低压线路保护设计原理

低压线路保护装置的设计安科瑞师晴晴江苏安科瑞电器制造有限公司江苏江阴214405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AC400V（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。-2-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AC85V～AC265V；在有些场所中，低压控制回路会采用直流供电（DC110V或DC220V），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公司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GB14048-2012《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PIExpert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PIExpert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-3-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:Irt=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0r1；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[8]。图2典型反时限曲线该装置的反时限保护符合（2）式中：t-跳闸时间K-系数（见表1）I-电流测量值Is-程序设定的门限值α-系数（见表1）L-ANSI/IEEE系数（见表1）Tp-时间因子反时限过流保护曲线特性表如表1所示。-4-表1反时限过流保护曲线特性表式（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。-5-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。参考文献[1]张钢，刘志刚，岳岱巍，基于TOPSwitch及PIExpert的单端反激式开关电源设计[J].电源技术应用，2007，2（2）：1-4.ZHANGGang,LIUZhi-gang,YUEDai-wei，SHENMao-sheng.DesignofaMultipleOutputFlybackSwitchingModePowerSupplyBasedonTOPSwitchandPIExpert[J].POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS,2007,2(2):1-4.[2]何华锋，胡昌华，代延民.高精度A/D采样电路的干扰分析与电路设计[J].电光与控制，2005，10（5）：73-75.HEHuafeng,HUChanghua,DAIYanmin.Interferenceanalysisanddesignofhigh2precisionA/Dsamplingcircuit[J].ELECTRONICSOPTICS&CONTROL,2005，10（5）：73-75.[3]陈利玲，李杭生.付立叶变换在交流采样中的应用[J].电子测量与仪器学报，2005增刊，171-174.CHENLi-ling,LIHang-sheng.ApplicationofFourierTransforminAlternativeSampling[J].Journalof-6-Electronic,2005，171-174.[4]周军，李孝文，盛艳.准同步采样在电力系统频率、频偏和相位差测量中的应用[J].计量学报，1999，20（2）：151-154.ZhouJun，LiXiaowen，ShengYan.ApplicationofDouble·SpeedSynchronousSampling[J].ACTAMETRoLoGICASINICA，1999,20(2)：151-154.[5]戴先中.准同步采样及其在非正弦功率测量中的应用[J].仪器仪表学报，1984；5(4)390-396.DAIXian-zhong.TheQuasisynchronousSamplinganditsApplicationintheMeasurementofNonsinusoidalPower.CHINESEJOURNALOFSCIENTIFICINSTRUMENT.[6]何立志.工频量快速测量方法的研究[J].电测与仪表，2001，4：16-18.HeLizhi.Theresearchofthefast-measuringmethodsformainfrequencyparameters[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation，2001，4：16-18.[7]徐忠林，叶一麟，等.一种微机反时限过流保护的新算法[J].电力自动化设备,1996,25(8):3-6.XUZong-lin,YEYi-tan,etal.ANewAlgorithmfortheMicroprocessor-basedInverse-timeOvercurrentRelay[J].ElectticPowerAutomationEquipment,1996,25(8):3-6.[8]严支斌，尹项根，邵德军，刘革明.新型微机反时限过流保护曲线特性及算法研究[J].继电器，2005，4（8）：44-46.YANZhi-bin,YINXiao-ge,SHAODe-jun,LIUGe-ming.Researchoncurvecharacteristicsandalgorithmsofnewdigitalinverse-timeovercurrent[J].RELAY,2005,4(8):44-46.[9]KojovicLA.RogowskiCoilsSuitRelayProtectionandMeasurement[J].IEEEComputerApplicationandElectricPower,1997,10:47-52.