婁建國(guó)，徐小軍，劉團(tuán)結(jié)

(淮南師范學(xué)院，安徽 淮南 232038)

0 引言

固態(tài)斷路器因體積小、壽命長(zhǎng)、分?jǐn)嗨俣瓤?、分?jǐn)鄷r(shí)不產(chǎn)生電弧等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用.其不僅能接通額定電流，且能在故障情況下分?jǐn)喽搪冯娏鳎鸬奖Ｗo(hù)設(shè)備、線路及人身安全的作用[1].國(guó)標(biāo)對(duì)斷路器的保護(hù)要求包括過流保護(hù)、短路保護(hù) 、過熱保護(hù)、失壓和欠壓保護(hù)等，本文通過檢測(cè)線路電流變化率，在斷路器的短路初始時(shí)刻即可判斷出短路故障，令斷路器在極短時(shí)間內(nèi)分?jǐn)嗑€路，降低或消除短路帶來的故障隱患.

1 組成結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)研究目的，設(shè)計(jì)的保護(hù)裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.1 主開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

固態(tài)斷路器應(yīng)用于交流系統(tǒng)有以下兩種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，分別是橋式結(jié)構(gòu)和反并聯(lián)結(jié)構(gòu).兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)功率開關(guān)元件選用IGBT，從經(jīng)濟(jì)性和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的便捷性選用橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)為IGBT設(shè)計(jì)緩沖保護(hù)電路，如圖2所示.

1.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊用來為控制單元和檢測(cè)單元提供優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的工作電壓，同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)諧波的影響，采用二次側(cè)帶中心抽頭的變壓器，經(jīng)整流和線性穩(wěn)壓后產(chǎn)生±12 V和±5 V的穩(wěn)定電壓源.

1.3 檢測(cè)單元

利用高精度電流互感器和采樣電阻將電網(wǎng)一次側(cè)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后分兩條路徑送給單片機(jī)進(jìn)行處理.一條經(jīng)運(yùn)算放大、全波精密整流后送入單片機(jī)A/D端口，另一條經(jīng)有源微分電路、全波精密整流電路、電壓比較后送入單片機(jī)的中斷口.

1.4 控制單元

控制單元包括PIC單片機(jī)基本電路和IGBT驅(qū)動(dòng)電路，PIC單片機(jī)作為核心控制器，主要作用有：1)產(chǎn)生IGBT的控制信號(hào)，根據(jù)控制策略，通過IGBT驅(qū)動(dòng)電路(如圖3)控制斷路器的分合閘；2)實(shí)時(shí)處理檢測(cè)單元傳來的數(shù)據(jù)，與軟件設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果選擇靜默或是向IGBT發(fā)出分?jǐn)嘀噶睿?)控制參考電壓Vref值的大小.

2 電流變化率檢測(cè)原理分析

采用電流變化率的方式來檢測(cè)線路短路電流可顯著縮短短路故障的檢測(cè)時(shí)間，一般可通過軟件編程或是硬件電路檢測(cè)的方式來實(shí)現(xiàn).采用軟件方式檢測(cè)電流變化率的優(yōu)點(diǎn)是可顯著減少電路的硬件部分，提高裝置的可靠性，同時(shí)也能降低成本，不足之處在于其對(duì)短路故障的反應(yīng)時(shí)間大都在10 ms以上，在需要快速分?jǐn)嚯娐返膱?chǎng)合不滿足需求[2]；硬件電路方式檢測(cè)電流變化率雖然增加了元器件數(shù)量，提高了成本，使檢測(cè)電流部分相對(duì)復(fù)雜些，但其可以顯著減少短路故障的檢測(cè)時(shí)間，尤其當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生最大運(yùn)行方式的短路故障，可在很短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到短路故障.

2.1 微分電路原理分析

實(shí)際應(yīng)用中，常用圖4所示的實(shí)用有源微分電路圖檢測(cè)電流變化率.

圖4中R1=155，Rf=Rp=100，C1= 0.47 μF，Cf= 0.22 μF，滿足微分規(guī)律的頻帶為0 ～ 6 kHz[3].

(1)

(2)

式(2)幅頻特性的對(duì)數(shù)表達(dá)式為：

(3)

理想微分器的幅頻特性對(duì)數(shù)表達(dá)式為：

(4)

為使該電路起到微分的作用，設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，應(yīng)使ω2≥ω1>ωf.

當(dāng)ω<ω1時(shí)，式(3)的后兩項(xiàng)可忽略不計(jì)，近似表示為：

(5)

該頻率下與理想微分器的特性一致.

當(dāng)ω1<ω<ω2時(shí)，式(3)第三項(xiàng)可忽略不計(jì)，近似表示為：

(6)

分析式(6)可知，該式第一項(xiàng)每十倍頻增長(zhǎng)20 dB，第二項(xiàng)則每十倍頻衰減20 dB，合成特性為一條水平線.

當(dāng)ω>ω2以后，式(3)可近似表示為：

(7)

式(7)中，第二項(xiàng)、第三項(xiàng)為衰減項(xiàng)，合成特性每十倍頻衰減20 dB.

由上述的分析可知，當(dāng)ω>ω1以后，微分電路不再表現(xiàn)微分特性，變成了阻容耦合的交流放大器.故在設(shè)計(jì)微分電路時(shí)，應(yīng)保證信號(hào)角頻率ω<ω1.

2.2 短路故障仿真分析

短路故障可能發(fā)生在電網(wǎng)電壓的任何相位，導(dǎo)致不同相角下檢測(cè)到的短路電流瞬時(shí)值差異很大，故采用檢測(cè)短路電流來判斷短路故障的方法存在弊端.但是不管電網(wǎng)短路時(shí)刻的電壓相角如何，短路時(shí)刻電流變化率的值在56 μs內(nèi)已變得遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短路時(shí)刻電流的最大值，可以盡快地報(bào)告出短路情況.研究表明短路電流變化率值的大小和短路發(fā)生時(shí)的相角有關(guān)，當(dāng)電網(wǎng)短路發(fā)生在180°和360°時(shí)檢測(cè)的電流變化率最慢[4].所有的電網(wǎng)短路故障一般都可等效成圖5所示的電路結(jié)構(gòu)[5].

圖5 等效短路電路結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖5所示的短路等效原理圖，將圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在Multisim軟件中建立仿真電路模型，分別令系統(tǒng)電壓相角在360°和180°下發(fā)生短路故障，采集到的仿真波形如圖6、圖7所示.A通道顯示微分電路取樣信號(hào)的波形；B通道顯示單片機(jī)中斷端口電壓波形(高電平有效)，電壓比較器設(shè)置的電平檢測(cè)電路門檻值為0.5 V.

分析圖6、圖7可以得出，系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)檢測(cè)到的電流變化率波形頻率約為2 kHz，滿足有源微分電路0 ～ 6 kHz的頻帶要求；同時(shí)可以得出系統(tǒng)在360°和180°相角下發(fā)生短路故障，采用檢測(cè)電流變化率的方法可快速檢測(cè)到短路故障.

圖6 電網(wǎng)電壓360°短路時(shí)的電流變化率波形

圖7 電網(wǎng)電壓180°短路時(shí)的電流變化率波形

3 樣機(jī)調(diào)試分析

3.1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)裝置

根據(jù)上述理論和仿真分析，制作了簡(jiǎn)易的樣機(jī)裝置來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試.樣機(jī)采用額定電壓1 V，型號(hào)為L(zhǎng)CTA21CE-10A/10 mA高精度電流互感器，線性范圍不小于2倍額定值，線性度小于0.1%.樣機(jī)設(shè)置的采樣電阻值為100，采用增益為10運(yùn)算放大電路，使得采集到的電壓值等于一次側(cè)的電流值.圖8所示為制作的簡(jiǎn)易樣機(jī)實(shí)物圖，由主開關(guān)與取樣電路部分、信號(hào)調(diào)理和控制系統(tǒng)部分構(gòu)成.

圖8 樣機(jī)實(shí)物圖

根據(jù)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試需要，另用到表1所列的實(shí)驗(yàn)設(shè)備.

表1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3.2 實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)將樣機(jī)的額定電流In設(shè)置為1 A，參照家用B型斷路器標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)斷路器的過載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)和短路瞬動(dòng)分別對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)定.

根據(jù)家用B型斷路器整定要求：將1.45In作為線路過載電流的整定值，線路電流小于1.45In斷路器不動(dòng)作，超過1.45In后在1 h內(nèi)必須動(dòng)作.實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)置了3 s過載整定時(shí)間，時(shí)間到，斷路器分?jǐn)嗑€路，如圖9(a)所示.

根據(jù)家用B型斷路器整定要求：當(dāng)線路電流達(dá)到3In～5In時(shí)作為短路電流短延時(shí)處理.短路延時(shí)時(shí)間大于等于0.1 s.實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)置3In作為短延時(shí)電流整定值，設(shè)置0.4 s的短延時(shí)整定時(shí)間，延時(shí)時(shí)間到，主回路斷開，如圖9(b)所示.

根據(jù)家用B型斷路器整定要求：當(dāng)線路電流大于5In時(shí)作為短路瞬動(dòng)處理，必須在0.1 s內(nèi)分?jǐn)嗑€路，越快越好.實(shí)驗(yàn)時(shí)將10In設(shè)定為短路電流整定值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9(c)所示，從捕獲波形可以看出，當(dāng)電流大于5In時(shí)，經(jīng)過60多微秒線路完全斷開，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值0.1 s.

圖9 樣機(jī)測(cè)試波形圖

4 結(jié)論

采用檢測(cè)電流變化率來檢測(cè)線路短路故障的方式具有速度快，安全可靠性高的特點(diǎn)，將這種方法應(yīng)用到固態(tài)斷路器中，可快速處理各種短路故障，且在運(yùn)行過程中不產(chǎn)生電弧，適用于對(duì)防火、防爆要求較高的工作場(chǎng)所.