智能型低壓SPD專用保護器設計

翁利國, 練德強, 洪 達

(1.國網浙江杭州市蕭山區供電有限公司, 浙江 杭州 311201;2.浙江中新電力工程建設有限公司, 浙江 杭州 311201)

0 引 言

目前,低壓配電系統中普遍采用電壓限制型SPD,其核心部件非線性壓敏電阻器(MOV)是一個由氧化鋅粉末通過冶金方式壓制的陶瓷體,其安裝在一個塑料絕緣底座中,通過導線連接在低壓配電系統的相線(L)與接地線(PE)之間。

SPD的伏安特性在正常電網電壓下呈高阻抗,泄漏電流(阻性)1 mA以下[1];當電網遭雷擊發生瞬態過電壓時呈低阻抗,泄放雷電流,以限制過電壓。SPD的“脫離器”用于防止電網發生暫態過電壓故障或MOV老化(劣化)時,泄放電流異常增加,導致SPD發熱起火事故發生。斷路器(或熔斷器)作后備保護,防止線路或設備發生短路故障。

但是SPD本身是一種保護電器,其運行特性不同于一般的電器負載,在常態運行時電流趨于零;保護動作時,泄放數千安的脈沖電流;其故障狀態是如上所述的(數毫安至安培)異常泄漏電流導致發熱起火。所以,其與常規的斷路器或熔斷器的保護特性不匹配,不能為其提供充分的保護。

1 SPD后備保護裝置現狀

1.1 SPD故障類型

SPD主要故障現象是異常發熱,原因是電網故障,出現超過其最高持續運行電壓UC的暫態工頻過電壓,泄漏電流產生的熱效應;而SPD老化(劣化),非線性拐點(導通電壓)降低,同樣使泄漏電流增加,產生熱效應。異常發熱加速其老化(劣化),二者互為因果。

因雷電強度超預期,泄放電流大于其額定值(Iimp、Iimx),SPD被擊穿或炸裂,導致電網短路。SPD在老化(劣化)階段運行,待機功耗增加,長期運行的能耗不容忽略,不符合節能減排的大趨勢。

由于上述原因,或MOV本身的工藝技術質量缺陷,導致SPD內部引線脫落、電阻體斷裂等故障,造成保護失效的隱形虛假運行,也需引起關注。

1.2 SPD后備保護裝置現狀

NB/T 42150《低壓電涌保護器專用保護裝置》[2]規定專用保護裝置性能。專用保護器示意圖如圖1所示。專用保護器主要由一個具有非線性的放電間隙(T)和一個脫扣線圈(L)并聯的斷路器組成,其有如下二種運行狀態。

圖1 專用保護器示意圖

(1) 當低壓配電系統遭雷擊,發生脈沖過電壓時,放電間隙擊穿導通,經SPD釋放雷電流,以限制過電壓。而脫扣線圈對脈沖電流呈高阻抗,避免脫扣斷路器分閘。但此狀態下低壓系統的過電壓限制值是放電間隙的殘壓和SPD的殘壓疊加,降低鉗制電壓的性能,也增加被保護的電子設備擊穿損害的風險。

(2) 當低壓配電系統電壓正常,放電間隙截止呈高阻抗。SPD劣化時,工頻故障電流經脫扣線圈形成回路,達到設定動作值(0.5～15 A)時,驅動斷路器分閘,切斷故障電流。或當電網電壓波動,出現工頻暫態過電壓,導致SPD產生故障電流時,也由脫扣線圈驅動斷路器分閘。

這類SPD后備保護裝置,過電流保護的(最小)動作值為0.5 A,SPD的待機功耗達110 W。同時也沒有對SPD退出運行的故障(開路狀態)采取監控措施。

2 智能型SPD專用保護器的結構

智能型SPD專用保護器是一個特殊結構的單極斷路器與控制器的組合。每個單極對應一個SPD,在三相電路中,3個單極斷路器與控制器組合,分別檢測、控制、保護3個SPD。智能型SPD專用保護器結構原理圖如圖2所示。

圖2 智能型SPD專用保護器結構原理圖

2.1 專用斷路器的結構

斷路器的外殼及形式、操作機構、觸頭系統及滅弧系統與100 A的小型斷路器(MCB)基本相似。專用斷路器結構如圖3所示。斷路器內部的主電路直通導體用于SPD與低壓配電系統,是泄放雷電流的導電途徑,沒有線圈結構不會對雷擊沖擊電流產生高頻阻抗,不會產生殘壓,也不會對SPD的運行性能產生不利影響。拍合式瞬動電磁脫扣器在SPD發生電擊穿短路時,驅動斷路器脫扣機構動作,切斷短路故障電流。

圖3 專用斷路器結構

電流檢測線圈(環型電流互感器)與控制器連接,用于檢測SPD運行中的泄漏電流。脫扣線圈是由控制器驅動。

2.2 智能型控制器的結構

控制器的核心部件是N76E003AT20型中央處理器(CPU),其由輔助電源模塊供電,電流信號經放大器輸入CPU。當信號強度達到設定的閾值時,通過脫扣線圈,驅動斷路器分閘,并驅動指示燈、蜂鳴器發出聲光報警或預警。另有一個溫度傳感器(熱敏電阻)接口,如果需要,可連接SPD外殼上的溫度傳感器。

控制器內置的通信模塊經RS-485接口,可與低壓配電系統的管理網絡連接,將電流、溫度信息及預警、報警信號傳送至上位機,使運維人員、管理人員直觀了解SPD運行的全周期,使SPD運行的管理方式與低壓配電自動化管理系統配套一致。控制器原理框圖如圖4所示。

圖4 控制器原理框圖

3 智能型SPD專用保護器的特性

保護器以環型電流互感器與控制器組合,形成電流檢測控制功能單元。檢測SPD的泄漏電流變化特征,判別其運行狀況。

(1) SPD投入運行初期,產生數毫安的容性(工頻)電流,以此作為SPD在線運行的判別電流[1],若電流趨于零,可判定SPD已退出運行,控制器報警,提示運維人員及時檢修。

(2) 在SPD投運中期,經自然熱老化,或遭雷擊產生泄放電流的熱老化,泄漏電流增加到數十毫安至數百毫安。SPD的待機功耗隨老化程度而增加,但其溫度(溫升)仍正常,維持正常運行。

(3) 在SPD投運后期,處于臨界劣化狀態,其泄漏電流在數百毫安至1 A,但待機功耗明顯增加。

(4) 當檢測到大于1 A的泄漏電流時,SPD已發生不可逆轉的劣化,或電網出現暫態過電壓。該故障電流會導致SPD嚴重發熱,引發其塑料底座熔化或燃燒。控制器按反時限安秒特性(如10 A·s)驅動斷路器分閘,并報警。

若在反時限動作的運行時間內,故障電流下降,則判定是電網暫態過電壓消失,SPD仍維持運行。該反時限特性也避免了SPD再泄放雷電流時的誤動作,提高運行可靠性。

另外,當SPD發生擊穿短路事故,或其他原因導致斷路器以下電路發生短路事故,則由拍合式瞬動脫扣器直接驅動斷路器分閘,切斷電源并報警。

熱敏電阻直接檢測SPD的運行溫度,不但與泄漏電流相關,還受環境溫度、電網電壓波動、泄漏電流變化的熱積累影響,所以更直觀反映SPD的發熱狀態。當檢測到105 ℃時,控制器驅動斷路器分閘并發出報警。

4 結 語

本文探討環型電流互感器與電子式控制電路結合的方法,擴展SPD泄漏電流檢測的范圍,從正常泄漏電流、監界劣化泄漏電流至發熱故障電流,以實現其使用壽命全周期的運行監控,特別是在SPD使用壽命后期,檢測泄漏電流數據反映了待機功耗,可提前預警,避免劣化過程中的高能耗運行。

SPD專用保護裝置實現保護特性與被保護對象的運行特性匹配;具有通信功能,可與既有的低壓配電管理網絡連接,可使斷路器、SPD受監管平臺監控,進一步提高運行可靠性,且能減輕運維人員現場巡視的工作量。