低壓線路保護裝置的設計

俞　洋,　趙　波,　王君偉,　周　佳,　邵　樺

(1.華南理工大學建筑設計研究院, 廣東 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?！?01801)

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低壓線路保護裝置的設計

俞洋1,趙波2,王君偉3,周佳2,邵樺3

(1.華南理工大學建筑設計研究院, 廣東 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201801)

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

關鍵詞：低壓線路保護裝置; 反時限曲線; 過流保護; 硬件電路

0引言

目前低壓(交流不超過1 000 V或直流不超過1 500 V)配電保護多選用塑殼斷路器、熔斷器或剩余電流動作保護器,實現(xiàn)速斷、長延時保護,但很多塑殼斷路器動作精度不夠,難以實現(xiàn)級間選擇性配合,可能會造成上下級連跳、擴大事故。另外,塑殼斷路器不具備信號實時監(jiān)測顯示、事件記錄和通信組網(wǎng)等功能。

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

1低壓線路保護裝置的設計

低壓線路保護裝置用于AC 400 V(或690 V)電壓等級中的產品,安裝在低壓饋線柜中,采用嵌入式或導軌安裝方式。產品的正常工作條件:工作溫度為-10～55 ℃,海拔不高于2 000 m,環(huán)境中無明顯腐蝕性氣體,濕度≤95%,不結露。為滿足配電標準中對線路過載、接地故障的保護要求,設計有兩段定時限保護和反時限保護(標準反時限、極端反時限等8種曲線),另外帶有欠壓保護和過壓保護等保護功能。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硬件電路設計

在低壓系統(tǒng)中當大功率電機起動時,可能引起電網(wǎng)電壓瞬時降低。為防止電壓降低引起裝置誤動作,裝置電源輸入為AC 85～265 V;在有些場所中,低壓控制回路采用直流供電(DC 110 V或220 V),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地滿足這些要求,因此采用開關電源方案來設計裝置電源。該裝置使用PI公司的開關電源芯片做電源設計,整體功率在8 VA左右,電源的輸入、輸出間要滿足2 kV工頻耐壓(工頻耐壓等級可參見GB 14048—2012《低壓開關設備和控制設備》),能通過4級電涌試驗。在開關電源中,通過使用PI Expert自帶的變壓器設計軟件降低變壓器的設計難度。開關變壓器設計簡單描述如下:拓撲結構為反激式,反饋類型為次級TL431,輸入電壓選為通用型(85～265 V),根據(jù)實際情況設計輸出電壓和功率,需要輸出電壓隔離時可在疊加選項中將輸出設置為分離式。變壓器設計時,需綜合考慮效率、磁通密度、鐵心、骨架等參數(shù),有時調整效率會引起磁通變化,反使變壓器性能變差。變壓器設計完成后進行PCB設計,可以參考PI Expert推薦的布局、布線,減小環(huán)路,以防帶來不可預知的干擾信號。

低壓饋線中的電壓、電流信號相對于該裝置內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,需結合產品特點,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%,但保護裝置需考慮使用5P10、10P20甚至更高過載能力的保護級電流互感器。設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)的取樣電阻。取樣電阻選取后,再設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。信號放大電路設計時需考慮信號范圍、線性度等參數(shù),必要時需做分段處理。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軟件設計

現(xiàn)階段的低壓供電系統(tǒng)存在諧波源,給電網(wǎng)帶來諧波污染,因此低壓線路保護裝置需要選取基于非正弦信號的測量算法?；诜钦倚盘査惴òǜ道锶~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,在保護類產品中被大量使用。如果出現(xiàn)頻率偏移、信號中帶有衰減的直流分量時,需采取相應的措施,否則造成計算錯誤。

針對線路過載、接地故障,低壓線路保護裝置帶有反時限保護功能。反時限可以簡單地理解為:電流越大,保護動作越快;電流越小,保護動作時間越長。在電力系統(tǒng)繼電保護中,反時限電流保護廣泛應用于發(fā)電機、變壓器、電動機以及輸電線路中。反時限過流保護通?；谌缦碌臅r間-電流反時限特性:

Irt=K

(1)

其中,K為系數(shù),r根據(jù)保護的不同使用場合而取不同的值:一般在被保護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,定時限可以認為是一種特殊的反時限特性,即r=0;在線路首末端短路、電流變化較大的情況下,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

典型反時限特性曲線如圖2所示,I/IOPR表示電流過流倍數(shù)。

圖2　典型反時限曲線

該裝置的反時限保護符合

(2)

式中:t——跳閘時間;

I——電流測量值;

IS——程序設定的門限值;

α——系數(shù);

L——ANSI/IEEE系數(shù);

Tp——時間因子。

反時限過流保護曲線特性表如表1所示。

表1　反時限過流保護曲線特性表

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、曲線擬合等方法進行計算。

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

(2) 采用查表法,實際值與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,可以計算得X,當n=5時相對誤差為0.44%,滿足計算的時間精度要求,但運算量較大。

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

2實際應用

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,過載要求具有兩段過流保護和反時限保護,并能配合后臺的電力監(jiān)控系統(tǒng)進行參數(shù)讀取,通信協(xié)議為Modbus-RTU,可以在保護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裝置具備兩段定時限過流保護,通過內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、通信等功能,完全滿足要求。低壓線路保護裝置應用二次原理圖如圖3所示。圖3中,通過電流互感器(1TA～3TA)實現(xiàn)主回路電流隔離、變換,電流互感器二次信號輸入給該裝置,裝置根據(jù)實際電流情況執(zhí)行相應的過載、接地保護,要控制斷路器分合閘時需加上相應的分勵線圈、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,在分斷分勵線圈時需使用脈沖信號,或將斷路器的常開點串入。

3結語

低壓線路保護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通信口上傳給后臺監(jiān)控系統(tǒng),可對線路的過負荷、接地、過壓和欠壓等故障進行保護。低壓線路保護裝置專為低壓饋線設計,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。

圖3　低壓線路保護裝置應用二次原理圖

參考文獻

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鄧　珺(1983—),女,工程師,從事化工電氣設計工作。

Design of Low Voltage Line ProtectorYUYang1,ZHAOBo2,WANGJunwei3,ZHOUJia2,SHAOHua3

(1.Architectural Design & Research Institute, South China University of Technology,

Guangzhou 510641, China; 2.Jiangsu Acrel Co., Ltd., Jiangyin 214405, China;

3.Acrel Electrical Co., Ltd., Shanghai 201801, China)

Abstract：This paper designed a low voltage line protector which was used though the breaker to realize the line protection of overload,grounding,and undervoltage.It can improve the safety and reliability of electricity in low voltage distribution system and simplify the design of power distribution cabinet which improves the automation level.

Key words:low voltage line protector; inverse-time curve; overcurrent protection; hardware circuit

收稿日期：2015-03-13

中圖分類號：TM 852

文獻標志碼：A

文章編號：1674-8417(2015)06-0006-04