低压线路保护装置的设计

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AC 400V（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。

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AC 85V～AC 265V；在有些场所中，低压控制回路会采用直流供电（DC 110V或DC 220V），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GB 14048-2012《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PI Expert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PI Expert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0

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。

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。

图3 低压线路保护装置应用二次原理图