一种单相接地故障真型模拟实验相间短路保护装置及方法与流程

本发明涉及电力系统故障真型模拟实验技术领域，特别是一种用于单相接地故障真型模拟实验过程中的保护装置及方法。

背景技术：

随着电网建设的不断加快，大电网安全稳定运行正面临着前所未有的挑战，同时伴随着人民生活水平的不断提高，供电可靠性、人身安全得到越来越广泛的关注。单相接地故障是配电网故障中发生概率最大的一种故障类型，自上世纪初国内外就持续开展了大量的中性点接地方式、单相接地故障的实验研究等。为了更好的研究单相接地故障，原有的计算机仿真、低压物理模型实验已经无法满足研究需求。国家电网、南方电网大力建设高压真型实验平台，以开展单相接地故障的真型模拟实验。

真型实验必然面临高电压、大电流问题，继电保护必不可少。单相接地故障真型模拟实验系统在系统正常运行时，三个相线中电流大小基本相等，均为较小值；当进行单相接地故障实验时，故障相中流过故障电流，故障电流的大小取决于中性点接地方式：当中性点采用消弧线圈接地时，如消弧线圈补偿良好，故障相中电流可接近为零；当中性点不接地时，故障相流过的故障电流等于整个实验电网的对地电容电流；当中性点经过小电阻接地时，故障相电流为等于整个实验电网的对地电容电流叠加小电阻电流，这种状态一般为5s以内的短时工作，但电流数值特别大。

在单相接地故障进行过程中，为避免出现相间短路故障影响单相接地故障实验的进行，通常会设置相间短路继电保护设备，该继电保护设备应该既能躲开单相接地故障电流的最大值以保证单相接地故障真型实验的开展，又能够实现对相间短路的保护。为保证单相接地故障真型实验的开展，继电保护设备的保护定值通常设置的大于故障电流；但是，由于实验系统在发生相间短路时，受短路回路阻抗的影响，两故障相的故障电流有可能小于单相接地故障时的小电阻电流，此时继电保护设备没有达到保护定值则无法投入保护，也就无法保证单相接地实验的顺利进行；如果保护定值设置的较小，在相间故障时能够可靠动作，则单相接地故障实验过程中的故障电流必然也会触发继电保护设备动作，导致单相接地故障实验无法正常进行。因此常规的继电保护设备不能解决单相接地故障真型模拟实验系统中出现相间短路时的保护问题，对实验环境以及实验人员来说存在非常大的安全隐患。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种应用于单相接地故障真型模拟实验系统中的保护装置与方法，既能够保证单相接地故障实验的顺利进行，又能够在发生相间短路时对实验系统进行有效的保护，对实验环境以及实验人员的安全提供可靠保证。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种单相接地故障真型模拟实验相间短路保护装置，包括串接在单相接地故障模型与母线间的断路器、驱动断路器动作以实现相间短路保护的驱动电路、采集三相电流的电流互感器、对三相电流进行计算并判别线路故障类型的数字信号处理器、为数字信号处理器和驱动电路提供工作电压的电源vcc以及为断路器线圈提供工作电压的电源vkk，所述数字信号处理器的输入端与各电流互感器之间分别串接一运算放大电路，数字信号处理器的输出端连接驱动电路的受控端，驱动电路的输出端连接断路器的受控端。

上述一种单相接地故障真型模拟实验相间短路保护装置，所述运算放大电路包括运算放大器和运放输入电阻，电流互感器的信号端经运放输入电阻连接运算放大器的正输入端，运算放大器的负输入端与输出端之间串接有滤波电路；所述运算放大器的输出端连接数字信号处理器的模数转换管脚。

上述一种单相接地故障真型模拟实验相间短路保护装置，所述滤波电路包括并联连接的滤波电阻和滤波电容。

上述一种单相接地故障真型模拟实验相间短路保护装置，所述驱动电路包括光耦隔离模块以及光耦匹配电阻；所述电源vcc经光耦匹配电阻r8连接数字信号处理器的信号输出端，电源vcc经光耦匹配电阻r7连接光偶隔离模块的正极端，光耦隔离模块的负极端与数字信号处理器的信号输出端连接；所述电源vkk连接光耦隔离模块的第一输出端，光耦隔离模块的第二输出端经光耦匹配电阻r9接地。

上述一种单相接地故障真型模拟实验相间短路保护装置，所述电源vkk与光耦隔离模块的第一输出端之间串接有发光二极管。

一种单相接地故障真型模拟实验相间短路保护方法，具体包括以下步骤：

a.设定保护定值，保护定值大于系统正常运行时的三相电流值且小于单相接地故障时的故障电流值；

b.通过电流互感器分别采集三相电流信号，并将电流信号经过低通滤波和放大后传输至数字信号处理器；

c.数字信号处理器对三相电流信号分别进行积分，并与保护定值进行比较，当三相电流大于保护定值时，对应相启动值置1，否则置0；

d.三相启动值求和，当三相启动值之和小于2，说明实验系统没有发生相间短路故障，则返回步骤b；当三相启动值之和大于等于2，说明实验系统发生了相间短路故障，则数字信号处理器输出低电平，驱动电路导通，断路器线圈得电，常闭触点断开，隔离相间短路故障。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明根据单相接地故障真型模拟实验系统的运行特性，即以“单相接地故障实验时两个非故障相电流仍为较小数值，故障相电流可能为较大数值甚至很大数值；发生相间短路时，至少有两相电流出现较大数值”作为判据，设置的保护定值无需躲开单相故障电流，利用故障判相方法来进行相间短路故障的判别，既能够在单相接地故障实验时使继电保护设备不动作，又能够在发生相间短路故障时使继电保护设备可靠动作，从而保证单相接地故障实验的顺利进行。

本发明故障判相方法的原理为：将保护定值设置为稍大于正常电流的值，当单相接地故障实验进行时，即使故障相出现很大的故障电流，而其他两相均为正常电流，由此计算得出的三相启动值和小于2，则继电保护设备不会动作，实验可以正常开展；但是如果发生相间短路故障，至少会有较大数值，即使故障回路中有较大阻抗，故障电流不是很大，也会超出保护定值，此时计算得出的三相启动值和等于2，便会触发较低的保护定值，启动相间短路故障保护，因此，既保证了单相接地故障实验不受影响，又大大提高了相间短路故障的灵敏度，在发生相间短路时对实验系统进行有效的保护，对实验环境以及实验人员的安全提供可靠保证。

附图说明

图1为本发明的电气原理图；

图2为本发明所述故障判相方法的流程图。

其中：q1：断路器，cta、ctb、ctc：电流互感器，r1、r3、r5：运放输入电阻，r2、r4、r6：滤波电阻，r7、r8、r9：光隔匹配电阻，c1、c2、c3：滤波电容，ic1：运算放大器，dsp：数字信号处理器，op1：光电隔离模块，led：发光二极管，m1：高压真空接触器，vkk：断路器线圈工作电压，vcc：数字信号处理器电源。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

一种单相接地故障真型模拟实验相间短路保护装置，包括断路器q1、电流互感器cta、ctb和ctc、运算放大电路、驱动电路、数字信号处理器dsp以及电源模块，各电气设备之间的连接关系如图1所示。

断路器q1串接在单相接地故障模型与母线间，用于隔离相间短路，保证单相接地故障实验的顺利进行。

电流互感器ctb串接在单相接地故障模型与断路器q1，电流互感器ctb与单相接地故障模型之间还串接有高压真空接触器m1。电流互感器cta串接在a相线路中，采集a相电流；电流互感器ctc串接在c相线路中，采集c相电流。

运算放大电路串接在数字信号处理器的输入端与电流互感器之间，各相线分别设置一个运算放大电路。

串接在a相电流互感器cta与数字信号处理器的ad3输入端之间的为第一运算放大电路，包括运算放大器ic-3和运放输入电阻r5，电流互感器cta的信号端经运放输入电阻r5连接运算放大器ic-3的正输入端，运算放大器ic-3的输出端连接数字信号处理器的模数转换管脚ad3。

运算放大器的ic-3负输入端与输出端之间串接有第一滤波电路，第一滤波电路包括并联连接的滤波电阻r6和滤波电容c3。

串接在b相电流互感器ctb与数字信号处理器的ad2输入端之间的为第二运算放大电路，包括运算放大器ic-2和运放输入电阻r3，电流互感器ctb的信号端经运放输入电阻r3连接运算放大器ic-2的正输入端，运算放大器ic-2的输出端连接数字信号处理器的模数转换管脚ad2。

运算放大器的ic-2负输入端与输出端之间串接有第二滤波电路，第一滤波电路包括并联连接的滤波电阻r4和滤波电容c2。

串接在c相电流互感器ctc与数字信号处理器的ad1输入端之间的为第三运算放大电路，包括运算放大器ic-1和运放输入电阻r1，电流互感器ctc的信号端经运放输入电阻r1连接运算放大器ic-1的正输入端，运算放大器ic-1的输出端连接数字信号处理器的模数转换管脚ad1。

运算放大器的ic-1负输入端与输出端之间串接有第三滤波电路，第三滤波电路包括并联连接的滤波电阻r2和滤波电容c1。

数字信号处理器dsp用于计算三相电流，采用故障判相方法对三相电流进行计算并判别线路故障类型，并根据计算结果经驱动电路驱动断路器动作以实现相间短路故障的隔离。

电源模块用于为数字信号处理器和驱动电路提供工作电压，同时还为断路器线圈提供工作电压，数字信号处理器和驱动电路的工作电源为电源vcc，断路器线圈的工作电源为电源vkk。

驱动电路包括光耦隔离模块op1以及光耦匹配电阻r7、r8、r9。电源模块的电源vcc经光耦匹配电阻r8连接数字信号处理器的信号输出端go1，电源vcc经光耦匹配电阻r7连接光偶隔离模块的正极端，光耦隔离模块的负极端与数字信号处理器的信号输出端go1连接；根据数字信号处理器输出端的电平来对光偶隔离模块的工作状态进行控制。电源模块的电源vkk连接光耦隔离模块的第一输出端，光耦隔离模块的第二输出端经光耦匹配电阻r9接地，电源vkk根据光偶隔离模块的工作状态来控制断路器q1的工作状态。

为能够直观体现断路器的工作状态，在电源vkk与光耦隔离模块的第一输出端之间串接了发光二极管led。

本发明工作时，采用运算放大电路对三相电流信号进行低通滤波和放大后输入数字信号处理器dsp的模数转换adc管脚；数字信号处理器dsp对三相电流信号进行采样积分；积分结果与设定的保护定值比较，大于设定值时，对应相启动值置1，否则清零；三相启动值求和，大于等于2时，说明发生了相间短路故障，数字信号处理器dsp的go1口输出低电平，光电隔离模块op1导通，驱动高压电路断路器q1断开，实现相间短路故障的隔离。三相启动值求和小于2时，说明实验系统的单相接地故障正常进行中。

一种单相接地故障真型模拟实验相间短路保护方法，基于上述单相接地故障真型模拟实验相间短路保护实现，其流程如图2所示，具体包括以下步骤。

a.设定保护定值，保护定值大于系统正常运行时的三相电流值且小于单相接地故障时的故障电流值；

b.通过电流互感器分别采集三相电流信号，并将电流信号经过低通滤波和放大后传输至数字信号处理器；

c.数字信号处理器对三相电流信号分别进行积分，并与保护定值进行比较，当三相电流大于保护定值时，对应相启动值置1，否则置0；

d.三相启动值求和，当三相启动值之和小于2，说明实验系统没有发生相间短路故障，则返回步骤b；当三相启动值之和大于等于2，说明实验系统发生了相间短路故障，则数字信号处理器输出低电平，驱动电路导通，断路器线圈得电，常闭触点断开，隔离相间短路故障。