基于TRIZ理论研制的一种实训场实操直流接地教学装置

袁忠 吴文博 张威

摘  要：发电厂、变电站内保护跳闸、控制回路皆为直流回路。当直流回路绝缘不良时，会发生直流接地，严重时会造成断路器拒动或误动。发生直流接地后，运行人员需立即检查并初步判断出发生接地的直流回路并及时上报，配合处理。在目前的实训过程中，无法模拟出直流接地的真实情况，受训学员虽然在实训场，但仍然无法直观地感受到直流接地的情况，达不到培训效果。因此，设计一种有效的实训场实操直流接地教学装置，具有重要意义。该文基于TRIZ理论研究一种实训场实操直流接地教学装置，并介绍该装置的工作原理及主要特点。

关键词：直流系统；直流接地；教学装置；绝缘检测；TRIZ理论

中图分类号：TM131.3      文献标志码：A          文章编号：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

直流系统在变电站中具有非常重要的作用，其为高压交流系统提供直流电源，并为保护和控制系统提供可靠的直流电源，同时还能提供直流充电电源和紧急电源等功能，保证电力系统的安全稳定运行。

直流接地故障是电力系统中常见的一种直流系统故障，此类故障出现频率高、查找难度大，不仅对设备不利，且对整个电力系统的安全构成巨大的威胁。直流系统单点接地后若再有一点接地则可能造成保护装置的误动或拒动，导致严重的后果。因此，电力行业规程内规定直流系统发生一点接地时应停止直流回路上的一切工作，并尽快查找接地点，防止造成两点接地。在实际工作中，运行人员对直流系统故障分析尤为重要，尤其是在新设备投产期间，人员运行维护不熟练，设备存在误报警现象等情况，都直接影响处理直流系统故障的效率。

本研究基于TRIZ理论的技术创新理论和方法，对直流接地系统教学效果差的问题进行功能分析和因果链分析，通过查找可用资源、物理矛盾、技术矛盾，根据响应矛盾应用发明矩阵、分离原理等开展项目，结合控制技术、无线网络通信技术等，设计可远程遥控且适应不同工况的直流接地教学装置，模拟直流系统正极或负极的完全或不完全接地。

1  研究背景

在电力系统内，直流系统是发电厂、变电站厂（站）用电系统的重要组成部分，为电力系统保护、测控装置等重要负荷提供稳定、可靠的电源。直流系统回路繁多、负荷重要度高，当其由于绝缘不良发生接地故障时有可能导致电力系统保护装置、断路器的误动或拒动，对电力系统的安全稳定运行造成巨大威胁。

当直流接地故障信号发出，发电厂、变电站运行值班人员需第一时间抵达现场检查设备并初步判断故障回路。然而，在分工高度细化的电力企业，直流系统故障通常由二次检修人员负责排查處理，运行值班人员仅掌握理论知识，缺乏实操，难以在短时间内对故障作出准确的判断。若能针对发电厂、变电站运行值班人员设计一种实训场实操直流接地教学装置，可真实模拟出厂站直流接地故障表象，结合理论与实操培训，将能大大提高相关从业人员的技能水平。

1.1  TRIZ理论

TRIZ理论全称为“理论解决问题的创新方法”，是一种系统化的创新方法论。TRIZ理论由苏联工程师格里戈里·阿尔图诺维奇·阿尔图诺夫于20世纪50年代提出，并在后来被广泛发展和应用。TRIZ的核心思想是通过分析和利用已有的技术、方法和知识，找到解决问题的最佳途径。其提供了一系列工具和原则，帮助人们发现创新的机会、解决矛盾，并提供可行的解决方案。TRIZ理论能够帮助人们打破传统思维模式，在问题解决中寻找到非常规的、创新的解决方法。其强调对矛盾的认识和处理，通过寻找逆向思维的突破口，解决矛盾并达成系统的改进，TRIZ提供了一套系统化的工具和方法，可以指导创新过程中的各个环节。从问题识别、分析到解决方案生成和评估，TRIZ都提供了具体的方法和步骤，使创新过程更加可控和高效。TRIZ在解决复杂问题和创新方面具有一定的优势，其强调系统性思考和创造性解决问题的方法，能够帮助人们在解决复杂问题时找到突破口。

1.2  直流接地的危害

变电站中的直流系统采取的是浮充电方式，浮充电在运行期间，直流电源的正负母线一直处于绝缘体状态。 如果将其中的某一条线路或者绝缘电阻降低到一定状态，就会引发直流系统接地故障问题。一般而言，对于某一点的接地故障，并不会对直流系统的正常运行产生直接影响，可是，如果有多个位置出现接地故障，便会带来严重后果，阻碍直流系统运行，进而使得变电站设备保护装置的工作指标错误，指示开关跳闸，不利于整个变电站的运行，为其安全运行埋下严重的安全隐患。

变电站直流系统接地会引起很大的危害。一般来讲，变电站直流系统接地属于两点接地类型，一旦发生两点接地问题，便会出现不利的情况，将电气信号切断。一旦发生该种情况，将会导致该地区的电网产生停电现象。从中可以看出，变电站直流接地故障自身具有很强的危险性，所以，运维人员一定要加大重视力度，强化自身技能，在处理过程中避免发生次生灾害。

2  实训场实操直流接地教学装置概述

2.1  实训场实操直流接地教学装置的作用

直流电源作为辅助工作电源和稳定电压电源，在交流电源停电后，能继续为重要负荷供电。直流供电系统能否可靠、安全运行，直接影响整个电力系统的安全生产。因此，当变电站或发电厂的直流系统出现绝缘降低时，由绝缘监测装置产生报警信号，并让支路巡检装置启动选线工作。一旦直流系统发生接地故障后，应立即找出直流系统的接地点，并尽快消除，否则会严重影响主设备的正常运行。发电厂、变电站等电力生产场所的运行值班人员需要尽快查看相关装置、信号，对故障作出初步判断，决定后续处理方式，最大程度地降低故障影响。设计一套有效的实训场实操直流接地教学装置，对于提高运行值班人员的技能水平、提升电力系统的运行的可靠性具有重大的现实意义。

2.2  实训场实操直流接地教学装置的原理

直流电源为带极性的电源，分为电源正极和电源负极。交流电源是无极性电源，电力系统交流电源有一个真正的“地”，这个“地”也是电力系统安全的一个重要概念。为了系统安全，变电站、发电厂所有设备的外壳都会牢牢地接在这个“地”，而且其接地阻抗越低越好。直流电源的“地”对直流电路来讲仅仅是个中性点的概念，这个“地”与交流的“大地”是截然不同的。如果直流電源系统正极或负极对地的绝缘电阻降低至某一整定值，或者低于某一规定值，这时称该直流系统有正接地故障或负接地故障。

直流系统通常带有绝缘检测装置，能在直流系统正极或负极的绝缘电阻降低时，自动发出灯光和音响信号并发出告警光字和报文，并且可利用其判断出接地极和正、负极的绝缘电阻值。绝缘监测装置通常采用电桥平衡原理，利用一种对称的电桥，当直流系统某一极绝缘下降时破坏了电桥的平衡，通过检测电桥的不平衡程度来反映直流电网的绝缘状况。

本装置原理图如图1所示，装置包含接地模块，可通过微处理器及小电阻投切组合调节接地电阻的大小，模拟直流系统正极或负极的完全或不完全接地；还有通信模块和控制模块，能在主控室内对变电站直流回路上安放的直流接地模块进行投、切控制。同时，本装置配置了过电流保护，避免模拟教学过程中产生大的接地电流损坏直流系统。本装置可安装于培训场地的直流系统回路中，通过远程投切接地电阻，实现培训场地直流系统安全接地，从而帮助教员开展直流接地表象及接地点查找的教学。

2.3  实训场实操直流接地教学装置的设计

本装置电源采用的是隔离的AC/DC开关电源，可通过220 V直流电或220 V交流电供电；使用时一端接直流系统的馈线或母线，一端接地，通过微处理器、继电器控制接地电阻的不同投、切组合来实现系统不接地、不完全接地、完全接地等状态的转换；本装置设置了电流电压采样电路对接地状态进行监控；本装置内置了Wi-Fi模块，通过Wi-Fi完成与客户端的通信，实现远程控制。

装置设计图如图2所示。

本装置开机后，系统会自动对接地电阻进行自检，自检程序会控制继电器连接到自检回路中，依次打开每一个接地电阻挡位的继电器，通过检测对应的挡位电压，从而判断接地电阻是否正确。自检通过以后，会在显示器上提示模块工作正常。如自检没有通过会进行警示模块接地异常，不能投入使用。

由图2可以看出，在直流系统的正极和负极上串入保险丝和继电器，通过微处理器MCU将IO11或IO12置高电位，就可以使J11或J15继电器辅助绕组得电，从而实现选择性地控制高压继电器将直流系统的正极或负极接入模拟接地系统中。通过微处理器MCU将IO01、IO02、IO03、IO04、IO05、IO06和IO07其中之一进行置高电位，使得J8、J10、J12、J14、J17、J18和J20中与IO口相对应的继电器辅助绕组得电，实现将直流系统的正极和负极和地之间串入接地电阻。继电器J8、J10、J12、J14、J17、J18和J20相应对路上使用不同的电阻值，分为8个挡位从100 kΩ逐渐减小到10 Ω，可以模拟出直流系统不接地—不完全接地—完全接地的过程。

本装置上设有一个Wi-Fi模块，外置Wi-Fi天线到装置外壳上。设备开机会生成一个Wi-Fi热点供给客户连接，用户连接上热点之后，设备会生成一个本地服务器供设备和用户进行通信。通过指定的通信协议进行功能操作和显示。

本装置的辅助电源选取的是隔离的AC/DC开关电源，可以使用220 V直流电供电也可以选用220 V交流电供电，使本装置的取电系统和系统回路相互隔离，避免相互影响。

本装置在直流系统接地回路中串入霍尔电流传感器对接地电流进行检测。直流电流，作为电气测量中的重要参数，其测量方法主要分为直接测量和间接测量2大类。在直接测量中，人员利用分流器直接读取电流值；而在间接测量中，则采用霍尔电流传感器或直流电流互感器来测量电流。霍尔电流传感器是霍尔传感器的一种，是基于霍尔效应制造的一种磁场传感器。霍尔传感器的测量属于间接测量，可对各种类型的电流进行测量，从直流到几十千赫兹的交流。选用的传感器供电电压为5 V，故将输出电压进行了分压处理，将电压减小到3.3 V以下，可以直接送入MCU进行检测。回路中同时接入了接入高阻值的电阻（R9、R10、R11、R12、R13和R14）对输入直流系统的正极电压值进行分压，将分压电压送入MCU进行电压采集，本装置采用对直流正极的监测来确认直流系统的接地状态以及接地类型。

本装置在结构设计时力求外观简洁、小巧，如图3所示，对外接口能够进行插拔操作，可方便、隐蔽地接入到培训场地直流系统回路中。

本装置配有手机APP，管理员可在后臺对用户账号资质进行管理，经授权的用户登录后可通过APP远程遥控多个接地终端并监测其接地状态。APP具有自检功能，执行遥控操作或获取终端实时信息前会自动检测网络通信状态，网络完好则执行用户操作，网络异常则进行弹窗提醒，用户可根据提醒对终端网络通信进行检查。APP支持手动刷新数据，为避免终端监测页面出现“假数据”，用户可手动点击获取最新实时数据，确保对终端状态的有效监测。

3  总结与不足

在电力系统运维中，厂、站运行值班人员的技术技能水平是决定设备运维质量的重要因素。目前，各大电力企业都越来越重视人员技能水平的培训，传统的教学方式和教具已经无法满足安全、高效、高质量的培训需求。在电力行业大面积数字化转型的今天，如何应用数字化手段提高传统企业效能成了新的研究方向。

本研究设计开发了一种实训场实操直流接地教学装置，装置可安装在直流回路任何位置，设有过流保护，且支持远程遥控其不接地/不完全接地/完全接地状态的切换。其使电力企业实训场的直流接地查找教学工作能以一种更加安全有效的方式开展，对于发电厂、变电站运行值班人员技术技能水平的提升具有一定的实用意义。

本文中的实训场实操直流接地教学装置需建立在实训场直流系统实际接地的基础上开展教学，后续若能利用精细化3D建模技术、变电站仿真教学系统等技术开发一套带有详细二次回路、可模拟直流接地的计算机仿真系统，将能进一步降低直流接地查找技能练习的门槛，这也将成为电力行业数字化转型过程中教培领域的重要研究方向。

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