一种智能保护器运维及漏电故障处理仿真培训系统的实现与应用

方向晖

（国网浙江省电力公司培训中心，浙江 建德 311600）

一种智能保护器运维及漏电故障处理仿真培训系统的实现与应用

方向晖

（国网浙江省电力公司培训中心，浙江 建德 311600）

智能保护器的可靠投运是保证农村低压电网安全运行的基础，而公变台区漏电故障处理能力则是提高保护器投运率和运行可靠性的关键性技术保障。研发的智能保护器运维及漏电故障处理仿真培训系统，集智能保护器运行维护、漏电故障处理、保护器在线监测系统应用与异常处理等培训功能于一体，是采用“生产现场设备+虚拟电气量加载+故障模拟设置+软件控制”的“混仿”型仿真培训系统。通过全面介绍仿真培训系统的研发技术路线、功能实现和应用方法，指出该系统具有良好的应用前景。

剩余电流；保护器；漏电故障；故障处理；仿真培训

0 引言

剩余电流动作保护器（以下简称保护器）是农村电网公用变压器（以下简称公变）台区承担触电保护、接地故障保护、电气火灾防护功能的开关设备。加强台区各级保护器的运行与维护，提高其投运率和稳定性，对于确保农村安全用电具有十分重要的意义。随着智能配电网建设的推进，特别是智能保护器、智能配电变压器（以下简称配变）终端以及保护器监测系统的安装和深化应用，对台区保护器的稳定可靠运行提出了很高的要求，并成为低压电网运维的重要考核指标之一。然而，在现实低压电网中，漏电故障的发生具有随机性，漏电点具有隐蔽性，漏电电流的大小也会因环境和设备情况随时变化，而保护器数量多、分布广、安装地点偏远、运行环境比较恶劣，这些客观情况使得保护器处于投运难、维护难、管理难与考核难的困境。因此，加强培训、提高运维人员在智能保护器运维和台区漏电故障处理方面的技能水平，是一项刻不容缓的工作。这就迫切需要开发一种具有可操作性、实用性、安全性的仿真培训系统，实现智能保护器运维、监测系统应用与异常处理、台区漏电故障查处等技能培训。

本文结合农村公变台区智能保护器运维、监测系统应用与异常情况、剩余电流产生的基本规律以及漏电故障查处的基本方法，以仿真手段模拟各种漏电故障、智能保护器运维及监测系统异常情况，构建一套“生产现场设备+虚拟电气量加载+故障模拟设置+软件控制”的“混仿”型仿真培训系统，并对培训应用方式进行深入探讨。

1 系统开发的基本思路

系统开发的基本思路：一是根据现有农网低压配电台区的典型模式，结合农村智能公变台区的建设要求，设法在柜体有限的空间内合理布置安装整个仿真台区的线路、设备和用户，实现典型农村公变台区低压电网的仿真；二是研究低压电网和用户中常见的漏电故障现象、出现位置、产生原因和有效查处方法，通过技术手段实现漏电故障现象、漏电流设置和故障查处的仿真；三是研究仿真对象的控制方式，实现故障设置模块、通讯模块、语音提示等功能模块和控制软件、加载软件的开发；四是研究智能保护器监测系统的运行模式，实现仿真装置与智能保护器监测系统的互动融合。

2 硬件选型

智能保护器运维及漏电故障处理仿真培训系统硬件设计的基本思路是：为实现对公变台区电网的高度仿真，配置的设备除线路、杆塔、绝缘子采用小型化的模拟设备外，电网和客户的智能总保、智能中保、户保均采用电网生产现场和用电现场的真实设备，并将台区整体布置在一个可拆装的柜体上，使仿真设备的可视部分、操作部分、测试部分与公变台区运行设备完全一致。

2.1 台区电网仿真模式

农村公变台区低压电网的接线方式因各地的规划习惯、用电负荷大小、村落布局等因素而各不相同，但仍可概括出其典型结构型式。本文选择如下模型作为仿真台区的接线方式：配变额定容量250 kVA，用户数80户，台区低压出线分农村生活公用电力线路主干线、农业生产动力用电主干线共2路出线。台区配2台智能总保，分别保护农业生产动力用电线路和农村公用生活电力主干线路；配2台智能中保，分别保护农村生活公用电力主干线路下的2条重要支线。台区各支线下设若干条分支线和户联线，各条户联线下分组安装若干个用电客户，每个电力用户均安装1只户保，共80只户保。80只户保中有单相户保60只，三相户保20只。仿真台区的低压电网接线方式如图1所示。

2.2 主体设备选择

图1 模拟台区主接线

仿真系统一次设备选择与生产现场相一致的设备，仿真台区除杆塔和电力线路外，还配置了隔离开关、无功补偿装置、智能配变终端、智能保护器、瞬动型户保。智能配变终端、智能保护器的通讯规约符合电力行业相关技术规范和国家电网公司企业标准《剩余电流动作保护器选型技术原则和检测技术规范》的要求。

2.3 台区负荷的仿真

台区用户的负荷通过功率电阻来仿真实现，单相用户采用1只功率电阻模拟真实负荷，三相用户采用3只相同的功率电阻模拟三相平衡的真实负荷。考虑到仿真培训系统安装在由市电作为电源的户内实训室中，单相负荷电流应控制在10 A左右，整台设备的负荷电流应控制在3×10 A左右。为使仿真培训系统的模拟负荷与实际公变台区的负荷特性相一致，系统设置了三相负载平衡调节功能。为此，将公用电力线路上的78个用户平均分成6组，每组均匀分配10个单相用户和3个三相用户。单相用户负荷分为0.14 A的3个、0.25 A的4个、0.33 A的3个，三相用户分为星型平衡负载0.09 A、角型平衡负载0.14 A、三相供电单相线电压负荷（模拟电焊机）0.14 A。单组单相负荷总计约2.7 A，当所有负荷调整平衡时，装置每相供电电流约为5～6 A。图2为单组功率电阻的分配原理图，图中R201—R210是单相用户的模拟电阻，R211和R212是三相用户的模拟电阻，R213是三相线电压供电的单相用户的模拟电阻。为便于灵活调整负荷，10个单相用户的功率电阻R201—R210又进一步分成2个小组安装。各个单相用户可按要求任意接入到A，B，C三相中的任意一相上，从而灵活调整三相负荷的不平衡度和中性线电流的大小。

图2 台区模拟负荷配置方式

图3 台体布置

2.4 台体布置

为了使仿真台区线路、一次设备和80个用户设备能在有限的装置面板合理布置，必须充分考虑面板的整体布局效果、实际的培训需求、故障点位置的实现、故障设置的隐蔽性和安全性，为此，设计了尺寸为3.6 m×0.45 m×1.85 m的台体，为便于现场运输和安装，分1.8 m×0.45 m× 1.85 m两部分组装，具体布置如图3所示。

3 功能实现

3.1 漏电故障仿真

通过接地阻抗网络的组合，可以设置出各种保护器的安装接线错误、漏电故障和漏电流值，从而仿真出保护器无法投运、拒动、频繁跳闸、闭锁以及剩余电流超限、报警等异常。其中，电网漏电故障分为线路绝缘子击穿、相线漏电、零线漏电3种形式，通过不同线路段、不同杆塔位置的组合可以生成多种电网漏电故障组合形式；电力客户内部漏电故障主要有客户内部相线漏电、零线漏电及保护器安装错误等多种形式。为满足系统的仿真要求，并有效减少继电器和漏电电阻数量，降低单机成本，系统设计了13个漏电故障设置单元，并将它们设计成网状连接，以便同时设置13个客户的内部漏电故障和多种漏电流组合。故障设置单元漏电故障的实现原理如图4所示，图中RN为电网中性线的接地阻抗、RX1—RX3为电网相线的接地阻抗、RS1—RS3为三相用户内部的接地阻抗、RD1—RD3为单相用户内部相线的接地阻抗、RDN为单相用户内部零线的接地阻抗，通过投切不同继电器，即可完成不同漏电故障点和漏电流值的设置。

3.1.1 相线漏电故障仿真

如图4所示，每一故障设置单元的电网相线和用户内部相线的漏电故障和漏电流值调整，是通过3个接地阻抗的不同连接来实现的，每个漏电故障点的漏电流值与对应的接地阻抗接入方式间的关系如表1所示。

表1 相线接地阻抗接入方式与漏电流间的对应关系

3.1.2 零线漏电故障仿真

零线漏电流值是一个不能唯一确定的电流值，其大小由零线电流决定。而零线电流值又由A，B，C三相负荷的不平衡程度决定，三相负荷完全平衡时零线电流为零，三相负荷越不平衡，零线电流越大，零线接地时其漏电电流也越大。为了能使零线漏电流值可调，在A，B，C各相相线上设置了短路连接环，通过短路连接线可方便地将各单元上的单相负荷接入不同的相线。如图4中，单相用户201—205可根据要求均匀或不均匀地分别接入A，B，C相线，形成不同的零线电流，进而通过零线接地阻抗形成不同的零线接地漏电流值。

3.2 接地阻抗投切的控制原理

仿真系统通过继电器及其控制单元实现上述漏电故障点和漏电流值的控制。通过对继电器单元的控制，可实现不同接地阻抗的投切和保护器出线侧的接线故障。继电器单元与继电器控制单元的接口相连接。继电器控制单元采用RS485通信方式，通过教师机软件控制继电器控制单元的MCU（微控制单元）。MCU解析教师机软件的动作指令，控制继电器控制驱动单元，使相应的继电器断开或闭合。配合整体阵列布线，可以同时实现十几个漏电点的可控设置，设置范围包括所有的80个模拟用户、电网相线及中性线的漏电故障和保护器接线错误故障。继电器及其控制单元原理框图如图5所示。

图4 漏电故障的实现原理

图5 继电器及其控制单元原理框图

一个或多个继电器的动作可实现漏电点及漏电流值大小的调整。以第二负荷组QF201—QF213用户内部漏电故障控制的动作继电器配置为例，其原理如图6所示，其中单相用户QF204内部的漏电流值、接地阻抗接线方式与继电器之间的对应关系如表2所示。

图6 用户漏电故障动作继电器

表2 QF204用户内部漏电流与对应动作继电器对照

3.3 系统通信功能的实现

仿真系统设有时钟计时、语音提示、故障设置和智能保护器远程控制等多个功能模块，每个功能模块均采用RS485通信方式。硬件实体采用串口服务器的通信方式，仿真系统硬件实体与教师计算机采用网线通信连接方式。系统通信模块的原理如图7所示。

图7 通信模块的原理框图

3.4 控制软件

仿真培训系统软件设计的基本思路是：充分利用虚拟负荷加载技术，在线路的相线、中性线、绝缘子、用户内部线路及设备上加载虚拟负荷，使仿真系统台体上仪表显示的电气运行参数与生产现场相一致；利用计算机和网络技术，对台体上供用电设备的漏电故障位置、漏电类型、漏电电流调整、组合和清除等进行远程控制操作，有预期地设置和更改培训内容与考核要点，使“教、学、练”高度结合的仿真培训教学方法得以实现。软件设有系统、培训、考试、题库、考卷、基础数据、工具、查看、帮助共9项功能界面。

3.5 仿真系统与保护器监测系统的结合

农网公变保护器在线监测系统的全覆盖，为实现总保故障快速发现、快速定位、快速抢修和台区总保安装率、投运率、动作正确率3个“100%”提供了技术支撑。仿真系统通过智能配变终端接入省公司统一的通信网关，进一步接入保护器监测系统，接入方式及控制关系如图8所示。通过仿真系统与智能保护器监测系统的有效互动，可灵活实现保护器监测系统的异常处理技术培训，为监测系统的深化应用打下基础。

图8 仿真装置与保护器监测系统的连接

4 培训应用的实现

在智能保护器运维和漏电故障处理等专项培训中，可利用仿真系统实现剩余电流基本理论验证、保护器安装运维、监测系统应用和低压台区漏电故障处理、事故演练等方面的技术技能实训。

4.1 基本理论验证

4.1.1 剩余电流和中性线电流区别的验证

剩余电流是保护器主回路电流瞬时值的矢量和，也就是电网三相漏电流的矢量和。作为剩余电流必须具备2个条件：必须是电网系统（包括主干线路、用户线路及用电设备）对地产生的电流；必须是从变压器接地线流回到变压器中性点的电流。而中性线电流是电网三相负荷不平衡电流值，只流过中性线，不会引起保护器跳闸，这是两者的区别。

实训验证方法：通过仿真系统设置三相不平衡负荷，测试中性线电流值；通过软件设置若干漏电点，形成总剩余电流，观察保护器显示的剩余电流值。通过比较以上2个电流值，可验证中性线电流不等于电网总剩余电流的理论。

4.1.2 单相电网剩余电流基本规律验证

根据理论分析，单相线路剩余电流的特点是：各故障点漏电电流与电源电压的相角差相同，即总的剩余电流是各种漏电流的数量和。因此每增加1个漏电点或漏电电流（包括触电电流），单相线路总的剩余电流值一定是增加的。

实训验证方法：先在某一相线路上设置若干个漏电点，测试总剩余电流值或观察保护器显示的剩余电流值，然后在同相上增加漏电点或漏电流值，再次测试总剩余电流值或观察保护器显示的剩余电流值的变化，通过比较加以验证。

4.1.3 三相电网剩余电流基本规律验证

三相四线制电网的剩余电流是三相漏电流的矢量和。由于漏电电流分布在三相上，触电电流可能发生三相中的任何一相上，因此随着漏电点、漏电流的增加以及触电电流的产生，电网总的剩余电流可能增加，也可能减少，甚至等于零，这也反映出三相剩余电流动作保护器在理论上确实存在不动作的“死区”。

实训验证方法：先在设备电网上设置若干个漏电点，测试总剩余电流值或观察保护器显示的电网初始剩余电流值，然后在仿真系统上增加某相的漏电故障点和漏电流值，再次测试总剩余电流值或观察保护器显示的新剩余电流值的变化，通过比较加以验证。

4.2 保护器安装运维实训

通过仿真系统上安装的真实剩余保护器，可开展保护器参数设置、保护器历史数据查询、保护器动作特性测试和智能保护器安装等技能实训。保护器动作特性测试包括保护动作电流值、动作时间值和极限不驱动时间3项测试。

4.3 漏电故障处理实训

剩余电流动作保护器及其组合装置不能正常投运概括起来有2个原因：一是保护器及其组合装置本身出现故障致使电网不能送电；二是台区线路或供用电设备等出现漏电故障，产生较大的剩余电流使保护器不能合闸或频繁跳闸。

保护器及其组合装置本身出现故障的，可将保护器出线侧电网拆除，通过保护器本身的试验按钮和开关进行试验测试，也可通过特性试验进行分析判断。

电网漏电故障引起的保护器无法投运或频繁跳闸故障，必须现场检查电网或设备漏电点并进行处理，消除故障后才能恢复保护器正常运行。电网漏电故障点的有效检查方法有逐户投运法、逐户切除法、不断电检查法、断电查零线法等。所有这些生产现场应用的方法在仿真系统上均可实施，其中逐户投运法、逐户切除法比较简单，培训时主要采用不断电检查法和断电查零线法进行漏电故障处理。

4.3.1 不断电检查法

电网强行送电，先测出电网总的剩余电流，然后分别测量各分支线路的剩余电流，查到有剩余电流的分支线，再测试该分支线下每一户的剩余电流，直至查到故障点。受钳形电流表的限制，该方法只能在接户线或采用电缆、平行集束导线处进行测量检查，在架空主线路上无法实现。

实训方法：先在仿真系统的用户侧设置若干漏电流值，学员观察保护器显示的剩余电流值，在电网的各分支点使用钳形电流表测试总剩余电流值、相线电流值、零线电流值，并记录数据，分析漏电位置、漏电流值，确认后由系统清除该漏电点故障，重新观察保护器显示剩余电流值，继续查找下一处漏电点，直至查完所有用户为止。

4.3.2 断电查零线法

电网先断电，将保护器出线拆下，使待查电网与配变脱离。在零线当中加“测试电流”，方法是在中性线与配电箱内有电的相线之间串上1个75 W左右的电阻（如电烙铁、灯泡等）。用钳型电流表测量中性线中总的测试电流，然后测量中性线中测试电流的走向，A，B，C，N线都要测量，并记下数据以便分析。相线上如有测试电流，说明该相线上有漏电故障点，根据测试电流的分布和走向，可同时快速查出多处漏电故障。

实训方法：先在仿真系统的线路和用户侧设置若干漏电流值，使保护器跳闸。学员拉开隔离闸刀，合上各级保护器，在闸刀上桩头的相线与下桩头的零线上接入测试电阻，按“断电查零法”的操作步骤，依次测试A，B，C，N线路的电流值；记录数据值，分析剩余电流的走向，判断漏电故障位置、漏电流值，确认后报告或切除该漏电点；继续查找下一处漏电点，直至查完所有用户为止。

4.4 监测系统应用与事故演练实训

保护器监测系统在应用中存在以下常见问题：因配变终端导致保护器装接不成功，因保护器导致装接不成功、保护器闭锁、频繁动作、拒动，电网剩余电流预警、报警等。

事故演练实训方法：在仿真系统上设置线路相线、中性线、用户内部多处漏电故障，模拟上述监测系统存在的一项或几项问题，上传远动监测系统，形成异常报文，按以下异常处理流程进行演练。

（1）参加演练的监控人员通过保护器监测系统，查看保护器异常情况（包括保护器闭锁、退运、拒动、频繁动作），整理保护器异常清单。

（2）参加演练的运维单位负责人根据保护器异常清单，安排运维人员到现场进一步核实，经检查确认是现场保护器异常的，及时完成现场处理，并填写保护器运行异常处理单。

（3）参加演练的运维人员，根据保护器运行异常处理单完成异常处理的确认，并填写原因分析和处理意见。

（4）对因电网线路、设备和用户内部漏电故障造成的保护器异常，采用不断电检查法、断电查零法进一步进行线路漏电故障排查和整改。对因保护器本体故障造成的异常，确认后完成保护器的更换工作。

（5）异常处理结束后，恢复台区供电。

5 结语

智能保护器运维及漏电故障处理仿真培训系统的开发，为农村公变台区保护器运维和漏电故障处理等相关培训、事故演练提供了技术支撑平台，不仅提高了培训的真实性、可操作性和安全性，也填补了该领域仿真培训系统的空白。实际应用表明，该系统具有较高的社会效益和经济效益，具有良好的推广价值和应用前景。

（本文编辑：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

方向晖（1967），男，副教授，从事低压电网技术培训和科研工作。