基于TRIZ理論研制的一種實訓場實操直流接地教學裝置

袁忠 吳文博 張威

摘? 要：發(fā)電廠、變電站內(nèi)保護跳閘、控制回路皆為直流回路。當直流回路絕緣不良時，會發(fā)生直流接地，嚴重時會造成斷路器拒動或誤動。發(fā)生直流接地后，運行人員需立即檢查并初步判斷出發(fā)生接地的直流回路并及時上報，配合處理。在目前的實訓過程中，無法模擬出直流接地的真實情況，受訓學員雖然在實訓場，但仍然無法直觀地感受到直流接地的情況，達不到培訓效果。因此，設計一種有效的實訓場實操直流接地教學裝置，具有重要意義。該文基于TRIZ理論研究一種實訓場實操直流接地教學裝置，并介紹該裝置的工作原理及主要特點。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng)；直流接地；教學裝置；絕緣檢測；TRIZ理論

中圖分類號：TM131.3? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0043-05

Abstract： The protection tripping and control circuits in power plants and substations are all DC （direct current） circuits. When the DC circuit insulation is poor， DC grounding will occur， and in serious cases， it will cause the circuit breaker to refuse to operate or misoperate. After the occurrence of DC grounding， the operator should immediately check and preliminarily judge the DC circuit where the grounding occurred and report it in time and cooperate with the treatment. In the current training process， it is impossible to simulate the real situation of DC grounding， although the trainees have been in the training field， but still can not directly feel the DC grounding， can not achieve the training effect. Therefore， it is of great significance to design an effective DC grounding teaching device in the training field. Based on TRIZ theory， this paper studies a DC grounding teaching device for practical operation in training field， and introduces the working principle and main features of the device.

Keywords： DC system; DC grounding; teaching equipment; insulation detection; TRIZ theory

直流系統(tǒng)在變電站中具有非常重要的作用，其為高壓交流系統(tǒng)提供直流電源，并為保護和控制系統(tǒng)提供可靠的直流電源，同時還能提供直流充電電源和緊急電源等功能，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

直流接地故障是電力系統(tǒng)中常見的一種直流系統(tǒng)故障，此類故障出現(xiàn)頻率高、查找難度大，不僅對設備不利，且對整個電力系統(tǒng)的安全構(gòu)成巨大的威脅。直流系統(tǒng)單點接地后若再有一點接地則可能造成保護裝置的誤動或拒動，導致嚴重的后果。因此，電力行業(yè)規(guī)程內(nèi)規(guī)定直流系統(tǒng)發(fā)生一點接地時應停止直流回路上的一切工作，并盡快查找接地點，防止造成兩點接地。在實際工作中，運行人員對直流系統(tǒng)故障分析尤為重要，尤其是在新設備投產(chǎn)期間，人員運行維護不熟練，設備存在誤報警現(xiàn)象等情況，都直接影響處理直流系統(tǒng)故障的效率。

本研究基于TRIZ理論的技術(shù)創(chuàng)新理論和方法，對直流接地系統(tǒng)教學效果差的問題進行功能分析和因果鏈分析，通過查找可用資源、物理矛盾、技術(shù)矛盾，根據(jù)響應矛盾應用發(fā)明矩陣、分離原理等開展項目，結(jié)合控制技術(shù)、無線網(wǎng)絡通信技術(shù)等，設計可遠程遙控且適應不同工況的直流接地教學裝置，模擬直流系統(tǒng)正極或負極的完全或不完全接地。

1? 研究背景

在電力系統(tǒng)內(nèi)，直流系統(tǒng)是發(fā)電廠、變電站廠（站）用電系統(tǒng)的重要組成部分，為電力系統(tǒng)保護、測控裝置等重要負荷提供穩(wěn)定、可靠的電源。直流系統(tǒng)回路繁多、負荷重要度高，當其由于絕緣不良發(fā)生接地故障時有可能導致電力系統(tǒng)保護裝置、斷路器的誤動或拒動，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成巨大威脅。

當直流接地故障信號發(fā)出，發(fā)電廠、變電站運行值班人員需第一時間抵達現(xiàn)場檢查設備并初步判斷故障回路。然而，在分工高度細化的電力企業(yè)，直流系統(tǒng)故障通常由二次檢修人員負責排查處理，運行值班人員僅掌握理論知識，缺乏實操，難以在短時間內(nèi)對故障作出準確的判斷。若能針對發(fā)電廠、變電站運行值班人員設計一種實訓場實操直流接地教學裝置，可真實模擬出廠站直流接地故障表象，結(jié)合理論與實操培訓，將能大大提高相關(guān)從業(yè)人員的技能水平。

1.1? TRIZ理論

TRIZ理論全稱為“理論解決問題的創(chuàng)新方法”，是一種系統(tǒng)化的創(chuàng)新方法論。TRIZ理論由蘇聯(lián)工程師格里戈里·阿爾圖諾維奇·阿爾圖諾夫于20世紀50年代提出，并在后來被廣泛發(fā)展和應用。TRIZ的核心思想是通過分析和利用已有的技術(shù)、方法和知識，找到解決問題的最佳途徑。其提供了一系列工具和原則，幫助人們發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新的機會、解決矛盾，并提供可行的解決方案。TRIZ理論能夠幫助人們打破傳統(tǒng)思維模式，在問題解決中尋找到非常規(guī)的、創(chuàng)新的解決方法。其強調(diào)對矛盾的認識和處理，通過尋找逆向思維的突破口，解決矛盾并達成系統(tǒng)的改進，TRIZ提供了一套系統(tǒng)化的工具和方法，可以指導創(chuàng)新過程中的各個環(huán)節(jié)。從問題識別、分析到解決方案生成和評估，TRIZ都提供了具體的方法和步驟，使創(chuàng)新過程更加可控和高效。TRIZ在解決復雜問題和創(chuàng)新方面具有一定的優(yōu)勢，其強調(diào)系統(tǒng)性思考和創(chuàng)造性解決問題的方法，能夠幫助人們在解決復雜問題時找到突破口。

1.2? 直流接地的危害

變電站中的直流系統(tǒng)采取的是浮充電方式，浮充電在運行期間，直流電源的正負母線一直處于絕緣體狀態(tài)。 如果將其中的某一條線路或者絕緣電阻降低到一定狀態(tài)，就會引發(fā)直流系統(tǒng)接地故障問題。一般而言，對于某一點的接地故障，并不會對直流系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生直接影響，可是，如果有多個位置出現(xiàn)接地故障，便會帶來嚴重后果，阻礙直流系統(tǒng)運行，進而使得變電站設備保護裝置的工作指標錯誤，指示開關(guān)跳閘，不利于整個變電站的運行，為其安全運行埋下嚴重的安全隱患。

變電站直流系統(tǒng)接地會引起很大的危害。一般來講，變電站直流系統(tǒng)接地屬于兩點接地類型，一旦發(fā)生兩點接地問題，便會出現(xiàn)不利的情況，將電氣信號切斷。一旦發(fā)生該種情況，將會導致該地區(qū)的電網(wǎng)產(chǎn)生停電現(xiàn)象。從中可以看出，變電站直流接地故障自身具有很強的危險性，所以，運維人員一定要加大重視力度，強化自身技能，在處理過程中避免發(fā)生次生災害。

2? 實訓場實操直流接地教學裝置概述

2.1? 實訓場實操直流接地教學裝置的作用

直流電源作為輔助工作電源和穩(wěn)定電壓電源，在交流電源停電后，能繼續(xù)為重要負荷供電。直流供電系統(tǒng)能否可靠、安全運行，直接影響整個電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)。因此，當變電站或發(fā)電廠的直流系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣降低時，由絕緣監(jiān)測裝置產(chǎn)生報警信號，并讓支路巡檢裝置啟動選線工作。一旦直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障后，應立即找出直流系統(tǒng)的接地點，并盡快消除，否則會嚴重影響主設備的正常運行。發(fā)電廠、變電站等電力生產(chǎn)場所的運行值班人員需要盡快查看相關(guān)裝置、信號，對故障作出初步判斷，決定后續(xù)處理方式，最大程度地降低故障影響。設計一套有效的實訓場實操直流接地教學裝置，對于提高運行值班人員的技能水平、提升電力系統(tǒng)的運行的可靠性具有重大的現(xiàn)實意義。

2.2? 實訓場實操直流接地教學裝置的原理

直流電源為帶極性的電源，分為電源正極和電源負極。交流電源是無極性電源，電力系統(tǒng)交流電源有一個真正的“地”，這個“地”也是電力系統(tǒng)安全的一個重要概念。為了系統(tǒng)安全，變電站、發(fā)電廠所有設備的外殼都會牢牢地接在這個“地”，而且其接地阻抗越低越好。直流電源的“地”對直流電路來講僅僅是個中性點的概念，這個“地”與交流的“大地”是截然不同的。如果直流電源系統(tǒng)正極或負極對地的絕緣電阻降低至某一整定值，或者低于某一規(guī)定值，這時稱該直流系統(tǒng)有正接地故障或負接地故障。

直流系統(tǒng)通常帶有絕緣檢測裝置，能在直流系統(tǒng)正極或負極的絕緣電阻降低時，自動發(fā)出燈光和音響信號并發(fā)出告警光字和報文，并且可利用其判斷出接地極和正、負極的絕緣電阻值。絕緣監(jiān)測裝置通常采用電橋平衡原理，利用一種對稱的電橋，當直流系統(tǒng)某一極絕緣下降時破壞了電橋的平衡，通過檢測電橋的不平衡程度來反映直流電網(wǎng)的絕緣狀況。

本裝置原理圖如圖1所示，裝置包含接地模塊，可通過微處理器及小電阻投切組合調(diào)節(jié)接地電阻的大小，模擬直流系統(tǒng)正極或負極的完全或不完全接地；還有通信模塊和控制模塊，能在主控室內(nèi)對變電站直流回路上安放的直流接地模塊進行投、切控制。同時，本裝置配置了過電流保護，避免模擬教學過程中產(chǎn)生大的接地電流損壞直流系統(tǒng)。本裝置可安裝于培訓場地的直流系統(tǒng)回路中，通過遠程投切接地電阻，實現(xiàn)培訓場地直流系統(tǒng)安全接地，從而幫助教員開展直流接地表象及接地點查找的教學。

2.3? 實訓場實操直流接地教學裝置的設計

本裝置電源采用的是隔離的AC/DC開關(guān)電源，可通過220 V直流電或220 V交流電供電；使用時一端接直流系統(tǒng)的饋線或母線，一端接地，通過微處理器、繼電器控制接地電阻的不同投、切組合來實現(xiàn)系統(tǒng)不接地、不完全接地、完全接地等狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；本裝置設置了電流電壓采樣電路對接地狀態(tài)進行監(jiān)控；本裝置內(nèi)置了Wi-Fi模塊，通過Wi-Fi完成與客戶端的通信，實現(xiàn)遠程控制。

裝置設計圖如圖2所示。

本裝置開機后，系統(tǒng)會自動對接地電阻進行自檢，自檢程序會控制繼電器連接到自檢回路中，依次打開每一個接地電阻擋位的繼電器，通過檢測對應的擋位電壓，從而判斷接地電阻是否正確。自檢通過以后，會在顯示器上提示模塊工作正常。如自檢沒有通過會進行警示模塊接地異常，不能投入使用。

由圖2可以看出，在直流系統(tǒng)的正極和負極上串入保險絲和繼電器，通過微處理器MCU將IO11或IO12置高電位，就可以使J11或J15繼電器輔助繞組得電，從而實現(xiàn)選擇性地控制高壓繼電器將直流系統(tǒng)的正極或負極接入模擬接地系統(tǒng)中。通過微處理器MCU將IO01、IO02、IO03、IO04、IO05、IO06和IO07其中之一進行置高電位，使得J8、J10、J12、J14、J17、J18和J20中與IO口相對應的繼電器輔助繞組得電，實現(xiàn)將直流系統(tǒng)的正極和負極和地之間串入接地電阻。繼電器J8、J10、J12、J14、J17、J18和J20相應對路上使用不同的電阻值，分為8個擋位從100 kΩ逐漸減小到10 Ω，可以模擬出直流系統(tǒng)不接地—不完全接地—完全接地的過程。

本裝置上設有一個Wi-Fi模塊，外置Wi-Fi天線到裝置外殼上。設備開機會生成一個Wi-Fi熱點供給客戶連接，用戶連接上熱點之后，設備會生成一個本地服務器供設備和用戶進行通信。通過指定的通信協(xié)議進行功能操作和顯示。

本裝置的輔助電源選取的是隔離的AC/DC開關(guān)電源，可以使用220 V直流電供電也可以選用220 V交流電供電，使本裝置的取電系統(tǒng)和系統(tǒng)回路相互隔離，避免相互影響。

本裝置在直流系統(tǒng)接地回路中串入霍爾電流傳感器對接地電流進行檢測。直流電流，作為電氣測量中的重要參數(shù)，其測量方法主要分為直接測量和間接測量2大類。在直接測量中，人員利用分流器直接讀取電流值；而在間接測量中，則采用霍爾電流傳感器或直流電流互感器來測量電流?；魻栯娏鱾鞲衅魇腔魻杺鞲衅鞯囊环N，是基于霍爾效應制造的一種磁場傳感器?；魻杺鞲衅鞯臏y量屬于間接測量，可對各種類型的電流進行測量，從直流到幾十千赫茲的交流。選用的傳感器供電電壓為5 V，故將輸出電壓進行了分壓處理，將電壓減小到3.3 V以下，可以直接送入MCU進行檢測?；芈分型瑫r接入了接入高阻值的電阻（R9、R10、R11、R12、R13和R14）對輸入直流系統(tǒng)的正極電壓值進行分壓，將分壓電壓送入MCU進行電壓采集，本裝置采用對直流正極的監(jiān)測來確認直流系統(tǒng)的接地狀態(tài)以及接地類型。

本裝置在結(jié)構(gòu)設計時力求外觀簡潔、小巧，如圖3所示，對外接口能夠進行插拔操作，可方便、隱蔽地接入到培訓場地直流系統(tǒng)回路中。

本裝置配有手機APP，管理員可在后臺對用戶賬號資質(zhì)進行管理，經(jīng)授權(quán)的用戶登錄后可通過APP遠程遙控多個接地終端并監(jiān)測其接地狀態(tài)。APP具有自檢功能，執(zhí)行遙控操作或獲取終端實時信息前會自動檢測網(wǎng)絡通信狀態(tài)，網(wǎng)絡完好則執(zhí)行用戶操作，網(wǎng)絡異常則進行彈窗提醒，用戶可根據(jù)提醒對終端網(wǎng)絡通信進行檢查。APP支持手動刷新數(shù)據(jù)，為避免終端監(jiān)測頁面出現(xiàn)“假數(shù)據(jù)”，用戶可手動點擊獲取最新實時數(shù)據(jù)，確保對終端狀態(tài)的有效監(jiān)測。

3? 總結(jié)與不足

在電力系統(tǒng)運維中，廠、站運行值班人員的技術(shù)技能水平是決定設備運維質(zhì)量的重要因素。目前，各大電力企業(yè)都越來越重視人員技能水平的培訓，傳統(tǒng)的教學方式和教具已經(jīng)無法滿足安全、高效、高質(zhì)量的培訓需求。在電力行業(yè)大面積數(shù)字化轉(zhuǎn)型的今天，如何應用數(shù)字化手段提高傳統(tǒng)企業(yè)效能成了新的研究方向。

本研究設計開發(fā)了一種實訓場實操直流接地教學裝置，裝置可安裝在直流回路任何位置，設有過流保護，且支持遠程遙控其不接地/不完全接地/完全接地狀態(tài)的切換。其使電力企業(yè)實訓場的直流接地查找教學工作能以一種更加安全有效的方式開展，對于發(fā)電廠、變電站運行值班人員技術(shù)技能水平的提升具有一定的實用意義。

本文中的實訓場實操直流接地教學裝置需建立在實訓場直流系統(tǒng)實際接地的基礎(chǔ)上開展教學，后續(xù)若能利用精細化3D建模技術(shù)、變電站仿真教學系統(tǒng)等技術(shù)開發(fā)一套帶有詳細二次回路、可模擬直流接地的計算機仿真系統(tǒng)，將能進一步降低直流接地查找技能練習的門檻，這也將成為電力行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中教培領(lǐng)域的重要研究方向。

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