一种10kV线路电压采集判断装置的设计

引言

电压互感器是电力系统中重要的测量设备,它为电力系统提供用于计量、控制和继电保护所必须的信息。传统电磁式电压互感器及电容式电压互感器均存在体积大、绝缘结构复杂等特点,都无法直接应用于10kV开关柜的电压采集。因此,10kV线路缺少一种适用于开关柜的线路电压采集判断装置,以配合10kV线路保护装置实现检测线路有无电压的功能。针对目前电压互感器存在的问题,设计一种体积小、性能稳定、结构简单的10kV线路电压采集判断装置显得较为迫切。

1电压采集判断装置的作用及设计要求

1.1电压采集判断装置的作用

1.1.1线路检无压重合闸

在配电网架空线路中,自动重合闸装置的投入使用可大大缩短因线路瞬时性故障造成的停电时间,而典型的线路重合闸配置方式主要有检无压方式和检同期方式。由于传统的配电网系统多为单电源供电,配网重合闸一般采用不检查线路电压方式,直接重合闸。但对于含有分布式电源的线路采用这种方式重合闸可能出现非同期合闸,进而在分布式电源和系统电源之间形成很大的冲击电流或电压[2]。在目前配电网运行中发现,大部分含有分布式电源线路由于历史原因等,未装设线路电压采集判断装置,无法检无压和检同期,因此重合闸装置投入运行率不高,即使投入运行也大多采用不检方式。当采用不检方式时,不但会直接导致重合闸成功率降低,甚至会给电网的安全运行埋下隐患。

由于检无压方式比检同期所需的投入小且要求低,因此目前配电网的重合闸装置大多采用检无压方式。所以提高配电网线路重合闸成功率的关键在于装设线路电压采集判断装置,实现重合闸装置检无压合闸。

1.1.2自动化开关检线路电压分合闸

自动化开关主要包括自动化分段开关、自动化联络开关、自动化分支线开关等三类,而开关的动作大多以线路电压及电流作为依据。以以电压时间为判据的自动化开关动作为例:当线路发生短路故障时,变电站出线开关保护跳闸,线路分段开关检测线路无压后分闸。变电站出线开关检线路无压后第一次重合闸,线路分段开关检测线路有压后逐级延时合闸,当合闸到故障点时,变电站出线开关再次跳闸,所有线路分段开关检测线路无压分闸,同时闭锁故障区间线路分段开关合闸:

故障隔离后,变电站出线开关再次检无压重合,非故障区段的线路分段开关再次检线路有压延时合闸,恢复故障点前段线路供电,联络开关延时合闸,自动恢复故障点后段线路供电。

由此可见,电压采集判断装置对于自动化开关动作尤为重要。但目前尚无直接应用于10kV开关柜的电压采集判断装置,因此研制一套可直接应用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置的需求较为迫切。

1.2电压采集判断装置的设计要求

根据其功能及作用,电压采集判断装置应符合以下要求:

(1)在标称电压为10kV的系统中长期运行,当系统发生单相接地、谐振等故障时,相电压将会升高到正常时刻电压的V3倍甚至3倍,因此,电压采集判断装置应能耐受10kV甚至18kV的高压。此外,在上述故障情况下也应能持续运行至少2h。

(2)装置应有判断目前线路电压状态(有压/无压)的功能,输出有压/无压信号,配合重合闸装置实现检无压功能。

(3)装置应具有体积小、结构简单等特点,能适用于10kV开关柜等空间较小的安装环境。

210kV线路电压采集判断装置设计

目前10kV线路保护装置均具备"有压"开入的功能,同时,采样板也具有接入线路电压UxL的功能,当线路有压时,输出电压或有压接点闭合,保护装置即可判断线路电压状态。针对10kV线路保护装置的特点,设计一种电压采集判断装置,该装置主要包括电阻分压电路、电压比较电路、继电器驱动电路三个部分,如图1所示。电阻分压电路用于采集线路电压,并经电压比较电路处理后,再驱动继电器输出有压/无压信号。

2.1电阻分压电路

电阻分压的目的是等比例获取母线电压的大小,为后续的信号处理电路提供电压信号。电阻分压电路采用电阻串联分压的工作原理,如图1所示,图中Rf与Rb为压敏分压电阻,分别保护分压电路和电压比较电路,防止电路因线路过电压而损坏。其工作过程为:线路电压经分压电阻Rf、Rb与大地形成回路,并在Rf及Rb上产生压降,取分压电阻Rb的电压作为线路采样电压,输入到电压比较电路。其中,分压电阻Rf与Rb的比值可根据电压比较电路的信号输入范围进行设置,使分压电阻Rb的电压U1满足电压比较电路的处理要求。此外,由于电压比较电路和继电器驱动电路均采用外部电源,因此,分压电阻Rf与Rb可选取阻值较大且功率较小的电阻器。此种方式既可使得电阻发热较小,耐压能力强,满足长期运行要求,又可使相对地绝缘电阻足够大且相对地电流足够小,不影响线路运行状态。

2.2电压比较电路

电压比较电路包括电源处理模块、采集模块、放大模块、数据转换模块、微机处理模块、定值整定模块以及数据输出模块,如图2所示。

电源模块,采用外部输入的220VDC/AC电源,模块对电源进行处理后输出多个电压,作为电压比较电路及继电器驱动电路的工作电源。电阻分压电路采样到线路电压U1后,输入到电压比较电路的采集模块,采集模块先对输入的模拟电压U1进行信号处理,滤除干扰,再将处理后的电压信号输入到放大模块。

放大模块采用模拟信号放大电路,通过运放实现采样电压U1的隔离及两级信号放大。经过运放隔离后,电阻分压电路只有U1电压的输出,而无电流输出,因此当后续电路对放大后的U1信号进行处理时将不会对电阻分压电路产生任何影响,此种设计不仅不影响系统状态,而且保证了电阻分压电路的采样电压精度。

信号隔离放大后输入到数据转换模块进行数据转换。数据转换模块采用A/D转换芯片进行设计,通过A/D转换芯片将采样、隔离、放大后的模拟电压信号转换为数字电压信号,并输入到微机处理器进行处理。

微机处理器采用单片机进行设计,其具备逻辑分析、判断功能,用户可通过定值整定模块输入线路有压的判据及电压控制参数。当采样、隔离、放大后的电压信号大于整定模块输入的电压信号时,则通过数据输出模块输出电压信号,驱动继电器工作:当采样、隔离、放大后的电压信号小于整定模块输入的电压信号时,数据输出模块无电压输出,此时继电器无驱动信号。

2.3继电器驱动电路

继电器驱动电路通过电压比较电路的电源模块取得供电电源,并受电压比较电路的控制。电压比较电路通过数据输出模块输出数据,并输入到继电器驱动电路中,驱动继电器工作。驱动器工作示意图如图3所示。当线路有压时,电压比较电路输出有压控制信号,继电器K1动作,K1开关闭合,有压指示灯亮,显示线路有压,同时线路保护装置检测到线路有压信号:当线路无压时,电压比较电路无控制信号输出,K1开关断开,有压指示灯灭,显示线路无压,同时线路保护装置检测到线路无压信号。图中,R1、R2、R3为控制回路的相关保护元件(电阻、电感、电容),K2为复归继电器,s为复归按钮。

310kV线路电压采集判断装置工作原理

10kV线路电压采集判断装置通过电阻分压电路对线路电压进行分压,并从分压电阻Rb采集10kV线路电压信号U1。由于U1功率小,不足以驱动继电器电路,并且不能直接进行信号的A/D转换,因此采样的电压信号还需输入到电压比较模块。电压比较模块对采集信号进行滤波、隔离、放大及A/D转换后输入到微机处理器,微处理器对采样的线路电压信号进行逻辑判断,当采集电压超过微机处理模块整定的有压值Uy(Uy取70%UN)时,将通过数据输出模块输出信号控制继电器K1开关动作。此时继电器K1常开的3对接点①/②、③/④、⑤/⑥均闭合,其中①/②接点闭合引至10kV线路保护的保护开入模块,作为"线路有压"的开入功能:③/④接点闭合串联10kV母线二次电压UA,输入到10kV线路保护装置的采样模块UxL,作为线路的采集电压:⑤/⑥接点闭合时,线路有压带电指示灯点亮,完成线路有压检测。因此,当线路处于正常运行状态时,线路电压采集判断装置一直处于有压工作状态,有压指示灯常亮,保护装置一直检测线路有压。当采集的线路电压低于微机处理模块整定的有压值Uw(Uw取30%UN)时,数据输出模块将无控制信号输出,继电器K1开关不动作,继电器K1的3对常开接点断开,保护装置将检测到10kV线路无压,此时若重合闸装置投入工作,保护装置将进行检无压重合闸,其工作流程图如图4所示。

当需要对装置进行复位及试验时,只需按复位按钮s,从而触发继电器K2动作,K2开关断开,继电器K1掉电,K1开关动作,使装置恢复至检无压的工作状态。若需停用电压采集判断装置,则使复位按键处于闭合状态即可。

4结语

本文分析了目前电压互感器所存在的问题,并针对问题提出了设计一种电压采集判断装置,对装置的功能、设计要求、设计步骤及工作原理进行了全面的分析及阐述。设计的10kV电压采集判断装置具有体积小、结构简单、可靠性高等特点,适用于10kV开关柜等体积空间较小的环境,可与目前绝大多数配电网重合闸装置进行无缝对接,使重合闸装置具备检测线路有无电压的功能。