俞洋1 ， 趙波2 ， 王君偉3  ， 周佳4 ， 邵樺5

（1.華南理工大學建築設計研究院，廣州 510641

     2.江蘇安科瑞電器製造有限公司，江蘇 江陰 214405

  3.安科瑞電氣股份有限公司
，上海 嘉定 201801）

摘要：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，提高低壓配電係統的用電安全和用電可靠性，簡化配電櫃設計


，提高自動化程度。

關鍵詞: 低壓線路保護
；反時限曲線
；過流保護；硬件電路

0  引言

   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
、熔斷器或剩餘電流動作保護器，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。

   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。

1  低壓線路保護裝置的設計

   低壓線路保護裝置用於AC 400V（或690V）電壓等級中的產品，安裝在低壓饋線櫃中，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℃
，海拔不高於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。裝置由硬件平台和軟件平台組成。硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 硬件組成框圖

1.1主要硬件電路的設計

   在低壓係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，裝置電源輸入範圍設計為AC 85V～AC 265V；在有些場所中，低壓控製回路會采用直流供電（DC 110V或DC 220V），yincidianyuanxuyaozhichijiaoliuhezhiliuliangzhongfangshi。changyongdexianxingdianyuanbunenghenhaodemanzuzhexieyaoqiu，yincicaiyongkaiguandianyuanfanganlaishejizhuangzhidianyuan。benzhuangzhishiyongPI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《低壓開關設備和控製設備》）
，能通過4級電湧試驗。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。變壓器設計完成後進行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幹擾信號。

   低壓饋線中的電壓、電流信號相對於本裝置內部的采集電路屬於高電壓、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，隻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、溫漂係數

、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。取樣電阻選取後，再設計後級的信號處理電路。信號處理電路包括濾波、放fang大da等deng電dian路lu。濾lv波bo電dian路lu設she計ji時shi一yi般ban會hui采cai用yong低di通tong濾lv波bo
，濾lv除chu不bu需xu要yao的de幹gan擾rao信xin息xi，濾lv波bo截jie止zhi頻pin率lv要yao與yu軟ruan件jian采cai樣yang頻pin率lv匹pi配pei。信xin號hao放fang大da電dian路lu設she計ji時shi需xu考kao慮lv信xin號hao範fan圍wei、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。

1.2軟件設計

   xianjieduandediyagongdianxitonghuicunzaixieboyuan，geidianwangdailaixiebowuran，yincidiyaxianlubaohuzhuangzhixuyaoxuanqujiyufeizhengxianxinhaodeceliangsuanfa。jiyufeizhengxianxinhaosuanfabaokuofuliyesuanfa
、一階差分後半波傅裏葉算法、真有效值等算法。傅裏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。

   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。在電力係統繼電保護中，反時限電流保護是廣泛應用於發電機
、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於如下的時間—電流反時限特性:

   Ir*t=K                             （1）

   其中
，K為係數
，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

   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]。

圖2 典型反時限曲線

該裝置的反時限保護符合

（2）

式中：

t - 跳閘時間

K - 係數（見表1）

I - 電流測量值

Is - 程序設定的門限值

α - 係數（見表1）

L - ANSI/IEEE係數（見表1）

Tp - 時間因子

反時限過流保護曲線特性表如表1所示。

表1  反時限過流保護曲線特性表

     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

   （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。

   （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。

   （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。

   （4）曲線擬合算法通過容易計算的曲線替代複雜曲線來簡化計算過程，關鍵在於選取正確的擬合曲線。

2  實際應用

   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，並能配合後台的電力監控係統進行參數讀取

，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。

   benwenjieshaodediyaxianlubaohuzhuangzhijubeiliangduandingshixianguoliubaohu

，tongguoneibujisuanlingxudianliudefangshipanduanjiediguzhang，genjusanxiangdianliuzhizuodianliubupinghengjisuan，bingdaiyouzhongwenyejingxianshi
、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
，要控製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衝信號，或者將斷路器的常開點串入。

圖3 低壓線路保護裝置應用二次原理圖

3  結束

   低壓線路保護裝置可以測量三相電流、三相電壓、剩餘電流、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通訊口上傳給後台監控係統，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，可用於電廠電氣監控
、工廠自動化、建築電氣配電和石化等場所。

文章來源：《現代建築電氣》2015年6期。

參考文獻

[1]  張鋼
，劉誌剛
，嶽岱巍，基於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.

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].

POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS , 2007,2 (2): 1-4.

[2]  何華鋒
，胡昌華，代延民. 高精度A/D采樣電路的幹擾分析與電路設計[J]. 電光與控製，2005，10（5）：73-75.

HE Huafeng , HU Changhua , DAI Yanmin. Interference analysis and design of high2precision A/ D sampling circuit [J].

ELECTRONICS OPTICS &CONTROL, 2005，10（5）：73-75.

 [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.

CHEN Li-ling,LI Hang-sheng.Application of Fourier Transform in Alternative Sampling[J].Journal of Electronic, 2005，171-174.

  [4]  周 軍
，李孝文
，盛豔.準同步采樣在電力係統頻率
、頻偏和相位差測量中的應用[J]. 計量學報，1999

，20（2）：151-154.

 Zhou Jun，Li Xiaowen，Sheng Yan. Application of Double·Speed Synchronous Sampling[J]. ACTA METRoLoGICA SINICA，1999,20(2)：151-154.

 [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.

 DAI Xian-zhong.The Quasisynchronous Sampling and its Application in the Measurement of Nonsinusoidal Power.

  CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT.

    [6]  何立誌. 工頻量快速測量方法的研究[J].電測與儀表
，2001

，4：16-18.

    He Lizhi.The research of the fast-measuring methods for main frequency parameters[J].

    Electrical Measurement & Instrumentation，2001，4：16-18.

    [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.

    XU Zong-lin,YE Yi-tan,et al. A New Algorithm for the Microprocessor-based Inverse-time Overcurrent Relay[J].

    Electtic Power Automation Equipment,1996,25(8):3-6.

    [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.

    YAN Zhi-bin,YIN Xiao-ge,SHAO De-jun,LIU Ge-ming.

    Research on curve characteristics and algorithms of new digital inverse-time overcurrent[J].

    RELAY, 2005,4(8):44-46.

    [9]  Kojovic LA.Rogowski Coils Suit Relay Protection and Measurement[J].

    IEEE Computer Application andElectric Power,1997,10:47-52.

    作者簡介：

    趙  波（1982-），男
，本科，主要從事電動機控製器的設計與應用
；E-mail: