一种新型的无源两相过电流继电器

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摘要：本文介绍了一种适用于两相不完全星形接线的两相过电流继电器，与传统的由多个继电器组成的保护系统相比，具有较高的抗干扰能力和工作可靠性，且运行维护更加简单方便。
关键词：饱和变压器 反时限 定时限
0 引言
目前，我国6kV～35kV变压器中性点不接地或经消弧线圈接地的系统线路的过电流保护、速断保护装置中使用的电流互感器均采用两相不完全星形接线方式，以提高供电的可靠性。由于两相不完全星形接线方式比三相星形接线方式少了三分之一的设备，所以节约了投资，并能提高中性点非直接接地系统供电的可靠性，故得到了广泛的应用。

阶段式电流保护中，两段式电流保护由瞬时或限时电流速断保护作为第一段，过电流保护作为第二段。最简单的两相不完全星形接线，需要由四台电流继电器、两台时间继电器、两台信号继电器、一台中间继电器组成，才能实现两段式线路保护。其展开图如下所示：

要实现这一套保护，不仅需要用的继电器数量多，接线复杂，而且需要提供直流电源，为此，我们设计了一种JGL-3/10系列两相过电流继电器，只需一台继电器便可实现上述保护的全部功能，在这里作以介绍。
　
1 原理与构成

继电器的原理框图如图2所示。


1.1 工作电源
继电器由集成电路构成，而由集成电路构成的继电器都必须有工作电源来维持运算放大器及逻辑回路的工作。近年来，由于有源的继电器在工作中存在电源部分发热，抗干扰性能差且增加了直流系统接地故障的几率等缺点，越来越多的用户在选型上更愿意选用无源的，除了这些缺点外，不用外接辅助电源对用户来说接线简单、经济实用也是一个主要的优点。
因此，电源部分设计为采样同时取工作电源，由一速饱和变压器经整流滤波后取得±12V电源，速饱和变压器采用R型铁心，利用其饱和特性及稳压电路 使得在电流增大时内部元件不致过热，电源电压仍能维持±12V。这种电路经试验证明，性能稳定，功耗小，是无源继电器获得内部电源的一种很好的方法。
原设计为从任意一相取电源，继电器仍能正常工作。因两相不完全星形接线应该能反应除B相接地短路以外的其它各种故障，但在实际系统应用中，此种设计不能反应电源相以外的相间短路及电源相接地短路。因为假设从A相取电源，B、C相短路及A相接地短路时，A相电流为零，变压器输出为零，内部电源不能建立，所有的集成电路都不能正常工作，因而整个机器不能工作，降低了原两相不完全接线保护的可靠系数。因此，后来改变设计为从两相均能取电源，从而解决上述问题，仍能完成传统保护的所有功能。
1.2 过电流保护
输入信号经整流滤波后，通过拨盘开关实现定值整定，输入信号量经过放大与门槛电压进行比较，超过门槛电压时，触发器翻转，输出高电平,为了防止系统暂态超越和提高抗干扰能力，在逻辑回路中设计成必须连续收到三个工频的脉冲信号之后，继电器才能输出，因此,其在过流启动回路中增加了一级延迟展宽回路，由RC充电回路及四异或门电路组成，以防止高频干扰信号引起的误出口 。RC 延迟回路大约延时40ms时间。
任意一相过电流后均通过或门输出，这样当其中任意一相过电流值超过整定值时，均可以触发后面的比较电路。确认过电流后，触发后信号给与门输入端一个信号。同时启动延时电路。（延时整定为0时，整个电路固有动作时间为不大于50ms。）
1.3 过电流延时
定时限：延时电路采用CMOS集成电路构成，具有很高的延时准确度和稳定性。由石英晶体震荡器产生标准的时基信号，正常工作时，石英晶体一直工作在起振状态，而计数器却不工作，只有当真正过流时，由过流信号启动延时，即计数器开始分频计数，当计数值达到拨盘开关整定值时，延时电路输出给与门一个信号。
由于定时限电流保护主要用在电网的线路保护中，缺点是其保护范围受到系统运行方式的影响很大，反时限电流保护能有效地保护被保护元件的全部范围，在配电网末端和大容量电机上都得到了广泛的应用，因此开发两相过流继电器的反时限功能也非常有市场前景。
反时限：反时限利用AD集成电路片的模拟量与数字量的变化关系来实现，电路如图3所示。


f=Vin/10RC （1）
按上图接法有式（1）关系成立，从式中可以看出，输入电压越大，输出频率越高。反时限的动作特性是电流越大，动作时间越短，利用上式，基本上可以实现这样的一种动作特性。但为了与IEC国际标准中非常反时限的动作特性接近，还需设计修正电路。通过实验，在过流信号经减法器“-1”后，Vin的电压为式（2），
K1（I/Is-1 ） （2）
Is取过流整定值/1.2，对整个电路而言，Vin是一个随电流大小变化的电压量。上图中取R=10K，C=0.047μF，计数器采用10分频计数器，AD集成片输出的频率，经过计数器分频计数，当计数值达到拨盘开关整定值时，延时电路输出给与门一个信号。
参照国内最早的反时限过流继电器GL-10的时限整定办法，同样将拨盘整定值定为10倍过电流下的延时时间，因此10倍过流时，设计为输出频率1000Hz，根据式（1）得出10倍时Vin=4.7V，K1=4.7/11，经过以下推导，可得出反时限延时公式（4）。
T=1/f=4.7/Vin （3）
因Vin=K1×（I/Is-1 ）设K=4.7/K1=11，
得


其中T：反时限延时时间
t：10倍动作电流下动作时间，即拨盘整定值
IS：Id/1.2 ，Id：动作电流
I：继电器输入电流值


2 产品主要技术指标


3 结论
这种新型无源两相过电流继电器已在北京电科院工程中心承建的青海铝电有限公司电解铝工程和北京电科院大功率电力电子实验室滤波器保护中使用。现场运行表明，继电器性能可靠，完全能适应电力系统对两相不完全星形接线中过流继电器的要求，现已通过专家鉴定。