CN112986743B - 一种主动干预型消弧装置测试系统功能体系 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动干预型消弧装置测试系统功能体系，中压配电网系统模拟功能模块可以实现中压配电网系统特性模拟；单相接地故障模拟功能模块在中压配电网系统模拟功能模块的线路或母线上设定配网故障发生区域，重现单相接地故障；性能指标监测功能模块进行性能指标的监测；结果展示功能模块用于对测试过程和结果进行展示。本发明通过重现配网实际运行工况，真实反映中压配电网各种类型单相接地故障的发展过程，为解决单相接地故障的识别与处理等问题提供平台支撑，提高配电网试验环境的等效性与可重复性，从而提高配电网故障检测装置试验测试能力与测试结果的可信度，在变电站自动化测试技术领域具有很强的实用性。
Description
技术领域
本发明属于变电站自动化测试系统技术领域，具体涉及一种主动干预型消弧装置测试系统功能体系。
背景技术
目前，我国l0kV配网普遍采用不接地或经消弧线圈接地的小电流接地形式，由于稳态故障电流微弱、接地过程复杂、电弧不稳定等原因，配电网单相接地故障选线和定位已成为困扰现场多年的难题。一直以来，针对配电网单相接地故障的处理，现场多采用原始的人工拉线方式进行选线，此方式效率低下、供电可靠性和经济性较差。同时，考虑到我国配电网具有线路结构复杂、环境多样多变、故障频繁复杂、维护工作量大等特征，配电线路某一段发生故障，需要逐段排查故障发生位置，不但工作强度大，而且还会延误抢修时间，影响供电可靠性。
现场运行的选线和定位装置效果不理想，原因主要是故障工况复杂，而稳态电流信号微弱，故障特征不明显；现场负荷等干扰因素较多等。由于接地介质(金属杆塔、绝缘子表面污垢、树枝或树干，甚至人体等)、接地点过渡电阻、系统电容电流水平、接地持续时间、故障初相角情况等均影响故障的特征量，以及瞬时性接地或间歇性接地的不稳定电弧故障的影响。包括配电网结构复杂，不同电网有功分量和谐波分量的含量不尽相同等，使得故障特征不明显；暂态的故障特征幅值上比实测的要大，但由于其持续时间短，难以有效测量。
2019年国家电网公司设备部发布《关于加强大城市配电电缆网单相接地故障快速处置工作的通知》，通知指出：“应按照“瞬时故障安全消弧，永久故障快速隔离”的原则，稳妥推进中性点接地方式改造，全面提升大城市配电电缆单相接地故障快速处置能力，降低因配电电缆单相接地故障引发的电缆通道火灾及大面积停电风险”。接地故障消弧的本质机理在于：故障电流过零熄弧后，故障点绝缘介质恢复速度快于故障电压恢复速度，有效阻止电弧重燃。
主动干预型消弧装置可有效抑制弧光过电压并减少故障点电流，在现场已有一定应用，但存在高阻接地时启动灵敏度过低，息弧后的电压互感器涌流大易引起谐振过电压；故障相接地开关打开时会造成中性点电压低频振荡而产生流经电磁式电压互感器的低频涌流，损坏电压互感器或熔断器，且容易产生熄弧后的过电压；在长线重载且金属性接地或低阻接地时，主动干预装置动作后的故障点接地电流依旧较大，不利于电弧的可靠熄灭。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种主动干预型消弧装置测试系统功能体系，对主动干预型消弧装置进行测试，提升主动干预型消弧装置灭弧质量，保障电网的安全稳定运行。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
一种主动干预型消弧装置测试系统功能体系，其特征在于，测试系统功能体系包括：
中压配电网系统模拟功能模块，通过电网设备、线路、母线、负荷、等效参数设备搭建，可以实现中压配电网系统特性模拟；
单相接地故障模拟功能模块，在中压配电网系统模拟功能模块的基础上，在线路或母线上设定配网故障发生区域，重现单相接地故障；
性能指标监测功能模块，在单相接地故障模拟功能模块重现单相接地故障时，进行性能指标的监测；
结果展示功能模块，用于对中压配电网系统模拟功能模块设定的拓扑结构、单相接地故障模拟功能模块设定的故障类型及故障过程、性能指标监测功能模块完成的指标监测结果以及实验系统的视频数据进行展示。
进一步的，中压配电网系统模拟功能模块按照不同的配置方式分别具有10kV变电站标准配置及运行方式能力、不同配电网系统参数模拟能力、10kV配电网网架模拟能力、多种类型线路及多种类型线路组合线路模拟能力、多种类型负载特性模拟能力。
进一步的，单相接地故障模拟功能模块包括单相接地故障模拟功能、多种接地极阻抗模拟功能和两个故障发生点模拟功能。
进一步的，单相接地故障模拟功能包括金属性接地故障、经不同阻值电阻接地故障、弧光接地故障、断线接地故障。
进一步的，单相接地故障模拟功能通过控制接地开关的导通时间，能够设定故障发生的时间，为检验装置的动作逻辑提供多种模拟环境。
进一步的，多种接地极阻抗模拟功能配置了不同阻抗等级的接地极用于单相接地故障的模拟。
进一步的，两个故障发生点模拟功能具备两个故障发生点，可满足不同地点、不同类型故障发生的需要，能够配置故障点的位置，实现故障模拟的多样化。
进一步的，性能指标监测功能模块包括过电压水平监测、系统电流量监测、开关量监测。
进一步的，测试系统功能体系的测试指标包括：装置熄弧能力指标、故障处理能力指标、故障点转移站内的安全影响指标、故障相电压恢复对互感器的保护能力指标、装置适用范围指标。
本发明提供的主动干预型消弧装置测试系统功能体系，包含中压配电网系统模拟功能模块、单相接地故障模拟功能模块、性能指标监测功能模块、结果展示功能模块。
中压配电网系统模拟功能模块通过对体系内的线路、母线、电网设备、负荷、等效参数设备的配置，可以具备多种典型的常用的电网模拟能力，实现中压配电网系统特性模拟，提供测试的环境基础，具备很强的实用性。单相接地故障模拟功能模块在线路或母线上设定配网故障发生区域，重现单相接地故障，性能指标监测功能模块，进行性能指标的监测，并通过结果展示功能模块对过程及结果进行展示。
本发明定位于通过重现配网实际运行工况，真实反映中压配电网各种类型单相接地故障的发展过程，为解决单相接地故障的识别与处理等问题提供平台支撑，提高配电网试验环境的等效性与可重复性，从而提高配电网故障检测装置试验测试能力与测试结果的可信度。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
图1为本发明提供的主动干预型消弧装置测试系统功能体系示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例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作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。
请参考图1，图1为本发明提供的主动干预型消弧装置测试系统功能体系示意图；本发明提供的主动干预型消弧装置测试系统功能体系包括中压配电网系统模拟功能模块、单相接地故障模拟功能模块、性能指标监测功能模块、结果展示功能模块(图中未显示)。
中压配电网系统模拟功能模块通过电网设备、线路、母线、负荷、等效参数设备搭建，可以实现中压配电网系统特性模拟；如图1所示，中压配电网系统模拟功能模块包含母线、位于母线上端的变压器部分和位于母线下端的线路部分，配电网系统可以选择不接地、经消弧线圈接地、小电阻接地、消弧线圈并中电阻接地、消弧线圈并小电阻接地等多种接地形式，母线下端包含有多条线路，线路上可以设置线路分支、开关、阻抗等。
在一些优选的实施例中，中压配电网系统模拟功能模块按照不同的配置方式分别具有10kV变电站标准配置及运行方式能力、不同配电网系统参数模拟能力、10kV配电网网架模拟能力、多种类型线路及多种类型线路组合线路模拟能力、多种类型负载特性模拟能力。
其中，10kV变电站标准配置及运行方式能够模拟各种典型中性点运行方式下10kV变电站的标准配置环境，包含一次开关设备、互感器设备、二次监控与保护设备、关键保护定值设定及附属设施；该系统具备配置不接地系统、小电阻接地系统、经消弧线圈接地系统以及多种混合型中性点运行方式的能力。
不同配电网系统参数模拟可通过系统参数调整，包括线路投入数量及接入方式调整、线路参数调整、线路对地电容容量的配置设定方式，实现0～150A不同电容电流水平下，典型配电网环境的模拟；通过线路参数的调整，具备系统电压不平衡的0～5％的设定范围。
具备10kV配电网网架模拟能力，该系统具备单母线运行能力，各条出线能够实现三分段结构，并在线路末端能够实现联络，具备的网架模拟能力；各条出线配置有分支线路，为故障区域的研判与隔离处理提供平台支撑。
具备多种类型线路及多种类型线路组合线路模拟能力，该系统具备真实电缆线路一条、架空线路两条，同时具备三条用于模拟多种系统规模的模拟线路；各条线路能够通过末端联络开关实现互联，具备的结构配置能力，满足电缆线路、架空线路、混合线路类型的试验要求。
具备多种类型负载特性模拟能力，具备常规负荷、冲击负荷以及谐波负荷的模拟能力，能够实现电动机类负荷冲击、0-5％谐波电流容量负荷下配电网典型运行工况的模拟，为系统扰动试验提供支撑。
在中压配电网系统模拟功能模块的基础上，在线路或母线上设定配网故障发生区域，重现单相接地故障。具体的请参考图1，图1中显示在线路1、线路3、线路5和线路6上设置有故障点，通过故障模拟单元控制故障的类型，让配电网重现单相接地故障。
在一些优选的实施例中，单相接地故障模拟功能模块包括单相接地故障模拟功能、多种接地极阻抗模拟功能和两个故障发生点模拟功能。其中，单相接地故障模拟功能包括金属性接地故障、经不同阻值电阻接地故障、弧光接地故障、断线接地故障、复杂接地故障模拟。单相接地故障模拟功能通过控制接地开关的导通时间，能够设定故障发生的时间，为检验装置的动作逻辑提供多种模拟环境。其中，弧光接地故障的类型包括电缆弧光接地、绝缘子弧光闪络、绝缘间隙放电；断线接地故障的类型包括水泥地、沙地、土地、砖地地面，可通过断线开关模拟断线故障的故障发展过程；复杂接地故障模拟包含同名相频繁接地和不同线路异名相相继接地。
在一些优选的实施例中，多种接地极阻抗模拟功能配置了不同阻抗等级的接地极用于单相接地故障的模拟。两个故障发生点模拟功能具备两个故障发生点，可满足不同地点、不同类型故障发生的需要，能够配置故障点的位置，实现故障模拟的多样化。
具体的在图1中，在线路4、线路5和线路6上分别设置有阻抗模拟，可以控制线路4、线路5和线路6上的阻抗大小，例如可以设置阻抗的大小为2Ω、10Ω、20Ω等不同的阻抗值。如图1所示，在线路1上设置有故障点2、在线路3、线路5、线路6上设置有故障点1，故障点1和故障点2和分别采用不同的故障模拟单元进行配置。
通过上面措施可以保证该系统不仅可以模拟多种典型的单相接地故障类型，还能配置故障点的数量、位置及故障线路的接地阻抗值，提供了多种的模拟环境，增加了测试系统功能体系对单相接地故障模拟的普适性。
性能指标监测功能模块是在单相接地故障模拟功能模块重现单相接地故障时，进行性能指标的监测。请参考图1，线路上的零序CT和PT等检测设备组成了本测试系统功能体系的性能指标监测功能模块。性能指标监测功能模块包括过电压水平监测、系统电流量监测、开关量监测。
其中，过电压水平监测用于满足单相接地故障环境下系统过电压的监测要求，采用高采样频率录波设备对母线三相电压、零序电压进行过电压水平监测，记录单相接地故障下、一次设备和二次设备动作过程中，系统电压的暂态变化过程，具备故障点处跨步电压与接触电压的监测能力，可评估单相接地故障下对人身安全的影响；具备断线故障点后端电压监测能力，可分析不同断线接地故障下电压的变化情况；
系统电流量监测可对进线三相电流、各出线三相电流及零序电流、母线PT中性点流经电流、故障点电流、台区变压器三相电流进行实时监测及录波；
开关量监测对各开关量进行记录，包含母线开关、线路分段开关、线路联络开关、接地开关、断线故障模拟开关。
在一些有优选的实施例中，测试系统功能体系的测试指标包括装置熄弧能力指标、故障处理能力指标、故障点转移站内的安全影响指标、故障相电压恢复对互感器的保护能力指标、装置适用范围指标。
在上述的指标中，有否决项指标和量化考核指标，否决项指标指的是被测装置必须通过的指标项，如果通不过，则该装置将视为试验不通过或不合格；量化考核指标指的是对被测装置的除否决项指标之外的性能进行量化考核的指标，用于量化评价装置的性能优劣。
因为主动干预型消弧装置的主要功能为消弧和灭弧，所以装置熄弧能力指标为至关重要的指标，装置熄弧能力指标包括熄弧能力指标、装置动作时间指标、故障点灭弧时间指标、选相正确率指标、选线正确率指标、瞬时性故障判断正确率指标、阻抗识别能力指标。
熄弧能力指标用于测试故障点电弧熄灭的能力，为否决项指标；装置动作时间指标表示从故障发生时刻到装置动作的时间，为量化考核指标；故障点灭弧时间指标表示从故障发生时刻到故障点熄弧的时间，为量化考核指标；选相正确率指标为选线正确次数与故障总次数的比值，该指标值大于等于98％时为量化考核指标，98％时以下时为否决项指标；瞬时性故障判断正确率指标瞬时性故障判断正确次数与瞬时性故障发生次数的比值，为否决项指标；阻抗识别能力指标表示固定配网运行环境下接地阻抗识别能力，根据现场试验场景确定阻抗识别能力最低值，向上量化考核，最低值以下时为否决项指标、最低值以上时为量化考核指标。
熄弧能力指标用于测试故障点电弧熄灭的能力。目前，由于没有确切的关于电弧模型参数与电弧熄灭能力之间关系的文献，为了更好的测试消弧装置的熄弧能力，需要测试哪些主要参数会影响电弧熄灭。为此，本发明给出了一个电弧模型，该模型可实现电极从产生电弧、到电弧最终自熄的整个电弧演化过程，进而确定出电弧自熄条件的四个关键参数。
此电弧模型即为“磁力Fm，浮力Fb，空气阻力Fd”所述的这个模型，建立的电弧模型用来解释电弧行为和自熄特征。
磁力Fm，浮力Fb，空气阻力Fd和重力G的表达式由下式确定：
式中li是当前i的长度，i为电流的组成元素；I是电流；ρa是大气密度；Vi是当前i的体积；g是重力加速度；d是i的直径；S是垂直于移动方向的投影面积；vi是i的速度；mi和ρi分别是i的质量和密度；C是阻力系数；Bi是单i位置的磁通密度。
磁通密度Bi可以表示如下
式中μ0为真空渗透率；dlj，dlp和dln分别是电弧通道正电极和负电极中的差分元素；rji是元素j和i之间的距离；epi和eni是分别从元素p和n到当前元素i的单位向量；LP和LN分别表示沿着正极和负极的线积分路径。
熄弧能力指标所涉及的电弧自熄条件有四个参数，它们都是初始电流的函数，由下式确定：
式中US、IS和l分别是电弧自熄电压、电流和长度；t是电弧爬升过程的持续时间；Ii是产生电弧时的初始电流；此外，长度l与自熄电压和电流之间的关系由下式确定：
电弧长度主要取决于初始电流Ii，较小的电极角有助于电弧越来越高地爬升。例如：当初始电流Ii分别为200、150、100和50A时，电弧自熄长度l分别为24、20、17和11cm。当初始电弧电流为200A时，电弧自熄电压，电流，长度和持续时间分别约为290V，117.8A，24cm和178ms。电弧模型可以为电弧运动特性提供解释，并在能量方面证明电弧的自熄条件。通过对熄弧能力指标所涉及的参数进行研究，便于更好的测试主动干预型消弧装置的熄弧能力，为判断消弧装置是否合格提供依据。
在性能指标监测功能模块进行监测的基础上，结果展示功能模块发挥显示的作用，用于对中压配电网系统模拟功能模块设定的拓扑结构、单相接地故障模拟功能模块设定的故障类型及故障过程、性能指标监测功能模块完成的指标监测结果以及实验系统的视频数据进行保存及展示，增加测试系统功能体系测试的直观性。
综上所述，本发明提供的主动干预型消弧装置测试系统功能体系，包含中压配电网系统模拟功能模块、单相接地故障模拟功能模块、性能指标监测功能模块、结果展示功能模块。本发明提供的主动干预型消弧装置测试系统功能体系，定位于通过重现配网实际运行工况，真实反映中压配电网各种类型单相接地故障的发展过程，为解决单相接地故障的识别与处理等问题提供平台支撑，提高配电网试验环境的等效性与可重复性，从而提高配电网故障检测装置试验测试能力与测试结果的可信度，在变电站自动化测试技术领域具有很强的实用性。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (8)
1.一种主动干预型消弧装置测试系统功能体系，其特征在于，所述测试系统功能体系包括：
中压配电网系统模拟功能模块，通过电网设备、线路、母线、负荷、等效参数设备搭建，可以实现中压配电网系统特性模拟；
单相接地故障模拟功能模块，在所述中压配电网系统模拟功能模块的基础上，在所述线路或所述母线上设定配网故障发生区域，重现单相接地故障；
性能指标监测功能模块，在所述单相接地故障模拟功能模块重现单相接地故障时，进行性能指标的监测；
结果展示功能模块，用于对所述中压配电网系统模拟功能模块设定的拓扑结构、所述单相接地故障模拟功能模块设定的故障类型及故障过程、所述性能指标监测功能模块完成的指标监测结果以及测试系统的视频数据进行展示；
所述测试系统功能体系的测试指标包括：装置熄弧能力指标、故障处理能力指标、故障点转移站内的安全影响指标、故障相电压恢复对互感器的保护能力指标、装置适用范围指标；
装置熄弧能力指标包括熄弧能力指标；熄弧能力指标用于测试故障点电弧熄灭的能力；熄弧能力指标涉及到电弧模型；
电弧模型为“磁力Fm，浮力Fb，空气阻力Fd”，电弧模型用来解释电弧行为和自熄特征；
磁力Fm，浮力Fb，空气阻力Fd和重力G的表达式由下式确定：
式中li是当前i的长度，i为电流的组成元素；I是电流；ρa是大气密度；Vi是当前i的体积；g是重力加速度；d是i的直径；S是垂直于移动方向的投影面积；vi是i的速度；mi和ρi分别是i的质量和密度；C是阻力系数；Bi是单i位置的磁通密度；
磁通密度Bi可以表示如下
式中μ0为真空渗透率；dlj，dlp和dln分别是电弧通道正电极和负电极中的差分元素；rji是元素j和i之间的距离；epi和eni是分别从元素p和n到当前元素i的单位向量；LP和LN分别表示沿着正极和负极的线积分路径；
熄弧能力指标所涉及的电弧自熄条件有四个参数，它们都是初始电流的函数，由下式确定：
式中US、IS和l分别是电弧自熄电压、电流和长度；t是电弧爬升过程的持续时间；Ii是产生电弧时的初始电流；此外，长度l与自熄电压和电流之间的关系由下式确定：
通过对熄弧能力指标所涉及的参数进行研究，便于更好的测试主动干预型消弧装置的熄弧能力，为判断消弧装置是否合格提供依据。
2.根据权利要求1所述的一种主动干预型消弧装置测试系统功能体系，其特征在于，所述中压配电网系统模拟功能模块按照不同配置方式分别具有10kV变电站标准配置及运行方式能力、不同配电网系统参数模拟能力、10kV配电网网架模拟能力、多种类型线路及多种类型线路组合线路模拟能力、多种类型负载特性模拟能力。
3.根据权利要求1所述的一种主动干预型消弧装置测试系统功能体系，其特征在于，所述单相接地故障模拟功能模块包括单相接地故障模拟功能、多种接地极阻抗模拟功能和两个故障发生点模拟功能。
4.根据权利要求3所述的一种主动干预型消弧装置测试系统功能体系，其特征在于，所述单相接地故障模拟功能包括金属性接地故障、经不同阻值电阻接地故障、弧光接地故障、断线接地故障。
5.根据权利要求4所述的一种主动干预型消弧装置测试系统功能体系，其特征在于，所述单相接地故障模拟功能通过控制接地开关的导通时间，能够设定故障发生的时间，为检验装置的动作逻辑提供多种模拟环境。
6.根据权利要求3所述的一种主动干预型消弧装置测试系统功能体系，其特征在于，所述多种接地极阻抗模拟功能配置了不同阻抗等级的接地极用于单相接地故障的模拟。
7.根据权利要求3所述的一种主动干预型消弧装置测试系统功能体系，其特征在于，所述两个故障发生点模拟功能具备两个故障发生点，可满足不同地点、不同类型故障发生的需要，能够配置故障点的位置，实现故障模拟的多样化。
8.根据权利要求1所述的一种主动干预型消弧装置测试系统功能体系，其特征在于，所述性能指标监测功能模块包括过电压水平监测、系统电流量监测、开关量监测。
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