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高可靠、可通信型智能控制器在万能式断路器上的应用

  1 引言

  今天,随着计算机技术、网络通信、总线技术速度的提高和存储器体积的小型化,不仅丰富了新型控制器的功能,也为断路器提供更强的控制与保护等功能。新型控制器不仅能提供基本的保护功能,还能精确测量实时数据、系统参数计算、储存数据、事件记录、波形捕捉、通信等功能。本文主要介绍了三个有特色的增选附加功能的原理与应用,在配电系统中具有区域选择性联锁保护的断路器,利用其智能控制器通信与数据交换原理组成一种新型区域选择性保护技术,它克服了传统配电系统保护中上下级间难以达到的真正选择性保护,可有效提高供电系统的可靠性、安全性,也可降低配电系统的动热稳定性。负载监控保护可根据断路器的功率和电流设定卸载和再连接参数,借助触点发信号,由控制器实现卸载和重合闸负载功能,从而保持重要负载的持续、可靠供电。

  当今,电能质量问题已得到各行各业的高度关注,因其直接影响着生产安全、产品质量和经济效益等。谐波问题是电能质量主要问题之一。具有谐波测量的控制器,通过其谐波和基波的计算,精确分析电网质量,实时监测电网,防止因谐波因素致使计算机系统无法正常运行,带来巨大的经济损失。

  2 智能控制器具有可增选的三个有特色附加功能

  2.1 区域选择性联锁的原理及应用

  (1)区域选择性联锁概述

  低压配电系统一般采取多级配电中心制,即多台断路器采用多级方式上下关系连接在同一电力回路中(类似于树状结构)。在系统中常见的故障为过载、短路、接地故障、冲击电流以及电压跌落等,这些故障不仅影响本支路负载的正常供电,而且还由于处理不及时蔓延扩大,以致殃及其他正常工作负载的供电。显然,低压配电系统的安全性和可靠性是依据系统中各级断路器的技术性能及其相互的选择性保护技术来评价的。所谓选择性保护,简而言之,就是哪里出现故障,该故障点的上级断路器跳闸,仅仅是切断故障支路的供电,而不影响其他支路的正常供电。这就需要有选择性保护技术。

 

  传统的低压配电系统实现选择性保护技术采用最多的就是上下级差保护,通过对上下级断路器的整定值(考虑上、下级的整定电流和延时时差的配合)进行相应的设定,以达到分级保护。这种保护方式在实际应用当中被证明有可能出现“越级跳”的情况,即最靠近故障点的断路器还没动作,它的上级断路器就先动了,导致故障范围被扩大。具有区域选择性联锁功能的万能式断路器可确保断路器上下级完全的选择性保护,通过控制线可联锁多台具有区域选择性联锁功能的万能式断路器,联锁联线示意见图1。当故障发生时,检测到故障的控制器送一个信号给上级断路器并检查下级断路器到达的信号。如果有下级断路器送过来的信号,此断路器将在脱扣延时期间保持合闸。如果下级没有送过来信号,断路器将瞬时断开,不管控制器保护是否有延时。从而保证保护的可靠性,实现真正地选择性保护。

  (2)区域选择性联锁的保护原理

  图1 举例了具有区域选择性联锁的万能式断路器选型与联线示意图。第一级万能式断路器与主变压器相连,选额定电流In=4000A 的断路器,第二级选额定电流In=2000A 的断路器,第三级选额定电流In=1000A 的断路器。

  当短路故障A 出现时,第一级与第二级断路器均检测到故障电流,第一级断路器收到第二级断路器的信号在脱扣延时0.4s 内保持合闸,第二级断路器由于没有收到下级的信号而瞬时脱扣尽管它的脱扣时间整定为0.2s。

  当短路故障B 出现时,第一级断路器检测到故障电流。因为没有收到下级断路器送来的信号,它将瞬时脱扣,尽管脱扣时间整定0.4s。

 

  (3)区域选择性联锁应用的重要性

  如无区域选择性联锁功能,当短路故障A 出现时,则第一级断路器,第二级断路器都不可避免的均受到短路电流的冲击,特别是在大容量的变压器情况下,这时A 点短路电流很大,会出现第一级断路器、第二级断路器全部跳闸的情况。由于第一级断路器跳闸,将全部负载断电,造成大范围停电的事故。只有采用具有区域选择性联锁功能的万能式断路器才能最大限度地避免了因下级短路故障而造成大范围停电的事故,使故障停电所影响的范围缩到最小,保证了无故障部分的连续供电,从而可实现完整的多级监控功能。采用具有区域选择性联锁的万能式断路器后,出现短路故障时,消除了内部延时,提高了分断速度。由于分断时间缩短,限流效果好,可以降低短路电流在母线上的压降,因而同一母线上的其他带欠压脱扣器的断路器就不会产生误动作。由于其是通过降低过流故障期的能量释放来约束故障应力,故极大地降低了万能式断路器承受短路电流的动、热应力,提高了断路器分断时的可靠性,且最大限度地缩小了停电区域。

  2.2 负载监控保护特性的原理及应用

  智能控制器具有负载监控功能,能以两种工作方式来监测和控制支路负载。其一,为可卸载两路下级负载,当主回路电流超过变压器容量时,可遥控控制下级断路器分励线圈,分别卸去两路次要负载,确保主变压器不因过载发热而损坏;其二,为只可卸载一路下级负载,且当主回路负载又下降为正常值时,可重合闸已卸载的负载。用户可根据需要任选其中一种方式,其负载监控连线方式见图2。

 

  负载监控保护时智能控制器可设置两个整定值,并可输出两个无源触点信号,通过继电器模块放大触点容量后,可达到AC 220V/10A 或DC 24V/10A。

  方式一:可以独立控制两路下级负载的卸载。

  当主电路运行电流超过整定值时ILC1、ILC2 时,分别延时tc1、tc2 后发出接点信号,控制器指令分断两路受控负载,保证主电路的正常供电,一般整定电流ILC1>ILC2,其负载监控方式一动作特性见表1。

  方式二:一般只用于监控一路下级负载的卸载和重合闸。当运行电流超过整定值ILC1 时,控制器延时发出接点信号分断此路负载,电流下降使主电路和重要负载保持供电。若分断后运行电流恢复正常,即当电流值低于ILC2 整定值,经延时后控制器再发出指今接通已分断的负载,恢复该负载供电,负载监控方式二动作特性见表2。

  3 谐波监测对配电系统的重要性

  3.1 谐波产生的原因

  在一个理想的清洁电力系统中,电流和电压波形是纯正的正弦波形。但随着工业、农业和人民生活水平的不断提高,除了需要电能成倍增长外,对供电质量及供电可靠性的要求也越来越高,电能质量备受到人们的日益重视。例如,工业生产中的大型生产线、飞机场、大型商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电,或因受电力网上瞬态电磁干扰影响,致使计算机系统无法正常运行,将会带来巨大的经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、微波炉、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分,如果这些装置不能正常运行,必定扰乱人们的正常生活。但是,电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、逆变器、微波炉等用电负载大都是具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负载),在使用过程中都是谐波源。当电流流经线性负载时,负载上电流与施加电压呈线性关系;而电流流经非线性负载时,则负载上电流为非正弦电波,即产生了谐波。

 

  3.2 谐波对供电系统及其供用电设备的影响

  随着传感技术、光纤、微电子技术、计算机技术及信息技术日臻成熟,集成度愈来愈高的微电子技术使计算机的功能更加完美,体积愈来愈小,从而促使各种电器设备的控制向智能控制器方向发展。但是微电子技术集成度的提高,微电子器件工作电压变得更低,耐压水平也相对更低,更易受外界电磁场干扰而导致控制单元损坏或失灵。因此,受谐波污染的公用电源,轻者干扰设备正常运行,影响人们的正常生活,重者致使工业上的大型生产线、系统运行瘫痪,会造成严重经济损失。由负荷产生的谐波电流经过电源阻抗和所有其他并联路径流过整个电路,结果是流过电源阻抗将产生谐波电压,且在整个装置中存在。

  (1)对输配电线路的影响

  如果供电系统电网的谐波特别严重,则不但使接入该电网的设备(如计算机等)无法正常工作,甚至会造成故障,而且还会造成向供电电网的中性线注入更多电流,造成超载、发热、影响电力正常输送。由于输电线路阻抗的频率特性,线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下,谐波电流使输电线路的附加损耗也增加,在电网的损耗中,变压器和输电线路的损耗占了大部分,所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相供电系统中中性线的电流增大,导致中性线过载。

  (2)增加供用电设备的附加损耗,使设备过热,降低设备的效率

  由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍,高频电流流过导体时,因集肤效应的作用,使导体对谐波电流的有效电阻增加,从而增加了设备的功率损耗和电能损耗,使导体严重发热。随着谐波电压的提高,加速电力电容器的绝缘老化,并使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加,从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。

  (3)影响继电保护和自动装置的工作与可靠性谐波对电力系统中以基波量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重,这是由于这些按基波量整定的保护装置整定值小、灵敏度高。如果在基波基础上再叠加谐波的干扰则会引起发电机负序电流保护误动等(若误动作后引起跳闸,则后果会相当严重),就会威胁电力系统的安全运行。

 

  (4)谐波使测量和计量仪器的指示和计量不准确

  由于电力计量装置都是按50Hz 标准的正弦波设计的,当供电电压或负荷电流中有谐波成分时,会影响感应式电能表的正常工作。

  (5)干扰通信系统的工作

  电力系统上流过的幅值较大的奇次谐波电流通过磁场耦合,不但会在邻近通信线路中产生干扰电压,干扰通信系统的工作,影响通信线路通话的清晰度,而且在谐波和基波的共同作用下,会触发电话铃响,甚至在某些严重的情况下,还会威胁通信设备和人员的安全。

  3.3 智能控制器具有谐波监测对电力系统的重要性

  新型智能控制器具有的谐波监测功能可测量并显示三相电流总谐波畸变THDIA、YHDIB、THDIC,三相电压总谐波畸变THDUA、THDUB、THDUC,以及检测电流、电压的3~21 次谐波并在控制器内部存储,可通过通信口输出至上位机显示,对供电质量进行精确检测。用户可时刻关注并采取有力措施抑制谐波电流,减小谐波侵入电网,从而真正抑制谐波对供电系统及其供用电设备的影响。

  4 结论

  万能式断路器选型时选择具有区域选择性联锁保护、负载监控、谐波监测功能的智能控制器可有效提高供电系统的安全性、可靠性和连续性。随着社会对电能质量问题的关注和对持续、可靠供电的需求,且我国国民经济迅速增长,用电需求量增长很快,不仅对智能电器需求量会成倍增长,而且对智能电器的性能也将提出更高更新的要求。

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