低壓斷路器的一種新型預約保護功能的原理及應用

賀貴兵 / 雷震宙(貴州長征開關制造有限公司， 貴州 遵義 563099)

1 引言

隨著電力事業的不斷發展，供電線路上各類保護功能的電器也隨之迅速發展。這類保護電器的保護原理一般是當線路上的電流、電壓及功率等達到或者超過某一閥值后，保護電器自動切斷線路以達到保護下級負載及供電線路的目的。

萬能式低壓斷路器是電力系統中最重要的低壓開關電器設備之一，主要用于線路的接通、承載以及分斷正常電路條件下的電流，也能在所規定的非正常電路下接通、承載一定時間的短路電流并分斷短路電流。

智能控制器是斷路器里最重要的核心部件，其以功能強大的微處理器為核心，通過信號采集、數據處理、故障診斷和指令輸出來實現對斷路器的智能控制。脫扣電路是智能脫扣器的執行電路，接收微處理器發出的脫扣命令，輸出驅動磁通變換器動作，使斷路器斷開。智能控制器的操作性能對電網的安全、穩定及經濟運行至關重要。

隨著低壓斷路器和控制器技術與實踐應用的不斷深入，智能控制器基本上包含了測量功能、保護和報警功能以及“四遙”功能。

(1)測量功能包括：電流測量、電壓測量、功率測量、需用值測量、頻率測量和諧波測量等。

(2)保護和報警功能包括：過載長延時、短路短延時、瞬時過電流、接地故障、過載預報警、電流不平衡、斷相、需用電流、過電壓、欠電壓、電壓不平衡、欠頻、過頻、相序、逆功率、電流卸載、MCR及ZSI等多種保護方式。

(3)“四遙”功能包括：遙調、遙控、遙測、遙信。

上述智能控制器的功能已基本能滿足低壓配電系統對低壓斷路器的功能需求，在實際的線路和設備保護應用層面，低壓斷路器也很好地發揮了作用，能夠可設置、靈活地滿足系統要求。

但在一些特殊的、專門的應用場所和領域，當電源和負載的電流、電壓、功率等環境發生可預期的變化后(如部分負載撤離或線路可承受狀態下附加負載的加入、線路瞬間電壓跌落等)，其輸出配電保護特性需要快速動態響應這些變化。而在現有的低壓斷路器控制器上，保護特性一經整定和設置之后不能快速動態切換，無法完成前述的特定需求。

若要滿足前述特殊的變化要求，就需要智能控制器具有快速動態響應的條件和途徑。這樣看來在電源和負載發生可預期的變化后，迅速調用一套新的適配于變化負載特性保護的“預約”程序應該是一個較好的解決方案。所以在智能控制器應用層為用戶專門開發出新的“預約保護”功能特性，不失為一個解決預期變化后快速響應和匹配保護特性的有效方法。

2 預約保護功能

該功能設計的總體思路是：在用戶以正常的整定和設置方案運行時，出現某些明確的電源和負載異常 (用戶的智能監測和控制設備可鑒別和判斷)并且用戶判斷該類異常屬于可接受的狀態時，能使斷路器的控制器快速切換到適合該異常狀態下的保護方案運行，并且在異常消失后，能根據用戶的要求快速切回正常的保護方案。但除此之外的其他異常在原有設置的保護之列，智能控制器會指令切斷線路。

2.1 預約保護的系統框圖

在特殊應用場合，用戶根據預先可知的、可預期的電源和負載變化，通過PC工具程序，將對應的一套或多套保護整定參數方案先預約性的保存在控制器的存儲器中，編制為1號方案、2號方案、3號方案等，預約保護功能的系統框圖如圖1所示。當預先可知的變化出現并滿足切換條件后，用戶的狀態監測和控制單元隨即通過Ctrl、Data 連 線 向控制器接口發出高低電平操作(00、01、10、11)，以 調用不同的預約保護方案作為當前保護方案。而當預先可知的變化消除后，狀態監測和控制單元僅通過Ctrl連線向控制器接口發出相反的電平操作，調回最初的特性保護參數作為當前保護。預約保護功能的圖解示例見圖2。

為實現上述目標，在技術實現的手段上需要有下列兩方面的考慮。一是為了達到快速保護切換的目標，保護方案必須預存，且切換的操作方式需是簡單的硬連線的電平操作。二是為了達到應用的普適性和保護動作準確性要求，需要把保護方案切換的時機交給用戶去判斷。即用戶預存的保護方案和運行過程中的實際切換要匹配，且是基于用戶自己正確的運行經驗的積累。

圖1 預約保護功能的系統框圖

圖2 預約保護功能的圖解示例

表1 修改原有特性參數方式的差異

2.2 原有特性參數的修改方式

現有的低壓斷路器智能控制器，其保護特性的參數在設置后即在控制器中予以保存,如果有新的保護特性參數需要設置,會將原有設定參數永久性覆蓋。如果需要恢復原有整定參數,有兩種方法：一是通過在控制器就地、憑資料記錄、手工的通過按鍵和顯示屏重新輸入整定值。二是可以通過MODBUS等協議，以遠程通訊的方式將需要的設定值下發到控制器中。這兩種方式都有明顯的局限性，主要表現如表1所示。

3 預約保護功能的應用

3.1 預約保護功能在風力發電系統的應用預期

目前在新能源發電方式中，風能和太陽能發展極為迅速，風電裝機容量在系統中所占比例也越來越高。但是隨著風電機組單機容量的不斷增大和風電場規模的不斷擴大，風電機組與電網間的相互影響已日趨嚴重，風電場的運行對系統穩定性的影響將不容忽視。一旦電網發生故障迫使大面積風電機組因自身保護而脫網的話，將嚴重影響電力系統的運行穩定性。因此，隨著接入電網的風電機組(如雙饋感應發電機、異步電動機等)容量的不斷增加，電網對其要求越來越高，通常情況下要求發電機組在電網故障出現電壓跌落的情況下不脫網運行，并在故障切除后能盡快幫助電力系統恢復穩定運行，即要求風電機組具有一定的低電壓穿越(low voltage ride-through，LVRT)能力。

圖3 低電壓穿越能力的技術要求

LVRT功能是指風電機組端電壓降低到一定值的情況下風電機組能夠維持并網運行的能力。當風電機組端電壓跌落到額定電壓的20%時，要求風電機組能夠維持運行625ms，端電壓在其額定電壓的90%及以上時要求風電機組能夠持續運行。低電壓穿越能力的技術要求如圖3所示。

目前有多種低電壓穿越技術，如轉子短路保護技術、新型拓撲結構、新的勵磁控制策略等。

其中新型旁路系統的低電壓穿越方式是：由一套反并聯晶閘管與一套背靠背變流器并聯組成。當系統電壓正常時，反并聯晶閘管導通，電能從晶閘管回路送入電網，此時變流器被“短路”，處于待機狀態。當電網出現故障，穿越設備檢測到系統電壓低于90%后，立刻進入低電壓穿越狀態，20ms內反并聯晶閘管退出運行，同時變流器串聯進主回路開始工作。因為網側電壓低的問題，會導致發電機的電能不能完全送入電網，因此會導致變流器的直流電壓被抬高，當直流電壓達到上限時，放電電阻啟動，能量通過直流放電電阻被泄放掉。如果系統故障能在2s內解除，變流器將退出運行，反并聯晶閘管重新導通，將變流器“短路”，風機恢復正常向電網送電狀態。如果2s后系統故障沒有解除，機端電壓繼續在90%以下，風機退出運行。

在需要進行低電壓穿越階段，也可使用低壓斷路器控制器的預約保護功能作為新型旁路系統的后備保護。在電網出現故障，穿越設備向控制器接口發出高低電平操作，以調用預先設置好的預約保護方案作為當前保護方案，如電壓跌落到額定電壓的20%時，控制器延時0.625s，若在0.625s及之前額定電壓升高則按照上升直線的時間軸繼續延時，直至超出該上升直線的時間軸范圍，指令低壓斷路器脫扣分斷。如 ：預約方案1 ：Ir1、Ir2、Ir3、Ir4、tr1、tr2、tr4 及欠壓保護特性延時時間T=1.96u+0.23s。其中：u為額定電壓的百分比，取值范圍為0.2～0.9。在調用預約方案1后將能滿足圖3中電壓上升保護直線的要求。低電壓穿越跌落電壓與延時時間的關系如表2所示。

表2 低電壓穿越跌落電壓與延時時間的關系

3.2 預約保護功能在負載監控中的應用

低壓斷路器的負載監控功能是線路發生過載故障前的一種補救手段，當線路中出現較大過載電流時，智能控制器將有選擇地切掉線路中不重要的負載，即通過甩掉一些預先設定的負載來使線路電流減小，以避免低壓斷路器過載保護而切斷主線路，造成重要負載失電停機導致更大損失。

負載監控用于控制支路負荷。負載監控電流方式1整定值動作特性如圖1所示，監控方式1可控制卸載兩路負荷，當運行電流超過1.1倍整定值時(一般整定ILC1＞ILC2)，按過載反時限特性延時發出觸點信號，用來分斷支路負荷，保證主系統的供電。

圖4 負載監控電流方式1整定值動作特性

在卸載預先設定的回路負載后，監控方式1并不需要將卸載的負載重新投入線路恢復供電，除非通過人為干預才能重新恢復。這就帶來一個問題，低壓斷路器在卸載負載后斷路器智能控制器對線路的保護特性曲線仍然為卸載前的設置參數，特別是過載長延時Ir1、tr1沒有發生變化。假設原有主回路斷路器為殼架等級Inm=2 500A，設In=2 500A，原有動作電流設定值Ir1=0.8 In=2 000A(可設置為0.4In～1.0In，整定步長10A)，采用I2t通用型反時限保護，C3曲線速率，即在過載1.5Ir1時(3 000A)，tr1=60s。如果卸除的負載為原有總負載的20%，實際分支線路電流這時為1 600A，相當于存在400A的差值(0.16In),若出現分支負載異常過載，過載電流增幅超過400A，假設就增加400A，按原有的保護設置Ir1=2 000A時過載倍數僅為1.0，在此狀態下原有過載長延時保護模式不會動作，分支負載將失去大部分上一級斷路器的過載保護，雖有分支線路自身分支斷路器的保護，但其總體上可能發生損失的風險將增大。

對此，為增加配電系統主回路和分支線路的安全性，降低可能出現的風險，使用新型預約保護功能可以較好的滿足這種要求。

監控方式1模式下，在卸載預先設定的回路負載的同時，調用預約設定的過載長延時保護方案作為當前保護方案，即可很大程度緩解或避免此類異常情況的出現。如預約方案為：過載長延時Ir1=1 600A，采用I2t通用型反時限保護，其他短路短延時、瞬時保護及接地故障保護等參數的設置也相應變化。

3.3 預約保護功能在雙電源供電方案中的應用

雙電源系統設計的目的就是在一路供電線路由于某種原因(正常或者不正常)導致供電質量不能滿足負載要求時，能夠通過另外一路供電線路給重要用電設備提供電源。由雙電源雙回路(或多回路)和轉換開關電器TSE構成。

轉換開關電器主要是在一、二級負荷緊急供電系統中，檢測被監測電源(兩路)的工作狀態，當被監測的電源發生故障時，將一個或幾個負載電路從一路電源轉接至另一路電源，以保證供電的連續性，確保重要負荷連續可靠運行。

市電－市電供電系統是由兩個獨立電源分別給系統兩段母線供電，圖5為通過母聯開關實現一個電源故障時，另外一個電源向整個系統或局部供電。圖6為兩獨立電源各自有一分支回路作為互為備用的雙電源回路。

在圖5所示系統中，當常用電源出現故障時，對原常用電源側負載的處理有兩種情況，一是Q3不接通，備用電源不對常用電源側其他負載電能供應，僅重要負載通過ATSE轉到備用電源側繼續供電；二是Q3接通(與Q1聯鎖)，備用電源對常用電源側其他負載(或預先設置好可以供電的負載)電能供應，ATSE繼續停留在原有位置不轉換，由備用電源側繼續供電。

在圖6所示回路中，若電源1出現故障，ATSE將切換到電源2回路中，負載隨即并入，若負載功率較大，此時電源2中斷路器Q2的過載長延時設置較難滿足負載并入后對線路的保護，也會出現圖5所示的類似狀況。

圖5 帶有母聯開關的雙電源回路

圖6 兩獨立電源的雙電源回路

圖5 、圖6涉及的情況都會造成Q2原有參數設置不能滿足線路保護的要求，至少Q2原有設置的過載長延時Ir1和短路短延時Ir2在常用電源側負載并入備用側后，參數會偏小，會造成過載保護提前，重要負載失電的風險增大。

在該狀態下，加入預約保護不失為一個較好的解決方法。在常用電源側負載并入備用側的同時，對Q2調入預約保護方案，此方案預先考慮到負載并入備用側后通過Q2的電流值的增加值，將原有Ir1上調到適宜的電流范圍以正確保護負載和線路。常用電源正常以后，重新調回原有設置參數作為當前保護參數即可。

4 結束語

本文簡要介紹了作為萬能式低壓斷路器最重要核心部件的智能控制器所具有的測量功能、保護和報警功能、“四遙”功能等，也指出了在配電系統中的一些特殊的、專門的應用場所和領域，現有控制器不能完全滿足保護要求的事實。為解決這一類型或近似類型保護的特殊要求，特引入了預約保護這一新的功能。它可以通過用戶的預先設置適宜地保護線路和設備，特別是這樣的功能可以嘗試性地應用在風力發電系統的低電壓穿越、低壓斷路器的負載監控和雙電源供電方案中。同時預約保護功能作為低壓斷路器智能控制器的一種新型功能也完全可能被發掘出更多、更有價值的工程應用。

[1]關宏亮，趙海翔，王偉勝，戴慧珠，楊以涵等.風電機組低電壓穿越功能及其應用[J].電工技術學報, 2007, 22(10): 173-177.

[2]新疆金風科技股份有限公司.金風低電壓穿越設備900型.

[3]中華人民共和國工業和信息化部.轉換開關電器(TSE)選擇和使用導則(JB/T 10980-2010)[S].北京：機械工業出版社,2010.