低壓電器短路耐受試驗智能保護裝置研究與設計

信天，李海成，劉通，張超，薛麗麗

（山東省產品質量檢驗研究院，濟南 250102）

引言

根據最新國家標準GB/T 7251.1-2013[1]、最新國際標準IEC 61439-1:2020[2]，短路耐受強度試驗一直是低壓電器成套設備、元件、變壓器等產品CCC認證型式試驗重點試驗項目，由于受試產品質量問題，短路試驗中經常會因為試驗樣品不合格，造成試驗樣品母排熔斷、燃燒、甚至爆炸等事件，尤其變壓器產生爆炸時，威力巨大，不但給企業造成大量財產損失，也給檢測機構整個試驗系統、試驗人員帶來極大風險。

本文提出的智能保護裝置[3,4]通過不間斷連續測量試驗樣品進線端處電壓波形和電流波形，使用特定的過電壓、過電流、電壓電流不平衡、諧波含量異常等檢測算法，實時判斷試驗電壓波形和電流波形是否出現異常，進而判定短路試驗過程是否正常，如果出現異常，則立即切斷試驗電源，保護試驗樣品免受持續長時間的非正常電壓或電流的影響，從而避免導致進一步的損壞，甚至爆炸等風險，達到實時快速保護目的。

1 現有低壓電器短路耐受強度試驗保護裝置適用性分析

目前在國內外還未出現專門針對短路試驗的智能保護裝置，通常對于電壓電流異常情況下的保護，主要是在短路試驗回路的上一級設置微機綜保裝置、過電壓保護器、浪涌保護器等保護裝置[5-10]。

微機綜保裝置，是一種集保護、測量、監視、控制、人機接口、通信等多種功能于一體的綜合保護裝置，一般主要應用于高壓側線路和變壓器的過電壓保護、過電流保護以及差動等保護，但其由于功能眾多、造價昂貴且保護模式較為固定，難以應用到情況多變的低壓側短路試驗中。

過電壓保護器，是限制雷電過電壓和操作過電壓的一種保護電器，主要用于保護發電機、變壓器、真空開關、母線、電動機等電氣設備的絕緣免受過電壓的損害，具有動作快、伏安特性平坦、殘壓低、性能穩定、組裝維護方便等優點，對于相間和相地過電壓都能起到有效的保護作用。但是同樣其保護功能單一，且保護電壓等級不可調節，同樣無法適應情況多變的低壓側短路試驗。

浪涌保護器，也叫防雷器，和過電壓保護器類似，是一種為各種電子設備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護的電子裝置。當電氣回路或者通信線路中因為外界的干擾突然產生尖峰電流或者電壓時，浪涌保護器能在極短的時間內導通分流，從而避免浪涌對回路中其他設備的損害。但其缺點與前兩者一樣，保護情況單一且不可調節，無法適應低壓側短路試驗。

針對類型眾多、情況多變的低壓側短路耐受強度試驗，急需一種智能型的可選可調的電壓、電流多功能保護裝置，用于保護試驗樣品免于爆炸、燃燒、熔焊等進一步的損失，以及保護試驗設備財產安全、試驗人員人身安全。

2 智能保護裝置

2.1 智能保護裝置的主體結構

依據短路試驗標準要求，圖1是一個典型的短路試驗系統的電路結構示意圖。

圖1 短路試驗系統和智能保護裝置結構圖

在圖1中，1是提供一個三相交流電的電源供電線，2是第一高壓側斷路器，3是第二高壓側斷路器，4是高壓側可調負載阻抗，5是試驗變壓器，6是低壓側斷路器，7是試驗樣品，8是低壓側可調負載阻抗，及各部分間的連接導線。

智能保護裝置包括：9是電壓測量裝置，10是電流測量裝置，11是數據處理裝置，12是控制裝置。電壓測量裝置9、電流測量裝置10的信號采集一端連接到試驗樣品進線端處，控制裝置12輸出信號線一端連接到高壓側斷路器分勵線圈上。

2.2 智能保護裝置的工作原理

根據圖1中短路試驗系統的連接示意圖，打開智能保護裝置電源，設置短路試驗持續時間。依次先后接通短路試驗系統低壓側斷路器6、高壓側斷路器2和高壓側斷路器3，開始對試驗樣品進行短路試驗。在短路試驗過程中，智能保護裝置測量試驗樣品7進線端處電壓波形、電流波形，并實時判斷電壓波形和電流波形是否出現異常，如果波形出現異常則控制裝置12立即將一個控制分閘信號發送給短路試驗系統中高壓側斷路器2，使其立即分閘，通過最短時間內切斷試驗電源，來達到保護試驗樣品免受持續的長時間非正常電壓或電流影響的目的，從而避免進一步的損壞或爆炸等危害，同時也保護了短路試驗系統及試驗人員的安全。

如果試驗中未發生異常情況，則智能保護裝置不動作，短路試驗在短路試驗系統自行設定的通電時間結束后，由短路試驗系統自動切斷試驗電源，結束短路試驗。若短路試驗系統控制程序出現異常，未在設置的短路持續時間到達后切斷電源，則由智能保護裝置設置的短路試驗持續時間到達后，切斷高壓側斷路器，達到正常短路試驗下備用保護的目的。

2.3 智能保護裝置的理論依據

一個三維圓柱體沿一條母線展開到二維平面則為一個矩形，其矩形的高為圓柱體的高，矩形的寬為圓柱體的底面圓周長。若用一個平面斜切一個三維圓柱體后，再將三維圓柱體沿著一條母線展開到二維平面形成的矩形上，那么圓柱體斜切面的邊緣線在二維平面矩形上形成的即是一條正弦曲線。同理，相反的，任意一條正弦曲線，都可以通過二維至三維的坐標變換，映射為一個三維圓柱體斜切面的邊緣線。簡單來說，任一正弦曲線可以看作是一個平面斜切圓柱體后，該平面與圓柱體的相交線。由于相交線在斜切平面上，故而，在圓柱體上，由正弦曲線構成的斜切面邊緣線上，任意三點構成的平面均為同一平面。i(t)為試驗過程中t時刻的短路電流。

3 智能保護裝置的硬件構成

3.1 電壓/電流測量裝置

對于電壓信號的測量，由于短路試驗均為1 000 V以下低壓，采用直接測量的方式，將測量信號直接引入隔離放大器輸入端，然后接入數據采集卡中，最終取得需要的電壓測量信號。對于電流信號的測量，在測量交流信號時，采用業界成熟的羅氏線圈+積分器+隔離放大器的測量方式，在測量直流信號時，采用分流器+隔離放大器的測量方式。隔離放大器主要由前端隔離放大信號輸入、中間放大倍數控制電路、后端二階濾波輸出電路三部分構成。放大倍數控制采用的AD526芯片是一款軟件可編程增益放大器，該器件具有出色的直流精度。后端二階濾波輸出電路由ISO 124電容隔離耦合芯片配合一個二級低通濾波器構成，該芯片具有新穎工作循環的調制一解調技術。

控制芯片采用ATMEGA88PA高性能、低功耗的 8 位AVR 微處理器，電壓、電流信號經過隔離放大器后，轉化為安全的最大±10V的低壓信號。數據采集卡選用臺灣研華公司PCI-1716L-AE板卡，它既能提供16路單端模擬量輸入或8路差分模擬量輸入，也可以組合輸入，完全滿足本智能保護裝置的需求。

圖2 i(t)試驗曲線映射到圓柱體上的曲線圖

圖3 PCI-1716L-AE數據采集卡

3.2 數據處理裝置

數據處理裝置采用臺灣研華公司成熟穩定的工控機主板AIMB-705作為高速數據計算處理載體，采用英特爾I5-6500作為處理器，以較為穩定和通過驗證的硬件模塊來作為軟件和算法調試的穩定平臺。

3.3 控制裝置

控制裝置采用臺灣研華公司PCI-1761-BE繼電器輸出和隔離數字量輸入卡（如圖4）驅動一固態繼電器的合分來實現高壓側斷路器的合分閘。PCI-1761-BE提供8路光隔離數字量輸入通道，隔離保護電壓為2500VDC，可在噪聲環境下輸入。它帶有8個繼電器輸出，可以用作開關控制式小型電源斷路開關。為了便于監控，每個繼電器配備一個紅色的LED指示燈，用來顯示器開/關狀態。

圖4 PCI-1761-BE繼電器輸出和隔離數字量輸入卡

4 軟件功能設計

如圖5所示，智能保護裝置的控制程序主要由設置區、控制區、波形監視與分析算法選擇區組成。在設置區，用戶可以方便的選擇需要的采樣通道，可以只采集單個電壓通道或者電流通道，也可以采樣多個電壓或電流通道，選中的采樣通道將會在右側“波形監視與分析算法選擇區”實時顯示。在設置區，用戶還可以進行各種內置保護分析算法的參數設置，目前已有的保護分析算法有波形異常（快速）、波形異常（FFT）、過電壓、過電流、三相不平衡等幾種。在控制區，用戶可以進行電壓、電流的信號采樣的啟動與停止，以及保護功能的啟用，還可以選擇保護分閘的前級高壓斷路器。在波形監視與分析算法選擇區，用戶不但可以實時監控到指定的電壓、電流信號波形，還可以根據試驗需要選擇合適的保護分析算法的一種或者多種。

圖5 低壓電器短路耐受強度試驗智能保護裝置的控制程序主界面

5 總結

本文針對目前低壓電器短路耐受強度試驗系統的保護裝置保護功能單一、保護方式及參數難以靈活調節等方面的不足，創新提出一種新型低壓電器短路耐受強度試驗系統智能保護裝置。該智能保護裝置的與傳統的保護裝置相比，其改進主要在于依據的諧波含量異常檢測算法可以較大幅度系統響應時間和測量精度，并且在不影響試驗樣品短路型式試驗結果判定的前提下，避免短路試驗過程中出現異常時，企業試驗樣品長時間經受非正常電壓、非正常電流影響而發生進一步爆炸、檢測機構試驗設備損壞、試驗人員處于不可預知危險等風險，可為企業最大化降低損失，并保護試驗設備、試驗人員的安全，在低壓電器短路試驗領域真正起到了快速、有效的保護作用，可為低壓電器相關企業、檢驗機構提供理論和設備參考。