低压线路保护装置的设计-安科瑞.pdf

低压线路保护装置的设计 1 2 3 4 5 俞洋 ， 赵波 ， 王君伟 ， 周佳 ， 邵桦 （1.华南理工大学建筑设计研究院，广州 510641 2.江苏安科瑞电器制造有限公司，江苏 江阴 214405 3.安科瑞电气股份有限公司，上海 嘉定 201801） 摘要：设计了一种低压线路专用保护装置，可配合断路器使用，对线路的过载、接 、过压、欠压等故障进行保护，提高低 压配电系统的用电安全和用电可靠性，简化配电柜设计，提高自动化程度。 关键词:低压线路保护；反时限曲线；过流保护；硬件电路 0 引言 目前低压（交流不超过1000V或直流不超过1500V）配电保护多选用塑壳断路器、熔断器或剩余电流 动作保护器，实现速断、长延时保护，但很多塑壳断路器动作精度不够，难以实现级间选择性配合，可能 会造成上下级连跳、扩大事故。另外，塑壳断路器不具备信号实时监测显示、事件记录和通讯组网等功能。 因此，本文设计一种低压线路保护装置，配合断路器使用，可以对线路的过载、接地、过压、欠压等 故障进行保护。 1 低压线路保护装置的设计 低压线路保护装置用于AC400V （或690V）电压等级中的产品，安装在低压馈线柜中，采用嵌入式 或导轨安装。产品的正常工作条件：工作温度为-10℃～+55℃，海拔不高于2000米，环境中无明显腐蚀性 气体，湿度≤95%，不结露。为满足配电标准中对线路过载、接地故障的保护要求，设计有两段定时限保 护和反时限保护 （标准反时限、极端反时限等8种曲线），另外带有欠压保护和过压保护等多种保护功能。 装置由硬件平台和软件平台组成。硬件组成框图如图1所示。 图1 硬件组成框图 1.1 主要硬件电路的设计 在低压系统中当大功率电机起动时，可能引起电网电压瞬间降低。为防止电压降低引起装置误动作， 装置电源输入范围设计为AC85V～AC 265V；在有些场所中，低压控制回路会采用直流供电（DC 110V或 DC220V），因此电源需要支持交流和直流两种方式。常用的线性电源不能很好的满足这些要求，因此采用 -2- 开关电源方案来设计装置电源。本装置使用PI公司的开关电源芯片做电源设计，整体功率在8VA左右， 电源的输入、输出间要满足2kV工频耐压（工频耐压等级可参见GB 14048-2012 《低压开关设备和控制设 备》），能通过4级电涌试验。在开关电源中，通过使用PIExpert 自带的变压器设计软件降低变压器的设 计难度。开关变压器设计简单描述如下：拓扑结构为反激式，反馈类型为次级TL431，输入电压选为通用 型（85～265）V，根据实际情况设计输出电压和功率，需要输出电压隔离时可在叠加选项中将输出设置为 分离式。变压器设计时，需要综合考虑效率、磁通密度、铁芯、骨架等参数，有时调整效率会引起磁通变 化，反而使变压器性能变差。变压器设计完成后进行PCB设计，可以参考PIExpert推荐的布局、布线， 减小环路，以防带来不可预知的干扰信号。 低压馈线中的电压、电流信号相对于本装置内部的采集电路属于高电压、大电流信号，需要将其变为 低压、小电流信号。选用电压互感器、电流互感器时，需结合产品特点，如普通电测仪表选用电流互感器 时，只考虑过载能力为额定值的120%，但保护装置需考虑使用5P10、10P20甚至更高过载能力的保护级电流 互感器。设计采样电路时需要综合考虑电阻的功率、电压、温漂系数、精度等参数。如使用10P20电流互感 器设计电流采样电路时，同样要考虑能承受20倍过载（互感器二次侧）的取样电阻。取样电阻选取后，再 设计后级的信号处理电路。信号处理电路包括滤波、放大等电路。滤波电路设计时一般会采用低通滤波， 滤除不需要的干扰信息，滤波截止频率要与软件采样频率匹配。信号放大电路设计时需考虑信号范围、线 性度等参数，必要时需要做分段处理。该装置直接采用交流放大，配合软件完成真有效值计算、矢量计算 等。 1.2 软件设计 现阶段的低压供电系统会存在谐波源，给电网带来谐波污染，因此低压线路保护装置需要选取基于非 正弦信号的测量算法。基于非正弦信号算法包括傅里叶算法、一阶差分后半波傅里叶算法、真有效值等算 法。傅里叶算法