智能型低压SPD专用保护器设计

翁利国, 练德强, 洪 达

(1.国网浙江杭州市萧山区供电有限公司, 浙江 杭州 311201;2.浙江中新电力工程建设有限公司, 浙江 杭州 311201)

0 引 言

目前,低压配电系统中普遍采用电压限制型SPD,其核心部件非线性压敏电阻器(MOV)是一个由氧化锌粉末通过冶金方式压制的陶瓷体,其安装在一个塑料绝缘底座中,通过导线连接在低压配电系统的相线(L)与接地线(PE)之间。

SPD的伏安特性在正常电网电压下呈高阻抗,泄漏电流(阻性)1 mA以下[1];当电网遭雷击发生瞬态过电压时呈低阻抗,泄放雷电流,以限制过电压。SPD的“脱离器”用于防止电网发生暂态过电压故障或MOV老化(劣化)时,泄放电流异常增加,导致SPD发热起火事故发生。断路器(或熔断器)作后备保护,防止线路或设备发生短路故障。

但是SPD本身是一种保护电器,其运行特性不同于一般的电器负载,在常态运行时电流趋于零;保护动作时,泄放数千安的脉冲电流;其故障状态是如上所述的(数毫安至安培)异常泄漏电流导致发热起火。所以,其与常规的断路器或熔断器的保护特性不匹配,不能为其提供充分的保护。

1 SPD后备保护装置现状

1.1 SPD故障类型

SPD主要故障现象是异常发热,原因是电网故障,出现超过其最高持续运行电压UC的暂态工频过电压,泄漏电流产生的热效应;而SPD老化(劣化),非线性拐点(导通电压)降低,同样使泄漏电流增加,产生热效应。异常发热加速其老化(劣化),二者互为因果。

因雷电强度超预期,泄放电流大于其额定值(Iimp、Iimx),SPD被击穿或炸裂,导致电网短路。SPD在老化(劣化)阶段运行,待机功耗增加,长期运行的能耗不容忽略,不符合节能减排的大趋势。

由于上述原因,或MOV本身的工艺技术质量缺陷,导致SPD内部引线脱落、电阻体断裂等故障,造成保护失效的隐形虚假运行,也需引起关注。

1.2 SPD后备保护装置现状

NB/T 42150《低压电涌保护器专用保护装置》[2]规定专用保护装置性能。专用保护器示意图如图1所示。专用保护器主要由一个具有非线性的放电间隙(T)和一个脱扣线圈(L)并联的断路器组成,其有如下二种运行状态。

图1 专用保护器示意图

(1) 当低压配电系统遭雷击,发生脉冲过电压时,放电间隙击穿导通,经SPD释放雷电流,以限制过电压。而脱扣线圈对脉冲电流呈高阻抗,避免脱扣断路器分闸。但此状态下低压系统的过电压限制值是放电间隙的残压和SPD的残压叠加,降低钳制电压的性能,也增加被保护的电子设备击穿损害的风险。

(2) 当低压配电系统电压正常,放电间隙截止呈高阻抗。SPD劣化时,工频故障电流经脱扣线圈形成回路,达到设定动作值(0.5～15 A)时,驱动断路器分闸,切断故障电流。或当电网电压波动,出现工频暂态过电压,导致SPD产生故障电流时,也由脱扣线圈驱动断路器分闸。

这类SPD后备保护装置,过电流保护的(最小)动作值为0.5 A,SPD的待机功耗达110 W。同时也没有对SPD退出运行的故障(开路状态)采取监控措施。

2 智能型SPD专用保护器的结构

智能型SPD专用保护器是一个特殊结构的单极断路器与控制器的组合。每个单极对应一个SPD,在三相电路中,3个单极断路器与控制器组合,分别检测、控制、保护3个SPD。智能型SPD专用保护器结构原理图如图2所示。

图2 智能型SPD专用保护器结构原理图

2.1 专用断路器的结构

断路器的外壳及形式、操作机构、触头系统及灭弧系统与100 A的小型断路器(MCB)基本相似。专用断路器结构如图3所示。断路器内部的主电路直通导体用于SPD与低压配电系统,是泄放雷电流的导电途径,没有线圈结构不会对雷击冲击电流产生高频阻抗,不会产生残压,也不会对SPD的运行性能产生不利影响。拍合式瞬动电磁脱扣器在SPD发生电击穿短路时,驱动断路器脱扣机构动作,切断短路故障电流。

图3 专用断路器结构

电流检测线圈(环型电流互感器)与控制器连接,用于检测SPD运行中的泄漏电流。脱扣线圈是由控制器驱动。

2.2 智能型控制器的结构

控制器的核心部件是N76E003AT20型中央处理器(CPU),其由辅助电源模块供电,电流信号经放大器输入CPU。当信号强度达到设定的阈值时,通过脱扣线圈,驱动断路器分闸,并驱动指示灯、蜂鸣器发出声光报警或预警。另有一个温度传感器(热敏电阻)接口,如果需要,可连接SPD外壳上的温度传感器。

控制器内置的通信模块经RS-485接口,可与低压配电系统的管理网络连接,将电流、温度信息及预警、报警信号传送至上位机,使运维人员、管理人员直观了解SPD运行的全周期,使SPD运行的管理方式与低压配电自动化管理系统配套一致。控制器原理框图如图4所示。

图4 控制器原理框图

3 智能型SPD专用保护器的特性

保护器以环型电流互感器与控制器组合,形成电流检测控制功能单元。检测SPD的泄漏电流变化特征,判别其运行状况。

(1) SPD投入运行初期,产生数毫安的容性(工频)电流,以此作为SPD在线运行的判别电流[1],若电流趋于零,可判定SPD已退出运行,控制器报警,提示运维人员及时检修。

(2) 在SPD投运中期,经自然热老化,或遭雷击产生泄放电流的热老化,泄漏电流增加到数十毫安至数百毫安。SPD的待机功耗随老化程度而增加,但其温度(温升)仍正常,维持正常运行。

(3) 在SPD投运后期,处于临界劣化状态,其泄漏电流在数百毫安至1 A,但待机功耗明显增加。

(4) 当检测到大于1 A的泄漏电流时,SPD已发生不可逆转的劣化,或电网出现暂态过电压。该故障电流会导致SPD严重发热,引发其塑料底座熔化或燃烧。控制器按反时限安秒特性(如10 A·s)驱动断路器分闸,并报警。

若在反时限动作的运行时间内,故障电流下降,则判定是电网暂态过电压消失,SPD仍维持运行。该反时限特性也避免了SPD再泄放雷电流时的误动作,提高运行可靠性。

另外,当SPD发生击穿短路事故,或其他原因导致断路器以下电路发生短路事故,则由拍合式瞬动脱扣器直接驱动断路器分闸,切断电源并报警。

热敏电阻直接检测SPD的运行温度,不但与泄漏电流相关,还受环境温度、电网电压波动、泄漏电流变化的热积累影响,所以更直观反映SPD的发热状态。当检测到105 ℃时,控制器驱动断路器分闸并发出报警。

4 结 语

本文探讨环型电流互感器与电子式控制电路结合的方法,扩展SPD泄漏电流检测的范围,从正常泄漏电流、监界劣化泄漏电流至发热故障电流,以实现其使用寿命全周期的运行监控,特别是在SPD使用寿命后期,检测泄漏电流数据反映了待机功耗,可提前预警,避免劣化过程中的高能耗运行。

SPD专用保护装置实现保护特性与被保护对象的运行特性匹配;具有通信功能,可与既有的低压配电管理网络连接,可使断路器、SPD受监管平台监控,进一步提高运行可靠性,且能减轻运维人员现场巡视的工作量。