低壓線路保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

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(jì)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(jì)了一種低壓線路保護(hù)裝置，可配合斷路器使用，對(duì)線路的過(guò)載、接地、過(guò)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(jiǎn)化配電柜設(shè)計(jì)，提高自動(dòng)化程度。

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

0  引言

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

    因此，本文設(shè)計(jì)一種低壓線路保護(hù)裝置，配合斷路器使用，可以對(duì)線路的過(guò)載、接地、過(guò)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(jì) 

    低壓線路保護(hù)裝置用于AC 400V（或690V）電壓等級(jí)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(wú)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(duì)線路過(guò)載、接地故障的保護(hù)要求，設(shè)計(jì)有兩段定時(shí)限保護(hù)和反時(shí)限保護(hù)（標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限、反時(shí)限等8種曲線），另外帶有欠壓保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)等多種保護(hù)功能。裝置由硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)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(jì)

    在低壓系統(tǒng)中當(dāng)大功率電機(jī)起動(dòng)時(shí)，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(dòng)作，裝置電源輸入范圍設(shè)計(jì)為AC 85V～AC 265V；在有些場(chǎng)所中，低壓控制回路會(huì)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(kāi)關(guān)電源方案來(lái)設(shè)計(jì)裝置電源。本裝置使用PI公司的開(kāi)關(guān)電源芯片做電源設(shè)計(jì)，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(jí)可參見(jiàn)GB 14048-2012《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》），能通過(guò)4級(jí)電涌試驗(yàn)。在開(kāi)關(guān)電源中，通過(guò)使用PI Expert自帶的變壓器設(shè)計(jì)軟件降低變壓器的設(shè)計(jì)難度。開(kāi)關(guān)變壓器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單描述如下：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為反激式，反饋類(lèi)型為次級(jí)TL431，輸入電壓選為通用型（85～265）V，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)輸出電壓和功率，需要輸出電壓隔離時(shí)可在疊加選項(xiàng)中將輸出設(shè)置為分離式。變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮效率、磁通密度、鐵芯、骨架等參數(shù)，有時(shí)調(diào)整效率會(huì)引起磁通變化，反而使變壓器性能變差。變壓器設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，可以參考PI Expert的布局、布線，減小環(huán)路，以防帶來(lái)不可預(yù)知的干擾信號(hào)。

    低壓饋線中的電壓、電流信號(hào)相對(duì)于本裝置內(nèi)部的采集電路屬于高電壓、大電流信號(hào)，需要將其變?yōu)榈蛪骸⑿‰娏餍盘?hào)。選用電壓互感器、電流互感器時(shí)，需結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)，如普通電測(cè)儀表選用電流互感器時(shí)，只考慮過(guò)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(guò)載能力的保護(hù)級(jí)電流互感器。設(shè)計(jì)采樣電路時(shí)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(jì)電流采樣電路時(shí)，同樣要考慮能承受20倍過(guò)載（互感器二次側(cè)）的取樣電阻。取樣電阻選取后，再設(shè)計(jì)后級(jí)的信號(hào)處理電路。信號(hào)處理電路包括濾波、放大等電路。濾波電路設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)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(hào)放大電路設(shè)計(jì)時(shí)需考慮信號(hào)范圍、線性度等參數(shù)，必要時(shí)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(jì)算、矢量計(jì)算等。

1.2軟件設(shè)計(jì)

    現(xiàn)階段的低壓會(huì)存在諧波源，給電網(wǎng)帶來(lái)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(hào)的測(cè)量算法?；诜钦倚盘?hào)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(lèi)產(chǎn)品中被大量使用。如果出現(xiàn)頻率偏移、信號(hào)中帶有衰減的直流分量時(shí)，需要采取相應(yīng)的措施，否則造成計(jì)算錯(cuò)誤。

    針對(duì)線路過(guò)載、接地故障，低壓線路保護(hù)裝置帶有反時(shí)限保護(hù)功能。反時(shí)限可以簡(jiǎn)單的理解為：電流越大，保護(hù)動(dòng)作越快，電流越小，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)。在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中，反時(shí)限電流保護(hù)是廣泛應(yīng)用于發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)以及輸電線路的保護(hù)。反時(shí)限過(guò)流保護(hù)通?；谌缦碌臅r(shí)間—電流反時(shí)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(chǎng)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(shí)限過(guò)流保護(hù)，定時(shí)限可以認(rèn)為是一種特殊的反時(shí)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(shí)限特性，即r=1；通常輸電線路采用一般反時(shí)限特性，即0<r<1；反應(yīng)過(guò)熱狀態(tài)的過(guò)流保護(hù)，在與熔斷器配合的場(chǎng)合則采用特別反時(shí)限特性，即r=2。

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

圖2 典型反時(shí)限曲線

該裝置的反時(shí)限保護(hù)符合

（2）

式中：

t - 跳閘時(shí)間

K - 系數(shù)（見(jiàn)表1）

I - 電流測(cè)量值

Is - 程序設(shè)定的門(mén)限值

α - 系數(shù)（見(jiàn)表1）

L - ANSI/IEEE系數(shù)（見(jiàn)表1）

Tp - 時(shí)間因子

反時(shí)限過(guò)流保護(hù)曲線特性表如表1所示。

表1  反時(shí)限過(guò)流保護(hù)曲線特性表

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

    （1）采用查表法，令X=（I/Is）,X在1.1～20間變化，變化步長(zhǎng)為△X，每個(gè)步長(zhǎng)計(jì)算一次X0.02，將計(jì)算結(jié)果存放到EEPROM中，實(shí)際電流有波動(dòng)區(qū)間，所以計(jì)算步長(zhǎng)不宜設(shè)置過(guò)大或過(guò)小，過(guò)大會(huì)影響X計(jì)算精度，導(dǎo)致t超差；步長(zhǎng)過(guò)小，或加大EEPROM開(kāi)銷(xiāo)。

    （2）采用查表法，實(shí)際值與X相等時(shí)可以直接讀取，不相等時(shí)通過(guò)插值算法計(jì)算所需數(shù)值，但EEPROM開(kāi)銷(xiāo)太大。

    （3）按照泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，即可以計(jì)算得X,當(dāng)n=5時(shí)相對(duì)誤差為0.44%，滿足計(jì)算的時(shí)間精度要求，但運(yùn)算量較大。

    （4）曲線擬合算法通過(guò)容易計(jì)算的曲線替代復(fù)雜曲線來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)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(duì)幾個(gè)低壓重要的饋線回路做過(guò)載、不平衡和接地保護(hù)，過(guò)載要求具有兩段過(guò)流保護(hù)和反時(shí)限保護(hù)，并能配合后臺(tái)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(shí)限過(guò)流保護(hù)，通過(guò)內(nèi)部計(jì)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(jì)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(jiàn)圖3所示。圖3中，通過(guò)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(hào)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(guò)載、接地保護(hù)，要控制斷路器分合閘時(shí)需加上相應(yīng)的分勵(lì)線圈、合閘線圈，無(wú)需通過(guò)裝置自動(dòng)合閘。所以圖3中沒(méi)有合閘線圈，僅帶有分勵(lì)線圈，在分?jǐn)喾謩?lì)線圈時(shí)需要使用脈沖信號(hào)，或者將斷路器的常開(kāi)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(cè)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(cè)量參數(shù)可在裝置上顯示，也可以通過(guò)RS-485通訊口上傳給后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)線路的過(guò)負(fù)荷、接地、過(guò)壓和欠壓等故障進(jìn)行保護(hù)。低壓線路保護(hù)裝置專(zhuān)為低壓饋線設(shè)計(jì)，可用于電廠電氣監(jiān)控、工廠自動(dòng)化、建筑電氣配電和石化等場(chǎng)所。

文章來(lái)源：《現(xiàn)代建筑電氣》2015年6期。

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