賀貴兵 / 雷震宙(貴州長(zhǎng)征開(kāi)關(guān)制造有限公司， 貴州 遵義 563099)

1 引言

隨著電力事業(yè)的不斷發(fā)展，供電線路上各類(lèi)保護(hù)功能的電器也隨之迅速發(fā)展。這類(lèi)保護(hù)電器的保護(hù)原理一般是當(dāng)線路上的電流、電壓及功率等達(dá)到或者超過(guò)某一閥值后，保護(hù)電器自動(dòng)切斷線路以達(dá)到保護(hù)下級(jí)負(fù)載及供電線路的目的。

萬(wàn)能式低壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的低壓開(kāi)關(guān)電器設(shè)備之一，主要用于線路的接通、承載以及分?jǐn)嗾ｋ娐窏l件下的電流，也能在所規(guī)定的非正常電路下接通、承載一定時(shí)間的短路電流并分?jǐn)喽搪冯娏鳌?/p>

智能控制器是斷路器里最重要的核心部件，其以功能強(qiáng)大的微處理器為核心，通過(guò)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、故障診斷和指令輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的智能控制。脫扣電路是智能脫扣器的執(zhí)行電路，接收微處理器發(fā)出的脫扣命令，輸出驅(qū)動(dòng)磁通變換器動(dòng)作，使斷路器斷開(kāi)。智能控制器的操作性能對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。

隨著低壓斷路器和控制器技術(shù)與實(shí)踐應(yīng)用的不斷深入，智能控制器基本上包含了測(cè)量功能、保護(hù)和報(bào)警功能以及“四遙”功能。

(1)測(cè)量功能包括：電流測(cè)量、電壓測(cè)量、功率測(cè)量、需用值測(cè)量、頻率測(cè)量和諧波測(cè)量等。

(2)保護(hù)和報(bào)警功能包括：過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)、瞬時(shí)過(guò)電流、接地故障、過(guò)載預(yù)報(bào)警、電流不平衡、斷相、需用電流、過(guò)電壓、欠電壓、電壓不平衡、欠頻、過(guò)頻、相序、逆功率、電流卸載、MCR及ZSI等多種保護(hù)方式。

(3)“四遙”功能包括：遙調(diào)、遙控、遙測(cè)、遙信。

上述智能控制器的功能已基本能滿足低壓配電系統(tǒng)對(duì)低壓斷路器的功能需求，在實(shí)際的線路和設(shè)備保護(hù)應(yīng)用層面，低壓斷路器也很好地發(fā)揮了作用，能夠可設(shè)置、靈活地滿足系統(tǒng)要求。

但在一些特殊的、專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用場(chǎng)所和領(lǐng)域，當(dāng)電源和負(fù)載的電流、電壓、功率等環(huán)境發(fā)生可預(yù)期的變化后(如部分負(fù)載撤離或線路可承受狀態(tài)下附加負(fù)載的加入、線路瞬間電壓跌落等)，其輸出配電保護(hù)特性需要快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)這些變化。而在現(xiàn)有的低壓斷路器控制器上，保護(hù)特性一經(jīng)整定和設(shè)置之后不能快速動(dòng)態(tài)切換，無(wú)法完成前述的特定需求。

若要滿足前述特殊的變化要求，就需要智能控制器具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的條件和途徑。這樣看來(lái)在電源和負(fù)載發(fā)生可預(yù)期的變化后，迅速調(diào)用一套新的適配于變化負(fù)載特性保護(hù)的“預(yù)約”程序應(yīng)該是一個(gè)較好的解決方案。所以在智能控制器應(yīng)用層為用戶(hù)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)出新的“預(yù)約保護(hù)”功能特性，不失為一個(gè)解決預(yù)期變化后快速響應(yīng)和匹配保護(hù)特性的有效方法。

2 預(yù)約保護(hù)功能

該功能設(shè)計(jì)的總體思路是：在用戶(hù)以正常的整定和設(shè)置方案運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)某些明確的電源和負(fù)載異常 (用戶(hù)的智能監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備可鑒別和判斷)并且用戶(hù)判斷該類(lèi)異常屬于可接受的狀態(tài)時(shí)，能使斷路器的控制器快速切換到適合該異常狀態(tài)下的保護(hù)方案運(yùn)行，并且在異常消失后，能根據(jù)用戶(hù)的要求快速切回正常的保護(hù)方案。但除此之外的其他異常在原有設(shè)置的保護(hù)之列，智能控制器會(huì)指令切斷線路。

2.1 預(yù)約保護(hù)的系統(tǒng)框圖

在特殊應(yīng)用場(chǎng)合，用戶(hù)根據(jù)預(yù)先可知的、可預(yù)期的電源和負(fù)載變化，通過(guò)PC工具程序，將對(duì)應(yīng)的一套或多套保護(hù)整定參數(shù)方案先預(yù)約性的保存在控制器的存儲(chǔ)器中，編制為1號(hào)方案、2號(hào)方案、3號(hào)方案等，預(yù)約保護(hù)功能的系統(tǒng)框圖如圖1所示。當(dāng)預(yù)先可知的變化出現(xiàn)并滿足切換條件后，用戶(hù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制單元隨即通過(guò)Ctrl、Data 連 線 向控制器接口發(fā)出高低電平操作(00、01、10、11)，以 調(diào)用不同的預(yù)約保護(hù)方案作為當(dāng)前保護(hù)方案。而當(dāng)預(yù)先可知的變化消除后，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制單元僅通過(guò)Ctrl連線向控制器接口發(fā)出相反的電平操作，調(diào)回最初的特性保護(hù)參數(shù)作為當(dāng)前保護(hù)。預(yù)約保護(hù)功能的圖解示例見(jiàn)圖2。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)的手段上需要有下列兩方面的考慮。一是為了達(dá)到快速保護(hù)切換的目標(biāo)，保護(hù)方案必須預(yù)存，且切換的操作方式需是簡(jiǎn)單的硬連線的電平操作。二是為了達(dá)到應(yīng)用的普適性和保護(hù)動(dòng)作準(zhǔn)確性要求，需要把保護(hù)方案切換的時(shí)機(jī)交給用戶(hù)去判斷。即用戶(hù)預(yù)存的保護(hù)方案和運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際切換要匹配，且是基于用戶(hù)自己正確的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累。

圖1 預(yù)約保護(hù)功能的系統(tǒng)框圖

圖2 預(yù)約保護(hù)功能的圖解示例

表1 修改原有特性參數(shù)方式的差異

2.2 原有特性參數(shù)的修改方式

現(xiàn)有的低壓斷路器智能控制器，其保護(hù)特性的參數(shù)在設(shè)置后即在控制器中予以保存,如果有新的保護(hù)特性參數(shù)需要設(shè)置,會(huì)將原有設(shè)定參數(shù)永久性覆蓋。如果需要恢復(fù)原有整定參數(shù),有兩種方法：一是通過(guò)在控制器就地、憑資料記錄、手工的通過(guò)按鍵和顯示屏重新輸入整定值。二是可以通過(guò)MODBUS等協(xié)議，以遠(yuǎn)程通訊的方式將需要的設(shè)定值下發(fā)到控制器中。這兩種方式都有明顯的局限性，主要表現(xiàn)如表1所示。

3 預(yù)約保護(hù)功能的應(yīng)用

3.1 預(yù)約保護(hù)功能在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用預(yù)期

目前在新能源發(fā)電方式中，風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)展極為迅速，風(fēng)電裝機(jī)容量在系統(tǒng)中所占比例也越來(lái)越高。但是隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)間的相互影響已日趨嚴(yán)重，風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響將不容忽視。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風(fēng)電機(jī)組因自身保護(hù)而脫網(wǎng)的話，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，隨著接入電網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組(如雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)等)容量的不斷增加，電網(wǎng)對(duì)其要求越來(lái)越高，通常情況下要求發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)運(yùn)行，并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，即要求風(fēng)電機(jī)組具有一定的低電壓穿越(low voltage ride-through，LVRT)能力。

圖3 低電壓穿越能力的技術(shù)要求

LVRT功能是指風(fēng)電機(jī)組端電壓降低到一定值的情況下風(fēng)電機(jī)組能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行的能力。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組端電壓跌落到額定電壓的20%時(shí)，要求風(fēng)電機(jī)組能夠維持運(yùn)行625ms，端電壓在其額定電壓的90%及以上時(shí)要求風(fēng)電機(jī)組能夠持續(xù)運(yùn)行。低電壓穿越能力的技術(shù)要求如圖3所示。

目前有多種低電壓穿越技術(shù)，如轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)、新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、新的勵(lì)磁控制策略等。

其中新型旁路系統(tǒng)的低電壓穿越方式是：由一套反并聯(lián)晶閘管與一套背靠背變流器并聯(lián)組成。當(dāng)系統(tǒng)電壓正常時(shí)，反并聯(lián)晶閘管導(dǎo)通，電能從晶閘管回路送入電網(wǎng)，此時(shí)變流器被“短路”，處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障，穿越設(shè)備檢測(cè)到系統(tǒng)電壓低于90%后，立刻進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，20ms內(nèi)反并聯(lián)晶閘管退出運(yùn)行，同時(shí)變流器串聯(lián)進(jìn)主回路開(kāi)始工作。因?yàn)榫W(wǎng)側(cè)電壓低的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電能不能完全送入電網(wǎng)，因此會(huì)導(dǎo)致變流器的直流電壓被抬高，當(dāng)直流電壓達(dá)到上限時(shí)，放電電阻啟動(dòng)，能量通過(guò)直流放電電阻被泄放掉。如果系統(tǒng)故障能在2s內(nèi)解除，變流器將退出運(yùn)行，反并聯(lián)晶閘管重新導(dǎo)通，將變流器“短路”，風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常向電網(wǎng)送電狀態(tài)。如果2s后系統(tǒng)故障沒(méi)有解除，機(jī)端電壓繼續(xù)在90%以下，風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行。

在需要進(jìn)行低電壓穿越階段，也可使用低壓斷路器控制器的預(yù)約保護(hù)功能作為新型旁路系統(tǒng)的后備保護(hù)。在電網(wǎng)出現(xiàn)故障，穿越設(shè)備向控制器接口發(fā)出高低電平操作，以調(diào)用預(yù)先設(shè)置好的預(yù)約保護(hù)方案作為當(dāng)前保護(hù)方案，如電壓跌落到額定電壓的20%時(shí)，控制器延時(shí)0.625s，若在0.625s及之前額定電壓升高則按照上升直線的時(shí)間軸繼續(xù)延時(shí)，直至超出該上升直線的時(shí)間軸范圍，指令低壓斷路器脫扣分?jǐn)?。?：預(yù)約方案1 ：Ir1、Ir2、Ir3、Ir4、tr1、tr2、tr4 及欠壓保護(hù)特性延時(shí)時(shí)間T=1.96u+0.23s。其中：u為額定電壓的百分比，取值范圍為0.2～0.9。在調(diào)用預(yù)約方案1后將能滿足圖3中電壓上升保護(hù)直線的要求。低電壓穿越跌落電壓與延時(shí)時(shí)間的關(guān)系如表2所示。

表2 低電壓穿越跌落電壓與延時(shí)時(shí)間的關(guān)系

3.2 預(yù)約保護(hù)功能在負(fù)載監(jiān)控中的應(yīng)用

低壓斷路器的負(fù)載監(jiān)控功能是線路發(fā)生過(guò)載故障前的一種補(bǔ)救手段，當(dāng)線路中出現(xiàn)較大過(guò)載電流時(shí)，智能控制器將有選擇地切掉線路中不重要的負(fù)載，即通過(guò)甩掉一些預(yù)先設(shè)定的負(fù)載來(lái)使線路電流減小，以避免低壓斷路器過(guò)載保護(hù)而切斷主線路，造成重要負(fù)載失電停機(jī)導(dǎo)致更大損失。

負(fù)載監(jiān)控用于控制支路負(fù)荷。負(fù)載監(jiān)控電流方式1整定值動(dòng)作特性如圖1所示，監(jiān)控方式1可控制卸載兩路負(fù)荷，當(dāng)運(yùn)行電流超過(guò)1.1倍整定值時(shí)(一般整定ILC1＞ILC2)，按過(guò)載反時(shí)限特性延時(shí)發(fā)出觸點(diǎn)信號(hào)，用來(lái)分?jǐn)嘀坟?fù)荷，保證主系統(tǒng)的供電。

圖4 負(fù)載監(jiān)控電流方式1整定值動(dòng)作特性

在卸載預(yù)先設(shè)定的回路負(fù)載后，監(jiān)控方式1并不需要將卸載的負(fù)載重新投入線路恢復(fù)供電，除非通過(guò)人為干預(yù)才能重新恢復(fù)。這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，低壓斷路器在卸載負(fù)載后斷路器智能控制器對(duì)線路的保護(hù)特性曲線仍然為卸載前的設(shè)置參數(shù)，特別是過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)Ir1、tr1沒(méi)有發(fā)生變化。假設(shè)原有主回路斷路器為殼架等級(jí)Inm=2 500A，設(shè)In=2 500A，原有動(dòng)作電流設(shè)定值Ir1=0.8 In=2 000A(可設(shè)置為0.4In～1.0In，整定步長(zhǎng)10A)，采用I2t通用型反時(shí)限保護(hù)，C3曲線速率，即在過(guò)載1.5Ir1時(shí)(3 000A)，tr1=60s。如果卸除的負(fù)載為原有總負(fù)載的20%，實(shí)際分支線路電流這時(shí)為1 600A，相當(dāng)于存在400A的差值(0.16In),若出現(xiàn)分支負(fù)載異常過(guò)載，過(guò)載電流增幅超過(guò)400A，假設(shè)就增加400A，按原有的保護(hù)設(shè)置Ir1=2 000A時(shí)過(guò)載倍數(shù)僅為1.0，在此狀態(tài)下原有過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)模式不會(huì)動(dòng)作，分支負(fù)載將失去大部分上一級(jí)斷路器的過(guò)載保護(hù)，雖有分支線路自身分支斷路器的保護(hù)，但其總體上可能發(fā)生損失的風(fēng)險(xiǎn)將增大。

對(duì)此，為增加配電系統(tǒng)主回路和分支線路的安全性，降低可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，使用新型預(yù)約保護(hù)功能可以較好的滿足這種要求。

監(jiān)控方式1模式下，在卸載預(yù)先設(shè)定的回路負(fù)載的同時(shí)，調(diào)用預(yù)約設(shè)定的過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)方案作為當(dāng)前保護(hù)方案，即可很大程度緩解或避免此類(lèi)異常情況的出現(xiàn)。如預(yù)約方案為：過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)Ir1=1 600A，采用I2t通用型反時(shí)限保護(hù)，其他短路短延時(shí)、瞬時(shí)保護(hù)及接地故障保護(hù)等參數(shù)的設(shè)置也相應(yīng)變化。

3.3 預(yù)約保護(hù)功能在雙電源供電方案中的應(yīng)用

雙電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的就是在一路供電線路由于某種原因(正?；蛘卟徽?導(dǎo)致供電質(zhì)量不能滿足負(fù)載要求時(shí)，能夠通過(guò)另外一路供電線路給重要用電設(shè)備提供電源。由雙電源雙回路(或多回路)和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器TSE構(gòu)成。

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器主要是在一、二級(jí)負(fù)荷緊急供電系統(tǒng)中，檢測(cè)被監(jiān)測(cè)電源(兩路)的工作狀態(tài)，當(dāng)被監(jiān)測(cè)的電源發(fā)生故障時(shí)，將一個(gè)或幾個(gè)負(fù)載電路從一路電源轉(zhuǎn)接至另一路電源，以保證供電的連續(xù)性，確保重要負(fù)荷連續(xù)可靠運(yùn)行。

市電－市電供電系統(tǒng)是由兩個(gè)獨(dú)立電源分別給系統(tǒng)兩段母線供電，圖5為通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)一個(gè)電源故障時(shí)，另外一個(gè)電源向整個(gè)系統(tǒng)或局部供電。圖6為兩獨(dú)立電源各自有一分支回路作為互為備用的雙電源回路。

在圖5所示系統(tǒng)中，當(dāng)常用電源出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)原常用電源側(cè)負(fù)載的處理有兩種情況，一是Q3不接通，備用電源不對(duì)常用電源側(cè)其他負(fù)載電能供應(yīng)，僅重要負(fù)載通過(guò)ATSE轉(zhuǎn)到備用電源側(cè)繼續(xù)供電；二是Q3接通(與Q1聯(lián)鎖)，備用電源對(duì)常用電源側(cè)其他負(fù)載(或預(yù)先設(shè)置好可以供電的負(fù)載)電能供應(yīng)，ATSE繼續(xù)停留在原有位置不轉(zhuǎn)換，由備用電源側(cè)繼續(xù)供電。

在圖6所示回路中，若電源1出現(xiàn)故障，ATSE將切換到電源2回路中，負(fù)載隨即并入，若負(fù)載功率較大，此時(shí)電源2中斷路器Q2的過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)設(shè)置較難滿足負(fù)載并入后對(duì)線路的保護(hù)，也會(huì)出現(xiàn)圖5所示的類(lèi)似狀況。

圖5 帶有母聯(lián)開(kāi)關(guān)的雙電源回路

圖6 兩獨(dú)立電源的雙電源回路

圖5 、圖6涉及的情況都會(huì)造成Q2原有參數(shù)設(shè)置不能滿足線路保護(hù)的要求，至少Q(mào)2原有設(shè)置的過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)Ir1和短路短延時(shí)Ir2在常用電源側(cè)負(fù)載并入備用側(cè)后，參數(shù)會(huì)偏小，會(huì)造成過(guò)載保護(hù)提前，重要負(fù)載失電的風(fēng)險(xiǎn)增大。

在該狀態(tài)下，加入預(yù)約保護(hù)不失為一個(gè)較好的解決方法。在常用電源側(cè)負(fù)載并入備用側(cè)的同時(shí)，對(duì)Q2調(diào)入預(yù)約保護(hù)方案，此方案預(yù)先考慮到負(fù)載并入備用側(cè)后通過(guò)Q2的電流值的增加值，將原有Ir1上調(diào)到適宜的電流范圍以正確保護(hù)負(fù)載和線路。常用電源正常以后，重新調(diào)回原有設(shè)置參數(shù)作為當(dāng)前保護(hù)參數(shù)即可。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了作為萬(wàn)能式低壓斷路器最重要核心部件的智能控制器所具有的測(cè)量功能、保護(hù)和報(bào)警功能、“四遙”功能等，也指出了在配電系統(tǒng)中的一些特殊的、專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用場(chǎng)所和領(lǐng)域，現(xiàn)有控制器不能完全滿足保護(hù)要求的事實(shí)。為解決這一類(lèi)型或近似類(lèi)型保護(hù)的特殊要求，特引入了預(yù)約保護(hù)這一新的功能。它可以通過(guò)用戶(hù)的預(yù)先設(shè)置適宜地保護(hù)線路和設(shè)備，特別是這樣的功能可以嘗試性地應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越、低壓斷路器的負(fù)載監(jiān)控和雙電源供電方案中。同時(shí)預(yù)約保護(hù)功能作為低壓斷路器智能控制器的一種新型功能也完全可能被發(fā)掘出更多、更有價(jià)值的工程應(yīng)用。

[1]關(guān)宏亮，趙海翔，王偉勝，戴慧珠，楊以涵等.風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越功能及其應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2007, 22(10): 173-177.

[2]新疆金風(fēng)科技股份有限公司.金風(fēng)低電壓穿越設(shè)備900型.

[3]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器(TSE)選擇和使用導(dǎo)則(JB/T 10980-2010)[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.