新一代智能控制器过电流保护特性与程序设计_冯关水

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新一代智能控制器过电流保护特性与程序设计
■ 冯关水 陆青峰 李琴/杭申集团·杭州之江开关股份有限公司
断路器（circuit-breaker）是能接通、承载以及 分断正常电路条件下的电流，也能在所规定 的非正常电路（例如短路）下接通、承载一定时间和分 断电流的一种机械开关电器。智能控制器是断路器的关 键部件，它作为一个独立部件直接安装在断路器框架 上，在断路器运行过程中，它实时监控着主回路电流。 当控制器检测到的实时电流符合断路器设定的保护条件 时，控制器会选择以最短的时间发出脱扣信号, 直接驱 动断路器的脱扣轴来分断断路器。从而达到分断故障电 源的目的，使得在该断路器受控下的线路和电源设备免 受过载、短路和接地等故障的危害，从而大大提高了用 电的可靠性。新一代控制器（如图1所示）采用先进的 MCU（微处理器）技术，进行对接入断路器电能的电 流信号、电压信号及各种辅助信号的实时处理，实现了 对电能的过载长延时、短路短延时、短路瞬时和接地故 障四段特性保护功能，以及电流表、电压表（可选项） 等功能 。过电流保护由相线过电流保护和中性线（N 极）过电流保护组成，过电流保护的电流、时间参数一 般由制造厂按用户订货要求整定（用户自己也可自行按 说明书要求整定）。配置新一代智能控制器的万能式断
能够实现选择性保护的原因是，QF1断路器过电 流保护选择为B类，它具有短路短延时性能，当F点 短路时，短路电流流过QF2支路，也流过QF1主断路 器，QF2的瞬时过电流动作，因QF1断路器过电流特 性设置为短路短延时，QF1在设定的短延时时间内不 会动作， QF2瞬时动作切断故障线路时，系统就恢复 了正常。
置外壳导电部分和大地之间的短路，称为接地故障， 为防止这种故障造成的危害而采用的保护称为接地故 障保护，主要用于故障电流在几百安培以上的金属性 接地故障保护，一般用于中性点直接接地系统，其接 地故障保护特性见表5，接地故障保护特性曲线如图5 所示。
智能控制器接地故障保护分两种不同保护方式， 一种为控制器根据三相电流和中性极电流矢量和进行 保护，根据万能式断路器的规格不同可分为3PT、4PT 和（3P+N）T三种形式。另一种为地电流型（W）则
Y 置短延定时限故障标志
Y 置长延反时限故障标志 置曾经发生故障标志
图7 故障判断部分的程序框图
在故障判断的过程中，程序设置了一系列的故障 标志位，利用这些标志位，就可以对不同的故障进行 不同的处理，从而实现不同的保护特性。当程序检测 到长延时反时限或短延时反时限的短路电流时，将上 次计算结束后的能量与当前计算出的能量值相加再进 行判断，当检测到短延时定时限短路电流时，直接对 能量值进行判断，如果计算结果超过各个能量整定值 则立即脱扣，否则存储计算的结果，即能量数值，程 序继续运行。如果本次循环没有检测到故障电流，但 是曾经有故障发生，就需要根据能量记忆原理对暂存
脱扣时间计算值（I＝2.0 Ir1）/s 8.4 16.9 33.8 67.5 135 270
脱扣时间计算值（I＝6.0 Ir1）/s 0.94 1.88 3.75 7.5 15 30
脱扣时间计算值（I＝7.2 Ir1）/s 0.65 1.3 2.6 5.2 10 21
局部短路故障产生，电流一般超出过载整定的范围， 但短路电流又不是很大。短路短延时的延时跳闸是为 了实现选择性保护（如增选区域联锁保护功能，可确 保万能式断路器上下级完全的选择性级差保护），可 进一步加强与下级保护断路器的特性配合。其短路短 延时保护特性见表3所示，短路短延时保护特性曲线如 图3所示。
图1 智能控制器外观图
路器适用于各种电站、发电厂用电，中小型变电所，工 矿企业，楼宇等配电监控系统建设。
1 智能控制器过电流保护特性
1.1 过载长延时保护特性 过载（over-current，超过额定电流的任何电流）长
延时保护功能一般用来对电缆过负荷进行保护，保护 基于电流的真有效值。当控制器监测运行电流达到其 整定值的1.30倍时（发电机、电动机保护为1.20倍）， 控制器将延时发出脱扣命令来驱动断路器的脱扣轴来 分断断路器，从而对线路过负荷进行保护，过载长延 时保护及相关设定参数与动作特性如表1所示。表2为 过载长延时脱扣时间对照表。
读取暂存的能量值 送被加数寄存区
是否本次故障 Y
清曾经发生故障标志
N 消减暂存能量
是否定时保护
N
Y
N
本周期能量值送整定 加数寄存器
清短延定时限故障标志 整定值送加数寄存器
剩余能量是 否需要清零
Y
调用加法程序 结果送加数寄存器
±10% ±15% 30 min 释放
备注 OFF＝关保护 六档供选择（I＝1.5 Ir1） I≤1.05 Ir1，2 h内不动作 I≥1.3 Ir1，1 h内动作
复位或断电自动清除
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T/s
10 000 5 000 1 000
500
I r1＝（0.4～1）I n Ir1＝15～480 s
100
50
20 10 I r2＝（0.4～15）I n Ir2＝0.1～15 s
5
T/s
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0
2 4 1 10 15 20
30
100
×I n
图3 短路短延时过电流保护特性曲线
1.3 短路瞬时保护
短路瞬时保护功能是用来防止配电系统的固体
短路，此类故障一般为相间故障，其短路电流比较
表5 接地故障保护特性
项目 电流整定范围 接地故障时间整定/s 动作时间特性/s
参数 Ir4＝（0.2～0.8）x In或OFF t r4＝0.1、0.2、0.3、0.4 根据t r4设定值定时限
电流值测量误差
±10%
备注 OFF＝关保护 四档供选择 I≤0.9 Ir4，不动作 I≥1.1 Ir4，动作
可由用户自行设定组成所需要的保护特性及电流、 时间的调整，完全可满足国家标准使用类别中A类或 B类要求。
国家标准对断路器选择性过电流保护配合（overcurrent protective co-ordination）定义为在两台串联的过 电流保护装置的情况下，负载侧的保护装置在一个给 定的过电流值及以下实行保护时而不导致另一台保护 装置动作的过电流选择性保护。在此电流值以下，如 有两台串联的过电流保护装置，负载侧的保护装置及 时完成其分断动作，以防止其上一级保护装置开始动 作（即保证了选择性）；对配电型断路器而言，它有A 类和B类之分：A类为非选择型，B类为选择型。断路 器的使用类别，是根据断路器在短路情况下，是否特 别指明用作串联在负载侧的其他断路器，通过人为延 时实现选择性保护而规定，如图6所示，所谓选择型是 指断路器具有过载长延时、短路短延时和短路瞬时的 三段保护特性。
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直接从主电源的中性点与地之间取样。在TN—S配电 系统中选用变压器中性点接地保护，以变压器中性点
接地互感器作为接地故障电流采样用，接地故障保护
信号直接取自变压器中性点接地线，其保护特性为定
时限保护。当用户不对保护方式作选择时，一般出厂
默认为矢量和保护型。
短路（short-circuit，对电路中正常情况下处于不同 电压下的两个或多个点之间，通过一较低的电阻或阻 抗进行的偶然的或有意的连接）短延时保护是用来防 止配电系统的阻抗性短路，此类短路一般是由于线路
项目 电流整定范围 延时时间整定/s 动作时间特性/s
电流值测量误差 动作时间精度 热记忆
表1 过载长延时保护及相关设定参数与动作特性 参数 I r1＝（0.4～1.0）I n或OFF tr1＝15、30、60、120、240、480 T＝1.5Ir1/ I ）2Ir1反时限
控制器具有的热记忆保护是为防止接受到短时的 过电流信号而后系统又恢复正常或周期性过载，此时 具有模拟双金属片的记忆功能，控制器跟踪并记录负 载电流的热效应，当过载累积的热效应达到预定水 平，能使控制器发出脱扣命令。在此期间发生过载、 短延时等故障，脱扣时间将变短，控制器断电，能量 自动清零，控制器长延时过电流保护特性曲线如图2 所示。 1.2 短路短延时保护
大，需要快速分断断路器，切断故障电路。其短路
瞬时保护特性见表4，短路瞬时保护特性曲线如图4 所示。
表3 短路短延时保护特性
项目
参数
备注
电流整定范围
Ir2＝ (0.4 ~ 15) x In或OFF OFF＝关保护
短延时时间整定/s tr2＝0.1、0.2、0.3、0.4 四档供选择
动作时间特性/s 根据tr2设定值定时限
100
50
20
10
I r2＝（0.2～0.8）I n
tr2＝0.1～0.4 s
5
T/s
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0
2
81
10
×I n
图5 接地故障保护特性曲线
当断路器为三极时，N极输入端短接，三相不平衡 电流I·G＝I·A＋I·B＋I·C；当断路器为四极时，接地电流I·G＝I·A ＋I·B＋I·C＋I·N为三极电流和N极电流矢量和，N极互感器
取计算得到的电流有效值I
短延时保护 是否开放
I是否＞定 时限整定值
N
I是否＞短延 时限整定值
Y
置短延定时限故障标志 Y
N
置短延定时限故障标志
定值
N
I是否＞短延 时限整定值
N
长延时保护 是否开放
Y
I是否＞长延 时限整定值
N 是否曾经有故障
Y 故障处理
Y 置短延定时限故障标志
高压开关
变压器
低压主断路器
QF1 低压末级断路器
QF4
QF3
QF2
F点