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(xué), 上海 200090)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)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(yīng)用,小型斷路器作為低壓配電網(wǎng)保護(hù)的基礎(chǔ)部件,如何適應(yīng)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(shè)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(hù)有著特殊的需求[2]。

電力電子器件與電工產(chǎn)品相比,對于過電壓應(yīng)力的承受能力較差,極短時間的過電壓就會導(dǎo)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(hù),有時就會有顯著的局限性[3],如在部分單相微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步依靠外部設(shè)備,如小型斷路器快速切除故障,才能可靠地保護(hù)變流器設(shè)備。

此外,分布式電源變流器均具備孤島效應(yīng)保護(hù)功能,但實(shí)際應(yīng)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(shí)現(xiàn)孤島效應(yīng)的輔助后備保護(hù),就能進(jìn)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(hù)器,提出一種新型復(fù)合保護(hù)斷路器,能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)過電壓的速斷保護(hù),以及孤島效應(yīng)的輔助保護(hù)[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(hù)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(xiàng)要求。

1 剩余電流保護(hù)器原理

1.1 剩余電流保護(hù)器結(jié)構(gòu)

剩余電流保護(hù)器的工作原理如圖1所示。主要的感應(yīng)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(hù)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(chǎn)生的總磁通為零,零序電流互感器二次線圈無輸出。當(dāng)發(fā)生漏電時,漏電電流通過大地成回路,亦即產(chǎn)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(yīng)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(dá)到預(yù)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(guān)規(guī)定,剩余電流保護(hù)器的額定剩余電流動作值為30 mA,當(dāng)電流達(dá)到30 mA時,保護(hù)器必須在0.1 s內(nèi)脫扣。

1.2 利用剩余電流保護(hù)器實(shí)現(xiàn)附加保護(hù)功能

通過該電路,如果借鑒現(xiàn)有剩余電流保護(hù)器的脫扣執(zhí)行機(jī)構(gòu)與檢測機(jī)構(gòu),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(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的特殊保護(hù)需求。

剩余電流保護(hù)器采用零序電流互感器實(shí)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(dāng)某種情況下使該兩端口電路導(dǎo)通,則相線通過該兩端口電路與中性線產(chǎn)生電流,而該電流是零序電流互感器的不平衡電流,當(dāng)該電流大于剩余電流保護(hù)器的動作電流30 mA時,就可使剩余電流保護(hù)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(shí)現(xiàn)基于剩余電流保護(hù)器的附加保護(hù)功能[8]。

將該兩端口電路設(shè)計(jì)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(guān),即可起到電網(wǎng)過電壓或孤島效應(yīng)等異常的特殊保護(hù)?；谑Ｓ嚯娏鞅Ｗo(hù)器的附加保護(hù)功能實(shí)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(shè)計(jì)成足夠簡潔可靠。

圖2 基于剩余電流保護(hù)器的附加保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)方式

2 電網(wǎng)擾動檢測電路設(shè)計(jì)

2.1 過電壓快速檢測電路設(shè)計(jì)

過電壓一直是困擾各種電力電子設(shè)備的一個重要隱患,因此電力電子設(shè)備的過電壓保護(hù)力求快速,然而很多既有的過電壓保護(hù)檢測方式較為老套,通過電壓波形采集、AD轉(zhuǎn)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(fù)雜、響應(yīng)速度偏慢的問題[9]。本文提出利用SIDAC元件設(shè)計(jì)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(fù)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(chǎn)生微安級漏電流;當(dāng)兩端施加電壓超過開啟電壓UBO以后,瞬間導(dǎo)通,二極管迅速轉(zhuǎn)為低阻導(dǎo)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(dǎo)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(guān)斷,其開通模式接近壓敏電阻,關(guān)斷模式接近晶閘管,利用其特殊伏安特性,可以設(shè)計(jì)過電壓檢測電路。SIDAC元件的響應(yīng)速度達(dá)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dāng)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(hù)器動作電流;當(dāng)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(hù)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(yuǎn)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(diào)壓電路一致,當(dāng)交流系統(tǒng)電壓峰值小于UBO,整個時間周期內(nèi)電路都不會導(dǎo)通;當(dāng)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(dǎo)通,直至電壓過零點(diǎn)關(guān)斷,等待下個半波的重新觸發(fā)導(dǎo)通。交流電壓下SIDAC導(dǎo)通波形如圖5所示。

圖5 交流電壓下SIDAC導(dǎo)通波形

設(shè)每半波內(nèi)SIDAC從關(guān)斷到導(dǎo)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(dǎo)通狀態(tài)下α與Um關(guān)系為

(1)

設(shè)U為交流電網(wǎng)電壓有效值,則晶閘管交流調(diào)壓電路阻性負(fù)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(dāng)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(shè)定在略高于設(shè)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(dǎo)通,通過設(shè)定限流電阻R的值,使SIDAC導(dǎo)通后的電流不小于剩余電流保護(hù)器的動作電流即可?？紤]到斷路器運(yùn)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(hù)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(shè)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(dǎo)通至本半波的電流過零點(diǎn),那么SIDAC二極管受到電涌電壓后的最大導(dǎo)通時間僅10 ms,遠(yuǎn)小于剩余電流保護(hù)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(dāng)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(dǎo)通閾值,為保證剩余電流保護(hù)器可靠動作,設(shè)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(shè)計(jì)

2.2.1 頻率偏移檢測意義

孤島效應(yīng)保護(hù)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(yīng)用主動式與被動式孤島效應(yīng)保護(hù)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(hù)檢測較簡單,故常發(fā)生外部電網(wǎng)故障后停機(jī)緩慢等問題,且其停機(jī)僅依靠變流器停機(jī),不能實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的機(jī)械斷開點(diǎn)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(yīng)檢測技術(shù),借助剩余電流保護(hù)器實(shí)現(xiàn)孤島效應(yīng)的輔助保護(hù),從而令低壓小容量微電網(wǎng)系統(tǒng)的孤島保護(hù)更為可靠,進(jìn)而減少電網(wǎng)出現(xiàn)孤島效應(yīng)[10]。

2.2.2 基于LC諧振電路的頻率偏移檢測電路設(shè)計(jì)

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(dāng)頻率偏離諧振點(diǎn)后,電路阻抗降低,電流增大。依LC諧振電路設(shè)計(jì)的頻率偏移檢測電路如圖6所示。

圖6 依LC諧振電路設(shè)計(jì)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(dǎo)納為(r為電感電阻)

(4)

(5)

R1為取樣電阻,阻值遠(yuǎn)小于諧振電路的阻抗,設(shè)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(dāng)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(dǎo)通,致使剩余電流保護(hù)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(yīng)保護(hù)作用。系統(tǒng)頻率正常時,并聯(lián)諧振電路的導(dǎo)納很小,R1兩端的電壓遠(yuǎn)低于晶閘管的門極觸發(fā)電壓,晶閘管不會誤觸發(fā)導(dǎo)通,當(dāng)電網(wǎng)有瞬時擾動時,如開關(guān)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(shí)踐中可以適當(dāng)增大L的取值提升Q值,以實(shí)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(shè)計(jì)R1取值,如R1取200 Ω,則當(dāng)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(dǎo)通,對應(yīng)頻率偏移約7 Hz。

3 整機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

3.1 整機(jī)電路設(shè)計(jì)

整機(jī)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(hù)器結(jié)合。整機(jī)電路設(shè)計(jì)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(jī)電路設(shè)計(jì)

3.2 樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)上文的分析結(jié)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(yàn)如表1所示;不同頻率的斷路器跳閘速度試驗(yàn)如表2所示。

表1 不同電壓的斷路器跳閘速度試驗(yàn)

表2 不同頻率的斷路器跳閘速度試驗(yàn)

試驗(yàn)表明,通過在既有剩余電流保護(hù)器的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)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(yīng)后備保護(hù)效果,且原理簡單、成本低廉,具有較好的實(shí)用價值。

4 結(jié) 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(yīng)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(shù)的保護(hù)設(shè)備還有很多提升的余地,部分單相微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步依靠外部設(shè)備,如小型斷路器快速切除故障,才能可靠地保護(hù)變流器設(shè)備。

此外,分布式電源變流器均具備孤島效應(yīng)保護(hù)功能,但實(shí)際應(yīng)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(shí)現(xiàn)孤島效應(yīng)的輔助后備保護(hù),則能進(jìn)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(hù)器,提出一種新型復(fù)合保護(hù)斷路器,能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)過電壓的速斷保護(hù)以及孤島效應(yīng)的輔助保護(hù),且結(jié)構(gòu)簡單、制造容易,可滿足小型斷路器標(biāo)準(zhǔn)化的要求,具備實(shí)用價值。