劉 平， 歐陽森

(廣東省綠色能源技術重點實驗室， 華南理工大學電力學院， 廣東 廣州 510640)

低壓脫扣器電壓暫降試驗分析及配置策略研究

劉 平， 歐陽森

(廣東省綠色能源技術重點實驗室， 華南理工大學電力學院， 廣東 廣州 510640)

當前配網(wǎng)中低壓脫扣器因電壓暫降事件動作跳閘，會導致用戶負荷損失嚴重，針對此問題，國內外均尚未針對低壓脫扣器提出行之有效的配置策略。本文首先分析了低壓脫扣器工作原理，歸納并分析了影響低壓脫扣器正常工作的諸多因素(電壓波動、過電壓、諧波、欠頻等)。其次，在深入分析現(xiàn)行國家標準基礎上，設計了電壓暫降試驗平臺和試驗步驟，以目前主流DW45系列萬能式斷路器所配置GXQ-M型低壓脫扣器為例，進行了試驗研究，分析其在電壓暫降作用下的動作區(qū)域、不動作區(qū)域和模糊區(qū)域。最后，結合試驗結果，分別從制造商、用戶以及供電部門等方面提出了低壓脫扣器應對電壓暫降的要求與配置策略，并建議國家標準進行修改。

低壓脫扣器； 電壓暫降； 試驗； 配置策略

1 引言

低壓脫扣器是斷路器的內嵌元件，對斷路器分閘起關鍵性作用[1]。低壓脫扣器通過檢測到的電壓信號進行判斷，形成欠壓、失壓等低電壓保護功能，目前在配電網(wǎng)中大規(guī)模廣泛應用[2,3]。

隨著基于微電子、電力電子等敏感設備大量接入電網(wǎng)，電壓暫降引起的用戶設備損壞及停運等故障情況日趨多見，電壓暫降已成為電能質量中最突出的問題[4-6]。

近年來，我國南方電網(wǎng)已發(fā)生數(shù)起由短路故障產(chǎn)生的電壓暫降導致了用戶側大規(guī)模低壓脫扣器跳閘現(xiàn)象[7]，給用戶造成巨大負荷損失。以東莞電網(wǎng)為例，2012年5月5日，220kV東黎甲線發(fā)生A、B相間短路接地故障，造成大量低壓脫扣器跳閘，負荷損失量約747MW；2014年7月8日，220kV莞景乙線發(fā)生B、C相間短路故障，引起了大范圍電壓暫降，約1012MW負荷發(fā)生低壓脫扣事件。此外，廣州、深圳、惠州等城市也發(fā)生了類似事件。因此，低壓脫扣器屬于電壓暫降敏感設備，深入研究電壓暫降對其動作特性的影響，在此基礎上提出低壓脫扣器科學合理的配置策略，可大大提高供電可靠率，減少用戶負荷損失，對供電部門和用戶而言，均具有重要現(xiàn)實意義。

針對電壓暫降事件發(fā)生時低壓脫扣器出現(xiàn)跳閘的現(xiàn)象，目前國內外尚未提出行之有效的配置策略。鑒于此，本文首先分析了低壓脫扣器工作原理，對影響低壓脫扣器正常工作的諸多因素作歸納總結。在分析現(xiàn)行國家標準基礎上，以市場上主流DW45系列智能型萬能式斷路器所配置的GXQ-M型低壓脫扣器為例，采用試驗方法探究其在電壓暫降作用下的動作特性。結合試驗結果，從制造商、用戶和供電部門等方面，提出了低壓脫扣器應對電壓暫降的配置策略，并建議國家標準進行修改。

2 低壓脫扣器工作原理及影響正常工作因素分析

2.1 工作原理

低壓脫扣器作為斷路器的核心元件之一，是配電網(wǎng)在出現(xiàn)欠壓、失壓等低電壓情況下的不可或缺的保護裝置，在電網(wǎng)日常運行中發(fā)揮著重要作用。圖1(a)和圖1(b)分別給出了低壓脫扣器本體實物圖以及內嵌于斷路器實物圖。圖2給出了低壓脫扣器內部基本結構圖。

圖1 低壓脫扣器實物Fig.1 Physical picture of low-voltage release

圖2 低壓脫扣器內部基本結構圖Fig.2 Basic structure of low-voltage release

由圖1和圖2可以看出，低壓脫扣器是由控制電路和電磁系統(tǒng)兩部分構成[8,9]，其中電磁系統(tǒng)包括銜鐵、線圈和彈簧等。外施電壓正常時，線圈交流電磁力與彈簧反作用力保持平衡，銜鐵被吸住，斷路器主觸頭鎖定在合閘位置；外施電壓偏低時，線圈交流電磁力小于彈簧的反作用力，銜鐵向上運動，推動斷路器牽引桿，使斷路器主觸頭斷開，從而起到低電壓保護作用。

2.2 影響正常工作的因素

隨著制造工藝改進更新，低壓脫扣器質量穩(wěn)步提升，由自身質量問題導致其出現(xiàn)故障的情況日趨減少。而當前配電網(wǎng)中電壓波動、過電壓、諧波和欠頻等電能質量問題，逐漸成為影響低壓脫扣器正常工作的重要因素[10]。

(1)電壓波動

電壓波動幅度較大會導致低壓脫扣器電磁系統(tǒng)線圈燒毀。例如，400V低壓配電系統(tǒng)中，電壓通常會在380～420V左右波動，一旦運行設備大批量停運，如晚上或節(jié)假日，電壓有所上升，甚至高達460～470V，此時低壓脫扣器在非正常電壓下運行，長時間會導致線圈溫度過高而燒毀。

(2)過電壓

過電壓是電網(wǎng)運行中較為常見故障之一，雷電感應、諧振等現(xiàn)象均可產(chǎn)生過電壓。過電壓會導致低壓脫扣器控制電路部分電子元件損壞，低壓脫扣器因此出現(xiàn)故障運行。

(3)諧波

目前，電網(wǎng)中諸如整流器、逆變器和電力晶閘管等非線性負荷越來越多，電網(wǎng)中也因此存在大量高次諧波，特別是3次、5次、7次諧波使電網(wǎng)電壓畸變嚴重?；兒蟮碾妷嚎赡艿恋蛪好摽燮鲃幼饔|發(fā)值，導致低壓脫扣器動作跳閘；此外，諧波可能使低壓脫扣器控制電路中電容過熱，出現(xiàn)“脹肚”，導致低壓脫扣器無法正常工作。

(4)欠頻

電網(wǎng)中欠頻現(xiàn)象不常見，但偶有發(fā)生。根據(jù)資料記載，某地區(qū)有時電網(wǎng)嚴重欠頻時，頻率只有24Hz，引起低壓脫扣器控制電路中電容過熱燒毀，導致低壓脫扣器故障運行。

此外，近年來受電壓暫降影響，低壓脫扣器動作跳閘的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，導致用戶側負荷損失嚴重。因此，深入研究電壓暫降作用下低壓脫扣器動作特性，為低壓脫扣器配置提供必要的指導意見，可有效避免誤動作，該研究具有重要的現(xiàn)實意義與推廣價值。

3 現(xiàn)行國家標準及應用分析

本文研究工作所涉及現(xiàn)行國家標準包括：

(1)GB 14048.1-2006 《低壓開關設備和控制設備第一部分：總則》[11]；

(2)GB/T 22710-2008《低壓斷路器用電子式控制器》[12]；

(3)GB/T 17626.11-2008《電磁兼容試驗和測量技術電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾性試驗》[13]；

(4)GB/T 30137-2013《電能質量電壓暫降與短時中斷》[14]。

文獻[11]對低壓脫扣器的性能規(guī)定如下：外施電壓下降至額定工作電壓Ue的70%～35%時，與開關電器組合在一起的低壓脫扣器應動作，使開關電器斷開；外施電壓低于Ue的35%時，低壓脫扣器應防止開關電器閉合；外施電壓等于或高于Ue的85%時，低壓脫扣器應確保開關電器閉合。

可見，文獻[11]對低壓脫扣器在電壓偏低情況下的動作區(qū)間作了量化規(guī)定，但該動作區(qū)間僅用電壓幅值進行描述，考慮到電壓暫降包括幅值、持續(xù)時間和相位等特征量，因此有必要進一步深入研究并細化電壓暫降下低壓脫扣器的動作區(qū)間。

文獻[12] 明確指定，在低壓脫扣器電壓暫降試驗方面以文獻[13]為參考標準。文獻[13]對用電設備的電壓暫降試驗方法做了明確規(guī)定與要求，包括試驗電路、試驗步驟和注意事項等，為采用試驗方法研究電壓暫降作用下低壓脫扣器的動作特性提供了重要依據(jù)。4.5節(jié)將結合低壓脫扣器對文獻[13]相關規(guī)定進行展開說明，在此不作贅述。

文獻[14]提出了衡量電壓暫降事件嚴重性指標，并給出了這些指標的具體計算方法，在計算嚴重性指標過程中利用了幅值、持續(xù)時間和頻次等電壓暫降特征量。而實際上大量研究表明[15-18]，波形起始點相位(point-on-wave)對敏感設備在暫降期間運行狀況有重要影響，因此進行低壓脫扣器電壓暫降試驗時，需要綜合考慮幅值、持續(xù)時間和波形起始點相位(以下簡稱相位)等特征量組合作用下低壓脫扣器動作特性。

4 電壓暫降試驗分析

本文選擇暫降幅值、持續(xù)時間和相位三個特征量描述電壓暫降。本文試驗目的是測試低壓脫扣器在上述三個特征量組合作用下的動作特性，為低壓脫扣器配置提供決策。

4.1 試驗平臺

GB/T 17626.11-2008給出了電壓暫降、短時中斷和電壓變化的試驗原理圖(如圖3所示)，為試驗電路的設計提供依據(jù)。

圖3 文獻[13]中試驗原理圖Fig.3 Test principle picture in reference [13]

本文基于自行研制的大功率電壓暫降發(fā)生儀[19]代替圖3中試驗發(fā)生器，選擇市場上主流DW45系列智能型萬能式斷路器所配置的GXQ-M型低壓脫扣器進行電壓暫降試驗。電壓暫降發(fā)生儀和GXQ-M型低壓脫扣器的主要技術參數(shù)分別見表1和表2。

表1 電壓暫降發(fā)生儀主要技術參數(shù)

表2 GXQ-M型低壓脫扣器主要技術參數(shù)

圖4給出了本文所設計試驗平臺，其中，采用監(jiān)測性能更為優(yōu)越的日置HIOKI3196代替圖3中伏特表示波器?？紤]到GXQ-M型低壓脫扣器為單相工作模式，因此低壓脫扣器兩端取單相暫降信號。

圖4 本文設計試驗平臺圖Fig.4 Test platform in this paper

4.2 試驗步驟

試驗開始前要檢測GXQ-M型低壓脫扣器能否正常工作，具體檢測方法為：調節(jié)電壓暫降發(fā)生儀，使其輸出電壓為GXQ-M型低壓脫扣器額定工作電壓Ue，若其能夠合閘運行，表明其性能正常。然后，可進行電壓暫降試驗，GB/T 17626.11-2008的相關規(guī)定為設計試驗步驟提供依據(jù)，其具體規(guī)定內容如下。

(1)在實驗室模擬電壓暫降，可以用額定電壓的偏離值和持續(xù)時間來最低限度地表述其特征。

(2)EUT應按每一種選定的電壓幅值和持續(xù)時間，順序進行3次電壓暫降試驗，最小時間間隔是10s(兩次試驗之間的間隔)。

(3)對于電壓暫降的相位，電源電壓的變化發(fā)生在電壓過零處(即相位是0°)，認為需要附加測試幾個角度，每相優(yōu)先選擇45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。

表3給出了本試驗中電壓暫降各特征量變化范圍及步長，其中國標規(guī)定的幾個角度包含在相位的變化范圍。

表3 電壓暫降各特征量變化范圍及步長

所設計試驗步驟為：

(1)調節(jié)電壓暫降發(fā)生儀，使其輸出相位θ為某一值(比如：0°)保持不變，然后開始調節(jié)電壓幅值U和持續(xù)時間t；

(2)U、t分別從10%Ue、10ms開始從小到大進行調節(jié)，范圍及步長見表3；

(3)由(θ，U，t)組成的每組電壓暫降測試信號重復10次提供給低壓脫扣器，觀察并記錄下低壓脫扣器動作次數(shù)；

(4)改變θ(范圍及步長見表3)，重復步驟(1)～步驟(3)，可實現(xiàn)對低壓脫扣器電壓暫降試驗。

4.3 試驗規(guī)模

整個試驗過程中，電壓暫降發(fā)生儀累計共產(chǎn)生2403組測試信號，即產(chǎn)生了2403組試驗數(shù)據(jù)與之對應。其中，GXQ-M型低壓脫扣器始終保持不動作的試驗數(shù)據(jù)共計1563組；GXQ-M型低壓脫扣器動作且動作次數(shù)小于10次的試驗數(shù)據(jù)共計615組；GXQ-M型低壓脫扣器動作且動作次數(shù)等于10次的試驗數(shù)據(jù)共計225組。

4.4 試驗結果

在一定的(U,θ)作用下，隨著t不同，GXQ-M型低壓脫扣器的動作次數(shù)不盡相同。在該(U,θ)下，統(tǒng)計出相應的t1和t2，作為試驗結果。t1和t2的具體物理含義為：

(1)t≤t1時，GXQ-M型低壓脫扣器動作次數(shù)為0，表示低壓脫扣器確定不動作；

(2)t≥t2時，GXQ-M型低壓脫扣器動作次數(shù)為10，表示低壓脫扣器確定動作；

(3)t1

當U從10%Ue變化到90%Ue、θ從0°變化到315°時，從每組(U,θ)中即可統(tǒng)計得出t1、t2(結果見表4)作為GXQ-M型低壓脫扣器的試驗結果。表中數(shù)據(jù)表示t1/t2，如71/77表示t1=71ms，t2=77ms。

表4 GXQ-M型低壓脫扣器試驗結果

注：U大于50%Ue時，無論持續(xù)時間多長，該型號低壓脫扣器始終不動作。

4.5 結果分析

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)，可繪制GXQ-M型低壓脫扣器在θ取值為0°～315°時的電壓耐受曲線(Voltage Tolerance Curve, VTC)，如圖5所示。

圖5 GXQ-M型低壓脫扣器不同相位下的VTCFig.5 VTCs of GXQ-M low-voltage release at different phases

由圖5可以看出，低壓脫扣器在電壓暫降作用下的動作特性，可劃分為三個區(qū)域，即動作區(qū)域、不動作區(qū)域和模糊區(qū)域；相位不同，低壓脫扣器VTC不同，說明低壓脫扣器電壓暫降作用下動作特性由幅值、持續(xù)時間和相位等特征量綜合決定。

考慮到實際中發(fā)生電壓暫降事件時，只有幅值和持續(xù)時間易獲取而相位通常未知，同時為兼顧到相位對低壓脫扣器電壓暫降下動作特性影響，可對不同相位下VTC作近似矩形處理，形成左、右邊界線(如圖5所示)，實現(xiàn)對動作區(qū)域、不動作區(qū)域和模糊區(qū)域的進一步明確化、定量化。

由圖5可以看出：①U<50%Ue且t>42ms時，GXQ-M型低壓脫扣器確定動作；②U>50%Ue或者t<12ms時，GXQ-M型低壓脫扣器確定不動作；③U<50%Ue且12ms

5 配置策略建議

基于對GXQ-M型低壓脫扣器電壓暫降試驗可知，發(fā)生電壓暫降事件時，其動作區(qū)間是U<50%Ue且t>42ms，即該型號低壓脫扣器在電壓暫降作用下的動作閾值為：Uth=50%Ue，tth=42ms。

考慮到低壓脫扣器在發(fā)生電壓暫降事件時出現(xiàn)動作跳閘現(xiàn)象，本文提出如下策略與建議。

(1)建議GB/T 22710-2008要求產(chǎn)品制造商在生產(chǎn)低壓脫扣器過程中增加電壓暫降試驗環(huán)節(jié)，以提供其電壓暫降動作閾值Uth和tth，為用戶在選擇配置低壓脫扣器時提供參考依據(jù)。

(2)低壓脫扣器配置延時模塊，可有效躲過電壓暫降而不發(fā)生誤動作。當前用戶選擇延時模塊的延時時間時，缺乏相關指導原則。因此本文建議GB 14048.1-2006增加低壓電器延時時間設置的具體指導性原則。

同時，本文建議用戶側低壓脫扣器延時時間的設置應與電網(wǎng)中繼電保護動作時間相配合。例如，500kV、220kV系統(tǒng)主保護切除故障穩(wěn)定極限分別為100ms、120ms，即500kV、220kV主網(wǎng)發(fā)生短路故障導致電壓暫降的持續(xù)時間不超過100ms、120ms，若低壓脫扣器設置延時時間大于120ms，即可躲過電壓暫降而不發(fā)生動作跳閘現(xiàn)象。

(3)建議用戶以后報裝時，用戶應提供負載類型及負載能承受的電壓暫降幅值U0和持續(xù)時間t0，供電部門可根據(jù)用戶負荷需求，指導用戶配置合適的低壓脫扣器，原則如下：

1) 若負載可承受電壓暫降而不會損壞，為避免低壓脫扣器的動作跳閘而導致負載停運，帶來不必要的停電損失，可建議用戶在低壓脫扣器上配置延時環(huán)節(jié)(延時時間大于120ms)；

2)若負載經(jīng)受電壓暫降時會出現(xiàn)故障運行(例如精密電機在低電壓情況下運行一段時間線圈會燒毀)，此時需要結合負載能承受的電壓暫降幅值U0和持續(xù)時間t0，配置Uth≥U0、tth≤t0的低壓脫扣器，通過低壓脫扣器的動作跳閘及時保護負載，以 四種典型敏感負載受電壓暫降的影響[20]為例，給出低壓脫扣器需要設置的Uth和tth，見表5。

表5 典型敏感負載受電壓暫降影響及低壓脫扣器相應配置策略

6 結論

(1)依據(jù)GB/T 17626.11-2008設計了電壓暫降試驗平臺、試驗步驟，以目前市場上主流DW45系列萬能式斷路器所配置的GXQ-M型低壓脫扣器為例，進行了電壓暫降試驗，得出其電壓暫降作用下動作閾值(Uth=50%Ue，tth=42ms)及動作區(qū)間(U<50%Ue且t>42ms)。

(2)結合試驗結果，本文分別建議GB/T 22710-2008要求產(chǎn)品制造商在生產(chǎn)低壓脫扣器過程中增加電壓暫降試驗環(huán)節(jié)，GB 14048.1-2006增加低壓電器延時時間設置的具體指導性原則。從制造商、用戶和供電部門等方面提出了低壓脫扣器應對電壓暫降的具體要求與配置策略。

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Experiment analysis on low-voltage release under voltage sags and its configuration strategy research

LIU Ping， OUYANG Sen

(Key Laboratory of Clean Energy Technology of Guangdong Province, School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The false tripping of low-voltage releases in distribution network has happened several times and customers have endured great load loss, but the corresponding configuration strategy of low-voltage release has not been put forward. In this paper, the working principle of low-voltage release is analyzed, and the factors (such as voltage fluctuation, over voltage, harmonic and under frequency)that can cause false tripping of low-voltage release are summarized. Secondly, the voltage sag test platform and procedure are designed based on the existing Chinese National Standard, and GXQ-M low-voltage release suitable for DW45 series circuit breakers is taken as an example to test, the tripping area, fuzzy area and no tripping area of GXQ-M low-voltage release are obtained and analyzed. At last, combined with the test results, the configuration strategy of low-voltage release is put forward from the perspective of manufacturers, customers and utility companies, and this paper also recommends the existing Chinese National Standard revising.

low-voltage release; voltage sag; test; configuration strategy

2015-04-24

國家自然科學基金重點資助項目(50937001)、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2012ZM0018)

劉 平(1991-)， 男， 河南籍， 碩士研究生， 主要從事電能質量分析與控制研究； 歐陽森(1974-)， 男， 廣西籍， 副研究員， 博士， 主要從事電能質量分析與控制、 智能電器等研究。

TM714

A

1003-3076(2016)01-0074-07