基于剩余电流保护器的微电网复合保护小型断路器的研制*

薛 冰, 杨 然, 杨欢红, 孙诗晴, 沈 淼, 程祥群

(1.国网安徽省电力有限公司 宣城供电公司, 安徽 宣城 242000; 2.上海电力大学, 上海 200090)

0 引 言

随着电力电子技术的发展,越来越多的含分布式电源的小型微电网投入应用,小型断路器作为低压配电网保护的基础部件,如何适应含分布式电源的微电网系统,是亟待解决的问题[1]。微电网系统含有大量电力电子变流器,由于变流器设备的特殊要求以及对于供电系统扰动的敏感性,对于故障保护有着特殊的需求[2]。

电力电子器件与电工产品相比,对于过电压应力的承受能力较差,极短时间的过电压就会导致电力电子器件永久性的损坏,如果仅依靠变流器本身的保护,有时就会有显著的局限性[3],如在部分单相微电网实验系统中,遭遇零相开路过电压即发生变流器烧毁事故,此时只有进一步依靠外部设备,如小型断路器快速切除故障,才能可靠地保护变流器设备。

此外,分布式电源变流器均具备孤岛效应保护功能,但实际应用中,常常出现动作滞后的问题,不能立即断开与主网的链接,如果借助外部断路器,通过简单方式实现孤岛效应的辅助后备保护,就能进一步提升微电网系统的安全性[4]。

本文借助既有剩余电流保护器,提出一种新型复合保护断路器,能够实现系统过电压的速断保护,以及孤岛效应的辅助保护[5],从而提高微电网系统的安全性,提出的方案符合GB/T 16917.1—2014《家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCBO) 第1部分:一般规则》,满足EMC方面的各项要求。

1 剩余电流保护器原理

1.1 剩余电流保护器结构

剩余电流保护器的工作原理如图1所示。主要的感应部件为零序电流互感器,其由坡莫合金材料的铁心和绕在环状铁心上的二次线圈组成。电源相线和中性线穿过圆孔成为零序电流互感器的一次线圈[6]。

图1 剩余电流保护器的工作原理

正常情况下,三相线电流和零线电流基本平衡,流过互感器一次线圈电流的相量和约为零,即在铁心中产生的总磁通为零,零序电流互感器二次线圈无输出。当发生漏电时,漏电电流通过大地成回路,亦即产生了零序电流。这个电流不经过互感器一次线圈流回,破坏了平衡,三相线电流之相量和和中性线电流不为零,于是铁心中便有零序磁通,该磁通在二次线圈上感应出电势,使二次线圈输出信号。这个信号经过放大、比较判断,如达到预定动作值,即发执行信号给脱扣元件动作,切断电源[7]。

按国家相关规定,剩余电流保护器的额定剩余电流动作值为30 mA,当电流达到30 mA时,保护器必须在0.1 s内脱扣。

1.2 利用剩余电流保护器实现附加保护功能

通过该电路,如果借鉴现有剩余电流保护器的脱扣执行机构与检测机构,加上少部分电网扰动检测电路,如电压与频率检测电路,则有望在增加很少成本的基础上,实现微电网系统的特殊保护需求。

剩余电流保护器采用零序电流互感器实现不平衡电流的检测,并动作于跳闸,如果采用特殊两端口电路,跨接在零序电流互感器一次线圈的不同极性处,当某种情况下使该两端口电路导通,则相线通过该两端口电路与中性线产生电流,而该电流是零序电流互感器的不平衡电流,当该电流大于剩余电流保护器的动作电流30 mA时,就可使剩余电流保护器跳闸。因此,通过在零序电流互感器一次线圈的不同极性处跨接两端口电路,就可实现基于剩余电流保护器的附加保护功能[8]。

将该两端口电路设计成电网扰动检测电路,使电流或阻抗值与电网电压及频率相关,即可起到电网过电压或孤岛效应等异常的特殊保护。基于剩余电流保护器的附加保护功能实现方式如图2所示。鉴于小型断路器的空间体积与成本限制,电网扰动检测电路必须设计成足够简洁可靠。

图2 基于剩余电流保护器的附加保护功能实现方式

2 电网扰动检测电路设计

2.1 过电压快速检测电路设计

过电压一直是困扰各种电力电子设备的一个重要隐患,因此电力电子设备的过电压保护力求快速,然而很多既有的过电压保护检测方式较为老套,通过电压波形采集、AD转换后数字化处理,或模拟信号比较器比较再处理,最后输出至执行单元,通常存在电路复杂、响应速度偏慢的问题[9]。本文提出利用SIDAC元件设计过电压快速检测电路。

2.1.1 SIDAC器件伏安特性

SIDAC又称高压触发二极管,是一种具备负阻特性的非线性二端器件,但两端所施加电压在开启电压以下时,二极管阻值极大,此时只产生微安级漏电流;当两端施加电压超过开启电压UBO以后,瞬间导通,二极管迅速转为低阻导通状态,其通态电压UT非常低,只有约1.5 V,瞬间能通过较大的电流。SIDAC一旦导通便处于自锁状态,只有流过其本身的电流中断或小于维持电流时才会关断,其开通模式接近压敏电阻,关断模式接近晶闸管,利用其特殊伏安特性,可以设计过电压检测电路。SIDAC元件的响应速度达到纳秒级,这有望提升过电压异常的检测速度。SIDAC二极管伏安特性如图3所示。

图3 SIDAC二极管伏安特性

2.1.2 利用SIDAC器件设计二端口过电压检测电路

SIDAC器件普遍具有对称的伏安特性,因此能够直接用于交流电路设计过电压检测电路。SIDAC过电压检测电路如图4所示。其为1个电阻与1个SIDAC元件串联。

图4 SIDAC过电压检测电路

该检测电路,当两端所施加的交流电压阈值以下,电路电流小于剩余电流保护器动作电流;当两端所施加的交流电压超过阈值,电路电流大于剩余电流保护器动作电流。

根据SIDAC元件的伏安特性参数,考虑到UT与断态泄漏电流接近零,UBO远大于UT,可得知电路在交流正弦波电压下的电流与晶闸管交流调压电路一致,当交流系统电压峰值小于UBO,整个时间周期内电路都不会导通;当交流系统电压峰值大于UBO,则在交流电压瞬时值u>UBO时刻电路触发导通,直至电压过零点关断,等待下个半波的重新触发导通。交流电压下SIDAC导通波形如图5所示。

图5 交流电压下SIDAC导通波形

设每半波内SIDAC从关断到导通状态的时间角度为α,交流电网电压峰值为Um,则SIDAC导通状态下α与Um关系为

(1)

设U为交流电网电压有效值,则晶闸管交流调压电路阻性负载电阻R两端电压为

(2)

因此整个电压检测电路电流为

(3)

由分析可知:当Um

由此可见,只需要将UBO的值,也就是SIDAC二极管的动作阈值电压,设定在略高于设定跳闸的电压峰值,就可保证SIDAC二极管在过电压异常发生后即刻导通,通过设定限流电阻R的值,使SIDAC导通后的电流不小于剩余电流保护器的动作电流即可。考虑到断路器运行中可能承受电涌电压冲击,为避免短时电涌电压不误跳闸,必须考虑电涌电压击穿SIDAC二极管的情形。剩余电流保护器检测不平衡电流,为避免瞬时暂态不平衡电流误跳闸,动作时限均设置为0.1 s,由SIDAC二极管的伏安特性可知,偶尔的电涌过电压,仅会使SIDAC二极管导通至本半波的电流过零点,那么SIDAC二极管受到电涌电压后的最大导通时间仅10 ms,远小于剩余电流保护器不平衡电流0.1 s的动作时限,因此可保证电涌电压下的可靠不动作。

如需要断路器在电网电压250 V时跳闸,可选用K350型SIDAC二极管,当电网电压升至250 V时,峰值电压约353 V,超过了K350二极管350 V的导通阈值,为保证剩余电流保护器可靠动作,设动作电流I=50 mA,则R=2.5 kΩ。

2.2 频率偏移快速检测电路设计

2.2.1 频率偏移检测意义

孤岛效应保护对于含有分布式电源的末端电网不可或缺,很多新能源逆变单元综合应用主动式与被动式孤岛效应保护方案,取得了较好的效果。然而对于低压小容量的微电网系统,如家用光伏系统等,由于其逆变器本身的孤岛保护检测较简单,故常发生外部电网故障后停机缓慢等问题,且其停机仅依靠变流器停机,不能实现开关设备的机械断开点隔离,因此仍存在一定的隐患,可能对电网造成冲击,甚至还会造成人员在施工检修过程中的伤害。力求通过频率检测这一最为基本的孤岛效应检测技术,借助剩余电流保护器实现孤岛效应的辅助保护,从而令低压小容量微电网系统的孤岛保护更为可靠,进而减少电网出现孤岛效应[10]。

2.2.2 基于LC谐振电路的频率偏移检测电路设计

LC并联电路在一定频率下谐振,此时电路阻抗为无穷大,电流很小;当频率偏离谐振点后,电路阻抗降低,电流增大。依LC谐振电路设计的频率偏移检测电路如图6所示。

图6 依LC谐振电路设计的频率偏移检测电路

LC组成了工频并联谐振电路,交流电网频率在正常工频频率时,LC元件谐振,此时电路导纳为(r为电感电阻)

(4)

(5)

R1为取样电阻,阻值远小于谐振电路的阻抗,设交流电网电压为U,则R1两端电压UR1为

(6)

R1两端的电压随着频率变化而变化,但回路Q值较大时,频率的小幅偏移就可使R1两端电压大幅升高,R1两端的电压通过二极管VD向积分电容C1充电,当R1两端的电压高于晶闸管SCR门极触发电压后,数个周波的充电即可触发晶闸管导通,致使剩余电流保护器的零序电流互感器感受到不平衡电流而动作跳闸,起到频率偏移的孤岛效应保护作用。系统频率正常时,并联谐振电路的导纳很小,R1两端的电压远低于晶闸管的门极触发电压,晶闸管不会误触发导通,当电网有瞬时扰动时,如开关分合闸等,由于LC 元件的暂态过程,R1两端可能出现较高的电压,基于C1的储能缓冲作用,不会因一两个周波的暂态电压误触发晶闸管。

实践中可以适当增大L的取值提升Q值,以实现较灵敏的频率偏移检测,如取L=100 H,C=0.1 μF,电感的直流电阻r=10 kΩ,则谐振时回路阻抗为100 kΩ,但频率偏移至40 Hz或60 Hz时,回路阻抗降低至12 kΩ,考虑晶闸管门极触发电压与整流二极管压降0.7 V,据此可设计R1取值,如R1取200 Ω,则当回路阻抗降至约30 kΩ时,R1两端电压升至1.5 V,晶闸管触发导通,对应频率偏移约7 Hz。

3 整机设计与试验

3.1 整机电路设计

整机电路按上文分析,将过电压检测电路与频率偏移检测电路并联,限流电阻合用一个,与剩余电流保护器结合。整机电路设计如图7所示。其中,C=0.01 μF,R1=200 Ω,R2=2.5 kΩ,C1=0.47 μF,VD二极管选用IN4007,SCR晶闸管型号为MCR97A6,SIDAC二极管选用K350。

图7 整机电路设计

3.2 样机试验

根据上文的分析结果,通过变频变压电源,以及不同电压值、频率值的选取,观察断路器的跳闸速度。不同电压的断路器跳闸速度试验如表1所示;不同频率的断路器跳闸速度试验如表2所示。

表1 不同电压的断路器跳闸速度试验

表2 不同频率的断路器跳闸速度试验

试验表明,通过在既有剩余电流保护器的基础上,设计二端口电压、频率检测电路,能很好地起到过电压速断与孤岛效应后备保护效果,且原理简单、成本低廉,具有较好的实用价值。

4 结 语

含电力电子变流器的微电网系统,包括分布式光伏系统等,应用十分广泛,对于大量普及的低压小容量微电网系统,既有的沿用普通配电网技术的保护设备还有很多提升的余地,部分单相微电网实验系统遭遇零相开路过电压即发生变流器烧毁事故,此时只有进一步依靠外部设备,如小型断路器快速切除故障,才能可靠地保护变流器设备。

此外,分布式电源变流器均具备孤岛效应保护功能,但实际应用中,常常出现动作滞后的问题,如果借助外部断路器,通过简单方式实现孤岛效应的辅助后备保护,则能进一步提升微电网系统的安全性。

借助既有剩余电流保护器,提出一种新型复合保护断路器,能够实现系统过电压的速断保护以及孤岛效应的辅助保护,且结构简单、制造容易,可满足小型断路器标准化的要求,具备实用价值。