摘要
設計了一種低壓線(xiàn)路保護裝置，可配合斷路器使用，對線(xiàn)路的過(guò)載、接地、過(guò)壓、欠壓等故障進(jìn)行保護，提高低壓配電系統的用電安全和用電可靠性，簡(jiǎn)化配電柜設計，提高自動(dòng)化程度。
關(guān)鍵詞:低壓線(xiàn)路保護；反時(shí)限曲線(xiàn)；過(guò)流保護；硬件電路
0 引言
目前低壓（交流不超過(guò)1000V或直流不超過(guò)1500V）配電保護多選用塑殼斷路器、熔斷器或剩余電流動(dòng)作保護器，實(shí)現速斷、長(cháng)延時(shí)保護，但很多塑殼斷路器動(dòng)作精度不夠，難以實(shí)現級間選擇性配合，可能會(huì )造成上下級連跳、擴大事故。另外，塑殼斷路器不具備信號實(shí)時(shí)監測顯示、事件記錄和通訊組網(wǎng)等功能。
因此，本文設計一種低壓線(xiàn)路保護裝置，配合斷路器使用，可以對線(xiàn)路的過(guò)載、接地、過(guò)壓、欠壓等故障進(jìn)行保護。
1 低壓線(xiàn)路保護裝置的設計
低壓線(xiàn)路保護裝置用于A(yíng)C 400V（或690V）電壓等級中的產(chǎn)品，安裝在低壓饋線(xiàn)柜中，采用嵌入式或導軌安裝。產(chǎn)品的正常工作條件：工作溫度為-10℃～+55℃，海拔不高于2000米，環(huán)境中無(wú)明顯腐蝕性氣體，濕度≤95%，不結露。為滿(mǎn)足配電標準中對線(xiàn)路過(guò)載、接地故障的保護要求，設計有兩段定時(shí)限保護和反時(shí)限保護（標準反時(shí)限、反時(shí)限等8種曲線(xiàn)），另外帶有欠壓保護和過(guò)壓保護等多種保護功能。裝置由硬件平臺和軟件平臺組成。硬件組成框圖如圖1所示。
圖1 硬件組成框圖
1.1 主要硬件電路的設計
在低壓系統中當大功率電機起動(dòng)時(shí)，可能引起電網(wǎng)電壓瞬間降低。為防止電壓降低引起裝置誤動(dòng)作，裝置電源輸入范圍設計為AC 85V～AC 265V；在有些場(chǎng)所中，低壓控制回路會(huì )采用直流供電（DC 110V或DC 220V），因此電源需要支持交流和直流兩種方式。常用的線(xiàn)性電源不能很好的滿(mǎn)足這些要求，因此采用開(kāi)關(guān)電源方案來(lái)設計裝置電源。本裝置使用PI公司的開(kāi)關(guān)電源芯片做電源設計，整體功率在8VA左右，電源的輸入、輸出間要滿(mǎn)足2kV工頻耐壓（工頻耐壓等級可參見(jiàn)GB 14048-2012《低壓開(kāi)關(guān)設備和控制設備》），能通過(guò)4級電涌試驗。在開(kāi)關(guān)電源中，通過(guò)使用PI Expert自帶的變壓器設計軟件降低變壓器的設計難度。開(kāi)關(guān)變壓器設計簡(jiǎn)單描述如下：拓撲結構為反激式，反饋類(lèi)型為次級TL431，輸入電壓選為通用型（85～265）V，根據實(shí)際情況設計輸出電壓和功率，需要輸出電壓隔離時(shí)可在疊加選項中將輸出設置為分離式。變壓器設計時(shí)，需要綜合考慮效率、磁通密度、鐵芯、骨架等參數，有時(shí)調整效率會(huì )引起磁通變化，反而使變壓器性能變差。變壓器設計完成后進(jìn)行PCB設計，可以參考PI Expert推薦的布局、布線(xiàn)，減小環(huán)路，以防帶來(lái)不可預知的干擾信號。
低壓饋線(xiàn)中的電壓、電流信號相對于本裝置內部的采集電路屬于高電壓、大電流信號，需要將其變?yōu)榈蛪?、小電流信號。選用電壓互感器、電流互感器時(shí)，需結合產(chǎn)品特點(diǎn)，如普通電測儀表選用電流互感器時(shí)，只考慮過(guò)載能力為額定值的120%，但保護裝置需考慮使用5P10、10P20甚至更高過(guò)載能力的保護級電流互感器。設計采樣電路時(shí)需要綜合考慮電阻的功率、電壓、溫漂系數、精度等參數。如使用10P20電流互感器設計電流采樣電路時(shí)，同樣要考慮能承受20倍過(guò)載（互感器二次側）的取樣電阻。取樣電阻選取后，再設計后級的信號處理電路。信號處理電路包括濾波、放大等電路。濾波電路設計時(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。信號放大電路設計時(shí)需考慮信號范圍、線(xiàn)性度等參數，必要時(shí)需要做分段處理。該裝置直接采用交流放大，配合軟件完成真值計算、矢量計算等。
1.2 軟件設計
現階段的低壓供電系統會(huì )存在諧波源，給電網(wǎng)帶來(lái)諧波污染，因此低壓線(xiàn)路保護裝置需要選取基于非正弦信號的測量算法?；诜钦倚盘査惴òǜ道锶~算法、一階差分后半波傅里葉算法、真值等算法。傅里葉算法可以分解出各整次諧波信息，在保護類(lèi)產(chǎn)品中被大量使用。如果出現頻率偏移、信號中帶有衰減的直流分量時(shí)，需要采取相應的措施，否則造成計算錯誤。
針對線(xiàn)路過(guò)載、接地故障，低壓線(xiàn)路保護裝置帶有反時(shí)限保護功能。反時(shí)限可以簡(jiǎn)單的理解為：電流越大，保護動(dòng)作越快，電流越小，保護動(dòng)作時(shí)間越長(cháng)。在電力系統繼電保護中，反時(shí)限電流保護是廣泛應用于發(fā)電機、變壓器、電動(dòng)機以及輸電線(xiàn)路的保護。反時(shí)限過(guò)流保護通?；谌缦碌臅r(shí)間—電流反時(shí)限特性:
Ir*t=K （1）
其中，K為系數，r根據保護的不同使用場(chǎng)合而取不同的值：一般在被保護線(xiàn)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(guò)流保護，定時(shí)限可以認為是一種特殊的反時(shí)限特性，即r=0；而在線(xiàn)路首末端短路、電流變化較大的情況下，則采用非常反時(shí)限特性，即r=1；通常輸電線(xiàn)路采用一般反時(shí)限特性，即0<r<1；反應過(guò)熱狀態(tài)的過(guò)流保護，在與熔斷器配合的場(chǎng)合則采用特別反時(shí)限特性，即r=2。
典型的反時(shí)限特性曲線(xiàn)如圖2所示，圖中I/IOPR表示電流過(guò)流倍數[8]。
圖2 典型反時(shí)限曲線(xiàn)
該裝置的反時(shí)限保護符合
（2）
式中：
t - 跳閘時(shí)間
K - 系數（見(jiàn)表1）
I - 電流測量值
Is - 程序設定的門(mén)限值
α - 系數（見(jiàn)表1）
L - ANSI/IEEE系數（見(jiàn)表1）
Tp - 時(shí)間因子
反時(shí)限過(guò)流保護曲線(xiàn)特性表如表1所示。
表1 反時(shí)限過(guò)流保護曲線(xiàn)特性表
式（2）中，α=0.02時(shí)直接計算較困難，可以采用查表法、泰勒展開(kāi)、曲線(xiàn)擬合等方法進(jìn)行計算
（1）采用查表法，令X=（I/Is）,X在1.1～20間變化，變化步長(cháng)為△X，每個(gè)步長(cháng)計算一次X0.02，將計算結果存放到EEPROM中，實(shí)際電流有波動(dòng)區間，所以計算步長(cháng)不宜設置過(guò)大或過(guò)小，過(guò)大會(huì )影響X計算精度，導致t超差；步長(cháng)過(guò)小，或加大EEPROM開(kāi)銷(xiāo)。
（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(guò)插值算法計算所需數值，但EEPROM開(kāi)銷(xiāo)太大。
（3）按照泰勒級數展開(kāi)，即可以計算得X,當n=5時(shí)相對誤差為0.44%，滿(mǎn)足計算的時(shí)間精度要求，但運算量較大。
（4）曲線(xiàn)擬合算法通過(guò)容易計算的曲線(xiàn)替代復雜曲線(xiàn)來(lái)簡(jiǎn)化計算過(guò)程，關(guān)鍵在于選取正確的擬合曲線(xiàn)。
2 實(shí)際應用
某石化工程中需要對幾個(gè)低壓重要的饋線(xiàn)回路做過(guò)載、不平衡和接地保護，過(guò)載要求具有兩段過(guò)流保護和反時(shí)限保護，并能配合后臺的電力監控系統進(jìn)行參數讀取，通訊協(xié)議為MODBUS-RTU，可以在保護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(xiàn)路保護裝置具備兩段定時(shí)限過(guò)流保護，通過(guò)內部計算零序電流的方式判斷接地故障，根據三相電流值做電流不平衡計算，并帶有中文液晶顯示、分合閘記錄、故障記錄，通訊等功能，*要求。低壓線(xiàn)路保護裝置應用二次原理圖見(jiàn)圖3所示。圖3中，通過(guò)電流互感器（1TA～3TA）實(shí)現主回路電流隔離、變換，電流互感器二次信號輸入給本裝置，本裝置根據實(shí)際電流情況執行相應的過(guò)載、接地保護，要控制斷路器分合閘時(shí)需加上相應的分勵線(xiàn)圈、合閘線(xiàn)圈，無(wú)需通過(guò)裝置自動(dòng)合閘。所以圖3中沒(méi)有合閘線(xiàn)圈，僅帶有分勵線(xiàn)圈，在分斷分勵線(xiàn)圈時(shí)需要使用脈沖信號，或者將斷路器的常開(kāi)點(diǎn)串入。
圖3 低壓線(xiàn)路保護裝置應用二次原理圖
3 結束
低壓線(xiàn)路保護裝置可以測量三相電流、三相電壓、剩余電流、功率、頻率和電能等參數，測量參數可在裝置上顯示，也可以通過(guò)RS-485通訊口上傳給后臺監控系統，可對線(xiàn)路的過(guò)負荷、接地、過(guò)壓和欠壓等故障進(jìn)行保護。低壓線(xiàn)路保護裝置專(zhuān)為低壓饋線(xiàn)設計，可用于電廠(chǎng)電氣監控、工廠(chǎng)自動(dòng)化、建筑電氣配電和石化等場(chǎng)所。
文章來(lái)源：《現代建筑電氣》2015年6期。
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