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一种具有故障隔离及锁定功能的微机型分界保护开关
武建文1
，廉世军2
1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院
100083 2..广东省珠海市可利电气有限公司
519085
摘要：简述了具有故障隔离及锁定功能的微机型分界保护开关的原理、功能和软硬件实现方法，介绍和分析了该分界保护开关的应用、工作条件、技术指标以及工作程序。该分界保护开关自具电源功能，省去了后备UPS或低压电源；配套微机测控装置在检测到供电用户侧发生短路故障并被上级断路器分断后，立即切断并闭锁分界保护开关，只有供电部门方可开锁并重新送电，防止用户自行投入，引起故障的扩大。为城乡电网终端用户变电所及城网电缆分接箱提供了一种新型实用的分界保护开关解决方案。
关键词：
分界保护，无流分断，无后备电源，故障隔离，权限锁定。
1、引言
传统的城市配电网络中，使用跌落式熔断器也称令克开关作为电网和用户或分接小支网的“分界保护开关”[1]，因其简单、经济在小容量架空线配电网中曾发挥了作用，但是随着城市建设的电网容量不断增加，绝大部分的架空线变成入地电缆，以前使用的跌落式熔断器已经无法适应在配电网络中继续使用。如原来配跌落式熔断器做分界开关的用户在出现线路故障后，使用铜线替代跌落式熔断器的溶丝自行投推强行送电造成的故障区域扩大，增加区域性停电的时间、次数，危及操作者人身安全。为此研制了新型带有闭锁装置的“分界保护开关”，配用小体积的SF6负荷开关（KLSF）和智能保护装置（BW-KL2003）实现无流切断、隔离故障用户、锁定投运权限。
2、分界保护开关工作原理
如图1所示配电区域性网络，四个分界保护开关QF1、QF2、QF3、QF4直接安装在原来跌落式熔断器（令克）的位置（户外要求使用户外箱），QB为变电站出线断路器。L1和L3为户外电缆分接箱，分界保护开关作为进线开关。L2和L4为户内变电站进线开关。
若在L3线路上的第2条支路出现短路故障，其工作原理如下：分界保护开关保护装置监测到短路电流大于设定值（如15A）持续时间也大于设定值（如30ms）后，将进入电流检测程序，在确认上级断路器QB切断负载故障电流后、QF3分界保护开关自动分断（时间上需要用户按照要求自行调节配合），并执行权限保护动作，自动闭锁分界保护开关QF3，在故障没有被排除、电网系统维护人员不到达现场（解锁）时，用户将无法对QF3做任何试探性合闸投运动作。QB重合后，因L1、L2、L4三路无故障，QF1、
QF2、QF4仍保持合闸状态将重新供电，整个网络不因L3线路的检修而影响。供电公司维护人员到达现场，参考保护装置面板上的记忆显示，判断故障原因（相电流、地电流或断相）并针对性检查、排除，L3线路在检修完毕后，具有解除闭锁权限的人员，解除闭锁后，关合QF3，L3线路投入运行，恢复供电。而若当线路正常倒闸操作时，因为分界保护开关QF3没有监测到有（设定的）大电流出现，则不会进入电流检测程序，也就是说不会出现权限闭锁误动作。
同样，对于L1、L2、L4线路如果存在类似问题（故障），分界保护开关QF1、QF2、QF4照样作出判定、处理，从而将问题线路隔离、分界在主网络外，使其它非故障线路经过短暂时间后自动投运（KLSF分界保护开关可以关合分断600A有载负荷100次）。如果联合使用KLDSF小型断路器分界保护开关装置，还可以控制更大线路负荷。对于线路L1、L3上的QF1、QF3而言若需要知道到底为那个支路（终端）用户出现故障，则需要在每个支路（终端）上也加装分界保护开关执行装置FS-KL2003。值得注意的是，所有这些保护装置均不需要配置后备UPS或低压电源，既节省了空间，无需考虑后备电源UPS等的维护，降低了成本，又增加了可靠性。
3、分界保护开关的硬件结构
保护装置的结构原理见图2。主要电路如下：
（1）
斩波稳压电路和锂电池自动充电电路
本电路的功能是将变化的脉动直流电流转化为稳定的12V电源，其即作为控制器的电源也作为开关跳闸脱扣器操作线圈的电源，跳闸脱扣器为特殊设计，其触发工作电流在10安以下。
图2中，CTa、CTb、CTc为三相主回路电流互感器，经电流互感器CTa’、CTb’、CTc’ 变为小电流后输入到整流电路，整流电路输出脉动直流i，通过斩波稳压电路将纹波电压控制在0.4V之内满足设计要求[2]。保护装置可以在15%~20倍额定电流的宽范围内正常工作。斩波稳压电路输出的直流电压输出给自动充电电路为自备锂电池充电实现能量的储存，以补充在QB分断线路故障后无法从CTa、CTb、CTc三相主回路取电情况下，保持控制装置的正常供电，后备电源使用大容量记忆电容储存能量，以完成执行机构脱扣和闭锁所需的能量。
（1）
小零序电流精密测量
目前国内配电网中性点接地方式大部分地区为中性点不接地系统，接地电流很小，采取有源滤波电路将高次谐波滤除，放大电路采用程序控制放大器，以提高采样精度。
（2）
采用高可靠、高性能单片机
微处理器是微机继电保护装置的核心，在处理器的选择上要考虑运算速度,
模拟信号采集精度、输入输出能力和较强的中断功能，其中最重要的是可靠性。考虑到以上因素，微处理器采用Motorola公司的高性能单片机MC68HC11[3]，程序存储器、数据存储器在片内，数据总线、地址总线不出芯片，极大地提高了电磁兼容性。
（3）
指示灯及磁记忆显示电路
磁记忆显示电路的关键器件是磁记忆显示器，这是一种记忆元件，当故障电流大于动作值时，在延时阶段，指示灯闪烁，延时结束单片机给磁记忆显示器发出指令显示相电流故障还是接地故障。随后发出跳闸指令，通过功率放大电路使脱扣器触发负荷开关或断路器分断线路，隔离故障。
（4）
电磁兼容及可靠性设计
由于保护装置工作在电力系统中，电磁环境及温度环境比较恶劣，要保证长期稳定和可靠运行，必须考虑各种可能的电磁干扰，采取抗干扰措施，提高系统的可靠性。
（5）
安装结构设计
基于以上情况考虑，特别是在无后备电源但是又要保证开关的“无流”分断，则整套样机采用MCU主机与推动装置分开设计制做的方式。这样一来，MCU主机就可以安装在开关柜的屏面上，而推动装置则可以“隐形”安装。一方面可以留下足够的多余空间（在屏面上）给其他装置使用，另一方面也间接减少在没有后备电源时推动装置对被控制开关实施动作指令时的能量损失，进一步保证无流分断动作的可靠性。
4、保护装置工作流程设计
保护装置工作流程分为两步：第一步故障识别，要求能准确无误的检测（监测）到所被检测线路中确实有故障出现，且要区分是属于相电流过流、零序电流过流，还是断相故障。第二步故障处理，必须确认被检测线路负载电流确实已被断路器QB分断（因负荷开关不能分断短路电流），脱扣器才能触发分界开关断开，并通过闭锁执行器闭锁。而无故障出现，尽管电流也降为零，如正常开关倒闸，则不能执行开关闭锁功能。鉴于以上两步分工作流程的要求，研究设计出两块主要程序分别执行任务。
4.1
相电流和零序电流故障分析处理
相电流共有五条保护曲线，两段式保护，第一段均为定时限保护，第二段其中三条符合国际电工委员会标准IEC255-3规定的三种反时限特性，第四条为定时限，第五条为用户指定的反时限曲线。软件处理过程见文献[2]。
4.2
断相故障识别
当主回路三相电流对称运行时，相位互差120度，主回路B相断相时，由于中性点不接地，电流相位相差180度，根据电流最小值与最大值的比值，可判断为断相故障[2]。
4.3、检测主程序流程设计
检测主程序流程：系统上电复位、系统初始化、同步串口SPI读入用户通过编码器设置的参数，检查EEPROM,
随后进入电流定时采样、故障诊断和反时限延时处理过程。电流定时采样采用定时中断的方式进行[2]。
4.4、故障处理工作流程设计
执行器软件包工作流程如图3。
首先判断线路有无电流，连续检测1秒若电流持续为零，则确认电流为零。否则继续判断，当10秒内电流仍不为零，说明故障确认错误或断路器分断故障失败，返回。当确认电流为零，再等待N秒（用户可设定）再次确认电流已为零后,执行跳闸指令和闭锁开关，否则继续判断，当20秒内电流仍不为零，说明故障确认错误或断路器分断故障失败，返回。
5、试验结果
分别加入标准三相正弦电流和接地电流，在各种参数设定情况下，其延时时间误差在±２％或±20ms以内，断相故障判别率为100%，完全满足电力系统要求。保护装置可以在15%~20倍额定电流（额定电流为5A，
则为0.75~100A；额定电流为1A，则为0.15~20A）的宽范围内正常工作，其他各项功能稳定可靠。通过制做装置样机并与KLSF开关配合，并按照预计程序试验，分界开关保护动作检测准确率100%，动作准确率100%。与其它同类负荷开关（断路器）配合动作情况有待进一步试验验证。
6、结束语
该分界保护开关自具电源功能，省去了后备UPS或低压电源，其CT既作为电流检测传感器，又从供电系统中吸收能量，提供微机工作电源和跳闸电源、实现电源自具无需独立UPS或电池柜是其显著特点。配套微机测控装置在检测到供电用户侧发生短路故障并被上级断路器分断后，立即切断并闭锁分界保护开关，只有供电部门方可开锁并重新送电，防止用户自行投入，引起故障的扩大。为城乡电网终端用户变电所及城网电缆分接箱提供了一种新型实用的分界保护开关解决方案。
参考文献：
1、王章启，顾霓鸿.
配电自动化开关设备[M]. 中国电力出版社.
1995.
2、武建文等，一种终端用户开关柜微机保护装置[J].高压电器，2004，40（2）：132-134
3、涂时亮.
M68HC11单片机原理、应用及技术手册[M],
复旦大学出版社, 1992.
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