三相四线制零线故障及缺相智能保护装置

摘要

本发明公开了一种三相四线制零线故障及缺相智能保护装置，电流互感器和电压互感器输出接量程转换模块输入；量程转换模块、数据处理模块、CPU逻辑控制器和驱动电路依次顺序连接，驱动电路一路输出开关跳闸信号接带分闸线圈的开关，另一路输出报警信号接后台管理中心；CPU逻辑控制器通过通信模块与远程管理中心或终端连接。本发明能直接判断零线是否发生故障，并在故障发生后发出保护控制信号，使开关跳闸，切断故障后端电源线路，从而达到保护设备和人身安全的目的。同时发出报警信号，传送到后台管理机进行相应的处理，实现报警上传功能，故障信息能对停电事故快速作出处理意见，减少停电时间。

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种三相四线制零线故障及缺相智能保护装置，本装置能自动检测出零线是否发生故障并针对不同的故障情形进行处理，属于供电技术领域。

 

背景技术

在我国城乡和厂矿企业的低压供配电系统中，大部份采用380/220V三相四线制混用的低压供电系统，如图1所示。这种混合式的三相四线制低压供电系统中会产生单相负荷分配及分配不平衡问题，就会出现相间电压的不平衡。而在城市公用配电房中，配电变压器的大部分负载为单相负荷，甚至达 80% 以上，这必然产生相间负荷分配不平衡问题。

负荷的不平衡将带来三相电压的不平衡，由于零线（PEN）的均压作用，在三相负载功率小于30KW以下，且零线的电阻较小（R0≤1Ω）时，即使三相负载不平衡，其各项电压仍然对称，分别等于电源相电压。

众所周知在三相四线制供电系统中，当零线发生断线/破损/缺相等故障，均会引起线路后段电压及三相四线制中性点发生偏移，从而危及线路后端用电设备安全和用电人员的人身安全。当零线故障后，由于三相负载功率的不平衡度不同，所引起中性点偏移电压也不相等；当不平衡度达一定值时，其中性点偏移电压在 50V 以上，与之对应的三相负载相电压有的大于 270V，有的小于 170V：即各相负载电压升、降达额定值的20% 以上。

为了保证用电设备安全和人身安全，提高用电的安全可靠性，防止由于零线发生故障而引起线路上电压危及安全，国际电工委员会IEC/TC64《建筑物电气装置》标准规定第一区段的安全电压和JGJ/T16-2008《民用建筑电气设计规范》规定了零线故障后的保护及动作时间要求：（1）相线对地标称电压为220V 的TN 系统配电线路的接地故障保护，其切断故障回路的时间应符合下列规定：A.配电线路或仅供给固定式电气设备用电的末端线路，不宜大于5s；B.供电给手握式电气设备和移动式电气设备末端线路或插座回路，不应大于0.4s。（2）手握式电气设备的接地故障保护，当发生单相接地时，自动断开电源的时间不应超过0.4s 或接触电压不应超过50V。（3）适用于防电击保护分类为Ⅰ类的电气设备,设备所在的环境为正常环境时，人身电击安全电压限值（UL）为50V。

目前，国内外在零线故障技术方面作了大量研究。对于TN-C-S系统，其基本方法主要是利用PEN线断线后，其负荷中性点偏移电压是通过PEN与PE线的分支连接处引入PE线，因而造成对人体的接触电压。为了消除和降低PE线上的对地偏移电压，对PEN与PE分支连接点进行接地，即等电位连接处理，这样可以避免用电器外壳产生偏移电位对人体的接触电压的危害。由于这种方法只解决了电压的偏移问题，但没有从根本上解决故障线路还处于带电工作状态的问题，故存在很大的安全隐患，有可能导致其它事故的发生。

也有人选用三个等容量的电容器接成Ｙ形，形成一个人为中点N，代替“电压型保护器”的工作接地，然后进行判断是否发生零线故障，然而因受各种因素的影响，此法仍不尽如人意。

根据现有国内、国际标准规定，中断保护器取样电路的工作接地必须做独立的接地装置，同PEN线的重复接地严格分开，以使其工作接地为零电位，且不受其它接地电位的影响。这就要求工作接地与重复接地和建筑物的基础钢筋、埋地金属管道等自然接地体保持约20 米的距离。这对于高楼林立、地下管道密布的居民区来说，要求设置不受其它接地影响的单独接地极，确实难以实现。所以国外实际上已停止使用这种电压型保护器，国内也由于中断保护器工作接地的零电位很难不受其它接地的影响，而难以正常推广使用。

基于以上问题，这就需要解决零线故障而引起的事故，以保护设备和人身安全，使供电系统安全运行。

虽然目前有不少技术是利用网络进行实时监控的，但对于0.4kv配网终端来说，实施起来很困难，供电线路复杂、分散、线路分支多、数量大、距离比较远，造成组网、通讯困难，对于一个城市的配网供电线路系统来说，要将监视网络布到每个线路终端是一项非常巨大的工程。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种易于实施、方便管理的三相四线制零线故障及缺相智能保护装置。

本发明的技术方案是这样实现的：三相四线制零线故障及缺相智能保护装置，它主要由电流互感器、电压互感器、量程转换模块、数据处理模块、CPU逻辑控制器、驱动电路、通信模块和参数设置模块组成；电流互感器用于感应供电回路电流信号，电流互感器输出接量程转换模块输入；电压互感器用于感应供电回路电压信号，电压互感器输出接量程转换模块输入；量程转换模块、数据处理模块、CPU逻辑控制器和驱动电路依次顺序连接，驱动电路一路输出开关跳闸信号接带分闸线圈的开关，另一路输出报警信号接后台管理中心；CPU逻辑控制器通过通信模块与远程管理中心或终端连接，参数设置模块的输出接CPU逻辑控制器的输入。

本装置还包括显示器，所述显示器的输入接CPU逻辑控制器的输出。

本发明能直接对数据进行采集、分析、计算并判断出零线是否发生故障，并在故障发生后发出保护控制信号，使开关跳闸，切断故障后端电源线路，停止供电，使供电系统安全运行，从而达到保护设备和人身安全的目的。同时发出报警信号（无源信号），传送到后台管理机进行相应的处理，实现报警上传功能，故障信息能对停电事故快速作出处理意见，减少停电时间。

本装置具有远程管理功能。由于以前有装置只有控制功能，输出信号也为干节点信号触点，不能实现数据远传功能，而本装置具有通信功能，协议标准，能很好的与现有管理系统或新建管理系统兼容，通过简单组态，即可实现数据定值管理和其它控制功能。

本装置直接装于线路末端或配电房出线端，可与开关配合使用（开关需带分闸线圈），安装灵活、使用方便，可根据情况现场设置参数，工程量不大，对新建配网和老网改造都很适用。

 

附图说明

图1-现有的三相四线制混用的低压供电系统示意图。

图2-本发明结构示意图。

图3-本发明工作流程图。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

基于现有技术的不足，本发明设计了一种三相四线制零线故障及缺相智能保护装置，装置通过检测线路三相电压和三相电流，并进行运算，如判断出零线发生故障，则发出相应的动作信号，实现对故障线路断电操作，保护设备及人身安全。输出信号的同时也输出干节点信号，可接入其它管理系统。通过扩展智能通信模块，可实现在线检测数据实时上传至后台或管理系统；同时以串行通信的方式，减少布线及人工安装成本。

其具体实现方案参见图2，从图上可以看出，本发明零线故障及缺相智能保护装置，它主要由电流互感器、电压互感器、量程转换模块、数据处理模块、CPU逻辑控制器、驱动电路、显示器、参数设置模块和电源模块组成。电流互感器和电压互感器的输出接量程转换模块输入，量程转换模块、数据处理模块、CPU逻辑控制器和驱动电路依次顺序连接，驱动电路一路输出开关跳闸信号接带分闸线圈的开关，另一路输出报警信号接后台管理中心。参数设置模块的输出同时接CPU逻辑控制器的输入。显示器的输入接CPU逻辑控制器的输出。

为了实现在线监视功能及远程控制和管理功能，本装置CPU逻辑控制器具备通信端口，CPU逻辑控制器的通信端口通过通信模块与远程管理中心或终端连接，可以通过通信方式实现全部数据的远程管理。

各主要部件的功能介绍如下：

电流互感器：感应供电回路主回路一次电流或二次电流信号并输送到量程转换模块。

电压互感器：感应供电回路主回路一次电压或二次电压信号并输送到量程转换模块。

量程转换模块：对电流互感器和电压互感器送过来的信息转换成装置能识别的范围。

数据处理模块：通过对采样的电流信号进行计算得到三相线电流和相电流、对采样的电压信号进行计算得到三相线电压和相电压及中性点电压的偏移量、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等所有电力参数，并将计算结果发送到CPU逻辑控制器。

CPU逻辑控制器：通过输入的计算结果，CPU按编写的逻辑控制程序进行运算、比较、判断，然后计算是否发生零线故障，如是，则发出控制指令给开关，同时输出报警信号。

显示器：与CPU逻辑控制器配合使用，测量、状态显示、参数设置。

驱动电路：扩大控制接点的容量，CPU逻辑控制器的输出接点容量比较小，信号经继电器的线圈由继电器的接点直接去控制开关动作和输出报警信号。

参数设置模块（即键盘）：用于设置参数及显示界面调整。

通信模块：与外部管理系统（远程管理中心或终端）进行通信，实现参数设置及状态输出，可实现“遥信”、“遥测”、“遥控”等功能。

电源模块：用于给各模块供电，使装置正常工作。

开关（带分闸线圈）：本装置的被控对象，为电力系统本身自带部件，接收到跳闸指令后执行动作，切断后端电路。

本发明动作流程介绍（见图3）：

1、设备初始化

（1）设备通电开始运行。

（2）参数设置：设计电流互感器变比、电压互感器变比、过压动作值、欠压动作值、延时时间、信号类型、系统时间、通信地址和通信波特率等。

2、流程图

（1）系统上电开机；

（2）系统初始化，系统自检，开中断；

（3）根据要求是否需要设备参数，如需要设置参数，则设置参数；

（4）若不需要设备参数则进入模拟采集过程，将采集得到的数据送入内存单元，以备后用；

（5）调节量程范围，把采集得到的模拟量信号转换为相应的量程；

（6）计算线电压、相电压、线电流、相电流等；

（7）智能计算并判断；

（8）若经计算得知发生故障并根据发生故障的类型，发出跳闸信号和报警信号，转到（9）；若没有发生故障则返回（3），重复以上过程；

（9）停机。

3、中断处理

（1）根据中断矢量，进入中断程序。

（2）关闭中断入口；

（3）中断处理程序，处理通信协议及内容；

（4）开中断入口；

（5）中断程序返回。

本发明还具有其它功能：

1.能实现32条SOE事件记录详细，有动作日期和时间；

2.可实现欠压延时动作保护、欠压瞬时动作保护、过压延时动作保护、过压瞬时动作保护；

3.权限管理，设置不同密码得到不同权限，保证设备安全运行；

4.确认操作，所有操作均设置确认，防止误操作。

5.参数设置后，全自动智能计算故障情况，无需人工干预。

6.本装置与开关的辅助触头与报警信号配合，根据不同的组合，可以判断是开关故障、开关本身保持性动作及零线故障智能保护动作及正常工作。

7.多级选择性保护功能：实现总路和支路，支路和用户等多级分别判断零线断线保护的配合功能，支路应优先动作，防止断电范围扩大。

8.报警回传功能:当本装置判断出零线断线后，根据类型发送相应的信号驱动开关跳闸（无源信号），同时送出一报警信号（无源信号），用于传送到后台管理中心进行相应的处理，达到报警上传的功能，故障信息能对停电事故快速作出处理意见，减少停电时间。

本零线故障及缺相智能保护装置安装在线路末端或配电房出线端，装置实时采集线路的三相电流和三相电压，实时进行运算，通过采样值计算出的零线的电位偏移与设定的保护动作值作比较，同时通过实测相电压的变化进行判断零线是否发生断线/破损/缺相等故障，发出相应的控制信号，驱动保护装置动作，保护线路后端设备及人身的安全。当设备发出保护控制信号的同时，也提供一个报警信号，用于后台对本回路的报警信息进行管理。