基于小电流突变电力直流电源系统短路电流测试装置及方法

摘要

本发明涉及一种基于小电流突变的直流电源系统短路电流测试装置及方法，其装置由测试主回路、控制回路、采样回路和数据处理管理单元组成，包括一个以上的IGBT管V1～Vn，相应的电阻性负载R1～Rn，分流器FL、I/O卡、数据采集卡、管理机MCU、正/负主接线端子1和正/负采样端子2。其方法包括1.试验连线，2.设置参数，3.产生突变电流及数据采集，4.短路电流计算，5.现场恢复。本发明其针对现有电力直流系统短路电流测试方法的不足，实现了直流电源系统各级短路电流的测试预估，进而可以校验直流电源保护电器的选择性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统电厂、变电站各种直流电源系统短路电流的测试预估及直流系统直流断路器选择性校验的方法，具体为一种基于小电流突变的电力直流电源系统短路电流测试装置及方法。

背景技术

直流电源系统是保证电力系统安全稳定运行的重要设备。正常运行时，直流系统为断路器提供合闸电源，为继电保护及自动装置、通讯等提供工作电源；故障时，特别是交流电源中断的情况下，直流系统为继电保护及自动装置、断路器的合跳闸、事故照明提供安全可靠的直流电源。直流系统是电力系统继电保护、自动装置和断路器正确动作的基本保证，变电站的安全运行对直流供电可靠性有很高的要求。直流断路器选择的合理性和级差配合的正确性可保证在紧急情况下，直流电源系统为高压交流断路器跳合闸及保护、通信和自动装置提供可靠电源。因此如何判断直流断路器选择的合理性和级差配合的正确性是目前迫切需要研究的课题。

直流电源保护电器的选择性不仅与保护电器本身的特性有关，也与直流电源系统各级短路电流有关。直流保护电器需要根据直流电源系统各级短路电流的大小来配置，并根据短路电流大小来校验直流断路器的选择性。因此需要测试或计算直流电源短路电流的大小。近年来，部分电力运行单位利用变电站现场蓄电池组对直流保护电器的级差配合进行短路模拟试验，采用示波器、万用表等仪器测试短路电流、分断时间，来校验变电站现场直流系统级差配合的选择性；该方法能真正模拟现场实际短路故障并校验直流系统保护电器级差配合情况，但测试过程中，一旦待测直流馈线回路级差配合不能满足选择性保护的要求，就会引起上一级保护电器越级跳闸，造成其他正常馈线回路失电而导致电力事故，无法保证试验的安全性，且测试过程及数据分析需全部人工完成，操作繁琐，安全隐患较多。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种基于小电流突变的直流电源短路电流测试装置及方法，其针对现有电力直流系统短路电流测试方法的不足，实现了直流电源系统各级短路电流的测试预估，进而可以校验直流电源保护电器的选择性。

本发明的技术方案为：

本发明一种电力直流电源系统短路电流测试装置，整个测试装置由测试主回路、控制回路、采样回路和数据处理管理单元组成；

所述测试主回路由正/负主接线端子、一个以上IGBT管和电阻性负载、分流器一次部分组成，在正/负主接线端子之间串接IGBT管和电阻性负载的并联回路和分流器一次接线端，构成测试主回路；

所述控制回路由管理机、I/O卡和各IGBT管控制端组成，所述管理机是一台安装有测控软件的工业计算机，通过USB接口与I/O卡通信，由I/O卡输出连接到IGBT管的控制端栅极，通过控制IGBT管的通断，实现测试主回路的电流调节和分断；

所述采样回路由正/负采样端子、数据采集卡和分流器二次部分组成，数据采集卡的电压采样端连接正/负采样端子，电流采样端连接分流器二次输出端；测试接入可调电阻性负载前的直流开路电压及接入可调电阻性负载后的直流电压和电流；

所述数据处理管理单元由管理机通过USB接口与数据采集卡通信，采集直流电压和电流，并自动计算出直流电源系统该预设短路点处的短路电流，并通过USB接口与I/O卡通信，自动控制测试主回路的电流调节和分断。

本发明基于小电流突变的直流电源系统短路电流测试方法，其步骤为：

1.试验连线：首先将现场直流系统待测馈线回路某一预设短路点直流断路器断开，解开其下口负荷，在该短路点断路器下口的正、负接线端分别对应连接上述测试装置正、负主接线端子和测试装置正、负采样端子；在连好线路后，再闭合预设短路点直流断路器，并保证待测直流馈线回路上其它所有直流保护电器都处于合位；

2.设置参数：接线完成后，启动管理机测控软件，设置现场直流系统馈线回路直流保护电器的型号及额定电流值；

3.产生突变电流及数据采集：参数设置完成后，启动测试，测试装置中管理机通过USB接口与数据采集卡通信，由数据采集卡电压采样端采集直流开路电压；再由管理机经USB接口通过I/O卡连接各IGBT管控制端的栅极，根据设定参数中断路器即测试装置连接的断路器的额定电流值，控制各电阻性负载接通个数产生合适的测试小电流，同时由管理机通过USB接口连接数据采集卡通过电压、电流采样端分别采集直流回路电压和电流；采集完成后，再由管理机经USB接口通过I/O卡控制各IGBT管的栅极断开测试主回路；

4.进行短路电流计算：通过公式R=(E-U₁)/I₁计算出直流系统待测的直流断路器的下口预设短路点处等效电阻R，再通过公式I=E/R估算出该点真实短路电流I，公式中E代表所述直流开路电压、U₁代表所述直流回路电压、I₁代表所述直流回路电流、R代表直流系统回路等效电阻、I测试点实际短路电流；

5.现场恢复：测试完成后，安全拆除试验连接线，并恢复现场。

其他位置的短路电流测试方法和上述方法是相同的。

本发明的有益效果为：

本发明所述测试装置及方法可以实现通过测量小电流突变时的电流及电压估算出实际短路电流的功能。工作原理为：首先断开所测直流电源系统某一级直流断路器负荷侧预设短路点处实际负荷，在该点测量直流电源的开路电压E；再在该预设短路点处经过电阻性负载R₁进行小电流瞬时放电产生电流突变，测量此时的回路电压U₁和小电流I₁,；然后通过公式R=(E-U₁)/I₁计算出直流系统回路等效电阻R；最后通过公式I=E/R估算出该点实际短路电流I。

本发明其优点可总结为：（1）该测试装置及方法利用小电流突变法测试预估出实际短路电流，避免了直接短路时产生的大电流对蓄电池组的冲击，减小了对蓄电池寿命的影响。（2）该方法操作安全、可靠，不会引起上一级保护电器越级跳闸造成其他正常馈线回路失电而导致电力事故，同时也消除了试验过程中大电流对人身安全危害的隐患。（3）通过管理机进行操作，整个测试过程自动完成，无需人工干预，操作简单，使用方便。

附图说明

图1是本发明基于小电流突变的直流电源系统短路电流测试装置实施例的原理图，

图2是本发明基于小电流突变的直流电源系统短路电流测试方法实施例的现场接线图，

图3是本发明基于小电流突变的直流电源系统短路电流测试方法实施例的流程框图。

具体实施方式

如图1所示，一种电力直流电源系统短路电流测试装置CSY，由测试主回路、控制回路、采样回路和数据处理管理单元组成，包括一个以上的IGBT管V1～Vn，相应的电阻性负载R1～Rn，分流器FL、I/O卡型号采用USB6009、数据采集卡型号采用USB5132 、管理机MCU、正/负主接线端子1和正/负采样端子2。上述各部分连接方式如下：测试主回路由正/负主接线端子1、IGBT管V1～Vn的C、E极、电阻性负载R1～Rn和分流器FL的一次部分组成，在正/负主接线端子1之间串接IGBT管V1～Vn和电阻性负载R1～Rn的并联回路和分流器FL一次接线端，构成测试主回路；控制回路由管理机MCU、型号采用USB6009的I/O卡和IGBT管V1～Vn的控制端组成，管理机MCU是一台安装有测控软件的工业计算机，通过USB接口与I/O卡通信，由I/O卡输出连接IGBT管V1～Vn栅极，控制IGBT管V1～Vn的通断，实现测试主回路的电流调节和分断；采样回路由正/负采样端子2、数据采集卡和分流器FL二次部分组成，数据采集卡电压采样端连接正/负采样端子2，电流采样端连接分流器FL二次输出端。测试IGBT管V1～Vn都断开时的直流开路电压及IGBT管V1～Vn全部或部分接通时的直流电压和电流；数据处理管理单元由上位管理机MCU通过USB接口与数据采集卡通信，采集直流电压和电流，自动计算出直流电源系统该预设短路点处的短路电流，通过USB接口与I/O卡通信，自动控制测试主回路的电流调节和分断。

测试试验时，现场接线如图2所示，断开现场直流系统待测馈线回路直流断路器SK3，解开其下口预设短路点处实际负荷，该断路器SK3下口正、负接线端一方面对应连接上述测试装置CSY正、负主接线端子1，另一方面对应连接上述测试装置正、负采样端子2；再闭合直流断路器SK3，并保证待测直流馈线回路上其它所有直流保护电器（包括电池保险FU1、各级断路器ZK1、ZK2、S12）都处于合位。

如图3所示，是基于小电流突变的电力直流电源系统短路电流测试方法流程框图，包括以下几个步骤：

1：试验连线：首先将现场直流系统待测馈线回路预设短路点直流断路器SK3断开，解开其下口负荷，在该短路点断路器下口的正、负接线端分别对应连接上述测试装置正、负主接线端子和测试装置正、负采样端子；在连好线路后，再闭合预设短路点直流断路器SK3，并保证待测直流馈线回路上其它所有直流保护电器都处于合位。

2：设置参数。按图2接线完成后，启动管理机设置测控软件，设置现场直流系统馈线回路直流保护电器（包括电池保险FU1、各级断路器ZK1、ZK2、S12和SK3）的型号及额定电流值。

3：产生突变电流及数据采集。参数设置完成后，启动测试，管理机MCU通过USB接口与数据采集卡USB5132通信，由数据采集卡USB5132电压采样端采集直流开路电压E；再由管理机MCU经USB接口通过I/O卡USB6009连接IGBT管V1～Vn的G极，根据设定参数中断路器SK3额定电流值，控制电阻性负载R1～Rn接通个数产生合适的测试小电流，同时由管理机MCU通过USB接口连接数据采集卡USB5132通过电压、电流采样端分别采集直流回路电压U1和电流I1；采集完成后，再由管理机MCU经USB接口通过I/O卡USB6009控制IGBT管V1～Vn的G极断开测试主回路。

4：短路电流计算。通过公式R=(E-U₁)/I₁计算出直流系统直流断路器SK3下口预设短路点处等效电阻R，再通过公式I=E/R估算出该点真实短路电流I。

5：现场恢复。测试完成后，安全拆除试验连接线，并恢复现场。

其他位置的短路电流测试方法与上述过程相同。