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內容描述：	設計了一種低壓線路專用保護裝置，可配合斷路器使用，對線路的過載、接地、過壓、欠壓等故障進行保護，提高低壓配電系統的用電安全和用電可靠性，簡化配電柜設計，提高自動化程度。
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* 所屬類別： (不超過20項)	電源產品分類： UPS電源穩壓電源 EPS電源變頻電源凈化電源特種電源發電機組開關電源(AC/DC) 逆變電源(DC/AC) 模塊電源(DC/DC) 電源應用分類：通信電源電力電源車載電源軍工電源航空航天電源工控電源 PC電源 LED電源電鍍電源焊接電源加熱電源醫療電源家電電源便攜式電源充電機(器) 勵磁電源電源配套分類：功率器件防雷浪涌測試儀器電磁兼容電源IC 電池/蓄電池電池檢測變壓器傳感器軸流風機電子元件連接器及端子散熱器電解電容 PCB/輔助材料新能源分類：太陽能(光伏發電) 風能發電潮汐發電水利發電燃料電池其他類：其他
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* 內容：	<P align=right>俞洋1 ，趙波2 ，王君偉3 ，周佳4 ，邵樺5 </P> <P align=right>（1.華南理工大學建筑設計研究院，廣州 510641 </P> <P align=right>2.江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇江陰 214405 </P> <P align=right>3.安科瑞電氣股份有限公司，上海嘉定 201801） </P> <P>    <STRONG>摘要：</STRONG>設計了一種低壓線路專用保護裝置，可配合斷路器使用，對線路的過載、接地、過壓、欠壓等故障進行保護，提高低壓配電系統的用電安全和用電可靠性，簡化配電柜設計，提高自動化程度。 </P> <P>    <STRONG>0 引言 </STRONG></P> <P>    目前低壓（交流不超過1000V或直流不超過1500V）配電保護多選用塑殼斷路器、熔斷器或剩余電流動作保護器，實現速斷、長延時保護，但很多塑殼斷路器動作精度不夠，難以實現級間選擇性配合，可能會造成上下級連跳、擴大事故。另外，塑殼斷路器不具備信號實時監測顯示、事件記錄和通訊組網等功能。 </P> <P>    因此，本文設計一種低壓線路保護裝置，配合斷路器使用，可以對線路的過載、接地、過壓、欠壓等故障進行保護。 </P> <P>    <STRONG>1 低壓線路保護裝置的設計 </STRONG></P> <P>    低壓線路保護裝置用于AC 400V（或690V）電壓等級中的產品，安裝在低壓饋線柜中，采用嵌入式或導軌安裝。產品的正常工作條件：工作溫度為-10℃～+55℃，海拔不高于2000米，環境中無明顯腐蝕性氣體，濕度≤95%，不結露。為滿足配電標準中對線路過載、接地故障的保護要求，設計有兩段定時限保護和反時限保護（標準反時限、極端反時限等8種曲線），另外帶有欠壓保護和過壓保護等多種保護功能。裝置由硬件平臺和軟件平臺組成。硬件組成框圖如圖1所示。 </P> <P align=center><IMG border=0 src="/uploadfile/newspic/20150827134208428.jpg"></P> <P align=center>圖1 硬件組成框圖 </P> <P>    1.1主要硬件電路的設計 </P> <P>    在低壓系統中當大功率電機起動時，可能引起電網電壓瞬間降低。為防止電壓降低引起裝置誤動作，裝置電源輸入范圍設計為AC 85V～AC 265V；在有些場所中，低壓控制回路會采用直流供電（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，因此采用開關電源方案來設計裝置電源。本裝置使用PI公司的開關電源芯片做電源設計，整體功率在8VA左右，電源的輸入、輸出間要滿足2kV工頻耐壓（工頻耐壓等級可參見GB 14048-2012《低壓開關設備和控制設備》），能通過4級電涌試驗。在開關電源中，通過使用PI Expert自帶的變壓器設計軟件降低變壓器的設計難度。開關變壓器設計簡單描述如下：拓撲結構為反激式，反饋類型為次級TL431，輸入電壓選為通用型（85～265）V，根據實際情況設計輸出電壓和功率，需要輸出電壓隔離時可在疊加選項中將輸出設置為分離式。變壓器設計時，需要綜合考慮效率、磁通密度、鐵芯、骨架等參數，有時調整效率會引起磁通變化，反而使變壓器性能變差。變壓器設計完成后進行PCB設計，可以參考PI Expert推薦的布局、布線，減小環路，以防帶來不可預知的干擾信號。 </P> <P>    低壓饋線中的電壓、電流信號相對于本裝置內部的采集電路屬于高電壓、大電流信號，需要將其變為低壓、小電流信號。選用電壓互感器、電流互感器時，需結合產品特點，如普通電測儀表選用電流互感器時，只考慮過載能力為額定值的120%，但保護裝置需考慮使用5P10、10P20甚至更高過載能力的保護級電流互感器。設計采樣電路時需要綜合考慮電阻的功率、電壓、溫漂系數、精度等參數。如使用10P20電流互感器設計電流采樣電路時，同樣要考慮能承受20倍過載（互感器二次側）的取樣電阻。取樣電阻選取后，再設計后級的信號處理電路。信號處理電路包括濾波、放大等電路。濾波電路設計時一般會采用低通濾波，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。信號放大電路設計時需考慮信號范圍、線性度等參數，必要時需要做分段處理。該裝置直接采用交流放大，配合軟件完成真有效值計算、矢量計算等。 </P> <P>    <STRONG>1.2軟件設計 </STRONG></P> <P>    現階段的低壓供電系統會存在諧波源，給電網帶來諧波污染，因此低壓線路保護裝置需要選取基于非正弦信號的測量算法。基于非正弦信號算法包括傅里葉算法、一階差分后半波傅里葉算法、真有效值等算法。傅里葉算法可以分解出各整次諧波信息，在保護類產品中被大量使用。如果出現頻率偏移、信號中帶有衰減的直流分量時，需要采取相應的措施，否則造成計算錯誤。 </P> <P>    針對線路過載、接地故障，低壓線路保護裝置帶有反時限保護功能。反時限可以簡單的理解為：電流越大，保護動作越快，電流越小，保護動作時間越長。在電力系統繼電保護中，反時限電流保護是廣泛應用于發電機、變壓器、電動機以及輸電線路的保護。反時限過流保護通常基于如下的時間—電流反時限特性: </P> <P>    Ir*t=K （1） </P> <P>    其中，K為系數，r根據保護的不同使用場合而取不同的值：一般在被保護線路首端和末端短路、電流變化較小的情況下，采用定時限過流保護，定時限可以認為是一種特殊的反時限特性，即r=0；而在線路首末端短路、電流變化較大的情況下，則采用非常反時限特性，即r=1；通常輸電線路采用一般反時限特性，即0<r<1；反應過熱狀態的過流保護，在與熔斷器配合的場合則采用特別反時限特性，即r=2。 </P> <P>    典型的反時限特性曲線如圖2所示，圖中I/IOPR表示電流過流倍數[8]。 </P> <P align=center><IMG border=0 src="/uploadfile/newspic/20150827134247334.jpg"></P> <P align=center>圖2 典型反時限曲線 </P> <P>    該裝置的反時限保護符合 </P> <P>    <IMG border=0 src="/uploadfile/newspic/20150827134345173.jpg">（2） </P> <P>    式中： </P> <P>    t - 跳閘時間 </P> <P>    K - 系數（見表1） </P> <P>    I - 電流測量值 </P> <P>    Is - 程序設定的門限值 </P> <P>    α - 系數（見表1） </P> <P>    L - ANSI/IEEE系數（見表1） </P> <P>    Tp - 時間因子 </P> <P>    反時限過流保護曲線特性表如表1所示。 </P> <P>    <STRONG>表1 反時限過流保護曲線特性表 </STRONG></P> <P align=center><IMG border=0 src="/uploadfile/newspic/20150827134418631.jpg"></P> <P>    式（2）中，α=0.02時直接計算較困難，可以采用查表法、泰勒展開、曲線擬合等方法進行計算 <BR>（1）采用查表法，令X=（I/Is）,X在1.1～20間變化，變化步長為△X，每個步長計算一次X0.02，將計算結果存放到EEPROM中，實際電流有波動區間，所以計算步長不宜設置過大或過小，過大會影響X計算精度，導致t超差；步長過小，或加大EEPROM開銷。 </P> <P>    （2）采用查表法，實際值與X相等時可以直接讀取，不相等時通過插值算法計算所需數值，但EEPROM開銷太大。 </P> <P>    （3）按照泰勒級數展開，即可以計算得X,當n=5時相對誤差為0.44%，滿足計算的時間精度要求，但運算量較大。 </P> <P>    （4）曲線擬合算法通過容易計算的曲線替代復雜曲線來簡化計算過程，關鍵在于選取正確的擬合曲線。 </P> <P>    <STRONG>2 實際應用 </STRONG></P> <P>    某石化工程中需要對幾個低壓重要的饋線回路做過載、不平衡和接地保護，過載要求具有兩段過流保護和反時限保護，并能配合后臺的電力監控系統進行參數讀取，通訊協議為MODBUS-RTU，可以在保護裝置上直接顯示電流、分合閘狀態和故障信息，可以記錄分合閘信息、故障信息。 </P> <P>    本文介紹的低壓線路保護裝置具備兩段定時限過流保護，通過內部計算零序電流的方式判斷接地故障，根據三相電流值做電流不平衡計算，并帶有中文液晶顯示、分合閘記錄、故障記錄，通訊等功能，完全滿足要求。低壓線路保護裝置應用二次原理圖見圖3所示。圖3中，通過電流互感器（1TA～3TA）實現主回路電流隔離、變換，電流互感器二次信號輸入給本裝置，本裝置根據實際電流情況執行相應的過載、接地保護，要控制斷路器分合閘時需加上相應的分勵線圈、合閘線圈，無需通過裝置自動合閘。所以圖3中沒有合閘線圈，僅帶有分勵線圈，在分斷分勵線圈時需要使用脈沖信號，或者將斷路器的常開點串入。 </P> <P align=center><IMG border=0 src="/uploadfile/newspic/20150827134450912.jpg"></P> <P align=center>圖3 低壓線路保護裝置應用二次原理圖 </P> <P>    <STRONG>3 結束 </STRONG></P> <P>    低壓線路保護裝置可以測量三相電流、三相電壓、剩余電流、功率、頻率和電能等參數，測量參數可在裝置上顯示，也可以通過RS-485通訊口上傳給后臺監控系統，可對線路的過負荷、接地、過壓和欠壓等故障進行保護。低壓線路保護裝置專為低壓饋線設計，可用于電廠電氣監控、工廠自動化、建筑電氣配電和石化等場所。 </P> <P>    <STRONG>參考文獻 </STRONG></P> <P>    [1] 張鋼，劉志剛，岳岱巍，基于TOPSwitch及PI Expert的單端反激式開關電源設計[J].電源技術應用，2007，2（2）：1-4. </P> <P>    ZHANG Gang, LIU Zhi-gang, YUE Dai-wei，SHEN Mao-sheng. Design of a M ultiple Output Flyback Switching Mode Power Supply Based on TOPSwitch and PI Expert [J]. </P> <P>    POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS , 2007,2 (2): 1-4. </P> <P>    [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計[J]. 電光與控制，2005，10（5）：73-75. </P> <P>    HE Huafeng , HU Changhua , DAI Yanmin. Interference analysis and design of high2precision A/ D sampling circuit [J]. </P> <P>    ELECTRONICS OPTICS &CONTROL, 2005，10（5）：73-75. </P> <P>    [3] 陳利玲，李杭生. 付立葉變換在交流采樣中的應用[J].電子測量與儀器學報，2005增刊，171-174. </P> <P>    CHEN Li-ling,LI Hang-sheng.Application of Fourier Transform in Alternative Sampling[J].Journal of Electronic, 2005，171-174. </P> <P>    [4] 周軍，李孝文，盛艷.準同步采樣在電力系統頻率、頻偏和相位差測量中的應用[J]. 計量學報，1999，20（2）：151-154. </P> <P>    Zhou Jun，Li Xiaowen，Sheng Yan. Application of Double·Speed Synchronous Sampling[J]. ACTA METRoLoGICA SINICA，1999,20(2)：151-154. </P> <P>    [5] 戴先中.準同步采樣及其在非正弦功率測量中的應用[J].儀器儀表學報，1984；5(4) 390-396.</P> <P>    DAI Xian-zhong.The Quasisynchronous Sampling and its Application in the Measurement of Nonsinusoidal Power. </P> <P>    CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT. </P> <P>    [6] 何立志. 工頻量快速測量方法的研究[J].電測與儀表，2001，4：16-18. </P> <P>    He Lizhi.The research of the fast-measuring methods for main frequency parameters[J]. <BR>Electrical Measurement & Instrumentation，2001，4：16-18. </P> <P>    [7] 徐忠林，葉一麟，等. 一種微機反時限過流保護的新算法[J]. 電力自動化設備,1996,25(8):3-6. </P> <P>    XU Zong-lin,YE Yi-tan,et al. A New Algorithm for the Microprocessor-based Inverse-time Overcurrent Relay[J]. </P> <P>    Electtic Power Automation Equipment,1996,25(8):3-6. </P> <P>    [8] 嚴支斌，尹項根，邵德軍，劉革明.新型微機反時限過流保護曲線特性及算法研究[J].繼電器，2005，4（8）：44-46. </P> <P>    YAN Zhi-bin,YIN Xiao-ge,SHAO De-jun,LIU Ge-ming. </P> <P>    Research on curve characteristics and algorithms of new digital inverse-time overcurrent[J]. </P> <P>    RELAY, 2005,4(8):44-46. </P> <P>    [9] Kojovic LA.Rogowski Coils Suit Relay Protection and Measurement[J]. </P> <P>    IEEE Computer Application andElectric Power,1997,10:47-52. </P> <P>    <STRONG>作者簡介： </STRONG></P> <P>    趙波（1982-），男，本科，主要從事電動機控制器的設計與應用；E-mail:2880157857@qq.com</P>

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