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低压线路保护装置的设计

 俞洋1 赵波2  王君伟3  周佳4  邵桦5
(1.华南理工大学建筑设计研究院,广州 510641)
(2.江苏安科瑞电器制造有限亚洲名仕msyz777,江苏 江阴 214405)
(3.安科瑞电气股份有限亚洲名仕msyz777,上海 嘉定 201801)

摘要:设计了一种低压线路专用保护装置,可配合断路器使用,对线路的过载、接地、过压、欠压等故障进行保护,提高低压配电系统的用电安全和用电可靠性,简化配电柜设计,提高自动化程度。
关键词:低压线路保护;反时限曲线;过流保护;硬件电路

 0 引言
  目前低压(交流不超过1000V或直流不超过1500V)配电保护多选用塑壳断路器、熔断器或剩余电流动作保护器,实现速断、长延时保护,但很多塑壳断路器动作精度不够,难以实现级间选择性配合,可能会造成上下级连跳、扩大事故。另外,塑壳断路器不具备信号实时监测显示、事件记录和通讯组网等功能。  
  因此,本文设计一种低压线路保护装置,配合断路器使用,可以对线路的过载、接地、过压、欠压等故障进行保护。

 1 低压线路保护装置的设计 
  低压线路保护装置用于AC 400V(或690V)电压等级中的产品,安装在低压馈线柜中,采用嵌入式或导轨安装。产品的正常工作条件:工作温度为-10℃~+55℃,海拔不高于2000米,环境中无明显腐蚀性气体,湿度≤95%,不结露。为满足配电标准中对线路过载、接地故障的保护要求,设计有两段定时限保护和反时限保护(标准反时限、极端反时限等8种曲线),另外带有欠压保护和过压保护等多种保护功能。装置由硬件平台和软件平台组成。硬件组成框图如图1所示。

 

图1 硬件组成框图

 1.1主要硬件电路的设计

  在低压系统中当大功率电机起动时,可能引起电网电压瞬间降低。为防止电压降低引起装置误动作,装置电源输入范围设计为AC 85V~AC 265V;在有些场所中,低压控制回路会采用直流供电(DC 110V或DC 220V),因此电源需要支持交流和直流两种方式。常用的线性电源不能很好的满足这些要求,因此采用开关电源方案来设计装置电源。本装置使用PI亚洲名仕msyz777的开关电源芯片做电源设计,整体功率在8VA左右,电源的输入、输出间要满足2kV工频耐压(工频耐压等级可参见GB 14048-2012《低压开关设备和控制设备》),能通过4级电涌试验。在开关电源中,通过使用PI Expert自带的变压器设计软件降低变压器的设计难度。开关变压器设计简单描述如下:拓扑结构为反激式,反馈类型为次级TL431,输入电压选为通用型(85~265)V,根据实际情况设计输出电压和功率,需要输出电压隔离时可在叠加选项中将输出设置为分离式。变压器设计时,需要综合考虑效率、磁通密度、铁芯、骨架等参数,有时调整效率会引起磁通变化,反而使变压器性能变差。变压器设计完成后进行PCB设计,可以参考PI Expert推荐的布局、布线,减小环路,以防带来不可预知的干扰信号。  

  低压馈线中的电压、电流信号相对于本装置内部的采集电路属于高电压、大电流信号,需要将其变为低压、小电流信号。选用电压互感器、电流互感器时,需结合产品特点,如普通电测仪表选用电流互感器时,只考虑过载能力为额定值的120%,但保护装置需考虑使用5P10、10P20甚至更高过载能力的保护级电流互感器。设计采样电路时需要综合考虑电阻的功率、电压、温漂系数、精度等参数。如使用10P20电流互感器设计电流采样电路时,同样要考虑能承受20倍过载(互感器二次侧)的取样电阻。取样电阻选取后,再设计后级的信号处理电路。信号处理电路包括滤波、放大等电路。滤波电路设计时一般会采用低通滤波,滤除不需要的干扰信息,滤波截止频率要与软件采样频率匹配。信号放大电路设计时需考虑信号范围、线性度等参数,必要时需要做分段处理。该装置直接采用交流放大,配合软件完成真有效值计算、矢量计算等。

1.2软件设计

  现阶段的低压供电系统会存在谐波源,给电网带来谐波污染,因此低压线路保护装置需要选取基于非正弦信号的测量算法。基于非正弦信号算法包括傅里叶算法、一阶差分后半波傅里叶算法、真有效值等算法。傅里叶算法可以分解出各整次谐波信息,在保护类产品中被大量使用。如果出现频率偏移、信号中带有衰减的直流分量时,需要采取相应的措施,否则造成计算错误。  

  针对线路过载、接地故障,低压线路保护装置带有反时限保护功能。反时限可以简单的理解为:电流越大,保护动作越快,电流越小,保护动作时间越长。在电力系统继电保护中,反时限电流保护是广泛应用于发电机、变压器、电动机以及输电线路的保护。反时限过流保护通常基于如下的时间—电流反时限特性:

Irt=K                             (1)

其中,K为系数,r根据保护的不同使用场合而取不同的值:一般在被保护线路首端和末端短路、电流变化较小的情况下,采用定时限过流保护,定时限可以认为是一种特殊的反时限特性,即r=0;而在线路首末端短路、电流变化较大的情况下,则采用非常反时限特性,即r=1;通常输电线路采用一般反时限特性,即0<r<1;反应过热状态的过流保护,在与熔断器配合的场合则采用特别反时限特性,即r=2。

  典型的反时限特性曲线如图2所示,图中I/IOPR表示电流过流倍数。

图2 典型反时限曲线

  

  该装置的反时限保护符合

 

  反时限过流保护曲线特性表如表1所示。

 

 

  式(2)中,α=0.02时直接计算较困难,可以采用查表法、泰勒展开、曲线拟合等方法进行计算

  (1)采用查表法,令X=(I/Is),X在1.1~20间变化,变化步长为△X,每个步长计算一次X0.02,将计算结果存放到EEPROM中,实际电流有波动区间,所以计算步长不宜设置过大或过小,过大会影响X计算精度,导致t超差;步长过小,或加大EEPROM开销。

  (2)采用查表法,实际值与X相等时可以直接读取,不相等时通过插值算法计算所需数值,但EEPROM开销太大。

  (3)按照泰勒级数展开,即可以计算得X,当n=5时相对误差为0.44%,满足计算的时间精度要求,但运算量较大。

  (4)曲线拟合算法通过容易计算的曲线替代复杂曲线来简化计算过程,关键在于选取正确的拟合曲线。

2 实际应用

  某石化工程中需要对几个低压重要的馈线回路做过载、不平衡和接地保护,过载要求具有两段过流保护和反时限保护,并能配合后台的电力监控系统进行参数读取,通讯协议为MODBUS-RTU,可以在保护装置上直接显示电流、分合闸状态和故障信息,可以记录分合闸信息、故障信息。

  本文介绍的低压线路保护装置具备两段定时限过流保护,通过内部计算零序电流的方式判断接地故障,根据三相电流值做电流不平衡计算,并带有中文液晶显示、分合闸记录、故障记录,通讯等功能,完全满足要求。低压线路保护装置应用二次原理图见图3所示。图3中,通过电流互感器(1TA~3TA)实现主回路电流隔离、变换,电流互感器二次信号输入给本装置,本装置根据实际电流情况执行相应的过载、接地保护,要控制断路器分合闸时需加上相应的分励线圈、合闸线圈,无需通过装置自动合闸。所以图3中没有合闸线圈,仅带有分励线圈,在分断分励线圈时需要使用脉冲信号,或者将断路器的常开点串入。

 

 

 

 

图3 低压线路保护装置应用二次原理图

 

3 结束

  低压线路保护装置可以测量三相电流、三相电压、剩余电流、功率、频率和电能等参数,测量参数可在装置上显示,也可以通过RS-485通讯口上传给后台监控系统,可对线路的过负荷、接地、过压和欠压等故障进行保护。低压线路保护装置专为低压馈线设计,可用于电厂电气监控、工厂自动化、建筑电气配电和石化等场所。

文章来源:《现代建筑电气》2015年6期。

 

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