一種智能保護器運維及漏電故障處理仿真培訓系統(tǒng)的實現與應用

方向暉

（國網浙江省電力公司培訓中心，浙江 建德 311600）

一種智能保護器運維及漏電故障處理仿真培訓系統(tǒng)的實現與應用

方向暉

（國網浙江省電力公司培訓中心，浙江 建德 311600）

智能保護器的可靠投運是保證農村低壓電網安全運行的基礎，而公變臺區(qū)漏電故障處理能力則是提高保護器投運率和運行可靠性的關鍵性技術保障。研發(fā)的智能保護器運維及漏電故障處理仿真培訓系統(tǒng)，集智能保護器運行維護、漏電故障處理、保護器在線監(jiān)測系統(tǒng)應用與異常處理等培訓功能于一體，是采用“生產現場設備+虛擬電氣量加載+故障模擬設置+軟件控制”的“混仿”型仿真培訓系統(tǒng)。通過全面介紹仿真培訓系統(tǒng)的研發(fā)技術路線、功能實現和應用方法，指出該系統(tǒng)具有良好的應用前景。

剩余電流；保護器；漏電故障；故障處理；仿真培訓

0 引言

剩余電流動作保護器（以下簡稱保護器）是農村電網公用變壓器（以下簡稱公變）臺區(qū)承擔觸電保護、接地故障保護、電氣火災防護功能的開關設備。加強臺區(qū)各級保護器的運行與維護，提高其投運率和穩(wěn)定性，對于確保農村安全用電具有十分重要的意義。隨著智能配電網建設的推進，特別是智能保護器、智能配電變壓器（以下簡稱配變）終端以及保護器監(jiān)測系統(tǒng)的安裝和深化應用，對臺區(qū)保護器的穩(wěn)定可靠運行提出了很高的要求，并成為低壓電網運維的重要考核指標之一。然而，在現實低壓電網中，漏電故障的發(fā)生具有隨機性，漏電點具有隱蔽性，漏電電流的大小也會因環(huán)境和設備情況隨時變化，而保護器數量多、分布廣、安裝地點偏遠、運行環(huán)境比較惡劣，這些客觀情況使得保護器處于投運難、維護難、管理難與考核難的困境。因此，加強培訓、提高運維人員在智能保護器運維和臺區(qū)漏電故障處理方面的技能水平，是一項刻不容緩的工作。這就迫切需要開發(fā)一種具有可操作性、實用性、安全性的仿真培訓系統(tǒng)，實現智能保護器運維、監(jiān)測系統(tǒng)應用與異常處理、臺區(qū)漏電故障查處等技能培訓。

本文結合農村公變臺區(qū)智能保護器運維、監(jiān)測系統(tǒng)應用與異常情況、剩余電流產生的基本規(guī)律以及漏電故障查處的基本方法，以仿真手段模擬各種漏電故障、智能保護器運維及監(jiān)測系統(tǒng)異常情況，構建一套“生產現場設備+虛擬電氣量加載+故障模擬設置+軟件控制”的“混仿”型仿真培訓系統(tǒng)，并對培訓應用方式進行深入探討。

1 系統(tǒng)開發(fā)的基本思路

系統(tǒng)開發(fā)的基本思路：一是根據現有農網低壓配電臺區(qū)的典型模式，結合農村智能公變臺區(qū)的建設要求，設法在柜體有限的空間內合理布置安裝整個仿真臺區(qū)的線路、設備和用戶，實現典型農村公變臺區(qū)低壓電網的仿真；二是研究低壓電網和用戶中常見的漏電故障現象、出現位置、產生原因和有效查處方法，通過技術手段實現漏電故障現象、漏電流設置和故障查處的仿真；三是研究仿真對象的控制方式，實現故障設置模塊、通訊模塊、語音提示等功能模塊和控制軟件、加載軟件的開發(fā)；四是研究智能保護器監(jiān)測系統(tǒng)的運行模式，實現仿真裝置與智能保護器監(jiān)測系統(tǒng)的互動融合。

2 硬件選型

智能保護器運維及漏電故障處理仿真培訓系統(tǒng)硬件設計的基本思路是：為實現對公變臺區(qū)電網的高度仿真，配置的設備除線路、桿塔、絕緣子采用小型化的模擬設備外，電網和客戶的智能總保、智能中保、戶保均采用電網生產現場和用電現場的真實設備，并將臺區(qū)整體布置在一個可拆裝的柜體上，使仿真設備的可視部分、操作部分、測試部分與公變臺區(qū)運行設備完全一致。

2.1 臺區(qū)電網仿真模式

農村公變臺區(qū)低壓電網的接線方式因各地的規(guī)劃習慣、用電負荷大小、村落布局等因素而各不相同，但仍可概括出其典型結構型式。本文選擇如下模型作為仿真臺區(qū)的接線方式：配變額定容量250 kVA，用戶數80戶，臺區(qū)低壓出線分農村生活公用電力線路主干線、農業(yè)生產動力用電主干線共2路出線。臺區(qū)配2臺智能總保，分別保護農業(yè)生產動力用電線路和農村公用生活電力主干線路；配2臺智能中保，分別保護農村生活公用電力主干線路下的2條重要支線。臺區(qū)各支線下設若干條分支線和戶聯(lián)線，各條戶聯(lián)線下分組安裝若干個用電客戶，每個電力用戶均安裝1只戶保，共80只戶保。80只戶保中有單相戶保60只，三相戶保20只。仿真臺區(qū)的低壓電網接線方式如圖1所示。

2.2 主體設備選擇

圖1 模擬臺區(qū)主接線

仿真系統(tǒng)一次設備選擇與生產現場相一致的設備，仿真臺區(qū)除桿塔和電力線路外，還配置了隔離開關、無功補償裝置、智能配變終端、智能保護器、瞬動型戶保。智能配變終端、智能保護器的通訊規(guī)約符合電力行業(yè)相關技術規(guī)范和國家電網公司企業(yè)標準《剩余電流動作保護器選型技術原則和檢測技術規(guī)范》的要求。

2.3 臺區(qū)負荷的仿真

臺區(qū)用戶的負荷通過功率電阻來仿真實現，單相用戶采用1只功率電阻模擬真實負荷，三相用戶采用3只相同的功率電阻模擬三相平衡的真實負荷。考慮到仿真培訓系統(tǒng)安裝在由市電作為電源的戶內實訓室中，單相負荷電流應控制在10 A左右，整臺設備的負荷電流應控制在3×10 A左右。為使仿真培訓系統(tǒng)的模擬負荷與實際公變臺區(qū)的負荷特性相一致，系統(tǒng)設置了三相負載平衡調節(jié)功能。為此，將公用電力線路上的78個用戶平均分成6組，每組均勻分配10個單相用戶和3個三相用戶。單相用戶負荷分為0.14 A的3個、0.25 A的4個、0.33 A的3個，三相用戶分為星型平衡負載0.09 A、角型平衡負載0.14 A、三相供電單相線電壓負荷（模擬電焊機）0.14 A。單組單相負荷總計約2.7 A，當所有負荷調整平衡時，裝置每相供電電流約為5～6 A。圖2為單組功率電阻的分配原理圖，圖中R201—R210是單相用戶的模擬電阻，R211和R212是三相用戶的模擬電阻，R213是三相線電壓供電的單相用戶的模擬電阻。為便于靈活調整負荷，10個單相用戶的功率電阻R201—R210又進一步分成2個小組安裝。各個單相用戶可按要求任意接入到A，B，C三相中的任意一相上，從而靈活調整三相負荷的不平衡度和中性線電流的大小。

圖2 臺區(qū)模擬負荷配置方式

圖3 臺體布置

2.4 臺體布置

為了使仿真臺區(qū)線路、一次設備和80個用戶設備能在有限的裝置面板合理布置，必須充分考慮面板的整體布局效果、實際的培訓需求、故障點位置的實現、故障設置的隱蔽性和安全性，為此，設計了尺寸為3.6 m×0.45 m×1.85 m的臺體，為便于現場運輸和安裝，分1.8 m×0.45 m× 1.85 m兩部分組裝，具體布置如圖3所示。

3 功能實現

3.1 漏電故障仿真

通過接地阻抗網絡的組合，可以設置出各種保護器的安裝接線錯誤、漏電故障和漏電流值，從而仿真出保護器無法投運、拒動、頻繁跳閘、閉鎖以及剩余電流超限、報警等異常。其中，電網漏電故障分為線路絕緣子擊穿、相線漏電、零線漏電3種形式，通過不同線路段、不同桿塔位置的組合可以生成多種電網漏電故障組合形式；電力客戶內部漏電故障主要有客戶內部相線漏電、零線漏電及保護器安裝錯誤等多種形式。為滿足系統(tǒng)的仿真要求，并有效減少繼電器和漏電電阻數量，降低單機成本，系統(tǒng)設計了13個漏電故障設置單元，并將它們設計成網狀連接，以便同時設置13個客戶的內部漏電故障和多種漏電流組合。故障設置單元漏電故障的實現原理如圖4所示，圖中RN為電網中性線的接地阻抗、RX1—RX3為電網相線的接地阻抗、RS1—RS3為三相用戶內部的接地阻抗、RD1—RD3為單相用戶內部相線的接地阻抗、RDN為單相用戶內部零線的接地阻抗，通過投切不同繼電器，即可完成不同漏電故障點和漏電流值的設置。

3.1.1 相線漏電故障仿真

如圖4所示，每一故障設置單元的電網相線和用戶內部相線的漏電故障和漏電流值調整，是通過3個接地阻抗的不同連接來實現的，每個漏電故障點的漏電流值與對應的接地阻抗接入方式間的關系如表1所示。

表1 相線接地阻抗接入方式與漏電流間的對應關系

3.1.2 零線漏電故障仿真

零線漏電流值是一個不能唯一確定的電流值，其大小由零線電流決定。而零線電流值又由A，B，C三相負荷的不平衡程度決定，三相負荷完全平衡時零線電流為零，三相負荷越不平衡，零線電流越大，零線接地時其漏電電流也越大。為了能使零線漏電流值可調，在A，B，C各相相線上設置了短路連接環(huán)，通過短路連接線可方便地將各單元上的單相負荷接入不同的相線。如圖4中，單相用戶201—205可根據要求均勻或不均勻地分別接入A，B，C相線，形成不同的零線電流，進而通過零線接地阻抗形成不同的零線接地漏電流值。

3.2 接地阻抗投切的控制原理

仿真系統(tǒng)通過繼電器及其控制單元實現上述漏電故障點和漏電流值的控制。通過對繼電器單元的控制，可實現不同接地阻抗的投切和保護器出線側的接線故障。繼電器單元與繼電器控制單元的接口相連接。繼電器控制單元采用RS485通信方式，通過教師機軟件控制繼電器控制單元的MCU（微控制單元）。MCU解析教師機軟件的動作指令，控制繼電器控制驅動單元，使相應的繼電器斷開或閉合。配合整體陣列布線，可以同時實現十幾個漏電點的可控設置，設置范圍包括所有的80個模擬用戶、電網相線及中性線的漏電故障和保護器接線錯誤故障。繼電器及其控制單元原理框圖如圖5所示。

圖4 漏電故障的實現原理

圖5 繼電器及其控制單元原理框圖

一個或多個繼電器的動作可實現漏電點及漏電流值大小的調整。以第二負荷組QF201—QF213用戶內部漏電故障控制的動作繼電器配置為例，其原理如圖6所示，其中單相用戶QF204內部的漏電流值、接地阻抗接線方式與繼電器之間的對應關系如表2所示。

圖6 用戶漏電故障動作繼電器

表2 QF204用戶內部漏電流與對應動作繼電器對照

3.3 系統(tǒng)通信功能的實現

仿真系統(tǒng)設有時鐘計時、語音提示、故障設置和智能保護器遠程控制等多個功能模塊，每個功能模塊均采用RS485通信方式。硬件實體采用串口服務器的通信方式，仿真系統(tǒng)硬件實體與教師計算機采用網線通信連接方式。系統(tǒng)通信模塊的原理如圖7所示。

圖7 通信模塊的原理框圖

3.4 控制軟件

仿真培訓系統(tǒng)軟件設計的基本思路是：充分利用虛擬負荷加載技術，在線路的相線、中性線、絕緣子、用戶內部線路及設備上加載虛擬負荷，使仿真系統(tǒng)臺體上儀表顯示的電氣運行參數與生產現場相一致；利用計算機和網絡技術，對臺體上供用電設備的漏電故障位置、漏電類型、漏電電流調整、組合和清除等進行遠程控制操作，有預期地設置和更改培訓內容與考核要點，使“教、學、練”高度結合的仿真培訓教學方法得以實現。軟件設有系統(tǒng)、培訓、考試、題庫、考卷、基礎數據、工具、查看、幫助共9項功能界面。

3.5 仿真系統(tǒng)與保護器監(jiān)測系統(tǒng)的結合

農網公變保護器在線監(jiān)測系統(tǒng)的全覆蓋，為實現總保故障快速發(fā)現、快速定位、快速搶修和臺區(qū)總保安裝率、投運率、動作正確率3個“100%”提供了技術支撐。仿真系統(tǒng)通過智能配變終端接入省公司統(tǒng)一的通信網關，進一步接入保護器監(jiān)測系統(tǒng)，接入方式及控制關系如圖8所示。通過仿真系統(tǒng)與智能保護器監(jiān)測系統(tǒng)的有效互動，可靈活實現保護器監(jiān)測系統(tǒng)的異常處理技術培訓，為監(jiān)測系統(tǒng)的深化應用打下基礎。

圖8 仿真裝置與保護器監(jiān)測系統(tǒng)的連接

4 培訓應用的實現

在智能保護器運維和漏電故障處理等專項培訓中，可利用仿真系統(tǒng)實現剩余電流基本理論驗證、保護器安裝運維、監(jiān)測系統(tǒng)應用和低壓臺區(qū)漏電故障處理、事故演練等方面的技術技能實訓。

4.1 基本理論驗證

4.1.1 剩余電流和中性線電流區(qū)別的驗證

剩余電流是保護器主回路電流瞬時值的矢量和，也就是電網三相漏電流的矢量和。作為剩余電流必須具備2個條件：必須是電網系統(tǒng)（包括主干線路、用戶線路及用電設備）對地產生的電流；必須是從變壓器接地線流回到變壓器中性點的電流。而中性線電流是電網三相負荷不平衡電流值，只流過中性線，不會引起保護器跳閘，這是兩者的區(qū)別。

實訓驗證方法：通過仿真系統(tǒng)設置三相不平衡負荷，測試中性線電流值；通過軟件設置若干漏電點，形成總剩余電流，觀察保護器顯示的剩余電流值。通過比較以上2個電流值，可驗證中性線電流不等于電網總剩余電流的理論。

4.1.2 單相電網剩余電流基本規(guī)律驗證

根據理論分析，單相線路剩余電流的特點是：各故障點漏電電流與電源電壓的相角差相同，即總的剩余電流是各種漏電流的數量和。因此每增加1個漏電點或漏電電流（包括觸電電流），單相線路總的剩余電流值一定是增加的。

實訓驗證方法：先在某一相線路上設置若干個漏電點，測試總剩余電流值或觀察保護器顯示的剩余電流值，然后在同相上增加漏電點或漏電流值，再次測試總剩余電流值或觀察保護器顯示的剩余電流值的變化，通過比較加以驗證。

4.1.3 三相電網剩余電流基本規(guī)律驗證

三相四線制電網的剩余電流是三相漏電流的矢量和。由于漏電電流分布在三相上，觸電電流可能發(fā)生三相中的任何一相上，因此隨著漏電點、漏電流的增加以及觸電電流的產生，電網總的剩余電流可能增加，也可能減少，甚至等于零，這也反映出三相剩余電流動作保護器在理論上確實存在不動作的“死區(qū)”。

實訓驗證方法：先在設備電網上設置若干個漏電點，測試總剩余電流值或觀察保護器顯示的電網初始剩余電流值，然后在仿真系統(tǒng)上增加某相的漏電故障點和漏電流值，再次測試總剩余電流值或觀察保護器顯示的新剩余電流值的變化，通過比較加以驗證。

4.2 保護器安裝運維實訓

通過仿真系統(tǒng)上安裝的真實剩余保護器，可開展保護器參數設置、保護器歷史數據查詢、保護器動作特性測試和智能保護器安裝等技能實訓。保護器動作特性測試包括保護動作電流值、動作時間值和極限不驅動時間3項測試。

4.3 漏電故障處理實訓

剩余電流動作保護器及其組合裝置不能正常投運概括起來有2個原因：一是保護器及其組合裝置本身出現故障致使電網不能送電；二是臺區(qū)線路或供用電設備等出現漏電故障，產生較大的剩余電流使保護器不能合閘或頻繁跳閘。

保護器及其組合裝置本身出現故障的，可將保護器出線側電網拆除，通過保護器本身的試驗按鈕和開關進行試驗測試，也可通過特性試驗進行分析判斷。

電網漏電故障引起的保護器無法投運或頻繁跳閘故障，必須現場檢查電網或設備漏電點并進行處理，消除故障后才能恢復保護器正常運行。電網漏電故障點的有效檢查方法有逐戶投運法、逐戶切除法、不斷電檢查法、斷電查零線法等。所有這些生產現場應用的方法在仿真系統(tǒng)上均可實施，其中逐戶投運法、逐戶切除法比較簡單，培訓時主要采用不斷電檢查法和斷電查零線法進行漏電故障處理。

4.3.1 不斷電檢查法

電網強行送電，先測出電網總的剩余電流，然后分別測量各分支線路的剩余電流，查到有剩余電流的分支線，再測試該分支線下每一戶的剩余電流，直至查到故障點。受鉗形電流表的限制，該方法只能在接戶線或采用電纜、平行集束導線處進行測量檢查，在架空主線路上無法實現。

實訓方法：先在仿真系統(tǒng)的用戶側設置若干漏電流值，學員觀察保護器顯示的剩余電流值，在電網的各分支點使用鉗形電流表測試總剩余電流值、相線電流值、零線電流值，并記錄數據，分析漏電位置、漏電流值，確認后由系統(tǒng)清除該漏電點故障，重新觀察保護器顯示剩余電流值，繼續(xù)查找下一處漏電點，直至查完所有用戶為止。

4.3.2 斷電查零線法

電網先斷電，將保護器出線拆下，使待查電網與配變脫離。在零線當中加“測試電流”，方法是在中性線與配電箱內有電的相線之間串上1個75 W左右的電阻（如電烙鐵、燈泡等）。用鉗型電流表測量中性線中總的測試電流，然后測量中性線中測試電流的走向，A，B，C，N線都要測量，并記下數據以便分析。相線上如有測試電流，說明該相線上有漏電故障點，根據測試電流的分布和走向，可同時快速查出多處漏電故障。

實訓方法：先在仿真系統(tǒng)的線路和用戶側設置若干漏電流值，使保護器跳閘。學員拉開隔離閘刀，合上各級保護器，在閘刀上樁頭的相線與下樁頭的零線上接入測試電阻，按“斷電查零法”的操作步驟，依次測試A，B，C，N線路的電流值；記錄數據值，分析剩余電流的走向，判斷漏電故障位置、漏電流值，確認后報告或切除該漏電點；繼續(xù)查找下一處漏電點，直至查完所有用戶為止。

4.4 監(jiān)測系統(tǒng)應用與事故演練實訓

保護器監(jiān)測系統(tǒng)在應用中存在以下常見問題：因配變終端導致保護器裝接不成功，因保護器導致裝接不成功、保護器閉鎖、頻繁動作、拒動，電網剩余電流預警、報警等。

事故演練實訓方法：在仿真系統(tǒng)上設置線路相線、中性線、用戶內部多處漏電故障，模擬上述監(jiān)測系統(tǒng)存在的一項或幾項問題，上傳遠動監(jiān)測系統(tǒng)，形成異常報文，按以下異常處理流程進行演練。

（1）參加演練的監(jiān)控人員通過保護器監(jiān)測系統(tǒng)，查看保護器異常情況（包括保護器閉鎖、退運、拒動、頻繁動作），整理保護器異常清單。

（2）參加演練的運維單位負責人根據保護器異常清單，安排運維人員到現場進一步核實，經檢查確認是現場保護器異常的，及時完成現場處理，并填寫保護器運行異常處理單。

（3）參加演練的運維人員，根據保護器運行異常處理單完成異常處理的確認，并填寫原因分析和處理意見。

（4）對因電網線路、設備和用戶內部漏電故障造成的保護器異常，采用不斷電檢查法、斷電查零法進一步進行線路漏電故障排查和整改。對因保護器本體故障造成的異常，確認后完成保護器的更換工作。

（5）異常處理結束后，恢復臺區(qū)供電。

5 結語

智能保護器運維及漏電故障處理仿真培訓系統(tǒng)的開發(fā)，為農村公變臺區(qū)保護器運維和漏電故障處理等相關培訓、事故演練提供了技術支撐平臺，不僅提高了培訓的真實性、可操作性和安全性，也填補了該領域仿真培訓系統(tǒng)的空白。實際應用表明，該系統(tǒng)具有較高的社會效益和經濟效益，具有良好的推廣價值和應用前景。

（本文編輯：方明霞）

Implementation and Application of a Simulation and Training System for Intelligent Protector Operation and Maintenance and Its Leakage Fault Handling

FANG Xianghui
（State Grid Zhejiang Training Center，Jiande Zhejiang 311600，China）

Reliable operation of intelligent protector is essential to operation safety of rural power networks while handling capacity of leakage fault in public transformer district can technically ensure operation rate of protector and its operation reliability.The developed simulation and training system for intelligent protector operation and maintenance and its leakage fault handling，which integrates training functions such as intelligent protection operation and maintenance，leakage fault handling，online protector monitoring system and fault handling，is a"mixed"simulation and training system with"production field device+virtual electrical load+fault simulation setting+software control".By introducing technical line of the simulation and training system，function implementation and application method，the paper indicates that the system could be applied widely.

residual current；protector；leakage fault；fault handling；simulation and training

TM743

B

1007-1881（2015）12-0024-07

2015-02-26

方向暉（1967），男，副教授，從事低壓電網技術培訓和科研工作。