引言

電壓互感器是電力系統(tǒng)中重要的測量設備,它為電力系統(tǒng)提供用于計量、控制和繼電保護所必須的信息。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、絕緣結構復雜等特點,都無法直接應用于10kV開關柜的電壓采集。因此,10kV線路缺少一種適用于開關柜的線路電壓采集判斷裝置,以配合10kV線路保護裝置實現檢測線路有無電壓的功能。針對目前電壓互感器存在的問題,設計一種體積小、性能穩(wěn)定、結構簡單的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計要求

1.1電壓采集判斷裝置的作用

1.1.1線路檢無壓重合閘

在配電網架空線路中,自動重合閘裝置的投入使用可大大縮短因線路瞬時性故障造成的停電時間,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)的配電網系統(tǒng)多為單電源供電,配網重合閘一般采用不檢查線路電壓方式,直接重合閘。但對于含有分布式電源的線路采用這種方式重合閘可能出現非同期合閘,進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]。在目前配電網運行中發(fā)現,大部分含有分布式電源線路由于歷史原因等,未裝設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行率不高,即使投入運行也大多采用不檢方式。當采用不檢方式時,不但會直接導致重合閘成功率降低,甚至會給電網的安全運行埋下隱患。

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

1.1.2自動化開關檢線路電壓分合閘

自動化開關主要包括自動化分段開關、自動化聯絡開關、自動化分支線開關等三類,而開關的動作大多以線路電壓及電流作為依據。以以電壓時間為判據的自動化開關動作為例:當線路發(fā)生短路故障時,變電站出線開關保護跳閘,線路分段開關檢測線路無壓后分閘。變電站出線開關檢線路無壓后第一次重合閘,線路分段開關檢測線路有壓后逐級延時合閘,當合閘到故障點時,變電站出線開關再次跳閘,所有線路分段開關檢測線路無壓分閘,同時閉鎖故障區(qū)間線路分段開關合閘:

故障隔離后,變電站出線開關再次檢無壓重合,非故障區(qū)段的線路分段開關再次檢線路有壓延時合閘,恢復故障點前段線路供電,聯絡開關延時合閘,自動恢復故障點后段線路供電。

由此可見,電壓采集判斷裝置對于自動化開關動作尤為重要。但目前尚無直接應用于10kV開關柜的電壓采集判斷裝置,因此研制一套可直接應用于10kV開關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計要求

根據其功能及作用,電壓采集判斷裝置應符合以下要求:

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

(2)裝置應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,配合重合閘裝置實現檢無壓功能。

(3)裝置應具有體積小、結構簡單等特點,能適用于10kV開關柜等空間較小的安裝環(huán)境。

210kV線路電壓采集判斷裝置設計

目前10kV線路保護裝置均具備"有壓"開入的功能,同時,采樣板也具有接入線路電壓UxL的功能,當線路有壓時,輸出電壓或有壓接點閉合,保護裝置即可判斷線路電壓狀態(tài)。針對10kV線路保護裝置的特點,設計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、繼電器驅動電路三個部分,如圖1所示。電阻分壓電路用于采集線路電壓,并經電壓比較電路處理后,再驅動繼電器輸出有壓/無壓信號。

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)的信號處理電路提供電壓信號。電阻分壓電路采用電阻串聯分壓的工作原理,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:線路電壓經分壓電阻Rf、Rb與大地形成回路,并在Rf及Rb上產生壓降,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的比值可根據電壓比較電路的信號輸入范圍進行設置,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動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,滿足長期運行要求,又可使相對地絕緣電阻足夠大且相對地電流足夠小,不影響線路運行狀態(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、數據轉換模塊、微機處理模塊、定值整定模塊以及數據輸出模塊,如圖2所示。

電源模塊,采用外部輸入的220VDC/AC電源,模塊對電源進行處理后輸出多個電壓,作為電壓比較電路及繼電器驅動電路的工作電源。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,采集模塊先對輸入的模擬電壓U1進行信號處理,濾除干擾,再將處理后的電壓信號輸入到放大模塊。

放大模塊采用模擬信號放大電路,通過運放實現采樣電壓U1的隔離及兩級信號放大。經過運放隔離后,電阻分壓電路只有U1電壓的輸出,而無電流輸出,因此當后續(xù)電路對放大后的U1信號進行處理時將不會對電阻分壓電路產生任何影響,此種設計不僅不影響系統(tǒng)狀態(tài),而且保證了電阻分壓電路的采樣電壓精度。

信號隔離放大后輸入到數據轉換模塊進行數據轉換。數據轉換模塊采用A/D轉換芯片進行設計,通過A/D轉換芯片將采樣、隔離、放大后的模擬電壓信號轉換為數字電壓信號,并輸入到微機處理器進行處理。

微機處理器采用單片機進行設計,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及電壓控制參數。當采樣、隔離、放大后的電壓信號大于整定模塊輸入的電壓信號時,則通過數據輸出模塊輸出電壓信號,驅動繼電器工作:當采樣、隔離、放大后的電壓信號小于整定模塊輸入的電壓信號時,數據輸出模塊無電壓輸出,此時繼電器無驅動信號。

2.3繼電器驅動電路

繼電器驅動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據輸出模塊輸出數據,并輸入到繼電器驅動電路中,驅動繼電器工作。驅動器工作示意圖如圖3所示。當線路有壓時,電壓比較電路輸出有壓控制信號,繼電器K1動作,K1開關閉合,有壓指示燈亮,顯示線路有壓,同時線路保護裝置檢測到線路有壓信號:當線路無壓時,電壓比較電路無控制信號輸出,K1開關斷開,有壓指示燈滅,顯示線路無壓,同時線路保護裝置檢測到線路無壓信號。圖中,R1、R2、R3為控制回路的相關保護元件(電阻、電感、電容),K2為復歸繼電器,s為復歸按鈕。

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線路電壓進行分壓,并從分壓電阻Rb采集10kV線路電壓信號U1。由于U1功率小,不足以驅動繼電器電路,并且不能直接進行信號的A/D轉換,因此采樣的電壓信號還需輸入到電壓比較模塊。電壓比較模塊對采集信號進行濾波、隔離、放大及A/D轉換后輸入到微機處理器,微處理器對采樣的線路電壓信號進行邏輯判斷,當采集電壓超過微機處理模塊整定的有壓值Uy(Uy取70%UN)時,將通過數據輸出模塊輸出信號控制繼電器K1開關動作。此時繼電器K1常開的3對接點①/②、③/④、⑤/⑥均閉合,其中①/②接點閉合引至10kV線路保護的保護開入模塊,作為"線路有壓"的開入功能:③/④接點閉合串聯10kV母線二次電壓UA,輸入到10kV線路保護裝置的采樣模塊UxL,作為線路的采集電壓:⑤/⑥接點閉合時,線路有壓帶電指示燈點亮,完成線路有壓檢測。因此,當線路處于正常運行狀態(tài)時,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,保護裝置一直檢測線路有壓。當采集的線路電壓低于微機處理模塊整定的有壓值Uw(Uw取30%UN)時,數據輸出模塊將無控制信號輸出,繼電器K1開關不動作,繼電器K1的3對常開接點斷開,保護裝置將檢測到10kV線路無壓,此時若重合閘裝置投入工作,保護裝置將進行檢無壓重合閘,其工作流程圖如圖4所示。

當需要對裝置進行復位及試驗時,只需按復位按鈕s,從而觸發(fā)繼電器K2動作,K2開關斷開,繼電器K1掉電,K1開關動作,使裝置恢復至檢無壓的工作狀態(tài)。若需停用電壓采集判斷裝置,則使復位按鍵處于閉合狀態(tài)即可。

4結語

本文分析了目前電壓互感器所存在的問題,并針對問題提出了設計一種電壓采集判斷裝置,對裝置的功能、設計要求、設計步驟及工作原理進行了全面的分析及闡述。設計的10kV電壓采集判斷裝置具有體積小、結構簡單、可靠性高等特點,適用于10kV開關柜等體積空間較小的環(huán)境,可與目前絕大多數配電網重合閘裝置進行無縫對接,使重合閘裝置具備檢測線路有無電壓的功能。