控机的判别逻辑为：
若第一直流断路器的K1位置状态为分位；
若蓄电池组电流突变值超过最大负荷电流值；
若蓄电池组两端电压低于蓄电池组短路蓄电池组两侧电压识别定值；
若直流母线电压低于蓄电池组短路短路母线电压识别定值；
同时满足上述四条,工控机判定发出脉冲指令，控制蓄电池组出口处的第二断路器的K2断开，K2断路器脱扣后保证了充电机和直流母线与短路点有效隔开，充电机有条件恢复母线供电，从而母线电压能够及时恢复，站内直流负荷可以正常运行；
2)、蓄电池组保护装置的工控机根据回路是否发生短路故障来控制第二直流断路器跳开；
3)、工控机发出信号至通信单元，通信单元利用61850规约、103规约将故障报告通过过程层交换机上传至站内后台机，利用相应以太网口和104规约，通过路由器上传至调度数据网，然后将信息传送至调度值班员，及时为运维值班员和调度值班员提供故障信息。
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