低压脱扣器电压暂降试验分析及配置策略研究

刘 平， 欧阳森

(广东省绿色能源技术重点实验室， 华南理工大学电力学院， 广东 广州 510640)

低压脱扣器电压暂降试验分析及配置策略研究

刘 平， 欧阳森

(广东省绿色能源技术重点实验室， 华南理工大学电力学院， 广东 广州 510640)

当前配网中低压脱扣器因电压暂降事件动作跳闸，会导致用户负荷损失严重，针对此问题，国内外均尚未针对低压脱扣器提出行之有效的配置策略。本文首先分析了低压脱扣器工作原理，归纳并分析了影响低压脱扣器正常工作的诸多因素(电压波动、过电压、谐波、欠频等)。其次，在深入分析现行国家标准基础上，设计了电压暂降试验平台和试验步骤，以目前主流DW45系列万能式断路器所配置GXQ-M型低压脱扣器为例，进行了试验研究，分析其在电压暂降作用下的动作区域、不动作区域和模糊区域。最后，结合试验结果，分别从制造商、用户以及供电部门等方面提出了低压脱扣器应对电压暂降的要求与配置策略，并建议国家标准进行修改。

低压脱扣器； 电压暂降； 试验； 配置策略

1 引言

低压脱扣器是断路器的内嵌元件，对断路器分闸起关键性作用[1]。低压脱扣器通过检测到的电压信号进行判断，形成欠压、失压等低电压保护功能，目前在配电网中大规模广泛应用[2,3]。

随着基于微电子、电力电子等敏感设备大量接入电网，电压暂降引起的用户设备损坏及停运等故障情况日趋多见，电压暂降已成为电能质量中最突出的问题[4-6]。

近年来，我国南方电网已发生数起由短路故障产生的电压暂降导致了用户侧大规模低压脱扣器跳闸现象[7]，给用户造成巨大负荷损失。以东莞电网为例，2012年5月5日，220kV东黎甲线发生A、B相间短路接地故障，造成大量低压脱扣器跳闸，负荷损失量约747MW；2014年7月8日，220kV莞景乙线发生B、C相间短路故障，引起了大范围电压暂降，约1012MW负荷发生低压脱扣事件。此外，广州、深圳、惠州等城市也发生了类似事件。因此，低压脱扣器属于电压暂降敏感设备，深入研究电压暂降对其动作特性的影响，在此基础上提出低压脱扣器科学合理的配置策略，可大大提高供电可靠率，减少用户负荷损失，对供电部门和用户而言，均具有重要现实意义。

针对电压暂降事件发生时低压脱扣器出现跳闸的现象，目前国内外尚未提出行之有效的配置策略。鉴于此，本文首先分析了低压脱扣器工作原理，对影响低压脱扣器正常工作的诸多因素作归纳总结。在分析现行国家标准基础上，以市场上主流DW45系列智能型万能式断路器所配置的GXQ-M型低压脱扣器为例，采用试验方法探究其在电压暂降作用下的动作特性。结合试验结果，从制造商、用户和供电部门等方面，提出了低压脱扣器应对电压暂降的配置策略，并建议国家标准进行修改。

2 低压脱扣器工作原理及影响正常工作因素分析

2.1 工作原理

低压脱扣器作为断路器的核心元件之一，是配电网在出现欠压、失压等低电压情况下的不可或缺的保护装置，在电网日常运行中发挥着重要作用。图1(a)和图1(b)分别给出了低压脱扣器本体实物图以及内嵌于断路器实物图。图2给出了低压脱扣器内部基本结构图。

图1 低压脱扣器实物Fig.1 Physical picture of low-voltage release

图2 低压脱扣器内部基本结构图Fig.2 Basic structure of low-voltage release

由图1和图2可以看出，低压脱扣器是由控制电路和电磁系统两部分构成[8,9]，其中电磁系统包括衔铁、线圈和弹簧等。外施电压正常时，线圈交流电磁力与弹簧反作用力保持平衡，衔铁被吸住，断路器主触头锁定在合闸位置；外施电压偏低时，线圈交流电磁力小于弹簧的反作用力，衔铁向上运动，推动断路器牵引杆，使断路器主触头断开，从而起到低电压保护作用。

2.2 影响正常工作的因素

随着制造工艺改进更新，低压脱扣器质量稳步提升，由自身质量问题导致其出现故障的情况日趋减少。而当前配电网中电压波动、过电压、谐波和欠频等电能质量问题，逐渐成为影响低压脱扣器正常工作的重要因素[10]。

(1)电压波动

电压波动幅度较大会导致低压脱扣器电磁系统线圈烧毁。例如，400V低压配电系统中，电压通常会在380～420V左右波动，一旦运行设备大批量停运，如晚上或节假日，电压有所上升，甚至高达460～470V，此时低压脱扣器在非正常电压下运行，长时间会导致线圈温度过高而烧毁。

(2)过电压

过电压是电网运行中较为常见故障之一，雷电感应、谐振等现象均可产生过电压。过电压会导致低压脱扣器控制电路部分电子元件损坏，低压脱扣器因此出现故障运行。

(3)谐波

目前，电网中诸如整流器、逆变器和电力晶闸管等非线性负荷越来越多，电网中也因此存在大量高次谐波，特别是3次、5次、7次谐波使电网电压畸变严重。畸变后的电压可能跌至低压脱扣器动作触发值，导致低压脱扣器动作跳闸；此外，谐波可能使低压脱扣器控制电路中电容过热，出现“胀肚”，导致低压脱扣器无法正常工作。

(4)欠频

电网中欠频现象不常见，但偶有发生。根据资料记载，某地区有时电网严重欠频时，频率只有24Hz，引起低压脱扣器控制电路中电容过热烧毁，导致低压脱扣器故障运行。

此外，近年来受电压暂降影响，低压脱扣器动作跳闸的现象经常发生，导致用户侧负荷损失严重。因此，深入研究电压暂降作用下低压脱扣器动作特性，为低压脱扣器配置提供必要的指导意见，可有效避免误动作，该研究具有重要的现实意义与推广价值。

3 现行国家标准及应用分析

本文研究工作所涉及现行国家标准包括：

(1)GB 14048.1-2006 《低压开关设备和控制设备第一部分：总则》[11]；

(2)GB/T 22710-2008《低压断路器用电子式控制器》[12]；

(3)GB/T 17626.11-2008《电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰性试验》[13]；

(4)GB/T 30137-2013《电能质量电压暂降与短时中断》[14]。

文献[11]对低压脱扣器的性能规定如下：外施电压下降至额定工作电压Ue的70%～35%时，与开关电器组合在一起的低压脱扣器应动作，使开关电器断开；外施电压低于Ue的35%时，低压脱扣器应防止开关电器闭合；外施电压等于或高于Ue的85%时，低压脱扣器应确保开关电器闭合。

可见，文献[11]对低压脱扣器在电压偏低情况下的动作区间作了量化规定，但该动作区间仅用电压幅值进行描述，考虑到电压暂降包括幅值、持续时间和相位等特征量，因此有必要进一步深入研究并细化电压暂降下低压脱扣器的动作区间。

文献[12] 明确指定，在低压脱扣器电压暂降试验方面以文献[13]为参考标准。文献[13]对用电设备的电压暂降试验方法做了明确规定与要求，包括试验电路、试验步骤和注意事项等，为采用试验方法研究电压暂降作用下低压脱扣器的动作特性提供了重要依据。4.5节将结合低压脱扣器对文献[13]相关规定进行展开说明，在此不作赘述。

文献[14]提出了衡量电压暂降事件严重性指标，并给出了这些指标的具体计算方法，在计算严重性指标过程中利用了幅值、持续时间和频次等电压暂降特征量。而实际上大量研究表明[15-18]，波形起始点相位(point-on-wave)对敏感设备在暂降期间运行状况有重要影响，因此进行低压脱扣器电压暂降试验时，需要综合考虑幅值、持续时间和波形起始点相位(以下简称相位)等特征量组合作用下低压脱扣器动作特性。

4 电压暂降试验分析

本文选择暂降幅值、持续时间和相位三个特征量描述电压暂降。本文试验目的是测试低压脱扣器在上述三个特征量组合作用下的动作特性，为低压脱扣器配置提供决策。

4.1 试验平台

GB/T 17626.11-2008给出了电压暂降、短时中断和电压变化的试验原理图(如图3所示)，为试验电路的设计提供依据。

图3 文献[13]中试验原理图Fig.3 Test principle picture in reference [13]

本文基于自行研制的大功率电压暂降发生仪[19]代替图3中试验发生器，选择市场上主流DW45系列智能型万能式断路器所配置的GXQ-M型低压脱扣器进行电压暂降试验。电压暂降发生仪和GXQ-M型低压脱扣器的主要技术参数分别见表1和表2。

表1 电压暂降发生仪主要技术参数

表2 GXQ-M型低压脱扣器主要技术参数

图4给出了本文所设计试验平台，其中，采用监测性能更为优越的日置HIOKI3196代替图3中伏特表示波器。考虑到GXQ-M型低压脱扣器为单相工作模式，因此低压脱扣器两端取单相暂降信号。

图4 本文设计试验平台图Fig.4 Test platform in this paper

4.2 试验步骤

试验开始前要检测GXQ-M型低压脱扣器能否正常工作，具体检测方法为：调节电压暂降发生仪，使其输出电压为GXQ-M型低压脱扣器额定工作电压Ue，若其能够合闸运行，表明其性能正常。然后，可进行电压暂降试验，GB/T 17626.11-2008的相关规定为设计试验步骤提供依据，其具体规定内容如下。

(1)在实验室模拟电压暂降，可以用额定电压的偏离值和持续时间来最低限度地表述其特征。

(2)EUT应按每一种选定的电压幅值和持续时间，顺序进行3次电压暂降试验，最小时间间隔是10s(两次试验之间的间隔)。

(3)对于电压暂降的相位，电源电压的变化发生在电压过零处(即相位是0°)，认为需要附加测试几个角度，每相优先选择45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。

表3给出了本试验中电压暂降各特征量变化范围及步长，其中国标规定的几个角度包含在相位的变化范围。

表3 电压暂降各特征量变化范围及步长

所设计试验步骤为：

(1)调节电压暂降发生仪，使其输出相位θ为某一值(比如：0°)保持不变，然后开始调节电压幅值U和持续时间t；

(2)U、t分别从10%Ue、10ms开始从小到大进行调节，范围及步长见表3；

(3)由(θ，U，t)组成的每组电压暂降测试信号重复10次提供给低压脱扣器，观察并记录下低压脱扣器动作次数；

(4)改变θ(范围及步长见表3)，重复步骤(1)～步骤(3)，可实现对低压脱扣器电压暂降试验。

4.3 试验规模

整个试验过程中，电压暂降发生仪累计共产生2403组测试信号，即产生了2403组试验数据与之对应。其中，GXQ-M型低压脱扣器始终保持不动作的试验数据共计1563组；GXQ-M型低压脱扣器动作且动作次数小于10次的试验数据共计615组；GXQ-M型低压脱扣器动作且动作次数等于10次的试验数据共计225组。

4.4 试验结果

在一定的(U,θ)作用下，随着t不同，GXQ-M型低压脱扣器的动作次数不尽相同。在该(U,θ)下，统计出相应的t1和t2，作为试验结果。t1和t2的具体物理含义为：

(1)t≤t1时，GXQ-M型低压脱扣器动作次数为0，表示低压脱扣器确定不动作；

(2)t≥t2时，GXQ-M型低压脱扣器动作次数为10，表示低压脱扣器确定动作；

(3)t1

当U从10%Ue变化到90%Ue、θ从0°变化到315°时，从每组(U,θ)中即可统计得出t1、t2(结果见表4)作为GXQ-M型低压脱扣器的试验结果。表中数据表示t1/t2，如71/77表示t1=71ms，t2=77ms。

表4 GXQ-M型低压脱扣器试验结果

注：U大于50%Ue时，无论持续时间多长，该型号低压脱扣器始终不动作。

4.5 结果分析

根据表4中数据，可绘制GXQ-M型低压脱扣器在θ取值为0°～315°时的电压耐受曲线(Voltage Tolerance Curve, VTC)，如图5所示。

图5 GXQ-M型低压脱扣器不同相位下的VTCFig.5 VTCs of GXQ-M low-voltage release at different phases

由图5可以看出，低压脱扣器在电压暂降作用下的动作特性，可划分为三个区域，即动作区域、不动作区域和模糊区域；相位不同，低压脱扣器VTC不同，说明低压脱扣器电压暂降作用下动作特性由幅值、持续时间和相位等特征量综合决定。

考虑到实际中发生电压暂降事件时，只有幅值和持续时间易获取而相位通常未知，同时为兼顾到相位对低压脱扣器电压暂降下动作特性影响，可对不同相位下VTC作近似矩形处理，形成左、右边界线(如图5所示)，实现对动作区域、不动作区域和模糊区域的进一步明确化、定量化。

由图5可以看出：①U<50%Ue且t>42ms时，GXQ-M型低压脱扣器确定动作；②U>50%Ue或者t<12ms时，GXQ-M型低压脱扣器确定不动作；③U<50%Ue且12ms

5 配置策略建议

基于对GXQ-M型低压脱扣器电压暂降试验可知，发生电压暂降事件时，其动作区间是U<50%Ue且t>42ms，即该型号低压脱扣器在电压暂降作用下的动作阈值为：Uth=50%Ue，tth=42ms。

考虑到低压脱扣器在发生电压暂降事件时出现动作跳闸现象，本文提出如下策略与建议。

(1)建议GB/T 22710-2008要求产品制造商在生产低压脱扣器过程中增加电压暂降试验环节，以提供其电压暂降动作阈值Uth和tth，为用户在选择配置低压脱扣器时提供参考依据。

(2)低压脱扣器配置延时模块，可有效躲过电压暂降而不发生误动作。当前用户选择延时模块的延时时间时，缺乏相关指导原则。因此本文建议GB 14048.1-2006增加低压电器延时时间设置的具体指导性原则。

同时，本文建议用户侧低压脱扣器延时时间的设置应与电网中继电保护动作时间相配合。例如，500kV、220kV系统主保护切除故障稳定极限分别为100ms、120ms，即500kV、220kV主网发生短路故障导致电压暂降的持续时间不超过100ms、120ms，若低压脱扣器设置延时时间大于120ms，即可躲过电压暂降而不发生动作跳闸现象。

(3)建议用户以后报装时，用户应提供负载类型及负载能承受的电压暂降幅值U0和持续时间t0，供电部门可根据用户负荷需求，指导用户配置合适的低压脱扣器，原则如下：

1) 若负载可承受电压暂降而不会损坏，为避免低压脱扣器的动作跳闸而导致负载停运，带来不必要的停电损失，可建议用户在低压脱扣器上配置延时环节(延时时间大于120ms)；

2)若负载经受电压暂降时会出现故障运行(例如精密电机在低电压情况下运行一段时间线圈会烧毁)，此时需要结合负载能承受的电压暂降幅值U0和持续时间t0，配置Uth≥U0、tth≤t0的低压脱扣器，通过低压脱扣器的动作跳闸及时保护负载，以 四种典型敏感负载受电压暂降的影响[20]为例，给出低压脱扣器需要设置的Uth和tth，见表5。

表5 典型敏感负载受电压暂降影响及低压脱扣器相应配置策略

6 结论

(1)依据GB/T 17626.11-2008设计了电压暂降试验平台、试验步骤，以目前市场上主流DW45系列万能式断路器所配置的GXQ-M型低压脱扣器为例，进行了电压暂降试验，得出其电压暂降作用下动作阈值(Uth=50%Ue，tth=42ms)及动作区间(U<50%Ue且t>42ms)。

(2)结合试验结果，本文分别建议GB/T 22710-2008要求产品制造商在生产低压脱扣器过程中增加电压暂降试验环节，GB 14048.1-2006增加低压电器延时时间设置的具体指导性原则。从制造商、用户和供电部门等方面提出了低压脱扣器应对电压暂降的具体要求与配置策略。

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Experiment analysis on low-voltage release under voltage sags and its configuration strategy research

LIU Ping， OUYANG Sen

(Key Laboratory of Clean Energy Technology of Guangdong Province, School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The false tripping of low-voltage releases in distribution network has happened several times and customers have endured great load loss, but the corresponding configuration strategy of low-voltage release has not been put forward. In this paper, the working principle of low-voltage release is analyzed, and the factors (such as voltage fluctuation, over voltage, harmonic and under frequency)that can cause false tripping of low-voltage release are summarized. Secondly, the voltage sag test platform and procedure are designed based on the existing Chinese National Standard, and GXQ-M low-voltage release suitable for DW45 series circuit breakers is taken as an example to test, the tripping area, fuzzy area and no tripping area of GXQ-M low-voltage release are obtained and analyzed. At last, combined with the test results, the configuration strategy of low-voltage release is put forward from the perspective of manufacturers, customers and utility companies, and this paper also recommends the existing Chinese National Standard revising.

low-voltage release; voltage sag; test; configuration strategy

2015-04-24

国家自然科学基金重点资助项目(50937001)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2012ZM0018)

刘 平(1991-)， 男， 河南籍， 硕士研究生， 主要从事电能质量分析与控制研究； 欧阳森(1974-)， 男， 广西籍， 副研究员， 博士， 主要从事电能质量分析与控制、 智能电器等研究。

TM714

A

1003-3076(2016)01-0074-07