許地理

(廈門ABB低壓電器設(shè)備有限公司，福建 廈門 361000)

0 引 言

低壓斷路器主要功能是用來(lái)分合運(yùn)行回路的正常工作電流、過(guò)載電流和短路電流，Emax2智能斷路器已經(jīng)成為一個(gè)多功能平臺(tái)，是管理微電網(wǎng)等下一代電氣的重要設(shè)備，未來(lái)發(fā)展的目標(biāo)是成為真正的電能管理器，而保護(hù)脫扣器是智能斷路器的核心，是集系統(tǒng)管理所需的所有功能于一體的電能管理器，先進(jìn)的保護(hù)脫扣器能夠很好的提高電氣系統(tǒng)的效率和可靠姓，因此提高保護(hù)脫扣器對(duì)電流有效值敏感度，確保測(cè)量和保護(hù)功能的精確性變得越來(lái)越重要，目前智能斷路器Emax2 PR存在精確測(cè)量功率和電能問(wèn)題，加強(qiáng)和確保測(cè)量和保護(hù)功能的精確性是目前研究的重要課題。

為了滿足智能斷路器Emax2 PR電流測(cè)量達(dá)到更高的精度，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可以通過(guò)對(duì)CORE、HMI、Rating Plug、Ekip Measuring及Currentsensor等軟硬件升級(jí)實(shí)現(xiàn)，文中重點(diǎn)通過(guò)開(kāi)發(fā)測(cè)試設(shè)備對(duì)智能斷路器Emax2的回路電流測(cè)量系統(tǒng)分析及PR CT Rogowski自動(dòng)校準(zhǔn)及補(bǔ)償控制，達(dá)到可以實(shí)現(xiàn)更高的電流測(cè)量精度[1]。

1 回路測(cè)試原理

為了提高智能斷路器Emax2測(cè)量電流精度(如1%)，對(duì)設(shè)備測(cè)量系統(tǒng)要有很高的精度及穩(wěn)定度要求。圖1為回路測(cè)試系統(tǒng)原理圖，通過(guò)將電子電源、斷路器、互感器等元器件串聯(lián)形成回路測(cè)試系統(tǒng)，并將功率分析儀與互感器連接，再通過(guò)PC與供應(yīng)商分析儀進(jìn)行通信采集數(shù)據(jù)，同時(shí)單獨(dú)給斷路器YU線圈供電，通過(guò)對(duì)電子脫扣器供電來(lái)確保能夠采集斷路器自身的互感器線圈電流值，最終形成一整套完整的控制系統(tǒng)[2]。

對(duì)于整套測(cè)量系統(tǒng)的相關(guān)測(cè)量元件需超過(guò)斷路器自身的測(cè)量精度要求，以下為主要測(cè)量元件關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),見(jiàn)表1所列。

2 智能斷路器Emax2測(cè)試及驗(yàn)證

2.1 測(cè)試方法

Emax2斷路器通電后，自動(dòng)閉合開(kāi)關(guān)使三相與回路串聯(lián)，主電路注入0.5倍In電流，Period N0:啟動(dòng)電流(關(guān)閉功率分析儀及PR)；Period N1:保持通電，穩(wěn)定電流確保PR讀數(shù)(期間系統(tǒng)與PR沒(méi)有通訊)設(shè)備與功率分析儀進(jìn)行通信，分析儀器檢測(cè)到的RMS值的穩(wěn)定性。

圖1 回路測(cè)試原理圖

表1 測(cè)量元件關(guān)鍵技術(shù)

如果注入電流不穩(wěn)定，應(yīng)停止測(cè)試；Period N2:繼續(xù)通電，設(shè)備與功率分析儀和PR單元進(jìn)行通信，以獲取兩個(gè)系統(tǒng)讀取的電流值，設(shè)備與功率分析儀進(jìn)行通信以便獲取RMS均值，設(shè)備與PR通訊以便獲取電流值ITU_X ；Period N3:注入電流并，功率分析儀和PR單元通訊，直到是節(jié)拍時(shí)間完成停止，系統(tǒng)對(duì)比每個(gè)單相行程單元測(cè)量的電流值和功率分析儀檢測(cè)到的平均RMS值[5]。

If |ITU-IPA|/IPA≤Ix%_1,測(cè)試OK，通過(guò)。

If |ITU-IPA|/IPA>Ix%_1,測(cè)試NG，需要重新修正Rogowski增益。

設(shè)備與PR單元進(jìn)行通信，重新計(jì)算寫(xiě)入新的Rogowski增益，主回路停止通電，輔助電源停止通電(PR斷電)Vaux。

脫扣裝置應(yīng)在電流注入時(shí)提供電源，以便與設(shè)備進(jìn)行通信(例如PLC)。并實(shí)時(shí)傳遞檢測(cè)到的電流值。如果沒(méi)有電源，系統(tǒng)不能儲(chǔ)能任何值，也不可能與功率分析儀對(duì)比，PR單元將被供電直至系統(tǒng)通訊修改Rogowski增益值，之后電源關(guān)閉。

功率分析儀在T時(shí)段測(cè)得的RMS最大值與最小值之差與T時(shí)段測(cè)得的RMS平均之差之比小于Y%(電源穩(wěn)定度判斷條件)：

式中：IPA_max _N1為N1功率分析儀讀取到的最大電流值；IPA_min _N1為N1功率分析儀讀取到的最小電流值；IPA_media_N1為N1期間功率分析儀自動(dòng)計(jì)算電流平均值。N1為穩(wěn)定度判斷；采樣周期=500 ms；N2為校準(zhǔn)驗(yàn)證。

設(shè)備與功率分析儀和PR單元進(jìn)行通信，以獲取兩個(gè)系統(tǒng)讀取的電流值，功率分析儀與設(shè)備通訊讀取回路電流值，設(shè)備與脫扣器通訊獲取斷路器PR值。N2期間比較功率分析儀與脫扣器獲取的電流值對(duì)比，功率分析儀將會(huì)每100 ms間隔進(jìn)行采樣。Nx時(shí)刻檢測(cè)到的電流值與功率分析儀測(cè)得的平均值在ΔN4s(等于N1s)的間隔內(nèi)進(jìn)行比較，對(duì)于間隔N2的每次Nx，都重復(fù)進(jìn)行這種比較，最后計(jì)算出平均值、最大值和最小誤差。平均誤差值ΔEavg%公差值Ix_2%(如0.1%)對(duì)比，如果誤差大于公差極限值，則計(jì)算一個(gè)新的Rogowski增益值，并寫(xiě)到在脫扣裝置中[3]。

功率分析儀平均電流值計(jì)算公式：

avg(IPA[Nx-ΔN4;Nx]) =IPAx

式中：avg為功率分析儀在[Nx-ΔN4;Nx]時(shí)間間隔內(nèi)檢測(cè)到的平均電流；ΔN4為功率分析儀檢測(cè)到的平均電流與脫扣器測(cè)量值比較的時(shí)間間隔(ΔN4=N1s)

誤差值計(jì)算公式[6]：

ΔEmax%-ΔEmin%≤Z% 0.05%(校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn))

式中：ΔEX%為X時(shí)刻跳閘裝置測(cè)量值與功率分析儀檢測(cè)值之間的誤差%；ΔEavg%為N2期間的平均誤差值；ΔEavg%<0.1% (校準(zhǔn)判斷條件)；ITUNx為Nx測(cè)得的脫扣器電流值。

圖2 N2期間功率分析儀電流采樣平均值

Rogowski增益值計(jì)算公式：

ITUmedia_N2=N2期間脫扣器獲取的平均電流值

IPAmedia_N2=[N2-ΔN4;N2]期間功率分析儀測(cè)得的平均電流值

表2為文中出現(xiàn)代號(hào)屬性注釋[6]。

表2 屬性代號(hào)和含義

續(xù)表2 屬性代號(hào)和含義

1.2 產(chǎn)品測(cè)試及驗(yàn)證

為了驗(yàn)證Emax2測(cè)量精度是否達(dá)到精度提高，通過(guò)上述測(cè)試方法，開(kāi)始給設(shè)備主回路系統(tǒng)注入電流(如2 500 A)，等待穩(wěn)定電流后，用功率分析儀判斷電源輸出電流是否穩(wěn)定，如圖3為N1期間功率分析儀采集到的30組數(shù)據(jù)的回路電流值，采樣周期5 007 ms，每隔500 ms取有效值。

圖3 N1采集電流值對(duì)比

表3 電源輸出電流穩(wěn)定度分析

以表3數(shù)據(jù)分析N1階段電源輸出電流處于穩(wěn)定階段，因此可以繼續(xù)通電進(jìn)行功率分儀讀值與脫扣器讀值對(duì)比分析。

同樣N2階段(見(jiàn)圖4)分別開(kāi)始采集功率分析儀及脫扣器電流讀值，采樣周期500 ms，同樣采集30組數(shù)據(jù)對(duì)比。具體分析見(jiàn)表4所列。

圖4 N2采集電流值對(duì)比

這里的30組數(shù)據(jù)為功率分析儀測(cè)得的平均值在ΔN4s(等于N1s)的間隔內(nèi)進(jìn)行比較值而非實(shí)時(shí)讀值。

通過(guò)表4數(shù)據(jù)分析，計(jì)算得出平均誤差遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)誤差要求，因此需要重新校準(zhǔn)增益值：

ΔEavg%=0.144% >0.1% 重新校準(zhǔn)！

表4 回路電流與斷路器PR電流分析

表5 校準(zhǔn)前后的增益值分析

圖5 重新校準(zhǔn)后采集電流值對(duì)比

通過(guò)重新校準(zhǔn)修正增益值后(見(jiàn)表5)，實(shí)驗(yàn)再分別獲取10組功率分析儀和脫扣器電流讀值數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖5)。

校準(zhǔn)完成后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集可以得到功率分析儀最大值和最小值、平均值，通過(guò)分析計(jì)算出電流穩(wěn)定度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求(見(jiàn)表6)。

總結(jié)：通過(guò)以上表6數(shù)據(jù)分析，在校準(zhǔn)前測(cè)得斷路器測(cè)量電流實(shí)際平均誤差(0.14%)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求(0.1%)，在通過(guò)重新校準(zhǔn)及Rogowski補(bǔ)償后，重新測(cè)得斷路器電流平均誤差值為0.074%，遠(yuǎn)小于0.1%，電流精度可達(dá)到1%，因此達(dá)到實(shí)現(xiàn)斷路器測(cè)量電流精度提升目標(biāo)。

表6 補(bǔ)償后電流穩(wěn)定度分析

3 結(jié) 語(yǔ)

為了滿足市場(chǎng)客戶需求，電能智能化管理越來(lái)越迫切，斷路器不斷升級(jí)換代，由此對(duì)應(yīng)的低壓電氣系統(tǒng)的功能也要求越來(lái)越高。目前很多斷路器智能化水平不高，電能測(cè)量準(zhǔn)確性低，其中電流測(cè)量精度需要試驗(yàn)提升，此次試驗(yàn)針對(duì)影響測(cè)量精度的因素，通過(guò)實(shí)驗(yàn)采用開(kāi)發(fā)測(cè)試設(shè)備對(duì)智能斷路器Emax2的回路電流測(cè)量系統(tǒng)分析及PR CT Rogowski自動(dòng)校準(zhǔn)及補(bǔ)償控制，通過(guò)對(duì)測(cè)量模塊電壓、頻率的校準(zhǔn)、改變額定插塊的阻值及精度、提升互感器精度等措施實(shí)現(xiàn)了更高的電流測(cè)量精度，此次分析實(shí)驗(yàn)可為智能斷路器電能智能化管理特別是電能測(cè)量和監(jiān)視提供很好的參考價(jià)值，對(duì)于智能斷路器低壓電氣系統(tǒng)的保護(hù)、測(cè)量和控制具有重要參考意義。同時(shí)需要更加認(rèn)識(shí)的是電流測(cè)量精度提升是整體的全面提升而非某點(diǎn)提升，因此還需要不斷去做各種嘗試驗(yàn)證，通過(guò)不斷摸索不斷優(yōu)化達(dá)到真正實(shí)現(xiàn)電能控制和監(jiān)視功能為一體的智能化斷路器。