一種10kV線路電壓采集判斷裝置的設(shè)計(jì)

引言

電壓互感器是電力系統(tǒng)中重要的測(cè)量設(shè)備,它為電力系統(tǒng)提供用于計(jì)量、控制和繼電保護(hù)所必須的信息。傳統(tǒng)電磁式電壓互感器及電容式電壓互感器均存在體積大、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),都無法直接應(yīng)用于10kV開關(guān)柜的電壓采集。因此,10kV線路缺少一種適用于開關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置,以配合10kV線路保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)檢測(cè)線路有無電壓的功能。針對(duì)目前電壓互感器存在的問題,設(shè)計(jì)一種體積小、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的10kV線路電壓采集判斷裝置顯得較為迫切。

1電壓采集判斷裝置的作用及設(shè)計(jì)要求

1.1電壓采集判斷裝置的作用

1.1.1線路檢無壓重合閘

在配電網(wǎng)架空線路中,自動(dòng)重合閘裝置的投入使用可大大縮短因線路瞬時(shí)性故障造成的停電時(shí)間,而典型的線路重合閘配置方式主要有檢無壓方式和檢同期方式。由于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)多為單電源供電,配網(wǎng)重合閘一般采用不檢查線路電壓方式,直接重合閘。但對(duì)于含有分布式電源的線路采用這種方式重合閘可能出現(xiàn)非同期合閘,進(jìn)而在分布式電源和系統(tǒng)電源之間形成很大的沖擊電流或電壓[2]。在目前配電網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),大部分含有分布式電源線路由于歷史原因等,未裝設(shè)線路電壓采集判斷裝置,無法檢無壓和檢同期,因此重合閘裝置投入運(yùn)行率不高,即使投入運(yùn)行也大多采用不檢方式。當(dāng)采用不檢方式時(shí),不但會(huì)直接導(dǎo)致重合閘成功率降低,甚至?xí)o電網(wǎng)的安全運(yùn)行埋下隱患。

由于檢無壓方式比檢同期所需的投入小且要求低,因此目前配電網(wǎng)的重合閘裝置大多采用檢無壓方式。所以提高配電網(wǎng)線路重合閘成功率的關(guān)鍵在于裝設(shè)線路電壓采集判斷裝置,實(shí)現(xiàn)重合閘裝置檢無壓合閘。

1.1.2自動(dòng)化開關(guān)檢線路電壓分合閘

自動(dòng)化開關(guān)主要包括自動(dòng)化分段開關(guān)、自動(dòng)化聯(lián)絡(luò)開關(guān)、自動(dòng)化分支線開關(guān)等三類,而開關(guān)的動(dòng)作大多以線路電壓及電流作為依據(jù)。以以電壓時(shí)間為判據(jù)的自動(dòng)化開關(guān)動(dòng)作為例:當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí),變電站出線開關(guān)保護(hù)跳閘,線路分段開關(guān)檢測(cè)線路無壓后分閘。變電站出線開關(guān)檢線路無壓后第一次重合閘,線路分段開關(guān)檢測(cè)線路有壓后逐級(jí)延時(shí)合閘,當(dāng)合閘到故障點(diǎn)時(shí),變電站出線開關(guān)再次跳閘,所有線路分段開關(guān)檢測(cè)線路無壓分閘,同時(shí)閉鎖故障區(qū)間線路分段開關(guān)合閘:

故障隔離后,變電站出線開關(guān)再次檢無壓重合,非故障區(qū)段的線路分段開關(guān)再次檢線路有壓延時(shí)合閘,恢復(fù)故障點(diǎn)前段線路供電,聯(lián)絡(luò)開關(guān)延時(shí)合閘,自動(dòng)恢復(fù)故障點(diǎn)后段線路供電。

由此可見,電壓采集判斷裝置對(duì)于自動(dòng)化開關(guān)動(dòng)作尤為重要。但目前尚無直接應(yīng)用于10kV開關(guān)柜的電壓采集判斷裝置,因此研制一套可直接應(yīng)用于10kV開關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置的需求較為迫切。

1.2電壓采集判斷裝置的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)其功能及作用,電壓采集判斷裝置應(yīng)符合以下要求:

(1)在標(biāo)稱電壓為10kV的系統(tǒng)中長(zhǎng)期運(yùn)行,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地、諧振等故障時(shí),相電壓將會(huì)升高到正常時(shí)刻電壓的V3倍甚至3倍,因此,電壓采集判斷裝置應(yīng)能耐受10kV甚至18kV的高壓。此外,在上述故障情況下也應(yīng)能持續(xù)運(yùn)行至少2h。

(2)裝置應(yīng)有判斷目前線路電壓狀態(tài)(有壓/無壓)的功能,輸出有壓/無壓信號(hào),配合重合閘裝置實(shí)現(xiàn)檢無壓功能。

(3)裝置應(yīng)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),能適用于10kV開關(guān)柜等空間較小的安裝環(huán)境。

210kV線路電壓采集判斷裝置設(shè)計(jì)

目前10kV線路保護(hù)裝置均具備"有壓"開入的功能,同時(shí),采樣板也具有接入線路電壓UxL的功能,當(dāng)線路有壓時(shí),輸出電壓或有壓接點(diǎn)閉合,保護(hù)裝置即可判斷線路電壓狀態(tài)。針對(duì)10kV線路保護(hù)裝置的特點(diǎn),設(shè)計(jì)一種電壓采集判斷裝置,該裝置主要包括電阻分壓電路、電壓比較電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路三個(gè)部分,如圖1所示。電阻分壓電路用于采集線路電壓,并經(jīng)電壓比較電路處理后,再驅(qū)動(dòng)繼電器輸出有壓/無壓信號(hào)。

2.1電阻分壓電路

電阻分壓的目的是等比例獲取母線電壓的大小,為后續(xù)的信號(hào)處理電路提供電壓信號(hào)。電阻分壓電路采用電阻串聯(lián)分壓的工作原理,如圖1所示,圖中Rf與Rb為壓敏分壓電阻,分別保護(hù)分壓電路和電壓比較電路,防止電路因線路過電壓而損壞。其工作過程為:線路電壓經(jīng)分壓電阻Rf、Rb與大地形成回路,并在Rf及Rb上產(chǎn)生壓降,取分壓電阻Rb的電壓作為線路采樣電壓,輸入到電壓比較電路。其中,分壓電阻Rf與Rb的比值可根據(jù)電壓比較電路的信號(hào)輸入范圍進(jìn)行設(shè)置,使分壓電阻Rb的電壓U1滿足電壓比較電路的處理要求。此外,由于電壓比較電路和繼電器驅(qū)動(dòng)電路均采用外部電源,因此,分壓電阻Rf與Rb可選取阻值較大且功率較小的電阻器。此種方式既可使得電阻發(fā)熱較小,耐壓能力強(qiáng),滿足長(zhǎng)期運(yùn)行要求,又可使相對(duì)地絕緣電阻足夠大且相對(duì)地電流足夠小,不影響線路運(yùn)行狀態(tài)。

2.2電壓比較電路

電壓比較電路包括電源處理模塊、采集模塊、放大模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、微機(jī)處理模塊、定值整定模塊以及數(shù)據(jù)輸出模塊,如圖2所示。

電源模塊,采用外部輸入的220VDC/AC電源,模塊對(duì)電源進(jìn)行處理后輸出多個(gè)電壓,作為電壓比較電路及繼電器驅(qū)動(dòng)電路的工作電源。電阻分壓電路采樣到線路電壓U1后,輸入到電壓比較電路的采集模塊,采集模塊先對(duì)輸入的模擬電壓U1進(jìn)行信號(hào)處理,濾除干擾,再將處理后的電壓信號(hào)輸入到放大模塊。

放大模塊采用模擬信號(hào)放大電路,通過運(yùn)放實(shí)現(xiàn)采樣電壓U1的隔離及兩級(jí)信號(hào)放大。經(jīng)過運(yùn)放隔離后,電阻分壓電路只有U1電壓的輸出,而無電流輸出,因此當(dāng)后續(xù)電路對(duì)放大后的U1信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)將不會(huì)對(duì)電阻分壓電路產(chǎn)生任何影響,此種設(shè)計(jì)不僅不影響系統(tǒng)狀態(tài),而且保證了電阻分壓電路的采樣電壓精度。

信號(hào)隔離放大后輸入到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊采用A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行設(shè)計(jì),通過A/D轉(zhuǎn)換芯片將采樣、隔離、放大后的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào),并輸入到微機(jī)處理器進(jìn)行處理。

微機(jī)處理器采用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì),其具備邏輯分析、判斷功能,用戶可通過定值整定模塊輸入線路有壓的判據(jù)及電壓控制參數(shù)。當(dāng)采樣、隔離、放大后的電壓信號(hào)大于整定模塊輸入的電壓信號(hào)時(shí),則通過數(shù)據(jù)輸出模塊輸出電壓信號(hào),驅(qū)動(dòng)繼電器工作:當(dāng)采樣、隔離、放大后的電壓信號(hào)小于整定模塊輸入的電壓信號(hào)時(shí),數(shù)據(jù)輸出模塊無電壓輸出,此時(shí)繼電器無驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.3繼電器驅(qū)動(dòng)電路

繼電器驅(qū)動(dòng)電路通過電壓比較電路的電源模塊取得供電電源,并受電壓比較電路的控制。電壓比較電路通過數(shù)據(jù)輸出模塊輸出數(shù)據(jù),并輸入到繼電器驅(qū)動(dòng)電路中,驅(qū)動(dòng)繼電器工作。驅(qū)動(dòng)器工作示意圖如圖3所示。當(dāng)線路有壓時(shí),電壓比較電路輸出有壓控制信號(hào),繼電器K1動(dòng)作,K1開關(guān)閉合,有壓指示燈亮,顯示線路有壓,同時(shí)線路保護(hù)裝置檢測(cè)到線路有壓信號(hào):當(dāng)線路無壓時(shí),電壓比較電路無控制信號(hào)輸出,K1開關(guān)斷開,有壓指示燈滅,顯示線路無壓,同時(shí)線路保護(hù)裝置檢測(cè)到線路無壓信號(hào)。圖中,R1、R2、R3為控制回路的相關(guān)保護(hù)元件(電阻、電感、電容),K2為復(fù)歸繼電器,s為復(fù)歸按鈕。

310kV線路電壓采集判斷裝置工作原理

10kV線路電壓采集判斷裝置通過電阻分壓電路對(duì)線路電壓進(jìn)行分壓,并從分壓電阻Rb采集10kV線路電壓信號(hào)U1。由于U1功率小,不足以驅(qū)動(dòng)繼電器電路,并且不能直接進(jìn)行信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換,因此采樣的電壓信號(hào)還需輸入到電壓比較模塊。電壓比較模塊對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波、隔離、放大及A/D轉(zhuǎn)換后輸入到微機(jī)處理器,微處理器對(duì)采樣的線路電壓信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷,當(dāng)采集電壓超過微機(jī)處理模塊整定的有壓值Uy(Uy取70%UN)時(shí),將通過數(shù)據(jù)輸出模塊輸出信號(hào)控制繼電器K1開關(guān)動(dòng)作。此時(shí)繼電器K1常開的3對(duì)接點(diǎn)①/②、③/④、⑤/⑥均閉合,其中①/②接點(diǎn)閉合引至10kV線路保護(hù)的保護(hù)開入模塊,作為"線路有壓"的開入功能:③/④接點(diǎn)閉合串聯(lián)10kV母線二次電壓UA,輸入到10kV線路保護(hù)裝置的采樣模塊UxL,作為線路的采集電壓:⑤/⑥接點(diǎn)閉合時(shí),線路有壓帶電指示燈點(diǎn)亮,完成線路有壓檢測(cè)。因此,當(dāng)線路處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí),線路電壓采集判斷裝置一直處于有壓工作狀態(tài),有壓指示燈常亮,保護(hù)裝置一直檢測(cè)線路有壓。當(dāng)采集的線路電壓低于微機(jī)處理模塊整定的有壓值Uw(Uw取30%UN)時(shí),數(shù)據(jù)輸出模塊將無控制信號(hào)輸出,繼電器K1開關(guān)不動(dòng)作,繼電器K1的3對(duì)常開接點(diǎn)斷開,保護(hù)裝置將檢測(cè)到10kV線路無壓,此時(shí)若重合閘裝置投入工作,保護(hù)裝置將進(jìn)行檢無壓重合閘,其工作流程圖如圖4所示。

當(dāng)需要對(duì)裝置進(jìn)行復(fù)位及試驗(yàn)時(shí),只需按復(fù)位按鈕s,從而觸發(fā)繼電器K2動(dòng)作,K2開關(guān)斷開,繼電器K1掉電,K1開關(guān)動(dòng)作,使裝置恢復(fù)至檢無壓的工作狀態(tài)。若需停用電壓采集判斷裝置,則使復(fù)位按鍵處于閉合狀態(tài)即可。

4結(jié)語(yǔ)

本文分析了目前電壓互感器所存在的問題,并針對(duì)問題提出了設(shè)計(jì)一種電壓采集判斷裝置,對(duì)裝置的功能、設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)步驟及工作原理進(jìn)行了全面的分析及闡述。設(shè)計(jì)的10kV電壓采集判斷裝置具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn),適用于10kV開關(guān)柜等體積空間較小的環(huán)境,可與目前絕大多數(shù)配電網(wǎng)重合閘裝置進(jìn)行無縫對(duì)接,使重合閘裝置具備檢測(cè)線路有無電壓的功能。