婁建國，徐小軍，劉團結(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、分斷速度快、分斷時不產(chǎn)生電弧等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用.其不僅能接通額定電流，且能在故障情況下分斷短路電流，起到保護設(shè)備、線路及人身安全的作用[1].國標對斷路器的保護要求包括過流保護、短路保護 、過熱保護、失壓和欠壓保護等，本文通過檢測線路電流變化率，在斷路器的短路初始時刻即可判斷出短路故障，令斷路器在極短時間內(nèi)分斷線路，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)計的保護裝置拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.1 主開關(guān)拓撲結(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撲結(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，本設(shè)計功率開關(guān)元件選用IGBT，從經(jīng)濟性和驅(qū)動電路設(shè)計的便捷性選用橋式拓撲結(jié)構(gòu)，同時為IGBT設(shè)計緩沖保護電路，如圖2所示.

1.2 電源模塊設(shè)計

電源模塊用來為控制單元和檢測單元提供優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的工作電壓，同時減少對電網(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)的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路后分兩條路徑送給單片機進行處理.一條經(jīng)運算放大、全波精密整流后送入單片機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的中斷口.

1.4 控制單元

控制單元包括PIC單片機基本電路和IGBT驅(qū)動電路，PIC單片機作為核心控制器，主要作用有：1)產(chǎn)生IGBT的控制信號，根據(jù)控制策略，通過IGBT驅(qū)動電路(如圖3)控制斷路器的分合閘；2)實時處理檢測單元傳來的數(shù)據(jù)，與軟件設(shè)定值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果選擇靜默或是向IGBT發(fā)出分斷指令；3)控制參考電壓Vref值的大小.

2 電流變化率檢測原理分析

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

2.1 微分電路原理分析

實際應(yīng)用中，常用圖4所示的實用有源微分電路圖檢測電流變化率.

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)幅頻特性的對數(shù)表達式為：

(3)

理想微分器的幅頻特性對數(shù)表達式為：

(4)

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

當ω<ω1時，式(3)的后兩項可忽略不計，近似表示為：

(5)

該頻率下與理想微分器的特性一致.

當ω1<ω<ω2時，式(3)第三項可忽略不計，近似表示為：

(6)

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

當ω>ω2以后，式(3)可近似表示為：

(7)

式(7)中，第二項、第三項為衰減項，合成特性每十倍頻衰減20 dB.

由上述的分析可知，當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)計微分電路時，應(yīng)保證信號角頻率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)致不同相角下檢測到的短路電流瞬時值差異很大，故采用檢測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)短路時刻的電壓相角如何，短路時刻電流變化率的值在56 μs內(nèi)已變得遠遠大于短路時刻電流的最大值，可以盡快地報告出短路情況.研究表明短路電流變化率值的大小和短路發(fā)生時的相角有關(guān)，當電網(wǎng)短路發(fā)生在180°和360°時檢測的電流變化率最慢[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所示的拓撲結(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的波形；B通道顯示單片機中斷端口電壓波形(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)生短路故障時檢測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，采用檢測電流變化率的方法可快速檢測到短路故障.

圖6 電網(wǎng)電壓360°短路時的電流變化率波形

圖7 電網(wǎng)電壓180°短路時的電流變化率波形

3 樣機調(diào)試分析

3.1 實驗樣機裝置

根據(jù)上述理論和仿真分析，制作了簡易的樣機裝置來進行實驗測試.樣機采用額定電壓1 V，型號為LCTA21CE-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%.樣機設(shè)置的采樣電阻值為100，采用增益為10運算放大電路，使得采集到的電壓值等于一次側(cè)的電流值.圖8所示為制作的簡易樣機實物圖，由主開關(guān)與取樣電路部分、信號調(diào)理和控制系統(tǒng)部分構(gòu)成.

圖8 樣機實物圖

根據(jù)樣機實驗測試需要，另用到表1所列的實驗設(shè)備.

表1 主要實驗設(shè)備

3.2 實驗調(diào)試過程分析

實驗時將樣機的額定電流In設(shè)置為1 A，參照家用B型斷路器標準，針對斷路器的過載長延時、短路短延時和短路瞬動分別對樣機進行了實驗數(shù)據(jù)的測定.

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斷路器不動作，超過1.45In后在1 h內(nèi)必須動作.實驗時設(shè)置了3 s過載整定時間，時間到，斷路器分斷線路，如圖9(a)所示.

根據(jù)家用B型斷路器整定要求：當線路電流達到3In～5In時作為短路電流短延時處理.短路延時時間大于等于0.1 s.實驗時設(shè)置3In作為短延時電流整定值，設(shè)置0.4 s的短延時整定時間，延時時間到，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：當線路電流大于5In時作為短路瞬動處理，必須在0.1 s內(nèi)分斷線路，越快越好.實驗時將10In設(shè)定為短路電流整定值，實驗結(jié)果如圖9(c)所示，從捕獲波形可以看出，當電流大于5In時，經(jīng)過60多微秒線路完全斷開，遠低于標準值0.1 s.

圖9 樣機測試波形圖

4 結(jié)論

采用檢測電流變化率來檢測線路短路故障的方式具有速度快，安全可靠性高的特點，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，且在運行過程中不產(chǎn)生電弧，適用于對防火、防爆要求較高的工作場所.