低壓線路保護(hù)裝置的設(shè)計

俞洋1 ， 趙波2 ， 王君偉3  ， 周佳4 ， 邵樺5

 （1.華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院，廣州 510641

      2.江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405

   3.安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801）

摘要：設(shè)計了一種低壓線路保護(hù)裝置，可配合斷路器使用，對線路的過載、接地、過壓、欠壓等故障進(jìn)行保護(hù)，提高低壓配電系統(tǒng)的用電安全和用電可靠性，簡化配電柜設(shè)計，提高自動化程度。

關(guān)鍵詞: 低壓線路保護(hù)；反時限曲線；過流保護(hù)；硬件電路

0  引言

    目前低壓（交流不超過1000V或直流不超過1500V）配電保護(hù)多選用塑殼斷路器、熔斷器或剩余電流動作保護(hù)器，實(shí)現(xiàn)速斷、長延時保護(hù)，但很多塑殼斷路器動作精度不夠，難以實(shí)現(xiàn)級間選擇性配合，可能會造成上下級連跳、擴(kuò)大事故。另外，塑殼斷路器不具備信號實(shí)時監(jiān)測顯示、事件記錄和通訊組網(wǎng)等功能。

    因此，本文設(shè)計一種低壓線路保護(hù)裝置，配合斷路器使用，可以對線路的過載、接地、過壓、欠壓等故障進(jìn)行保護(hù)。

1  低壓線路保護(hù)裝置的設(shè)計 

    低壓線路保護(hù)裝置用于AC 400V（或690V）電壓等級中的產(chǎn)品，安裝在低壓饋線柜中，采用嵌入式或?qū)к壈惭b。產(chǎn)品的正常工作條件：工作溫度為-10℃～+55℃，海拔不高于2000米，環(huán)境中無明顯腐蝕性氣體，濕度≤95%，不結(jié)露。為滿足配電標(biāo)準(zhǔn)中對線路過載、接地故障的保護(hù)要求，設(shè)計有兩段定時限保護(hù)和反時限保護(hù)（標(biāo)準(zhǔn)反時限、反時限等8種曲線），另外帶有欠壓保護(hù)和過壓保護(hù)等多種保護(hù)功能。裝置由硬件平臺和軟件平臺組成。硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 硬件組成框圖

1.1主要硬件電路的設(shè)計

    在低壓系統(tǒng)中當(dāng)大功率電機(jī)起動時，可能引起電網(wǎng)電壓瞬間降低。為防止電壓降低引起裝置誤動作，裝置電源輸入范圍設(shè)計為AC 85V～AC 265V；在有些場所中，低壓控制回路會采用直流供電（DC 110V或DC 220V），因此電源需要支持交流和直流兩種方式。常用的線性電源不能很好的滿足這些要求，因此采用開關(guān)電源方案來設(shè)計裝置電源。本裝置使用PI公司的開關(guān)電源芯片做電源設(shè)計，整體功率在8VA左右，電源的輸入、輸出間要滿足2kV工頻耐壓（工頻耐壓等級可參見GB 14048-2012《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》），能通過4級電涌試驗(yàn)。在開關(guān)電源中，通過使用PI Expert自帶的變壓器設(shè)計軟件降低變壓器的設(shè)計難度。開關(guān)變壓器設(shè)計簡單描述如下：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為反激式，反饋類型為次級TL431，輸入電壓選為通用型（85～265）V，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計輸出電壓和功率，需要輸出電壓隔離時可在疊加選項(xiàng)中將輸出設(shè)置為分離式。變壓器設(shè)計時，需要綜合考慮效率、磁通密度、鐵芯、骨架等參數(shù)，有時調(diào)整效率會引起磁通變化，反而使變壓器性能變差。變壓器設(shè)計完成后進(jìn)行PCB設(shè)計，可以參考PI Expert的布局、布線，減小環(huán)路，以防帶來不可預(yù)知的干擾信號。

    低壓饋線中的電壓、電流信號相對于本裝置內(nèi)部的采集電路屬于高電壓、大電流信號，需要將其變?yōu)榈蛪?、小電流信號。選用電壓互感器、電流互感器時，需結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)，如普通電測儀表選用電流互感器時，只考慮過載能力為額定值的120%，但保護(hù)裝置需考慮使用5P10、10P20甚至更高過載能力的保護(hù)級電流互感器。設(shè)計采樣電路時需要綜合考慮電阻的功率、電壓、溫漂系數(shù)、精度等參數(shù)。如使用10P20電流互感器設(shè)計電流采樣電路時，同樣要考慮能承受20倍過載（互感器二次側(cè)）的取樣電阻。取樣電阻選取后，再設(shè)計后級的信號處理電路。信號處理電路包括濾波、放大等電路。濾波電路設(shè)計時一般會采用低通濾波，濾除不需要的干擾信息，濾波截止頻率要與軟件采樣頻率匹配。信號放大電路設(shè)計時需考慮信號范圍、線性度等參數(shù)，必要時需要做分段處理。該裝置直接采用交流放大，配合軟件完成真有效值計算、矢量計算等。

1.2軟件設(shè)計

    現(xiàn)階段的低壓會存在諧波源，給電網(wǎng)帶來諧波污染，因此低壓線路保護(hù)裝置需要選取基于非正弦信號的測量算法。基于非正弦信號算法包括傅里葉算法、一階差分后半波傅里葉算法、真有效值等算法。傅里葉算法可以分解出各整次諧波信息，在保護(hù)類產(chǎn)品中被大量使用。如果出現(xiàn)頻率偏移、信號中帶有衰減的直流分量時，需要采取相應(yīng)的措施，否則造成計算錯誤。

    針對線路過載、接地故障，低壓線路保護(hù)裝置帶有反時限保護(hù)功能。反時限可以簡單的理解為：電流越大，保護(hù)動作越快，電流越小，保護(hù)動作時間越長。在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中，反時限電流保護(hù)是廣泛應(yīng)用于發(fā)電機(jī)、變壓器、電動機(jī)以及輸電線路的保護(hù)。反時限過流保護(hù)通?；谌缦碌臅r間—電流反時限特性:

    Ir*t=K                             （1）

    其中，K為系數(shù)，r根據(jù)保護(hù)的不同使用場合而取不同的值：一般在被保護(hù)線路首端和末端短路、電流變化較小的情況下，采用定時限過流保護(hù)，定時限可以認(rèn)為是一種特殊的反時限特性，即r=0；而在線路首末端短路、電流變化較大的情況下，則采用非常反時限特性，即r=1；通常輸電線路采用一般反時限特性，即0<r<1；反應(yīng)過熱狀態(tài)的過流保護(hù)，在與熔斷器配合的場合則采用特別反時限特性，即r=2。

    典型的反時限特性曲線如圖2所示，圖中I/IOPR表示電流過流倍數(shù)[8]。

圖2 典型反時限曲線

該裝置的反時限保護(hù)符合

（2）

式中：

t - 跳閘時間

K - 系數(shù)（見表1）

I - 電流測量值

Is - 程序設(shè)定的門限值

α - 系數(shù)（見表1）

L - ANSI/IEEE系數(shù)（見表1）

Tp - 時間因子

反時限過流保護(hù)曲線特性表如表1所示。

表1  反時限過流保護(hù)曲線特性表

      式（2）中，α=0.02時直接計算較困難，可以采用查表法、泰勒展開、曲線擬合等方法進(jìn)行計算

    （1）采用查表法，令X=（I/Is）,X在1.1～20間變化，變化步長為△X，每個步長計算一次X0.02，將計算結(jié)果存放到EEPROM中，實(shí)際電流有波動區(qū)間，所以計算步長不宜設(shè)置過大或過小，過大會影響X計算精度，導(dǎo)致t超差；步長過小，或加大EEPROM開銷。

    （2）采用查表法，實(shí)際值與X相等時可以直接讀取，不相等時通過插值算法計算所需數(shù)值，但EEPROM開銷太大。

    （3）按照泰勒級數(shù)展開，即可以計算得X,當(dāng)n=5時相對誤差為0.44%，滿足計算的時間精度要求，但運(yùn)算量較大。

    （4）曲線擬合算法通過容易計算的曲線替代復(fù)雜曲線來簡化計算過程，關(guān)鍵在于選取正確的擬合曲線。

2  實(shí)際應(yīng)用

    某石化工程中需要對幾個低壓重要的饋線回路做過載、不平衡和接地保護(hù)，過載要求具有兩段過流保護(hù)和反時限保護(hù)，并能配合后臺的電力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)讀取，通訊協(xié)議為MODBUS-RTU，可以在保護(hù)裝置上直接顯示電流、分合閘狀態(tài)和故障信息，可以記錄分合閘信息、故障信息。

    本文介紹的低壓線路保護(hù)裝置具備兩段定時限過流保護(hù)，通過內(nèi)部計算零序電流的方式判斷接地故障，根據(jù)三相電流值做電流不平衡計算，并帶有中文液晶顯示、分合閘記錄、故障記錄，通訊等功能，*要求。低壓線路保護(hù)裝置應(yīng)用二次原理圖見圖3所示。圖3中，通過電流互感器（1TA～3TA）實(shí)現(xiàn)主回路電流隔離、變換，電流互感器二次信號輸入給本裝置，本裝置根據(jù)實(shí)際電流情況執(zhí)行相應(yīng)的過載、接地保護(hù)，要控制斷路器分合閘時需加上相應(yīng)的分勵線圈、合閘線圈，無需通過裝置自動合閘。所以圖3中沒有合閘線圈，僅帶有分勵線圈，在分?jǐn)喾謩罹€圈時需要使用脈沖信號，或者將斷路器的常開點(diǎn)串入。

圖3 低壓線路保護(hù)裝置應(yīng)用二次原理圖

3  結(jié)束

    低壓線路保護(hù)裝置可以測量三相電流、三相電壓、剩余電流、功率、頻率和電能等參數(shù)，測量參數(shù)可在裝置上顯示，也可以通過RS-485通訊口上傳給后臺監(jiān)控系統(tǒng)，可對線路的過負(fù)荷、接地、過壓和欠壓等故障進(jìn)行保護(hù)。低壓線路保護(hù)裝置專為低壓饋線設(shè)計，可用于電廠電氣監(jiān)控、工廠自動化、建筑電氣配電和石化等場所。

文章來源：《現(xiàn)代建筑電氣》2015年6期。

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