[分享]断路器越级跳闸时ATSE选择性转换的实现

发表于2016-05-24     630人浏览     1人跟帖     总热度:59  

断路器越级跳闸时ATSE选择性转换的实现-1.jpg

1 前言

 

  自动转换开关电器(ATSE)主要用在紧急供电系统,确保重要负荷连续、可靠运行,是将负载电路从一个电源自动换接至另一个(备用)电源的开关电器。由于ATSE本身不具备过电流保护功能,为保护电源和负载,在ATSE配电系统中,一般在ATSE上端和下端安装断路器进行保护。而在断路器出现越级跳闸后,双电源进行转换会再一次造成短路故障,给电路带来二次短路冲击,并可能造成整个配电系统无法正常工作。

 

2 ATSE在断路器越级跳闸后转换的问题

 

  配电系统中的越级跳闸是指电力系统故障时,应由保护整定优先跳闸的断路器来切除故障,但因故由其它断路器跳闸来切除故障的行为。在图1所示的ATSE配电系统中,以负载1回路为例,越级跳闸是指ATSE投入的电源是常用电源时,当负载1出现短路后,负载上端的QA3没有跳闸,而ATSE上端的QA1出现了跳闸。

 

  在ATSE上端的断路器越级跳闸后,常用电源出现断相。ATSE控制器检测到常用电源故障后,按设定的延时转换到备用电源。由于负载1回路中的QA3没有跳闸,短路故障依然存在。ATSE在转换到备用电源后,由于负载1的短路故障,上级的断路器QA2会再一次进行跳闸,ATSE上端的两路电源均断电。ATSE断电后,尽管负载2和负载3的电路没有出现短路故障,而且常用电源和备用电源也没有出现过压或欠压故障,但由于ATSE上端的断路器断开,负载2和负载3回路均无法正常工作。转换完成后,备用电源侧由于二次短路,器件经受了一次不应有的短路冲击,必定会带来一定的损伤,在短路故障严重时,甚至会导致器件完全损坏。由此可见,在ATSE配电系统中出现断路器越级跳闸后,ATSE进行电源转换,会带来比较严重的危害。

 

  随着断路器区域联锁功能(ZSI)的完善,为避免越级跳闸现象的发生,电气设计师在设计电路图时会在ATSE配电中选用带ZSI功能的断路器。但带ZSI功能的电子脱扣器成本较高,一般应用在比较重要的配电系统中,在大多数配电系统仍然采用普通的断路器,这样就使得因断路器越级跳闸,ATSE进行电源转换而发生短路二次冲击的现象时有发生。在断路器越级跳闸故障无法避免的情况下,ATSE是否可以自动判断故障,而不进行电源转换。在理论上,只要ATSE系统能检测到上级断路器越级跳闸,并在进行电源转换前,能判断出负载是否短路,就可以在此故障下进行选择性转换。

 

  ATSE在断路器越级跳闸时进行选择性电源转换,其解决方法可以分解为对上级断路器跳闸信号的监测和对负载电路是否短路的判断两个过程。在ATSE检测到常用电源故障后,如果检测到上级断路器已经跳闸,而且负载电路仍然出现短路,则不进行转换到备用电源的操作,以避免系统遭受二次短路冲击;如检测到负载电路没有短路故障,则可以进行电源转换,保障系统的正常供电。从配电系统的机构来看,上级断路器跳闸信号可以很简单的从断路器的报警辅助触头检测到,要实现对上级断路器跳闸故障的监控比较容易。而负载的类型繁多,在断电的瞬间负载电源情况也比较复杂,负载短路的检测相对比较麻烦,需设计专门的电路进行检测。

 

  通过上述分析可以看出,ATSE实现对断路器越级跳闸的检测,并进行选择性转换的关键是能准确检测出负载端是否存在短路故障。

 

3 ATSE负载短路检测方案的可行性分析

 

  当ATSE负载端出现短路故障时,从图1所示的电路中可以看出,此时ATSE本体的输出端各极(A、B、C、N极)间必定有两极间存在短路。因此,检测ATSE负载是否短路,可以用检测ATSE本体A、B、C、N极间是否有短路情况来进行判断。

 

  泰永电气作为在国内ATSE行业领先的专业双电源制造企业,对这一问题做了大量研究,并设计出一种通过测量ATSE本体输出端A、B、C、N之间电压的方法,实现了对负载短路的判断。下文对这一方法进行详细说明。

 

  由电势定理可知,电路中没有电阻的两端电势相同,电压差为零(如图2所示)。

 

  图2中,A、B在断开时,两点间的电压Uab=5V,当A、B通过导线连接在一起(即A、B短路),两点间的电压Uab=0V.基于这一原理可以得出:当ATSE负载出现短路故障时,在输出端A、B、C、N两极之间肯定至少有两极之间连接在一起(短路),如果此时A、B、C、N上有电压,则至少有一路线电压或相电压为零。

 

  考虑到负载的类型比较多,简单对负载端各极电压进行测量会存在一定的问题。从ATSE应用的场合考虑,既有纯阻性、纯感性和纯容性负载,也有阻性、感性和容性负载一起使用的混合型负载。纯阻性负载断电后,ATSE输出端立即就会断电。而容性或感性负载以及混合型负载在输入端断电后,与负载相连的ATSE本体输出端会在一定时间内存在感应电压,随着负载功率和类型的不同,感应电压产生的时间也不一样。

 

  对纯阻性负载,由于不存在感应电压的问题,当ATSE上端断路器跳闸后,负载端立即断电,仅需施加一个电压到ATSE输出端,再用专门的检测电路进行处理,就可以比较简单的实现对负载短路故障的判断。这种方法实现比较简单,采样精度和可靠性也比较好,但仅适用于阻性负载的检测,在应用上存在较大局限性。

 

  感性、容性和混合型负载由于存在感应电压,在理论上我们可以采用两种方法实现对负载短路故障的检测。一是直接检测各极之间的感应电压值,然后通过采样处理和计算,来判断负载是否短路。鉴于负载的复杂性,感应电压的大小和维持的时间很难确定,如果感应电压维持时间较短,在技术上实现精确采样存在较大的困难;如果是含有阻性负载的混合型负载,在测量感应电压时,无论负载是否短路,纯阻性负载端电压都是为零。如果仅仅通过判断感应电压是否为零,还无法判断负载是否真的短路。

 

  另一种方法是首先对感应电压进行测量,如感应电压为零,再人为在ATSE负载端各极间施加一个检测电源,然后测量各极之间的电压,通过测量到的电压判断负载是否存在短路故障。这种方法和纯阻性负载的处理方法类似,采样准确性和可靠性都比较高,但增加了判断感应电压是否消失的判断过程。如果感应电压维持的时间较长,完成负载短路检测的时间也会比较长,ATSE从检测到电源故障,到进行电源转换的时间会比较长,尤其是在非越级跳闸电源故障出现时,增加负载短路检测,会大大延长ATSE正常的电源转换时间。

 

  综合上述分析,尽管独立的设计负载短路检测电路存在一定的缺陷,但在理论上,通过电路测量ATSE输出端各极电压的方法可以实现负载短路的检测是可行的。笔者经过理论分析和实际验证,将负载短路模块的设计与ATSE控制器和整个系统的配置进行综合考虑,设计了一套切实可行的解决越级跳闸后,避免ATSE转换电源带来二次短路冲击的检测装置,已经基本解决了上述方法中存在的问题。

 

4 ATSE负载端短路故障检测模块

 

  本文所述的ATSE负载短路检测模块是在与TBBQ3系列双电源所配的CV型控制器联动的基础上实现的,其原理框图如图3所示。

 

  该模块电路(以4极ATSE为例)由电源模块、电源投入装置、电压采样电路、MCU处理单元、系统参数设置模块和通信模块等部分组成。电源模块实现对整个电路的无间断供电,并提供用于负载短路检测的电源;电源投入装置在接收到MCU的指令后将检测电源投切到ATSE本体输出端的各极触点上;电压采样电路实现对电压信号的处理,并将处理后的信号送入单片机;单片机模块为系统核心,实现对整个系统的控制和信号的处理;参数设置模块由一些LED灯和按键组成,用来设置ATSE极数和是否启用选择性转换功能。通信模块主要用来实现与ATSE控制器之间的通信。

 

  整个系统的工作原理为:当CV型ATSE控制器检测到当前使用电源出现断电故障后,首先检测上端断路器的跳闸信号,如上端断路器没有跳闸,再立即进行电源转换;如检测到上级断路器跳闸,则通过485总线将此故障通知短路检测模块,模块在收到指令后,立即检测输出端是否有电,在确认ATSE输出端没有电后,模块自动将检测电源投切到ATSE本体的输出端;检测电源投入后,单片机对采样到的线电压(Uab、Uac、Ubc)和相电压(UAN、UBN、UCN)进行计算,并根据计算结果判断负载是否短路,同时关闭检测电源投切装置,是检测电源与负载电路断开;在确认检测电源关闭后,MCU通过485总线将检测结果传送给ATSE控制器,控制器根据负载是否短路进行选择性转换。整个系统的软件流程图如图4所示。

 

  考虑到负载的复杂性,模块在接收到ATSE控制器检测请求后,必须先测量ATSE输出端各极之间是否存在电压,确认无电压后,才能将检测电源(本体输入电源)投切到输出端上,否则会造成测量不准或电源故障的现象出现。

 

5 结束语

 

  根据负载短路模块的工作原理,由于CV型控制器本身带有监测ATSE上端断路器跳闸信号的接口,在没有检测到上端断路器跳闸信号(即没有遇到越级跳闸故障)时,可以不用通知负载短路模块进行检测,直接按照正常的电源切换程序进行电源转换,避免了增加负载短路检测后,延长ATSE转换时间的缺陷。

 

  短路检测模块通过与ATSE一起带载运行后,能准确地对负载是否出现短路做出判断,大大提高了ATSE在转换时的可靠性,基本上可以解决断路器越级跳闸后进行电源转换,系统带来二次短路冲击问题。该模块设计简单、成本低廉,配电系统中选用带有此模块的ATSE,仅需安装价格较低的断路器就可以解决必须安装带ZSI功能的断路器才能解决的问题,可大大降低成本。

 

  按不同用户的需求,此模块电路也可集成在ATSE控制器中,通过控制器直接对负载电路进行检测,可大大提高检测的效率。 &

 

参考文献

 

  1 李英姿.低压电器应用技术.机械工业出版社,2009;8

  2 李生明.一次越级跳闸的启示.《长江工程职业技术学院学报》,1999;01

  3 《自动转换开关电器[S]》IEC60947-6-1-2005.2005

  4 《低压开关设备和控制设备 第一篇:自动转换开关电器[S]》GB/T14048.11-2008.2008

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  • 发表于 2016-05-25     谢谢了,赞了

 发表于2016-05-25   |  只看该作者       筑龙币+20

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点评   turboyu  发表于  1楼   2016-05-24  1 前言   自动转换开关电器(ATSE)主要用在紧急供电系统,确保重要负荷连续、可靠运行,是将负载电路从一个电源自动换接至另一个(备用)电...
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