智能型短路实验台的制作方法

本发明涉及智能型短路实验台。

背景技术：

电力系统可能发生的故障类型比较多，常见的对电力系统危害比较严重的有：短路、断相以及其他各种复杂的故障。而短路故障是电力系统中最为常见的故障。电力系统发生短路时，伴随短路所产生的基本现象是电流的剧烈增加。

由于短路故障危害较大，所以目前供电系统中针对短路故障都设置有速断控制设备。当短路发生时，系统自动断电，如何验证速断设备达到设计标准，就需要在实验室内模拟短路故障发生现象，以检验速断控制设施的正确性。所以，短路实验装置的研究与改进就有很重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种智能型短路实验台以模拟电场线短路状态并获取电场线短路时电流突变情况。

为实现上述目的，本发明的智能型短路实验台采用以下技术方案：

智能型短路实验台，包括电压模拟回路、电流模拟回路、控制器以及PC机，电压模拟回路包括串联布置在对地电场模拟线上的变压器和第一电子开关K1，还包括与对地电场模拟线导电连接以测量电压模拟回路中电流和电场的数据采集终端，控制器与数据采集终端通过无线通信信号连接以接收数据采集终端采集到的电流值和电场值；电流模拟回路包括第二电子开关K2、第一电阻、N匝线圈、电流表和用于测量N匝线圈总电流的测量CT，电流表用于测量流过单匝线圈的电流，电流模拟回路还包括通过第三电子开关K3与第一电阻并联的第二电阻；测量CT与控制器连接以将流经其的电流信号变换成数字信号并传输给控制器，PC机与控制器的串口连接以接收并显示控制器接收到的模拟电流值，第一电子开关K1、第二电子开关K2与第三电子开关K3与控制器的不同输出引脚相连以通过控制器中程序切换相应电子开关的通断状态。

N匝线圈上安装有用于测量N匝线圈中N匝总电流的钳形电流表。

测量CT与数据采集终端安装在N匝线圈上。

控制器型号为STM32F107，包括串口1、串口2及A/D0数据转换口，串口1连接CC1011模块，串口2连接PC机，CC1011模块为433MHZ无线通信模块，数据采集终端包括与无线通信模块对应的适配模块以实现数据采集终端与控制器的信号连接；控制器还包括输出引脚CPU_PB0、输出引脚CPU_PB1、输出引脚CPU_PB2，输出引脚CPU_PB0、输出引脚CPU_PB1、输出引脚CPU_PB2对应连接第一电子开关K1、第二电子开关K2、第三电子开关K3。

第一电子开关K1、第二电子开关K2、第三电子开关K3的型号均为PS710B_1A。

电压模拟回路中的变压器包括单相调压器T1和单相变压器T2以模拟工作电压为10KV的对地电场模拟线的电压；电流模拟回路包括串联在回路中的单相调压器T3。

本发明的有益效果如下：通过第三电子开关控制第二电阻并入电流模拟回路，以达到切换电流模拟回路中电阻大小的作用，记录第二电阻并入前后电流表的读数即可模拟出电场线中电流突变情况。控制第一电子开关与第二电子开关断开即可模拟电场跌落为零和线路中电流为零的情况。本发明中三个电子开关的通断状态均由控制器编程控制，所以切换时间在微秒级，能灵活控制短路模拟时长。同时，通过控制器编程控制电路中电阻切换过程，可以模拟现场各种不同情况下电流变化过程，使实验台更具有灵活性和可扩展性。

附图说明

图1为本发明的智能型短路实验台的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明的控制器主程序框架结构图。

具体实施方式

本发明的智能型短路实验台的结构原理图如图1所示，包括电压模拟回路、电流模拟回路、控制器以及PC机。电压模拟回路与电流模拟回路是孤立的两个回路。

电压模拟回路用于模拟10KV供电系统中电场线的电压，包括串联布置在对地电场模拟线中的单相调压器T1、单相变压器T2和第一电子开关K1，还包括用于测量电压模拟回路中电流的数据采集终端。单相调压器T1用于将民用交流220V电压变化成交流100V，单相变压器T2的变比为1/100以将交流100V电压变化成交流10KV电压，此时即在对地电场模拟线中模拟中10KV的交流电压。对地电场模拟线通过压簧压接在数据采集终端上，数据采集终端中流通的电流和电场即为对地电场模拟线中实际流通电流和电场。

电流模拟回路用于模拟10KV高压电场线中流通的大电流，包括串联的单相调压器T3、第二电子开关K2、第一电阻R1、N匝线圈、电流表A1和测量CT，还包括与第电阻R1并联的第二电阻R2，第二电阻R2所在支路中串设有第三电子开关K3。第三电子开关K3闭合时第二电阻R2会并入短路模拟回路中，第三电子开关K3断开时第二电阻R2由短路模拟回路中移除。第一电阻R1与第二电阻R2均采用可变电阻值的功率电阻。N匝线圈采用漆包线环线N匝构成，每匝流通电流极小即可保证较大的N匝总电流值以符合10KV高压电场线中大电流。因而变压器T3将交流220V电压变换为交流60V电压即可满足电流模拟回路的供电要求，提高了电流模拟回路的安全性。测量CT用于测量N匝线圈上的总电流，为校正测量CT中流通电流的测量值，N匝线圈上安装有用于测量N匝线圈中流通总电流的、精度极高的钳形电流表A2。电流表A1串联在短路模拟回路中，所以其测量值为流过单匝线圈的电流值。

测量CT安装在N匝线圈上以使本发明的短路实验台结构更加集成、紧凑，在此需要强调的是测量CT与N匝线圈之间仅存在机械连接关系而无电路连接关系。

控制器的具体型号为STM32F107，包括输出引脚CPU_PB0、输出引脚CPU_PB1、输出引脚CPU_PB2、串口1、串口2及A/D0数据转换口。其中串口1连接CC1011模块，串口2连接PC机。CC1011模块为433MHZ无线通信模块，用于实现无线通信。PC机用于进行短路时间参数或其他时间参数的设定。A/D0数据转换口与CT线圈相连以将测量CT上的流通电流转换为数字信号，再由串口2送至PC机中进行存储及显示。

数据采集终端也安装在N匝线圈上以进一步提高本发明实验台结构的集成度，数据采集终端与N匝线圈也是仅有机械连接、并无电路连接。数据采集终端通过传输协议与CC1011模块连接，以将采集到的电流数据和电场数据经串口1传输给控制器，控制器再经串口2将数据传输给PC机。

第一电子开关K1、第二电子开关K2、第三电子开关K3的型号均为PS710B_1A，三个输出引脚与三个电子开关一一对应连接。这种电子开关导通后电阻在0.05欧姆，在进行计算时可忽视，开关最大负荷电流2.5A。并且在控制接口输出高电平时，相应电子开关导通，电子开关4口与6口之间电路导通；在控制接口输出低电平时，相应电子开关断开，电子开关4口与6口之间电路断开。

进行短路模拟的过程如下：

第一步，导通第一电子开关K1与第二电子开关K2，断开第三电子开关K3，此时对地电场模拟线中有10KV电压，N匝线圈中会模拟出线路电流情况。电流表测得电流I＝U/R1,N匝线圈的总电流近似等于NI。

第二步，将第二电阻R2调整为第一电阻R1的1/M，导通第三电子开关K3使第二电阻R2并入短路模拟回路，此时第一电阻R1与第二电阻R2的总电阻变为R1/(M+1)，电流表测得电流为(M+1)I，模拟的N匝线圈总电流近似等于N(M+1)I。此时即可模拟出近似MNI的电流突变。

第三步，延时一段时间后，断开第一电子开关K1和第二电子开关K2，即可模拟出电场跌落为零和线路电流为零的变化。

由上述分析过程可知，当匝数N定下后，突变值只与M和I有关，所以，在设计短路故障模拟时，第一电阻R1值可以调整变化，用以调整I值。然后调整第二电阻R2，用以调整M值。由此调整出符合突变值的短路电流值。

例如：若已确定采用200匝实验台，短路电流突变电流量为200A，200匝线圈中的基础电流为10A，则可确定NMI＝200，NI＝10A。由此可以推导出I＝0.05A，M＝20。进一步，当选定R1＝50欧姆时(电场线等效总电阻)，可以推出V2＝2.5V和R2＝2.5欧姆。这样，在实验前，我们就可以获得不同I和M组合的实验条件，事先把这些参数调整好，等待实验使用。

由于短路对系统损害非常大，所以需要精确控制短路模拟时长以防发生大的损失。本发明中三个电子开关的通断状态均由控制器编程控制，所以切换时间在微秒级，能灵活控制短路模拟时长。同时，通过控制器编程控制电路中电阻切换过程，可以模拟现场各种不同情况下电流变化过程，使实验台更具有灵活性和可扩展性。

同时，本发明对10KV电场线的电流和电压分开模拟，有利于保证模拟结果的准确性，同时也提高了短路实验台的安全性能。

整个系统工作控制由PC机程序和STM32F107程序完成。PC机通过串口2和STM32F107完成通信。PC机主动通信协议格式如下：

帧头(68H,一字节)，长度(帧长度，1字节,07)类型代码(01，实验类型代码，01～08，一字节)，时间1(2字节)，时间2(2字节)，时间3(2字节)，校验和(类型到时间3累加和)，帧结束(16H,一字节)

STM32F107收到正确通信帧后，回复帧：

68H01H00H01H16H

PC机系统界面收到后，显示“通信成功”提示。

以上协议中，实验类型代码字节含义细分为：

01代表短路故障，02代表负荷波动，03代表变压器空载合闸涌流，04代表线路突合负载涌流，05代表人工投切大负荷，06代表非故障相重合闸涌流，07代表接地故障，08代表停电状态。

在每种实验情况下，STM32F107通过A/D0采样，将实验波形记录下来，通过串口2发给PC机显示。

STM32F107主动发送数据通信协议格式：

帧头(68H，一字节)，类型(一字节，01，CT数据，F2，数据采集终端数据，高位F为数据采集终端编号,0～F)，长度(帧长度，2字节，从数据开始，到CRC校验码结束)，数据(n字节)，CRC校验码(2字节)，帧结束(16H)

PC主机正确收到数据帧后，回复STM32F107帧：

68H01H00H01H16H，并将波形显示出来。主机通过波形图，计算故障前后电流有效值并显示出来，同时显示电场有效值波形图。

PC机主机程序还具有设置时间1到时间3的编辑框，单位是毫秒。

STM32F107的CC1011作用是：在某一次实验结束后，与数据采集终端通信，将数据采集终端采样的数据取出，由STM32F107将获取的数据通过串口2传给PC机，与CT采样数据波形作对比并进行下一步各种数据算法分析。