CN115856618B - 一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置及方法，属于短路试验技术领域；解决了低压开关设备短路试验时调试过程复杂、控制精度差的问题；包括依次连接的储能电源、第一三相电动隔离开关、测量柜、第二三相电动隔离开关、短时耐受试验变压器、可调阻抗、罗氏线圈；储能电源经第一三相电动隔离开关合闸后接到测量柜输入端，进行电压、电流测量，测量柜输出端经第二三相电动隔离开关合闸后接入到短时耐受变压器原边侧，副边侧接可调阻抗，测量柜和罗氏线圈所测量的电流、电压量由波形记录仪统一记录；本发明应用于低压开关设备短路试验。

Description

一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置及方法

技术领域

本发明提供了一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置及方法，属于短路试验技术领域。

背景技术

低压开关设备的短路耐受强度试验是其性能检测的主要试验项目，但是受试验装置限制，很多检测机构无法开展此试验项目。现有的试验电源主要以冲击发电机和电网专线为主，这两种方案均能在容量、功率上满足试验条件，但采用电网专线作为试验电源，会对电网运行可靠性造成危害，因此通过审批难度大，若采用冲击发电机方式，则存在造价高、噪音大等缺点。此外，使用电网专线和冲击发电机，试验过程调试复杂，需要通过选相开关控制合闸时间，控制精度差。

目前，逆变器单元串并联多电平技术使得利用大功率、大容量逆变器、储能装置能够进行短路试验。同时，配置特制的短时耐受试验变压器和可调阻抗，可模拟实际配网条件下低压开关设备发生短路时，验证低压开关设备承受最大热应力和动态应力的性能。

发明内容

本发明为了解决低压开关设备短路试验时调试过程复杂、控制精度差的问题，提出了一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置，包括依次连接的储能电源、第一三相电动隔离开关、测量柜、第二三相电动隔离开关、短时耐受试验变压器、可调阻抗、罗氏线圈；

所述储能电源包括输入电路、移相变压器、储能单元、逆变单元、控制系统、输出控制电路、输出采样电路，所述输入电路，用于将三相交流电输入主交流接触器、总开关后，再输入到移相变压器原边侧；

所述移相变压器，用于将AC380V电源接通并且升至AC690V，经多个副边绕组为各逆变单元提供电能；

所述储能单元，用于将整流后的直流电输入到储能器件进行电量储存；

所述逆变单元，用于将经储能单元滤波后的直流电经IGBT组成的桥式逆变电路进行正弦PWM调制，得到等效的交流输出电压；

所述第一三相电动隔离开关，用于隔离逆变单元输出端与测量柜输入端；

所述测量柜，用于测量储能电源输出的电压量、电流量、功率因数；

所述第二三相电动隔离开关，用于隔离测量柜输出端与短时耐受试验变压器输入端；

所述短时耐受试验变压器，用于将高电压小电流变化为低电压大电流，并承受短路电流冲击；

所述可调阻抗，用于调节试验回路的功率因数，并在短路发生时限制短路电流；

所述罗氏线圈，用于将短时耐受试验变压器输出的电流转为可测量的电流信号；

所述控制系统分别与主交流接触器、移相变压器、逆变单元、输出控制电路、输出采样电路相连，用于控制多个交流接触器的分合、对模拟/数字信号进行处理。

所述控制系统由插卡机箱、转接板、采样板、继电器板、风机控制板、控制箱、电源柜组成；

所述插卡机箱是整个储能电源的控制中枢，控制着多个交流接触器的分合以及模拟/数字信号的处理。

还包括风机系统，所述风机系统用于除湿、除尘、散热，所述风机系统与控制系统相连。

所述逆变单元采取串并联级联方式输出大功率，包括整流电路、滤波电路、逆变电路、控制电路、驱动电路；

所述整流电路的输入端接移相变压器提供的三相交流电，整流电路的输出端接储能单元；

所述滤波电路的输入端接储能单元，滤波电路的输出端接逆变电路；

所述控制电路用于接收控制系统脉冲信号，经驱动电路放大信号后驱动逆变器工作，每台逆变器内部都有各自独立的单元控制板、IGBT驱动模块和一块高压开关电源板，单元控制板和控制系统之间采用光纤信号传输，低压部分和高压部分完全隔离。

所述测量柜内部集成了电压互感器、电流互感器、功率分析仪，用于测量储能电源输出的电压、电流、功率、功率因数。

所述插卡机箱由数字板、模拟板、光纤板、母板组成，所述数字板包括开关输入、开关输出两个接口，通过电缆和转接板连接，用来控制交流接触器的通断和采集交流接触器的触点反馈信号以及紧急停止开关、各个按钮的开关信号；

所述模拟板采用高速DSP芯片，实时处理大量数据，实时计算显示电压、电流、功率、频率参数，其中模拟板上的模拟输入接口通过电缆和转接板连接，用来传送来自采样板的电压、电流传感器采集的模拟信号；

所述光纤板通过光纤与各逆变单元进行数据传递，光纤板周期性向各逆变单元发出脉宽调制信号，并接收逆变单元采集的信息。

所述继电器板用于控制电源柜内部的预充电接触器、合闸接触器、输出接触器的线圈电压，从而控制预充电接触器、合闸接触器、输出接触器触点的通断。

所述风机控制板用于控制电源柜内部的三相交流风机散热，所述风机控制板安装有交流相序自动识别电路、风机自动换相电路。

一种基于储能电源的低压开关设备短路测试方法，采用基于储能电源的低压开关设备短路测试装置，包括如下步骤：

第一步，将可调阻抗值调为预定值后，用铜排将其输出侧短接；

第二步，启动输入侧主交流接触器、总开关后，基于预先设定电容器组充电电压，通过移相变压器给各储能单元充电，达到预先设定电压值，控制系统关断交流接触器；

第三步，启动测量柜两侧的第一三相电动隔离开关、第二三相电动隔离开关，基于预先设定的输出电压，进行短路电流的预试验；

第四步，关闭测量柜两侧的第一三相电动隔离开关、第二三相电动隔离开关，调节可调阻抗、直流侧母线电压，使得试验回路功率因数、短路电流有效值、短路电流峰值满足试验要求；

第五步，将低压开关设备的断路器输出端进行短路接线，并将被试品的输入端与可调阻抗输出端相连接；

第六步，启动测量柜两侧的第一三相电动隔离开关、第二三相电动隔离开关，基于预先设定的输出电压，进行低压开关设备的短时耐受试验。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明的逆变器采用逆变器单元串并联多电平技术，将储能电源应用于低压开关设备短路强度耐受试验，此举避免了低压开关电器短路试验使用电网专线和冲击发电机，具有所需电网容量小、造价低、无需审批的优势。本发明采用移相变压器，实现对多组逆变单元供能。本发明通过控制系统调节逆变器中直流侧母线电压，相比电网专线，储能电源所储存电能足够条件下，具有稳定输出大电流、高电压的能力。本发明通过短时耐受试验变压器，实现大电流、低电压(380V～440V)的变换，具有可调节性强的优点。本发明通过控制三相IGBT的角度，实现短路相位角的控制，具有稳定性好、精度高的优点。本发明通过调节可调阻抗，限制短路电流峰值，具有可调节性强的优点。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明储能电源的电路结构示意图；

图2为本发明低压开关设备进行短路耐受强度试验时的接线示意图；

图3为本发明测试方法的流程图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明提供了一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置，包括依次连接的储能电源、三相电动隔离开关、测量柜、电动隔离刀闸、短时耐受试验变压器、可调阻抗；其中储能电源包括输入电路、移相变压器、储能单元、逆变单元；

输入电路，用于将三相交流电输入交流接触器、总开关后，接通至移相变压器原边侧；

移相变压器，用于将交流380V电源接通并且升至交流690V，经多个副边绕组为各逆变单元提供电能；

储能单元，用于将整流后的直流电输入到储能器件进行电量储存；

逆变单元，采取串并联级联方式输出大功率，包括整流电路、滤波电路、逆变电路、控制电路、驱动电路、控制系统，整流电路一侧与移相变压器相连，一侧与储能单元（电容器单元）相连，逆变电路一侧与经滤波电路后的储能单元相连，一侧与电动隔离开关相连；

三相电动隔离开关为两个，分别用于隔离逆变单元输出端与测量柜输入端和隔离测量柜输出端与短时耐受试验变压器输入端；

测量柜，内部集成了电压互感器、电流互感器、功率分析仪，用于测量储能电源输出的电压、电流、功率、功率因数；

短时耐受试验变压器，能够承受至少1万次短路冲击的试验变压器，用于将高电压小电流变化为低电压大电流，并承受短路电流冲击。

可调阻抗，用于调节试验回路的功率因数，并在短路发生时限制短路电流。

控制电路，用于接收控制系统发送的脉冲信号，经驱动电路放大信号后驱动逆变器工作，每台逆变器内部都有各自独立的单元控制板、IGBT驱动模块和一块高压开关电源板，单元控制板和控制系统之间采用光纤信号传输技术，低压部分和高压部分完全隔离。

控制系统，由插卡机箱、转接板、采样板、继电器板、风机控制板、控制箱、电源柜等组成。

插卡机箱由数字板、模拟板、光纤板、母板组成，是整个储能电源的控制中枢，控制着各种交流接触器的分合、模拟/数字信号的处理等，插卡机箱采用直流24V供电，在外部突然断电的情况下，电源柜自动切换到备用电源（UPS供电）。

数字板，有开关输入、开关输出两个接口，通过电缆和转接板连接，用来控制交流接触器的通断，采集交流接触器的触点反馈信号，采集紧急停止开关、各个按钮的开关信号。

模拟板，采用高速DSP芯片，可以实时处理大量数据，实时计算显示电压、电流、功率、频率等参数。其中模拟板上的模拟输入接口通过电缆和转接板连接，用来传送电压传感器、电流传感器采集的模拟信号。

光纤板，通过光纤与各逆变单元进行数据传递，光纤板周期性向各逆变单元发出脉宽调制（SPWM）信号，并接收逆变单元采集的信息。当逆变单元突发故障时，会立即向光纤板发送信息，同时光纤板向其发出封锁信号，主电路切断，保护设备不被损坏。

母板，插卡机箱其他各板均通过插座连接至母板上，使得各板具有相应的电气连接。

转接板，作为插卡机箱和其它电气元件的转接，本身不具备任何控制功能，所有开关信号连接至转接板后，经过一根电缆送往数字板，所有模拟输入信号连接至转接板后，经过另外一根电缆送往模拟板。

继电器板，控制电源柜内部的预充电接触器、合闸接触器、输出接触器的线圈电压，从而控制其触点的通断。

风机控制板，电源柜内部使用三相交流风机散热，在不同的交流相序下，风机有可能是正方向旋转，也有可能是反方向旋转。为了实现最好的散热效果，必须保证不管三相交流供电电源的相序如何，风机旋转的方向总是某一方向。为了实现这个目的，风机控制板安装有交流相序自动识别电路、风机自动换相电路。

图1是本发明实施例提供的一种储能电源的电路结构示意图，参见图1，储能电源包括依次连接的总开关、移相变压器、储能单元、逆变单元、输出控制、输出采样、控制系统等。

具体地，三相交流电经主交流接触器、总开关控制后，接通至移相变压器原边侧，移相变压器将交流380V电源接通并且升至交流690V，经多个副边绕组为各逆变单元提供电能，通过逆变单元整流后的直流电输入到储能器件进行电量储存，控制系统发出指令给输出控制电路后，逆变单元开始工作，经滤波电路滤波后的直流电逆变为所需要的交流电进行输出。

图2是本发明低压开关设备进行短路耐受强度试验时的接线示意图，参见图2，测试装置包括储能电源、三相电动隔离开关、测量柜、短时耐受试验变压器、可调阻抗、罗氏线圈、波形记录仪等。

具体地，储能电源经第一三相电动隔离开关合闸后接到测量柜输入端，进行电压、电流测量，测量柜输出端经第二三相电动隔离开关合闸后接入到短时耐受变压器原边侧，副边侧接可调阻抗，测量柜和罗氏线圈所测量的电流、电压量由波形记录仪统一记录。

本发明实施例还提供了一种基于储能电源的低压开关设备短路测试方法，其流程图如图3所示，包括以下步骤：

第一步，将可调阻抗值调为预定值后，用铜排将其输出侧短接；

第二步，通过远程控制台，设定电容器组充电电压，启动输入主交流接触器、总开关后，通过移相变压器给各储能单元充电，达到预先设定电压值，控制系统关断交流接触器，停止充电操作；

第三步，启动测量柜两侧的三相电动隔离开关，基于预先设定的输出电压，进行短路电流的预试验，达到设定输出时间后，关断测量柜两侧的三相电动隔离开关以及逆变器的输出；

第四步，调节可调阻抗（手动）、直流侧母线电压（控制系统自动设定），重复第二步、第三步，使得试验回路功率因数、短路电流有效值、短路电流峰值满足试验要求；

第五步，将低压开关设备的断路器（三相母线、中性母线、保护导体、带熔断器的隔离开关）输出端进行短路接线，并将被试品输入端与短路可调阻抗输出端相连接；

第六步，启动测量柜两侧的三相电动隔离开关，基于预先设定的输出电压，进行低压开关设备的短时耐受试验，试验后关断测量柜两侧的三相电动隔离开关，并通过远程控制台启动储能单元放电回路，使得储能单元两侧电压降低到36V以下。

需要说明的是，储能电源属于高压设备，长时间未使用时，使用前应开启风机通风30分钟以上，防止潮湿影响内部绝缘。储能电源中的滤波元器件受环境温度、脉动电流影响较大，属于易损元器件，使用过程中要注意检测元器件是否有漏液情况。进行任何维修、保养时，必须确保所有开关均断开且通过所测得的直流侧电压值确认储能器件放电完毕，以保证人身安全。测量柜的输入、输出不可接错，否则会导致采集到的电压、电流波形反相。可调阻抗值必须在标准允许范围之内，否则为无效试验，且会使得过流保护动作。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置，其特征在于：包括依次连接的储能电源、第一三相电动隔离开关、测量柜、第二三相电动隔离开关、短时耐受试验变压器、可调阻抗、罗氏线圈；

所述储能电源包括输入电路、移相变压器、储能单元、逆变单元、控制系统、输出控制电路、输出采样电路，所述输入电路，用于将三相交流电输入主交流接触器、总开关后，再输入到移相变压器原边侧；

所述移相变压器，用于将AC380V电源接通并且升至AC690V，经多个副边绕组为各逆变单元提供电能；

所述储能单元，用于将整流后的直流电输入到储能器件进行电量储存；

所述逆变单元，用于将经储能单元滤波后的直流电经IGBT组成的桥式逆变电路进行正弦PWM调制，得到等效的交流输出电压；

所述第一三相电动隔离开关，用于隔离逆变单元输出端与测量柜输入端；

所述测量柜，用于测量储能电源输出的电压量、电流量、功率因数；

所述第二三相电动隔离开关，用于隔离测量柜输出端与短时耐受试验变压器输入端；

所述短时耐受试验变压器，用于将高电压小电流变化为低电压大电流，并承受短路电流冲击；

所述可调阻抗，用于调节试验回路的功率因数，并在短路发生时限制短路电流；

所述罗氏线圈，用于将短时耐受试验变压器输出的电流转为可测量的电流信号；

所述控制系统分别与主交流接触器、移相变压器、逆变单元、输出控制电路、输出采样电路相连，用于控制多个交流接触器的分合、对模拟/数字信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置，其特征在于：所述控制系统由插卡机箱、转接板、采样板、继电器板、风机控制板、控制箱、电源柜组成；

所述插卡机箱是整个储能电源的控制中枢，控制着多个交流接触器的分合以及模拟/数字信号的处理。

3.根据权利要求2所述的一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置，其特征在于：还包括风机系统，所述风机系统用于除湿、除尘、散热，所述风机系统与控制系统相连。

4.根据权利要求3所述的一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置，其特征在于：所述逆变单元采取串并联级联方式输出大功率，包括整流电路、滤波电路、逆变电路、控制电路、驱动电路；

所述整流电路的输入端接移相变压器提供的三相交流电，整流电路的输出端接储能单元；

所述滤波电路的输入端接储能单元，滤波电路的输出端接逆变电路；

所述控制电路用于接收控制系统脉冲信号，经驱动电路放大信号后驱动逆变器工作，每台逆变器内部都有各自独立的单元控制板、IGBT驱动模块和一块高压开关电源板，单元控制板和控制系统之间采用光纤信号传输，低压部分和高压部分完全隔离。

5.根据权利要求3所述的一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置，其特征在于：所述测量柜内部集成了电压互感器、电流互感器、功率分析仪，用于测量储能电源输出的电压、电流、功率、功率因数。

6.根据权利要求2所述的一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置，其特征在于：所述插卡机箱由数字板、模拟板、光纤板、母板组成，所述数字板包括开关输入、开关输出两个接口，通过电缆和转接板连接，用来控制交流接触器的通断和采集交流接触器的触点反馈信号以及紧急停止开关、各个按钮的开关信号；

所述模拟板采用高速DSP芯片，实时处理大量数据，实时计算显示电压、电流、功率、频率参数，其中模拟板上的模拟输入接口通过电缆和转接板连接，用来传送来自采样板的电压、电流传感器采集的模拟信号；

所述光纤板通过光纤与各逆变单元进行数据传递，光纤板周期性向各逆变单元发出脉宽调制信号，并接收逆变单元采集的信息。

7.根据权利要求6所述的一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置，其特征在于：所述继电器板用于控制电源柜内部的预充电接触器、合闸接触器、输出接触器的线圈电压，从而控制预充电接触器、合闸接触器、输出接触器触点的通断。

8.根据权利要求7所述的一种基于储能电源的低压开关设备短路测试装置，其特征在于：所述风机控制板用于控制电源柜内部的三相交流风机散热，所述风机控制板安装有交流相序自动识别电路、风机自动换相电路。

9.一种基于储能电源的低压开关设备短路测试方法，采用如权利要求1-8任一项所述的基于储能电源的低压开关设备短路测试装置，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，将可调阻抗值调为预定值后，用铜排将其输出侧短接；

第二步，启动输入侧主交流接触器、总开关后，基于预先设定电容器组充电电压，通过移相变压器给各储能单元充电，达到预先设定电压值，控制系统关断交流接触器；

第三步，启动测量柜两侧的第一三相电动隔离开关、第二三相电动隔离开关，基于预先设定的输出电压，进行短路电流的预试验；

第四步，关闭测量柜两侧的第一三相电动隔离开关、第二三相电动隔离开关，调节可调阻抗、直流侧母线电压，使得试验回路功率因数、短路电流有效值、短路电流峰值满足试验要求；

第五步，将低压开关设备的断路器输出端进行短路接线，并将被试品的输入端与可调阻抗输出端相连接；

第六步，启动测量柜两侧的第一三相电动隔离开关、第二三相电动隔离开关，基于预先设定的输出电压，进行低压开关设备的短时耐受试验。

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