基于剩余電流保護器的微電網(wǎng)復合保護小型斷路器的研制*

薛 冰, 楊 然, 楊歡紅, 孫詩晴, 沈 淼, 程祥群

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司 宣城供電公司, 安徽 宣城 242000; 2.上海電力大學, 上海 200090)

0 引 言

隨著電力電子技術的發(fā)展,越來越多的含分布式電源的小型微電網(wǎng)投入應用,小型斷路器作為低壓配電網(wǎng)保護的基礎部件,如何適應含分布式電源的微電網(wǎng)系統(tǒng),是亟待解決的問題[1]。微電網(wǎng)系統(tǒng)含有大量電力電子變流器,由于變流器設備的特殊要求以及對于供電系統(tǒng)擾動的敏感性,對于故障保護有著特殊的需求[2]。

電力電子器件與電工產品相比,對于過電壓應力的承受能力較差,極短時間的過電壓就會導致電力電子器件永久性的損壞,如果僅依靠變流器本身的保護,有時就會有顯著的局限性[3],如在部分單相微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)中,遭遇零相開路過電壓即發(fā)生變流器燒毀事故,此時只有進一步依靠外部設備,如小型斷路器快速切除故障,才能可靠地保護變流器設備。

此外,分布式電源變流器均具備孤島效應保護功能,但實際應用中,常常出現(xiàn)動作滯后的問題,不能立即斷開與主網(wǎng)的鏈接,如果借助外部斷路器,通過簡單方式實現(xiàn)孤島效應的輔助后備保護,就能進一步提升微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性[4]。

本文借助既有剩余電流保護器,提出一種新型復合保護斷路器,能夠實現(xiàn)系統(tǒng)過電壓的速斷保護,以及孤島效應的輔助保護[5],從而提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性,提出的方案符合GB/T 16917.1—2014《家用和類似用途的帶過電流保護的剩余電流動作斷路器(RCBO) 第1部分:一般規(guī)則》,滿足EMC方面的各項要求。

1 剩余電流保護器原理

1.1 剩余電流保護器結構

剩余電流保護器的工作原理如圖1所示。主要的感應部件為零序電流互感器,其由坡莫合金材料的鐵心和繞在環(huán)狀鐵心上的二次線圈組成。電源相線和中性線穿過圓孔成為零序電流互感器的一次線圈[6]。

圖1 剩余電流保護器的工作原理

正常情況下,三相線電流和零線電流基本平衡,流過互感器一次線圈電流的相量和約為零,即在鐵心中產生的總磁通為零,零序電流互感器二次線圈無輸出。當發(fā)生漏電時,漏電電流通過大地成回路,亦即產生了零序電流。這個電流不經(jīng)過互感器一次線圈流回,破壞了平衡,三相線電流之相量和和中性線電流不為零,于是鐵心中便有零序磁通,該磁通在二次線圈上感應出電勢,使二次線圈輸出信號。這個信號經(jīng)過放大、比較判斷,如達到預定動作值,即發(fā)執(zhí)行信號給脫扣元件動作,切斷電源[7]。

按國家相關規(guī)定,剩余電流保護器的額定剩余電流動作值為30 mA,當電流達到30 mA時,保護器必須在0.1 s內脫扣。

1.2 利用剩余電流保護器實現(xiàn)附加保護功能

通過該電路,如果借鑒現(xiàn)有剩余電流保護器的脫扣執(zhí)行機構與檢測機構,加上少部分電網(wǎng)擾動檢測電路,如電壓與頻率檢測電路,則有望在增加很少成本的基礎上,實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的特殊保護需求。

剩余電流保護器采用零序電流互感器實現(xiàn)不平衡電流的檢測,并動作于跳閘,如果采用特殊兩端口電路,跨接在零序電流互感器一次線圈的不同極性處,當某種情況下使該兩端口電路導通,則相線通過該兩端口電路與中性線產生電流,而該電流是零序電流互感器的不平衡電流,當該電流大于剩余電流保護器的動作電流30 mA時,就可使剩余電流保護器跳閘。因此,通過在零序電流互感器一次線圈的不同極性處跨接兩端口電路,就可實現(xiàn)基于剩余電流保護器的附加保護功能[8]。

將該兩端口電路設計成電網(wǎng)擾動檢測電路,使電流或阻抗值與電網(wǎng)電壓及頻率相關,即可起到電網(wǎng)過電壓或孤島效應等異常的特殊保護?；谑Ｓ嚯娏鞅Ｗo器的附加保護功能實現(xiàn)方式如圖2所示。鑒于小型斷路器的空間體積與成本限制,電網(wǎng)擾動檢測電路必須設計成足夠簡潔可靠。

圖2 基于剩余電流保護器的附加保護功能實現(xiàn)方式

2 電網(wǎng)擾動檢測電路設計

2.1 過電壓快速檢測電路設計

過電壓一直是困擾各種電力電子設備的一個重要隱患,因此電力電子設備的過電壓保護力求快速,然而很多既有的過電壓保護檢測方式較為老套,通過電壓波形采集、AD轉換后數(shù)字化處理,或模擬信號比較器比較再處理,最后輸出至執(zhí)行單元,通常存在電路復雜、響應速度偏慢的問題[9]。本文提出利用SIDAC元件設計過電壓快速檢測電路。

2.1.1 SIDAC器件伏安特性

SIDAC又稱高壓觸發(fā)二極管,是一種具備負阻特性的非線性二端器件,但兩端所施加電壓在開啟電壓以下時,二極管阻值極大,此時只產生微安級漏電流;當兩端施加電壓超過開啟電壓UBO以后,瞬間導通,二極管迅速轉為低阻導通狀態(tài),其通態(tài)電壓UT非常低,只有約1.5 V,瞬間能通過較大的電流。SIDAC一旦導通便處于自鎖狀態(tài),只有流過其本身的電流中斷或小于維持電流時才會關斷,其開通模式接近壓敏電阻,關斷模式接近晶閘管,利用其特殊伏安特性,可以設計過電壓檢測電路。SIDAC元件的響應速度達到納秒級,這有望提升過電壓異常的檢測速度。SIDAC二極管伏安特性如圖3所示。

圖3 SIDAC二極管伏安特性

2.1.2 利用SIDAC器件設計二端口過電壓檢測電路

SIDAC器件普遍具有對稱的伏安特性,因此能夠直接用于交流電路設計過電壓檢測電路。SIDAC過電壓檢測電路如圖4所示。其為1個電阻與1個SIDAC元件串聯(lián)。

圖4 SIDAC過電壓檢測電路

該檢測電路,當兩端所施加的交流電壓閾值以下,電路電流小于剩余電流保護器動作電流;當兩端所施加的交流電壓超過閾值,電路電流大于剩余電流保護器動作電流。

根據(jù)SIDAC元件的伏安特性參數(shù),考慮到UT與斷態(tài)泄漏電流接近零,UBO遠大于UT,可得知電路在交流正弦波電壓下的電流與晶閘管交流調壓電路一致,當交流系統(tǒng)電壓峰值小于UBO,整個時間周期內電路都不會導通;當交流系統(tǒng)電壓峰值大于UBO,則在交流電壓瞬時值u>UBO時刻電路觸發(fā)導通,直至電壓過零點關斷,等待下個半波的重新觸發(fā)導通。交流電壓下SIDAC導通波形如圖5所示。

圖5 交流電壓下SIDAC導通波形

設每半波內SIDAC從關斷到導通狀態(tài)的時間角度為α,交流電網(wǎng)電壓峰值為Um,則SIDAC導通狀態(tài)下α與Um關系為

(1)

設U為交流電網(wǎng)電壓有效值,則晶閘管交流調壓電路阻性負載電阻R兩端電壓為

(2)

因此整個電壓檢測電路電流為

(3)

由分析可知:當Um

由此可見,只需要將UBO的值,也就是SIDAC二極管的動作閾值電壓,設定在略高于設定跳閘的電壓峰值,就可保證SIDAC二極管在過電壓異常發(fā)生后即刻導通,通過設定限流電阻R的值,使SIDAC導通后的電流不小于剩余電流保護器的動作電流即可。考慮到斷路器運行中可能承受電涌電壓沖擊,為避免短時電涌電壓不誤跳閘,必須考慮電涌電壓擊穿SIDAC二極管的情形。剩余電流保護器檢測不平衡電流,為避免瞬時暫態(tài)不平衡電流誤跳閘,動作時限均設置為0.1 s,由SIDAC二極管的伏安特性可知,偶爾的電涌過電壓,僅會使SIDAC二極管導通至本半波的電流過零點,那么SIDAC二極管受到電涌電壓后的最大導通時間僅10 ms,遠小于剩余電流保護器不平衡電流0.1 s的動作時限,因此可保證電涌電壓下的可靠不動作。

如需要斷路器在電網(wǎng)電壓250 V時跳閘,可選用K350型SIDAC二極管,當電網(wǎng)電壓升至250 V時,峰值電壓約353 V,超過了K350二極管350 V的導通閾值,為保證剩余電流保護器可靠動作,設動作電流I=50 mA,則R=2.5 kΩ。

2.2 頻率偏移快速檢測電路設計

2.2.1 頻率偏移檢測意義

孤島效應保護對于含有分布式電源的末端電網(wǎng)不可或缺,很多新能源逆變單元綜合應用主動式與被動式孤島效應保護方案,取得了較好的效果。然而對于低壓小容量的微電網(wǎng)系統(tǒng),如家用光伏系統(tǒng)等,由于其逆變器本身的孤島保護檢測較簡單,故常發(fā)生外部電網(wǎng)故障后停機緩慢等問題,且其停機僅依靠變流器停機,不能實現(xiàn)開關設備的機械斷開點隔離,因此仍存在一定的隱患,可能對電網(wǎng)造成沖擊,甚至還會造成人員在施工檢修過程中的傷害。力求通過頻率檢測這一最為基本的孤島效應檢測技術,借助剩余電流保護器實現(xiàn)孤島效應的輔助保護,從而令低壓小容量微電網(wǎng)系統(tǒng)的孤島保護更為可靠,進而減少電網(wǎng)出現(xiàn)孤島效應[10]。

2.2.2 基于LC諧振電路的頻率偏移檢測電路設計

LC并聯(lián)電路在一定頻率下諧振,此時電路阻抗為無窮大,電流很小;當頻率偏離諧振點后,電路阻抗降低,電流增大。依LC諧振電路設計的頻率偏移檢測電路如圖6所示。

圖6 依LC諧振電路設計的頻率偏移檢測電路

LC組成了工頻并聯(lián)諧振電路,交流電網(wǎng)頻率在正常工頻頻率時,LC元件諧振,此時電路導納為(r為電感電阻)

(4)

(5)

R1為取樣電阻,阻值遠小于諧振電路的阻抗,設交流電網(wǎng)電壓為U,則R1兩端電壓UR1為

(6)

R1兩端的電壓隨著頻率變化而變化,但回路Q值較大時,頻率的小幅偏移就可使R1兩端電壓大幅升高,R1兩端的電壓通過二極管VD向積分電容C1充電,當R1兩端的電壓高于晶閘管SCR門極觸發(fā)電壓后,數(shù)個周波的充電即可觸發(fā)晶閘管導通,致使剩余電流保護器的零序電流互感器感受到不平衡電流而動作跳閘,起到頻率偏移的孤島效應保護作用。系統(tǒng)頻率正常時,并聯(lián)諧振電路的導納很小,R1兩端的電壓遠低于晶閘管的門極觸發(fā)電壓,晶閘管不會誤觸發(fā)導通,當電網(wǎng)有瞬時擾動時,如開關分合閘等,由于LC 元件的暫態(tài)過程,R1兩端可能出現(xiàn)較高的電壓,基于C1的儲能緩沖作用,不會因一兩個周波的暫態(tài)電壓誤觸發(fā)晶閘管。

實踐中可以適當增大L的取值提升Q值,以實現(xiàn)較靈敏的頻率偏移檢測,如取L=100 H,C=0.1 μF,電感的直流電阻r=10 kΩ,則諧振時回路阻抗為100 kΩ,但頻率偏移至40 Hz或60 Hz時,回路阻抗降低至12 kΩ,考慮晶閘管門極觸發(fā)電壓與整流二極管壓降0.7 V,據(jù)此可設計R1取值,如R1取200 Ω,則當回路阻抗降至約30 kΩ時,R1兩端電壓升至1.5 V,晶閘管觸發(fā)導通,對應頻率偏移約7 Hz。

3 整機設計與試驗

3.1 整機電路設計

整機電路按上文分析,將過電壓檢測電路與頻率偏移檢測電路并聯(lián),限流電阻合用一個,與剩余電流保護器結合。整機電路設計如圖7所示。其中,C=0.01 μF,R1=200 Ω,R2=2.5 kΩ,C1=0.47 μF,VD二極管選用IN4007,SCR晶閘管型號為MCR97A6,SIDAC二極管選用K350。

圖7 整機電路設計

3.2 樣機試驗

根據(jù)上文的分析結果,通過變頻變壓電源,以及不同電壓值、頻率值的選取,觀察斷路器的跳閘速度。不同電壓的斷路器跳閘速度試驗如表1所示;不同頻率的斷路器跳閘速度試驗如表2所示。

表1 不同電壓的斷路器跳閘速度試驗

表2 不同頻率的斷路器跳閘速度試驗

試驗表明,通過在既有剩余電流保護器的基礎上,設計二端口電壓、頻率檢測電路,能很好地起到過電壓速斷與孤島效應后備保護效果,且原理簡單、成本低廉,具有較好的實用價值。

4 結 語

含電力電子變流器的微電網(wǎng)系統(tǒng),包括分布式光伏系統(tǒng)等,應用十分廣泛,對于大量普及的低壓小容量微電網(wǎng)系統(tǒng),既有的沿用普通配電網(wǎng)技術的保護設備還有很多提升的余地,部分單相微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)遭遇零相開路過電壓即發(fā)生變流器燒毀事故,此時只有進一步依靠外部設備,如小型斷路器快速切除故障,才能可靠地保護變流器設備。

此外,分布式電源變流器均具備孤島效應保護功能,但實際應用中,常常出現(xiàn)動作滯后的問題,如果借助外部斷路器,通過簡單方式實現(xiàn)孤島效應的輔助后備保護,則能進一步提升微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性。

借助既有剩余電流保護器,提出一種新型復合保護斷路器,能夠實現(xiàn)系統(tǒng)過電壓的速斷保護以及孤島效應的輔助保護,且結構簡單、制造容易,可滿足小型斷路器標準化的要求,具備實用價值。