俞洋1 ， 趙波2 ， 王君偉3 ， 周佳4 ， 邵樺5
（1.華南理工大學建筑設計研究院，廣州 510641
2.江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405
3.安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801）
摘要： 設計了一種低壓線路專用保護裝置，可配合斷路器使用，對線路的過載、接地、過壓、欠壓等故障進行保護，提高低壓配電系統的用電安全和用電可靠性，簡化配電柜設計，提高自動化程度。
關鍵詞: 低壓線路保護；反時限曲線；過流保護；硬件電路
0 引言
目前低壓（交流不超過1000V或直流不超過1500V）配電保護多選用塑殼斷路器、熔斷器或剩余電流動作保護器，實現速斷、長延時保護，但很多塑殼斷路器動作精度不夠，難以實現級間選擇性配合，可能會造成上下級連跳、擴大事故。另外，塑殼斷路器不具備信號實時監測顯示、事件記錄和通訊組網等功能。
因此，本文設計一種低壓線路保護裝置，配合斷路器使用，可以對線路的過載、接地、過壓、欠壓等故障進行保護。
1 低壓線路保護裝置的設計
低壓線路保護裝置用于AC 400V（或690V）電壓等級中的產品，安裝在低壓饋線柜中，采用嵌入式或導軌安裝。產品的正常工作條件：工作溫度為-10℃～+55℃，海拔不高于2000米，環境中無明顯腐蝕性氣體，濕度≤95%，不結露。為滿足配電標準中對線路過載、接地故障的保護要求，設計有兩段定時限保護和反時限保護（標準反時限、極端反時限等8種曲線），另外帶有欠壓保護和過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時，可能引起電網電壓瞬間降低。為防止電壓降低引起裝置誤動作，裝置電源輸入范圍設計為AC 85V～AC 265V；在有些場所中，低壓控制回路會采用直流供電（DC 110V或DC 220V），因此電源需要支持交流和直流兩種方式。常用的線性電源不能很好的滿足這些要求，因此采用開關電源方案來設計裝置電源。本裝置使用PI公司的開關電源芯片做電源設計，整體功率在8VA左右，電源的輸入、輸出間要滿足2kV工頻耐壓（工頻耐壓等級可參見GB 14048-2012《低壓開關設備和控制設備》），能通過4級電涌試驗。在開關電源中，通過使用PI Expert自帶的變壓器設計軟件降低變壓器的設計難度。開關變壓器設計簡單描述如下：拓撲結構為反激式，反饋類型為次級TL431，輸入電壓選為通用型（85～265）V，根據實際情況設計輸出電壓和功率，需要輸出電壓隔離時可在疊加選項中將輸出設置為分離式。變壓器設計時，需要綜合考慮效率、磁通密度、鐵芯、骨架等參數，有時調整效率會引起磁通變化，反而使變壓器性能變差。變壓器設計完成后進行PCB設計，可以參考PI Expert推薦的布局、布線，減小環路，以防帶來不可預知的干擾信號。
低壓饋線中的電壓、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，需要將其變為低壓、小電流信號。選用電壓互感器、電流互感器時，需結合產品特點，如普通電測儀表選用電流互感器時，只考慮過載能力為額定值的120%，但保護裝置需考慮使用5P10、10P20甚至更高過載能力的保護級電流互感器。設計采樣電路時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，同樣要考慮能承受20倍過載（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。濾波電路設計時一般會采用低通濾波，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需考慮信號范圍、線性度等參數，必要時需要做分段處理。該裝置直接采用交流放大，配合軟件完成真有效值計算、矢量計算等。
1.2軟件設計
現階段的低壓供電系統會存在諧波源，給電網帶來諧波污染，因此低壓線路保護裝置需要選取基于非正弦信號的測量算法。基于非正弦信號算法包括傅里葉算法、一階差分后半波傅里葉算法、真有效值等算法。傅里葉算法可以分解出各整次諧波信息，在保護類產品中被大量使用。如果出現頻率偏移、信號中帶有衰減的直流分量時，需要采取相應的措施，否則造成計算錯誤。
針對線路過載、接地故障，低壓線路保護裝置帶有反時限保護功能。反時限可以簡單的理解為：電流越大，保護動作越快，電流越小，保護動作時間越長。在電力系統繼電保護中，反時限電流保護是廣泛應用于發電機、變壓器、電動機以及輸電線路的保護。反時限過流保護通常基于如下的時間—電流反時限特性:
Ir*t=K （1）
其中，K為系數，r根據保護的不同使用場合而取不同的值：一般在被保護線路首端和末端短路、電流變化較小的情況下，采用定時限過流保護，定時限可以認為是一種特殊的反時限特性，即r=0；而在線路首末端短路、電流變化較大的情況下，則采用非常反時限特性，即r=1；通常輸電線路采用一般反時限特性，即0<r<1；反應過熱狀態的過流保護，在與熔斷器配合的場合則采用特別反時限特性，即r=2。
典型的反時限特性曲線如圖2所示，圖中I/IOPR表示電流過流倍數[8]。
圖2 典型反時限曲線
該裝置的反時限保護符合
式中：
t - 跳閘時間
K - 系數（見表1）
I - 電流測量值
Is - 程序設定的門限值
α - 系數（見表1）
L - ANSI/IEEE系數（見表1）
Tp - 時間因子
反時限過流保護曲線特性表如表1所示。
表1 反時限過流保護曲線特性表
式（2）中，α=0.02時直接計算較困難，可以采用查表法、泰勒展開、曲線擬合等方法進行計算
（1）采用查表法，令X=（I/Is）,X在1.1～20間變化，變化步長為△X，每個步長計算一次X0.02，將計算結果存放到EEPROM中，實際電流有波動區間，所以計算步長不宜設置過大或過小，過大會影響X計算精度，導致t超差；步長過小，或加大EEPROM開銷。
（2）采用查表法，實際值與X相等時可以直接讀取，不相等時通過插值算法計算所需數值，但EEPROM開銷太大。
（3）按照泰勒級數展開，即可以計算得X,當n=5時相對誤差為0.44%，滿足計算的時間精度要求，但運算量較大。
（4）曲線擬合算法通過容易計算的曲線替代復雜曲線來簡化計算過程，關鍵在于選取正確的擬合曲線。
2 實際應用
某石化工程中需要對幾個低壓重要的饋線回路做過載、不平衡和接地保護，過載要求具有兩段過流保護和反時限保護，并能配合后臺的電力監控系統進行參數讀取，通訊協議為MODBUS-RTU，可以在保護裝置上直接顯示電流、分合閘狀態和故障信息，可以記錄分合閘信息、故障信息。
本文介紹的低壓線路保護裝置具備兩段定時限過流保護，通過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，完全滿足要求。低壓線路保護裝置應用二次原理圖見圖3所示。圖3中，通過電流互感器（1TA～3TA）實現主回路電流隔離、變換，電流互感器二次信號輸入給本裝置，本裝置根據實際電流情況執行相應的過載、接地保護，要控制斷路器分合閘時需加上相應的分勵線圈、合閘線圈，無需通過裝置自動合閘。所以圖3中沒有合閘線圈，僅帶有分勵線圈，在分斷分勵線圈時需要使用脈沖信號，或者將斷路器的常開點串入。
圖3 低壓線路保護裝置應用二次原理圖
3 結束
低壓線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RS-485通訊口上傳給后臺監控系統，可對線路的過負荷、接地、過壓和欠壓等故障進行保護。低壓線路保護裝置專為低壓饋線設計，可用于電廠電氣監控、工廠自動化、建筑電氣配電和石化等場所。
文章來源：《現代建筑電氣》2015年6期。
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作者簡介：
趙 波（1982-），男，本科，主要從事電動機控制器的設計與應用；E-mail:ACREL009@VIP.163.COM
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