一种电力系统内部过电压模拟展示系统及工作方法与流程

1.本发明涉及电力系统内部过电压模拟技术领域，特别涉及一种电力系统内部过电压模拟展示系统及工作方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.电力系统受到多种条件影响，会造成电压或者电流升高的现象，有的受外界大气环境影响，比如雷击，就造成了大气方面的过电压，有的是受电力参数的限制，可能造成谐振或者参数突变，就形成了内部过电压。内部过电压包含有非常多的类型，其中操作过电压，指的是刀闸进行操作，或者电网系统突然发生损坏，以毫秒计算，时间很短，而暂时性质过电压，指的是瞬间动作完毕，但电力系统未能立刻回到正常工作状态，而是出现了电压值升高，或者是触发了谐振条件，使系统脱离正常运行状态，其持续时间较长。
4.对于整个的电网系统来讲，过电压的问题是研究超高压、特高压技术，设计电气设备的绝缘强度问题所必须要重视的课题之一。不管是内部电力系统参数改变带来的过电压，还是外部雷电等气象条件带来的过电压，都会对电力的持续运行带来损害甚至造成不可估量的损失。其中有些情况，比如谐振的时候甚至会稳定存在，所以对过电压的形成成因进行全面深入的分析，对其抑制措施提出更为有效的见解是目前的研究重点。
5.但是，发明人发现，实际的电网电压等级高，在日常教学或者演示环节难以实地观察学习，直接的采用较高的电网电压接入演示会带来较大的安全隐患。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种电力系统内部过电压模拟展示系统及工作方法，在保留过电压成因要素的基础上，降低了电压等级，模拟了真实电气环境，分别对不同过电压成因设计了相应的防范措施，能够实现防范不足、合适防范以及过度方法时的演示。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明第一方面提供了一种电力系统内部过电压模拟展示系统。
9.一种电力系统内部过电压模拟展示系统，包括：微处理器、显示模块、切空变转换电路模块和按键电路模块；
10.所述显示模块、切空变转换电路模块和按键电路模块均与微处理器通信连接；
11.所述切空变转换电路模块至少包括四位拨码开关，当四位拨码开关均关闭时，代表不采取抑制措施时进行空载变压器的切除；
12.四位拨码开关的第一位单独打开代表加装电解电容时进行空载变压器的切除；
13.四位拨码开关的第二位单独打开代表加入稳压管时进行空载变压器的切除；
14.四位拨码开关的第三位单独打开代表加入压敏电阻时进行空载变压器的切除；
15.四位拨码开关的第四位单独打开代表加入加装电阻时进行空载变压器的切除。
16.进一步的，所述切空变转换电路模块还包括两位拨码开关，两位拨码开关的第一位单独打开代表切满变情况，两位拨码开关的第二位单独打开代表切除70％容性负载，两位拨码开关全部关闭时代表切除空载变压器。
17.更进一步的，两位拨码开关的第一位通过电阻串并联网络与变压器的次边线圈连接，电阻串并联网络包括阻值相同且并联的两路，每路均包括串联的两个同阻值电阻。
18.更进一步的，两位拨码开关的第一位通过三个并联的电容与变压器的次边线圈连接。
19.进一步的，四位拨码开关的第一位与并联的四个电容的一端连接，并联的四个电容的另一端分别与测试点示波器和继电器连接，继电器与微处理器连接。
20.进一步的，四位拨码开关的第二位与对头串联的两个稳压管的一端连接，对头串联的两个稳压管的另一端分别与测试点示波器和继电器连接，继电器与微处理器连接。
21.进一步的，四位拨码开关的第三位与压敏电阻的一端连接，压敏电阻的另一端分别与测试点示波器和继电器连接，继电器与微处理器连接。
22.进一步的，四位拨码开关的第四位与加装电阻的一端连接，加装电阻的另一端分别与测试点示波器和继电器连接，继电器与微处理器连接。
23.进一步的，所述处理器还连接有多个用于指示程序运行状态的指示灯。
24.进一步的，按键电路模块包括第一按键、第二按键、第三按键和第四按键，第一按键、第二按键、第三按键和第四按键分别并联有一个电容；
25.第一按键为设置按键，第一按键按下时进入延时的调整界面；
26.第二按键为加按键，第三按键为减按键，在调整界面按下第二按键或者第三按键，能够进行切空变的延时时间设定；
27.第四按键为切空变按键，第四按键按下时，经过一定延时时间，继电器动作，切除变压器。
28.本发明第二方面提供了一种电力系统内部过电压模拟展示系统的工作方法，利用上述的电力系统内部过电压模拟展示系统，包括以下过程：
29.通过四位拨码开关进行抑制措施设定；
30.通过四位拨码开关进行切空变、切满变和切除70％容性负载的选择；
31.通过按键电路模块进行延时时间设定和变压器切除控制；
32.微处理器根据接收到的第四按键的按压信号，结合抑制措施、切除选择结果，生成变压器切除指令；
33.通过显示模块和示波器进行切除效果的展示。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
35.本发明提供的电力系统内部过电压模拟展示系统及工作方法，在保留过电压成因要素的基础上，降低了电压等级，模拟了真实电气环境，分别对不同过电压成因设计了相应的防范措施，能够实现防范不足、合适防范以及过度方法时的演示。
36.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
37.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
38.图1为本发明实施例提供的切空变装置框图。
39.图2为本发明实施例提供的单片机控制系统示意图。
40.图3为本发明实施例提供的电源模块示意图。
41.图4为本发明实施例提供的显示模块示意图。
42.图5为本发明实施例提供的切空变电路示意图。
43.图6为本发明实施例提供的pcb图二维效果图。
44.图7为本发明实施例提供的pcb图三维效果图。
具体实施方式
45.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
46.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
47.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
48.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
49.实施例1：
50.要想看到切空变，就需要在电流的最大值切断，所以需要做一个切点可调的装置，来研究在什么点切除变压器，此时的过电压是多少。如果直接用示波器来观察切除空载变压器时的波形，因为无法准确判断切断点具体位于电流正弦波形的哪个位置，所以每次得出的电压电流波形并没有可比性。切点可调装置的作用就在于能够直观地观察出切断点位置，保证每次都是在同样的位置被切除的。
51.本实施中，需要根据实际变压器参数造成的过电压幅值设计开断点，且此开断点可调，即当改变单片机中的值，或者手动调节时间按键，就可以在更换不同的变压器时，保证能够观察到最大的过电压波形。
52.如图1所示，变压器用电感线圈来表示，其为可调同步时间发生器，同步信号来自市电，被测试的切空变也接在市电上，当同步信号过零点时，过一个固定延时，就发出切断变压器信号。从发出信号，到继电器真正把变压器切断，有一个延时时间，主要是继电器的动作延时，要想在电压最高点切断变压器，就要提前发出信号，到底提前多少，要可调，图中的电阻用于调节延迟时间。
53.单片机的同步信号来自于市电，市电对于高压是弱电，可是对于单片机又是强电，即市电还要经过一个降压装置，根据过电压原理所计算出来的电压，设置0或1信号传给单片机，选择元器件控制切断点。
54.在本装置中，采用的是ac12v信号，它并不是能够直接送到单片机电源接口的，而
是需要一定的整流，再进行信号的传递，作为单片机的同步信号输出使用。设计出能够直观地调节时间的按键，以调整切空变动作的时间和同步信号的延时。其中继电器的动作触头分为常开和常闭两种类型，常闭的动作触头用于完成切除空载变压器的操作，常开的触头用来得到系统需要的同步信号。
55.此外，该装置中还需要拨码开关实现不同的负载、抑制措施方式等的选择，需要有滤波电容，限制电流值的电阻，以及抑制措施中需要的避雷器、稳压二极管等相关元器件，以观察不同的过电压波形，切空变装置等比例降低了实际电力系统的电压等级，经过计算，充分展示真正的切除变压器时的波形图。在本次设计中，除了切除空载变压器之外，也设计了切除满负荷电阻负载和70％左右电容时负载的情况，并采取加装电阻、稳压管、避雷器以及电容等抑制措施，能够充分展示不同情况下的过电压波形，以及不同搭配情况下过电压的情况。此外，加入延时调节环节，方便调整切空变时刻，以便观察最严重情况。
56.具体的，最小系统中，stc8a8k是一个比较新的芯片，它没有外置的时钟系统和晶振系统，c52芯片是传统的51内核的单片机，有外置的时钟系统和外置晶振，还有外置的复位系统并要设计复位按键，如图2所示。stc8a8k作为51内核的增强版已经把时钟系统和复位系统集成到内部电路中，不用再设计时钟部分电路，所以直接供电即可投入使用，在供电端口加装电容目的是起到滤波作用，过滤掉杂波，在电源与地之间经常加装电容，电容放得越多，波形也就越纯净。接线端子有四个排针，是程序下载端口，连接下载器就可以将程序下载到单片机中。
57.图中四个按键是根据设计要求设计的，按下“设置”按键，就会进入延时的调整界面，在调整界面按下“加”或者“减”按键，就可以根据需要来设置切空变的延时时间，以0.1ms为单位。“切空变”的按钮，即为切除变压器的动作指令按钮，按下此按键，经过一定延时时间，继电器动作，切除变压器，用示波器可以看到此时过电压的状态，是处于上升沿还是下降沿。在按键的设计电路中，每个按钮下都并联了一个规格为104的电容，是因为按键按下后，用示波器观察会看到不规则的连续电压变化，因为按键按下会有杂波出现，比如原来p3.4端口有一个高电平，终端接地有一个低电平，按键按下，端口电平被拉低，会有一种在振荡中降低的过程，就会产生杂波影响单片机判断，为了减小杂波的干扰，加装电容做一个延时，就会比较好的判断按键按下或者弹起状态。
58.边发送串口数据，一边闪烁一个led灯，这样就能清楚知道程序是否在运行了，因为指示灯最直观，可以在编程中多用，进一步，还可用闪几次指明在运行到了哪个程序段，所以在单片机最小系统中加了四个led指示灯，以做检查程序运行状况和程序运行状态使用。
59.图3为电源模块，主要由dc005的电源接口、六脚开关组成。电阻和led显示器串联，电阻主要起限流作用，因为led用电压源点亮后呈现电流非线性，，如果没有此电阻，很可能因为电流过大而被烧坏。
60.图4所述的数码显示模块采用了动态扫描显示模式，使用三极管做扫描控制，假如p10出现低电平，则三极管q2导通，第一位数码管的阴极被接到gnd端，相当于负极，这是p00如果受到高电平，就会点亮一段数码管。数码管下方四组电阻三极管组合实现位选功能，实现控制哪个数码管可以被点亮，p00-p07用高电平点亮控制七段显示器显示何种数字。stc单片机芯片本身经过改进后具有较强的驱动能力，能提供较大电流，能直接驱动数码管。数
码管上方串电阻也是起到限流的作用。
61.如图5所示，四位拨码开关如果全部处于off状态，代表所有线路和设备不接入电路，即不采取抑制措施时，切除空载变压器的情况。如果从左到右依次打开一个拨码开关，分别代表：加装电解电容、加入稳压管(dz1，2个对着头串联，因为是交流，稳压管会单相导通，只有一个方向是稳压的)、加入压敏电阻即避雷器以及加装电阻后，对内过电压抑制的效果。
62.变压器次级分别模拟切空变、切满变和切除70％左右容性负载的情况。其中，切满变中，电阻的功率要比计算的大一些，留点富余量，可以用串并联的办法，4个1w串了再并，阻值不变，但是功率增大4倍，因为本次设计采用的变压器额定电压是9v，它能承受的最大功率值是3w，且变压器铭牌上所显示的它是3va的变压器。所以经过详细的分析计算，利用容量、耐压值等可以算出当它为27欧姆时是满载状态，而电容是三个22uf并联，提升了电容的耐压值，模拟了切除70％电容性负荷的情况。如果两位的拨码开关全部处于off状态，则代表切除空载变压器。
63.测试点连接示波器，可观察电压的波形情况，拨码开关具有选通作用可以自主选择不同的抑制电路。继电器驱动电路中，默认断开状态，采用一个pnp的三极管来驱动继电器，更稳定，p14端口低电平导通，电磁继电器jc1通电，导致电路被导通。jp3接线端子可接一个12v的交流电，当p14接到0则闭合。继电器有电磁线圈绕组，是有电感的，在断开的瞬间，继电器中的线圈电流得不到释放，所以磁能贮存在线圈中，不能释放则会转化为电场能释放很高的电压，即产生过电压，很可能损坏继电器模块，所以接一个d1二极管，来释放和消除掉瞬态的高值电压，保护继电器不被损坏。
64.本实施所述的具体电路的pcb电路效果图如图6和图7所示。
65.本实施例首先针对电力系统内部过电压的具体研究分析，主要从各种内过电压的形成成因进行理论分析并提出预防措施，设计演示验证方案并对过电压波形进行验证和总结，并采用当代新兴科技显示设备等测量仪表，及时地对电压电流波形进行全方位多角度展示与分析计算等。
66.本实施例在全面总结各种类型地内部过电压形成原因的基础上，对内部过电压进行了必要的理论分析和推算，在保留过电压成因要素的基础上，降低电压等级设计真实电气环境，分别对不同过电压成因设计了相应的防范措施，能够实现防范不足、合适、过度的演示，此外，运用数字示波器等现代测量方法，方便地对过电压过程进行记录和存贮。
67.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。