俞　洋,　趙　波,　王君偉,　周　佳,　邵　樺

(1.華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)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(hù)裝置的設(shè)計(jì)

俞洋1,趙波2,王君偉3,周佳2,邵樺3

(1.華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了一種低壓線路專用保護(hù)裝置,可配合斷路器使用,對(duì)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(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)裝置; 反時(shí)限曲線; 過流保護(hù); 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(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、事件記錄和通信組網(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(jì)

低壓線路保護(hù)裝置用于AC 400 V(或690 V)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方式。產(chǎn)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(jié)露。為滿足配電標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)線路過載、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、極端反時(shí)限等8種曲線),另外帶有欠壓保護(hù)和過壓保護(hù)等保護(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硬件電路設(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)電壓瞬時(shí)降低。為防止電壓降低引起裝置誤動(dòng)作,裝置電源輸入為AC 85～265 V;在有些場(chǎng)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(guān)電源方案來設(shè)計(jì)裝置電源。該裝置使用PI公司的開關(guān)電源芯片做電源設(shè)計(jì),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(jí)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(jí)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(jì)軟件降低變壓器的設(shè)計(jì)難度。開關(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),需綜合考慮效率、磁通密度、鐵心、骨架等參數(shù),有時(shí)調(diào)整效率會(huì)引起磁通變化,反使變壓器性能變差。變壓器設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行PCB設(shè)計(jì),可以參考PI Expert推薦的布局、布線,減小環(huán)路,以防帶來不可預(yù)知的干擾信號(hào)。

低壓饋線中的電壓、電流信號(hào)相對(duì)于該裝置內(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?、小電流信?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(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(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),需采取相應(yīng)的措施,否則造成計(jì)算錯(cuò)誤。

針對(duì)線路過載、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)單地理解為: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)廣泛應(yīng)用于發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)以及輸電線路中。反時(shí)限過流保護(hù)通?；谌缦碌臅r(shí)間-電流反時(shí)限特性:

Irt=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;在線路首末端短路、電流變化較大的情況下,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

典型反時(shí)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(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;

I——電流測(cè)量值;

IS——程序設(shè)定的門限值;

α——系數(shù);

L——ANSI/IEEE系數(shù);

Tp——時(shí)間因子。

反時(shí)限過流保護(hù)曲線特性表如表1所示。

表1　反時(shí)限過流保護(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、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變化,變化步長(zhǎng)為ΔX,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)置過大或過小,過大會(huì)影響X計(jì)算精度,導(dǎo)致t超差;步長(zhǎng)過小,加大EEPROM開銷。

(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)通過插值算法計(jì)算所需數(shù)值,但EEPROM開銷太大。

(3) 按照泰勒級(jí)數(shù)展開,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) 曲線擬合算法通過容易計(jì)算的曲線替代復(fù)雜曲線來簡(jiǎn)化計(jì)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(duì)幾個(gè)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(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,通信協(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)限過流保護(hù),通過內(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、通信等功能,完全滿足要求。低壓線路保護(hù)裝置應(yīng)用二次原理圖如圖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(hào)輸入給該裝置,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(shí)需加上相應(yīng)的分勵(lì)線圈、合閘線圈,無需通過裝置自動(dòng)合閘。所以圖3中沒有合閘線圈,僅帶有分勵(lì)線圈,在分?jǐn)喾謩?lì)線圈時(shí)需使用脈沖信號(hào),或?qū)嗦菲鞯某ｉ_點(diǎn)串入。

3結(jié)語

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RS-485通信口上傳給后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng),可對(duì)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(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。

圖3　低壓線路保護(hù)裝置應(yīng)用二次原理圖

參考文獻(xiàn)

[1]張鋼,劉志剛,岳岱巍.基于TOP Switch及PI Expert的單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2007,2(2):1-4.

[2]何華鋒,胡昌華,代延民.高精度A/D采樣電路的干擾分析與電路設(shè)計(jì)[J].電光與控制,2005,10(5):73-75.

[3]陳利玲,李杭生.傅立葉變換在交流采樣中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2005(S1):171-174.

[4]周軍,李孝文,盛艷.準(zhǔn)同步采樣在電力系統(tǒng)頻率、頻偏和相位差測(cè)量中的應(yīng)用[J].計(jì)量學(xué)報(bào),1999,20(2):151-154.

[5]戴先中.準(zhǔn)同步采樣及其在非正弦功率測(cè)量中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào),1984,5(4):390-396.

[6]何立志.工頻量快速測(cè)量方法的研究[J].電測(cè)與儀表,2001(4):16-18.

[7]徐忠林,葉一麟,等.一種微機(jī)反時(shí)限過流保護(hù)的新算法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,1996,25(8):3-6.

[8]嚴(yán)支斌,尹項(xiàng)根,邵德軍,等.新型微機(jī)反時(shí)限過流保護(hù)曲線特性及算法研究[J].繼電器,2005,4(8):44-46.

[9]KOJOVIC L A.Rogowski coils suit relay protection and measurement[J].IEEE Computer Application and Electric Power,1997(10):47-52.

鄧　珺(1983—),女,工程師,從事化工電氣設(shè)計(jì)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(hào)：TM 852

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-8417(2015)06-0006-04