四川自动门设备安装工程

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低压线路保护装置的设计

 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,成都监控安装在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
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