摘要
設(shè)計(jì)了一種低壓線路保護(hù)裝置，可配合斷路器使用，對(duì)線路的過載、接地、過壓、欠壓等故障進(jìn)行保護(hù)，提高低壓配電系統(tǒng)的用電安全和用電可靠性，簡(jiǎn)化配電柜設(shè)計(jì)，提高自動(dòng)化程度。
關(guān)鍵詞:低壓線路保護(hù)；反時(shí)限曲線；過流保護(hù)；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(hù)多選用塑殼斷路器、熔斷器或剩余電流動(dòng)作保護(hù)器，實(shí)現(xiàn)速斷、長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)，但很多塑殼斷路器動(dòng)作精度不夠，難以實(shí)現(xiàn)級(jí)間選擇性配合，可能會(huì)造成上下級(jí)連跳、擴(kuò)大事故。另外，塑殼斷路器不具備信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示、事件記錄和通訊組網(wǎng)等功能。
因此，本文設(shè)計(jì)一種低壓線路保護(hù)裝置，配合斷路器使用，可以對(duì)線路的過載、接地、過壓、欠壓等故障進(jìn)行保護(hù)。
1 低壓線路保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)
低壓線路保護(hù)裝置用于AC 400V（或690V）電壓等級(jí)中的產(chǎn)品，安裝在低壓饋線柜中，采用嵌入式或?qū)к壈惭b。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)境中無明顯腐蝕性氣體，濕度≤95%，不結(jié)露。為滿足配電標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)線路過載、接地故障的保護(hù)要求，設(shè)計(jì)有兩段定時(shí)限保護(hù)和反時(shí)限保護(hù)（標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限、反時(shí)限等8種曲線），另外帶有欠壓保護(hù)和過壓保護(hù)等多種保護(hù)功能。裝置由硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)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(shè)計(jì)
在低壓系統(tǒng)中當(dāng)大功率電機(jī)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(shè)計(jì)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。常用的線性電源不能很好的滿足這些要求，因此采用開關(guān)電源方案來設(shè)計(jì)裝置電源。本裝置使用PI公司的開關(guān)電源芯片做電源設(shè)計(jì)，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(jí)可參見GB 14048-2012《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》），能通過4級(jí)電涌試驗(yàn)。在開關(guān)電源中，通過使用PI Expert自帶的變壓器設(shè)計(jì)軟件降低變壓器的設(shè)計(jì)難度。開關(guān)變壓器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單描述如下：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為反激式，反饋類型為次級(jí)TL431，輸入電壓選為通用型（85～265）V，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)輸出電壓和功率，需要輸出電壓隔離時(shí)可在疊加選項(xiàng)中將輸出設(shè)置為分離式。變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮效率、磁通密度、鐵芯、骨架等參數(shù)，有時(shí)調(diào)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(shè)計(jì)完成后進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，可以參考PI Expert推薦的布局、布線，減小環(huán)路，以防帶來不可預(yù)知的干擾信號(hào)。
低壓饋線中的電壓、電流信號(hào)相對(duì)于本裝置內(nèi)部的采集電路屬于高電壓、大電流信號(hào)，需要將其變?yōu)榈蛪?、小電流信?hào)。選用電壓互感器、電流互感器時(shí)，需結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)，如普通電測(cè)儀表選用電流互感器時(shí)，只考慮過載能力為額定值的120%，但保護(hù)裝置需考慮使用5P10、10P20甚至更高過載能力的保護(hù)級(jí)電流互感器。設(shè)計(jì)采樣電路時(shí)需要綜合考慮電阻的功率、電壓、溫漂系數(shù)、精度等參數(shù)。如使用10P20電流互感器設(shè)計(jì)電流采樣電路時(shí)，同樣要考慮能承受20倍過載（互感器二次側(cè)）的取樣電阻。取樣電阻選取后，再設(shè)計(jì)后級(jí)的信號(hào)處理電路。信號(hào)處理電路包括濾波、放大等電路。濾波電路設(shè)計(jì)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(hào)放大電路設(shè)計(jì)時(shí)需考慮信號(hào)范圍、線性度等參數(shù)，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(jì)算、矢量計(jì)算等。
1.2 軟件設(shè)計(jì)
現(xiàn)階段的低壓供電系統(tǒng)會(huì)存在諧波源，給電網(wǎng)帶來諧波污染，因此低壓線路保護(hù)裝置需要選取基于非正弦信號(hào)的測(cè)量算法。基于非正弦信號(hào)算法包括傅里葉算法、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(hù)類產(chǎn)品中被大量使用。如果出現(xiàn)頻率偏移、信號(hào)中帶有衰減的直流分量時(shí)，需要采取相應(yīng)的措施，否則造成計(jì)算錯(cuò)誤。
針對(duì)線路過載、接地故障，低壓線路保護(hù)裝置帶有反時(shí)限保護(hù)功能。反時(shí)限可以簡(jiǎn)單的理解為：電流越大，保護(hù)動(dòng)作越快，電流越小，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)。在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中，反時(shí)限電流保護(hù)是廣泛應(yīng)用于發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)以及輸電線路的保護(hù)。反時(shí)限過流保護(hù)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(shù)，r根據(jù)保護(hù)的不同使用場(chǎng)合而取不同的值：一般在被保護(hù)線路首端和末端短路、電流
變化較小的情況下，采用定時(shí)限過流保護(hù)，定時(shí)限可以認(rèn)為是一種特殊的反時(shí)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(shí)限特性，即r=1；通常輸電線路采用一般反時(shí)限特性，即0<r<1；反應(yīng)過熱狀態(tài)的過流保護(hù)，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)限特性曲線如圖2所示，圖中I/IOPR表示電流過流倍數(shù)[8]。
圖2 典型反時(shí)限曲線
該裝置的反時(shí)限保護(hù)符合
（2）
式中：
t - 跳閘時(shí)間
K - 系數(shù)（見表1）
I - 電流測(cè)量值
Is - 程序設(shè)定的門限值
α - 系數(shù)（見表1）
L - ANSI/IEEE系數(shù)（見表1）
Tp - 時(shí)間因子
反時(shí)限過流保護(hù)曲線特性表如表1所示。
表1 反時(shí)限過流保護(hù)曲線特性表
式（2）中，α=0.02時(shí)直接計(jì)算較困難，可以采用查表法、泰勒展開、曲線擬合等方法進(jìn)行計(jì)算
（1）采用查表法，令X=（I/Is）,X在1.1～20間變化，變化步長(zhǎng)為△X，每個(gè)步長(zhǎng)計(jì)算一次X0.02，將計(jì)算結(jié)果存放到EEPROM中，實(shí)際電流有波動(dòng)區(qū)間，所以計(jì)算步長(zhǎng)不宜設(shè)置過大或過小，過大會(huì)影響X計(jì)算精度，導(dǎo)致t超差；步長(zhǎng)過小，或加大EEPROM開銷。
（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)通過插值算法計(jì)算所需數(shù)值，但EEPROM開銷太大。
（3）按照泰勒級(jí)數(shù)展開，即可以計(jì)算得X,當(dāng)n=5時(shí)相對(duì)誤差為0.44%，滿足計(jì)算的時(shí)間精度要求，但運(yùn)算量較大。
（4）曲線擬合算法通過容易計(jì)算的曲線替代復(fù)雜曲線來簡(jiǎn)化計(jì)算過程，關(guān)鍵在于選取正確的擬合曲線。
2 實(shí)際應(yīng)用
某石化工程中需要對(duì)幾個(gè)低壓重要的饋線回路做過載、不平衡和接地保護(hù)，過載要求具有兩段過流保護(hù)和反時(shí)限保護(hù)，并能配合后臺(tái)的電力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)讀取，通訊協(xié)議為MODBUS-RTU，可以在保護(hù)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。
本文介紹的低壓線路保護(hù)裝置具備兩段定時(shí)限過流保護(hù)，通過內(nèi)部計(jì)算零序電流的方式判斷接地故障，根據(jù)三相電流值做電流不平衡計(jì)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。低壓線路保護(hù)裝置應(yīng)用二次原理圖見圖3所示。圖3中，通過電流互感器（1TA～3TA）實(shí)現(xiàn)主回路電流隔離、變換，電流互感器二次信號(hào)輸入給本裝置，本裝置根據(jù)實(shí)際電流情況執(zhí)行相應(yīng)的過載、接地保護(hù)，要控制斷路器分合閘時(shí)需加上相應(yīng)的分勵(lì)線圈、合閘線圈，無需通過裝置自動(dòng)合閘。所以圖3中沒有合閘線圈，僅帶有分勵(lì)線圈，在分?jǐn)喾謩?lì)線圈時(shí)需要使用脈沖信號(hào)，或者將斷路器的常開點(diǎn)串入。
圖3 低壓線路保護(hù)裝置應(yīng)用二次原理圖
3 結(jié)束
低壓線路保護(hù)裝置可以測(cè)量三相電流、三相電壓、剩余電流、功率、頻率和電能等參數(shù)，測(cè)量參數(shù)可在裝置上顯示，也可以通過RS-485通訊口上傳給后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)線路的過負(fù)荷、接地、過壓和欠壓等故障進(jìn)行保護(hù)。低壓線路保護(hù)裝置專為低壓饋線設(shè)計(jì)，可用于電廠電氣監(jiān)控、工廠自動(dòng)化、建筑電氣配電和石化等場(chǎng)所。
文章來源：《現(xiàn)代建筑電氣》2015年6期。
參考文獻(xiàn)
[1] 張鋼，劉志剛，岳岱巍，基于TOPSwitch及PI Expert的單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2007，2（2）：1-4.
HANG Gang, LIU hi-gang, YUE Dai-wei，SHEN Mao-sheng.Design of a M ultiple Output Flyback Switching Mode PowerSupply Based on TOPSwitch and PI Expert [J]. POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS , 2007,2 (2): 1-4.
[2] 何華鋒，胡昌華，代延民.高精度A/D采樣電路的干擾分析與電路設(shè)計(jì)[J].電光與控制，2005，10（5）：73-75.
HE Huafeng , HU Changhua , DAI Yanmin. Interference analysis and design of high2precision A/ D sampling circuit [J]. ELECTRONICS OPTICS &CONTROL, 2005，10（5）：73-75.
[3] 陳利玲，李杭生. 付立葉變換在交流采樣中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2005增刊，171-174.
CHEN Li-ling,LI Hang-sheng.Application of Fourier Transform in Alternative Sampling[J].Journal of Electronic, 2005，171-174.
[4] 周 軍，李孝文，盛艷.準(zhǔn)同步采樣在電力系統(tǒng)頻率、頻偏和相位差測(cè)量中的應(yīng)用[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，1999，20（2）：151-154.
hou Jun，Li Xiaowen，Sheng Yan. Application of Double·Speed Synchronous Sampling[J]. ACTA METRoLoGICA SINICA，1999,20(2)：151-154.
[5] 戴先中.準(zhǔn)同步采樣及其在非正弦功率測(cè)量中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，1984；5(4) 390-396.
DAI Xian-zhong.The Quasisynchronous Sampling and its Application in the Measurement of Nonsinusoidal Power.CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT.
[6] 何立志. 工頻量快速測(cè)量方法的研究[J].電測(cè)與儀表，2001，4：16-18.
He Lizhi.The research of the fast-measuring methods for main frequency parameters[J].Electrical Measurement & Instrumentation，2001，4：16-18.
[7] 徐忠林，葉一麟，等. 一種微機(jī)反時(shí)限過流保護(hù)的新算法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,1996,25(8):3-6.
XU ong-lin,YE Yi-tan,et al. A New Algorithm for the Microprocessor-based Inverse-time Overcurrent Relay[J].Electtic Power Automation Equipment,1996,25(8):3-6.
[8] 嚴(yán)支斌，尹項(xiàng)根，邵德軍，劉革明.新型微機(jī)反時(shí)限過流保護(hù)曲線特性及算法研究[J].繼電器，2005，4（8）：44-46.
YAN hi-bin,YIN Xiao-ge,SHAO De-jun,LIU Ge-ming. Research on curve characteristics and algorithms of new digital inverse-time overcurrent[J]. RELAY, 2005,4(8):44-46.
[9] Kojovic LA.Rogowski Coils Suit Relay Protection and Measurement[J].IEEE Computer Application andElectric Power,1997,10:47-52.
