关键词： 电源
电源保护（精选十篇）
电源保护 篇1
继电保护用开关电源是继电保护装置的主要功能模块, 它负责将站用220V直流转换成供微机保护CPU使用的5V和继电器使用的24V直流[1]。继电保护开关电源的好坏直接影响到保护装置动作的可靠性, 当电源模件损坏时, 微机保护所有功能都将失缺, 这给电网安全带来很大隐患。本文研究如何在微机保护运行时, 实时监测开关电源的运行状态, 以便在开关电源性能下降时及时提供报警信息, 提醒检修人员及时更换;同时, 监测结果可完整保存下来, 为今后开关电源的设计提供可靠依据。
1 开关电源故障分析
1.1 开关电源故障率状态分析
实践证明, 开关电源的故障率是时间的函数, 遵循浴盆曲线 (Bathtub curve, 失效率曲线) 的规律[2], 如图1所示。浴盆曲线是指产品从投入到报废为止的整个寿命周期内, 其可靠性的变化呈现一定的规律, 若取产品的失效率作为产品的可靠性特征值, 那么它是以使用时间为横坐标, 以失效率为纵坐标的一条曲线。曲线的形状呈两头高、中间低, 具有明显的阶段性, 可划分为早期失效期、偶然失效期、耗损失效期三个阶段。
(1) 早期失效期是由于在设计、结构、制造工艺中存在缺陷或使用严重不当而造成产品失效的阶段[2]。由于微机保护出厂时已经完成拷机测试, 因此现场运行时该阶段失效的概率很低。
(2) 偶然失效期是一个随机的失效阶段, 这种失效与工作环境有关, 与工作时间关系不大。这一时期是产品的良好使用阶段, 偶然失效的主要原因是质量缺陷、材料弱点、环境和使用不当等[2], 该阶段的失效概率很低。
(3) 耗损失效期内元件的性能急剧恶化, 失效率随时间上升, 主要由磨损、疲劳、老化和耗损等因素引起[2]。微机保护开关电源在该阶段损坏的概率上升很快, 需要及时更换。
要研究开关电源是否进入耗损失效期以及进入耗损失效期的条件, 就需要从开关电源的组成和结构开始研究。
1.2 开关电源结构分析
开关电源是开关稳压电源的简称, 它是一种用脉宽调制 (PWM) 驱动功率半导体器件作为开关元件, 通过周期性通断开关, 控制开关元件的占空比来调整输出电压[3]。其工作频率一般在20~500k Hz范围 (典型开关频率为150k Hz) 内, 效率可达65%~85%, 一般由脉冲宽度调制 (PWM) 控制IC和MOSFET构成。
继电保护开关电源一般为DC/DC开关电源, 由于微机保护装置的运行功率较低, 因此一般使用小功率反激式DC/DC转换电源, 即开关稳压器将一输入电压变换成一较低的稳定反相输出电压, 其原理如图2所示[4]。其中, 变压器T1起隔离、传递、储存能量的作用, 即在开关管Q导通时Np储存能量, 开关管Q关断时Np向Ns释放能量;电路输出端加有由电感器L0、电容C0组成的低通滤波器, 以及变压器初级Cr、Rr和VDr组成的RCD漏感尖峰吸收电路[4]。该电源的优点是电路结构简单, 适用于200W以下的小功率电源, 其多路输出交调特性相对较好。
1.3 开关电源元器件分析
开关电源由多种元器件构成, 其中易老化的关键元器件主要是电解电容、光耦和粉芯磁件。
(1) 电解电容中的电解液易挥发, 长期运行后存在电容值降低、等效串联电阻上升等老化现象, 会影响电源产品的性能, 最终导致整个产品失效[5]。
(2) 光耦一般运用在控制回路中作为线性隔离器件, 其老化时电流传输比降低, 导致电源环路增益下降、环路不稳等, 使产品失效。
(3) 粉芯磁件由铁粉通过有机胶粘合压制而成, 若设计不当, 在有机粘合老化严重时会出现磁损巨增、磁芯饱和等问题, 可引起由电感导致的烧机安全隐患。
一般而言, 开关电源元器件中电解电容为寿命最短的元器件, 是电源产品寿命中一个关键性的环节。通过对开关电源电解电容、输出纹波、电压的监测, 可达到监测开关电源运行状态和性能的目的。
2 开关电源实时在线监测算法研究
2.1 开关电源理论寿命折算评估法
开关电源的寿命主要由电解电容的寿命决定, 通过估算可大致了解电解电容的寿命。其理论寿命公式为:
式中, L为电解电容寿命时间;L0为电解电容理论寿命;T为电解电容实际使用温度;T0为电解电容标识温度。其中, L0、T0由生产厂商提供。
电解电容的耗损量是时间和温度的函数, 可表达为:
式中, W (t) 为电容的损耗量;t为时间变量;T (t) 为温度变量, 是时间的函数。
由式 (1) 可以推导出电解电容耗损量公式为:
考虑适当的裕度, 当电解电容的耗损量达到85%时, 认为开关电源进入耗损失效期。
2.2 输出纹波判别法
DC/DC开关电源输出为直流量, 但其中多少带有一些交流成份, 这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。实际运行中的开关电源纹波如图3所示。
开关电源的输出纹波和输出滤波电容有很大关系[6], 当输出滤波电路的电容量下降时, 输出电压中的纹波含量将上升。国电南自PSL641U保护装置电源模块的纹波分析试验数据显示, 当电容正常工作时, 纹波幅值小于10m V;当电容损耗容值下降50%时, 纹波幅值扩大近1倍;当电容彻底损坏时, 纹波幅值已大幅度增加到100m V以上。为此, 可根据谐波增大的程度来判别开关电源是否进入耗损失效期。而且, 随着电容量的耗尽, 开关电容的输出纹波明显增加。
在实际运行环境中, 开关电源输出电压中的谐波较为复杂, 若采用输出谐波判别法对开关电源的状态进行评估, 还需结合开关电源的实际结构、实际应用环境等因素进行综合分析评估。通过实时地对开关电源的交流均方根值进行记录, 构建纹波变化趋势图, 可做到预测电源的失效时间。
2.3 输出电压判别法
由图3可知, 忽略纹波后, 开关电源的输出也不会是一条水平直线, 输出电压将呈周期性或随机性的漂移和摆动。根据相关规定[7], 5V、24V直流电源的电压波动范围分别为4.75~5.25V、22.8~25.2V。当开关电源输出电压持续超出上述范围时, 即可判断开关电源性能异常。
3 开关电源实时在线监测硬件设计
3.1 温度采集电路设计
根据式 (3) , 需要监测开关电源运行中的温度才能获得开关电源的耗损量。而通过在开关电源电路板的关键部位预埋Pt100 RTD测温电阻, 可以精确获得需要采集的温度。
铂电阻温度传感器是利用铂电阻和温度成一定函数关系制成的, 因其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等优点而被广泛用于中温 (-200~650℃) 范围的温度测量中[8]。应用三线制接法能准确测量Pt100电阻值, 其优点是将Pt100两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上, 使得导线电阻得以消除。
3.2 纹波采集电路设计
纹波采集电路设计和数字存储示波器电路类似, 其典型电路如图4所示。
数字存储示波器工作过程:输入的电压信号经耦合电路后送至前端放大器放大, 以提高示波器的灵敏度和动态范围;放大器输出的信号由取样/保持电路进行取样, 并由A/D转换器数字化后变成数字形式存入存储器中[9], 最后微处理器对存储器中的数字化信号波形进行相应的处理并显示出来。
总体上说, 采集开关电源纹波的处理方法几乎等同于示波器处理流程, 但对纹波采集的要求又不同于示波器:开关电源的纹波频率一定, 采集需要的截止频率有限, 仅需采集150k Hz频率的PWM信号纹波;无需还原纹波的上升沿、下降沿时间, 只需知道纹波大小即可;频谱分析只需计算总的谐波含有率;电源故障的特征较长, 对刷新率要求不高, 对处理器的运算速度要求低。
经筛选, 国电南自原有线路保护中使用的CPU (ST意法半导体Cortex-M4) 核心的STM32F4ZET6可以很好地满足需求。其3个独立的12位ADC采样率高达2.4MS/s, 支持3个ADC交错采样, 最高实现7.2S/s的采样率, 可以很好地完成对开关电源纹波的采样;其自带的10M100M以太网MAC能可靠完成设备对外的通信任务, 支持DSP指令, 对浮点运算操作有更快的硬件运算部件支持。
综上, 纹波采集电路硬件总体设计如图5所示。
4 在线监测远方信息处理平台
微机保护开关电源监测模件采集的测量值、诊断信息、纹波波形等数据因信息量巨大而无法在嵌入式系统中长期存储, 需要通过适当的规约传输给远方的信息处理平台, 继而在远方PC或服务器上进行数据存储与处理。因变电站已有SCADA系统, 借助于站内的SCADA系统和100M/1 000M站内以太网, 通过103规约, 将采集的纹波数据和其它测量值以遥测方式上送, 将告警信息、诊断信息以遥信方式上送, 数据就可长期保存至历史数据库中, 而且在后台机上可方便地进行各种数据信息的处理和查询。
5 开关电源在线监测前景分析
STM32F4ZET6 CPU为高集成度单芯片设计, 具有很高的性价比。通过在微机保护中增加一块诊断插件来完成开关电源在线实时监测任务, 不影响保护装置其它功能的正常运行, 总体硬件的成本可控, 同时又能很好地满足技术参数要求, 具有很好的市场竞争力。未来可逐步增加其它监测功能和监测点, 使整个开关电源监测回路更加完善, 从而促进继电保护装置的安全稳定运行。
6 结束语
本文从开关电源是微机型继电保护性能的薄弱点出发, 分析了开关电源的结构、特点, 设计了相应的软硬件来完成对开关电源运行状态的监测。该监测系统已开始应用在变电站现场, 运行情况良好, 但是其监测手段还比较单一, 监测点较少, 未来还需在现有的基础上进行升级和扩充, 使监测功能更加全面完整, 准确率更高。
参考文献
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[6]吴凌云, 李瑞正.关于开关电源纹波抑制的技术要点及措施[J].数字技术与应用, 2011 (12) :205, 206
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[8]陈志文, 王玮.基于Pt100铂热电阻的温度变送器设计与实现[J].现代电子技术, 2010 (8) :197~199
教你保护好电脑的电源 篇2
电脑的电源是电脑的动力来源，它决定着电脑的运行情况，如果它出现问题，小的还没什么麻烦，大的就可能烧坏其他的配件，所以，它在电脑的部件中有很的决定性作用。现在大家用的电源大部分是ATX电源，这种电源有很高的稳定性，而且输出线路简单明了，安装起来简单快捷，是现在用户主要的选择。
人需要动力来做事，电脑也是如此，如果电源出问题，那么整个电脑将完全瘫痪。我就有一个朋友的电脑曾经出现这样的问题，当他开机的时候，整台机器没有任何反映，什么声音也没有，任何的指示灯都不亮。有时开机又正常，或者多开几次，就可以正常运行。我们一直想找到问题的所在。最终有一天，电脑怎么也无法启动，但他在按电脑开关的瞬间，电脑电源的只是灯会闪烁一下。
这有可能是主板或电源的问题，于是我们拆开机箱，把电源拿下来，想试试电源是否损坏，在电脑城曾有个人教我用曲别针来测试ATX电源，方法是把曲别针弄成U型，用曲别针把电源连接为一个回路，只是这个回路上没有负载，通电(但一定要小心，如果操作不好，容易烧掉电源，引发室内电路短路)。看电源的风扇是否转动，如果转动，证明电源没有坏，但如果不转，那么电源一定的坏了。
我们按着这个方法进行了测试，发现风扇根本不动。我们又怕这方法不准，采用了最原始的替代法，找来其他人的好的电源装上去，开机，发现一切正常，
问题终于找到了，但如果修电源还不知道从何修起，我们只知道看看电源的保险管是否熔断，打开电源，发现并没有问题，看来自己是修不了的了，不如买个新的算了。没办法，谁叫我们都离不开电脑呢。
其实这还是比较幸运的，我另一个朋友的遭遇就很惨，一天打开电脑，突然间什么显示都没有，他感到很奇怪，前一天开机什么问题还没有，为什么现在就没有显示了呢?于是他来问我们，我们把他的电脑拆开，闻到了一股焦味，很明显是有配件被烧毁。我们把各个配件都拆下来仔细检查，发现CPU已经被烧得变形，看来是没救了。经过一番仔细的搜索，其他的配件都没有明显的外观损伤。于是购买一块CPU换上去，发现故障根本没有得到解决，电源里面还传出了焦味。
计算机电源接线方式及接地保护 篇3
随着现代科学技术的不断进步，微型计算机系统应用已成为一种必不可少的生产控制，科研设计及办公自动化的现代工具。
但微型计算机对电源的质量要求较高，因为它直接关系到微型计算机寿命及安全可靠运行。防止数据丢失。一般地说，计算机对电源的要求有以下几个方面：
（1）电网的电压稳定度偏差不超过额定值的±10%，且要求一旦出现过或欠压最大好均有报警信号，以通知操作人员及时处理。
（2）电网供电电压杂波少，干扰少，以免造成微型计算机被电网干扰而误停，尤其是在工业控制系统中使用微型计算机时，还必须搞好屏蔽以防辐射磁场的干扰。
（3）电网必须在规定时间内连续供电。因为无规则的停电可能损坏微型计算机系统。在经常会发生无规则停电的运行环境中，必须配置不停电供电系统（UPS）。
（4）微型计算机电源系统最好不要与带有大容量感性负荷的电网并联运行，以免产生高压涌流和干扰，扰乱计算机的正常工作。
（5）人机接触频繁，须保证外壳对地电压不超过人体的安全电压，电网地线接地可靠。
因此，计算机房电源接线方式及保安接地方式的合理与否，直接关系到微型计算机的可靠运行与人的生命安全，必须引起高度的重视。下面就通常所见的几种电源接线及保安接地方进行分析比较。
二、采用TN-C（三相四线制）系统的分析
许多计算机用户为了便於与其它电气设备共用线路，通常机户采用TN-C系统供电，接线如图1所示：
根据目前我国供电设计标准，按对称负荷考虑三相四线制线路的压降不超过5%，特殊情况下可达到10%，中性线截面按相线载流量的50%选择，零序电流大时，中性线的电压降有可能加位达到10%以上，当电源中性线断时，只要各相上投入运行的计算机台数不相同，就有可能出现超过10%的过电压，这就出现不符合计算机运行要求的电压偏移。实际上，即使中性线未断线，各相投运台数不相同的，由于中性线有压降，也将使负载中性点移位，进而使某相电压过高，另外的相电压过低，还有可能出现共模干扰等，影响计算机的正常运行。
三、计算机房与其它负载群共用一路电源的情况分析
在微型计算机中常规定电源中性线与大地之间的电位差不应超过0.5V，如图2所示。其目的就是要限制负载中性点位移，如果在计算机未投入运行前中性点与大地之间的电位差超过0.5V，则当计算机投入运行时中性点位移将更大。
前面已经指出，许多计算机用户为了方便，往往将计算机房与其它设备共用一路三相四线制电源，电路如图4所示：
当其它用电设备投入运行时，将因负荷不对相而产生零序电压，由于TN-C制架空架线的允许电压损失为5%（甚至10%）、中性线上的电压降有可能大于5%（或10%），甚至为该值的一倍，足以引起麻电现象，使操作人员无法正常工操作。不仅如此，随着零序电流大小变化，进而使计算机电源电压匆高匆低，波动幅度和闪变值超过计算机的允许范围，这不利于计算机的正常工作。因此，为了保证电源电压的稳定，应该对机房设有专用电源线，杜绝干扰源。
四、计算机房保安接地分析
由于计算机操作时人们全神贯注，工作人员往往对触电毫无戒备，在这种情况下，如果不能确保机房外壳接地的可靠性，那么将是危险的，同时，地线还可以防止噪音的干扰。
在一般情况下，计算机房的电源采取TN-C系统或TN-S系统（三相五线制），因而保安接地常有以下几种。
（1）用中性线兼作保护接零干线如图1所示。
（2）采用专用保护零干线接零
（3）将机壳单独接地
（4）将计算机房的电源中性线进行反复接地
（5）将保护零干线重复接地
在图1方案中一旦中性线断线，将因中性线位位移，或在某相计算机绝缘击穿瞬间，使另外二相的计算机承受电压造成压击穿烧毁，另外不平衡电流在中性线上的压降有可能造成过电气设备外壳产生麻电感；在图5（a）中，三相不衡不会引起外壳麻电感，但当中性线断电时，有可能引起严重的过电压，在图5（b）中，不仅性线断会引起某相产生严重过电压击穿；而且还可能使绝缘击穿后，设备外壳对地电压超过安全电压，引起触电死亡事故，相比之下，图5（c）方案较好，它有以下优点：
（1）当中性线断线时负载中性点位移引起的过电压较小，一般不会超过相电压的1.5倍。
（2）当绝缘击穿时，外壳对地电压将小于人体安全电压。
（3）有利于消除电视天线等电波的干扰。
虽然图3（c）较好地解决了电压波动及电波干扰等问题，但其中性线的压降仍可能引起麻电感。因此，若选择图3（d）方案，不仅具备了图3（c）方案的优点，还克服图3（a）中可能引起麻电的缺点。也就是说，上述五种方案保安接地方案中，图3（d）的方案最佳。但是上述五种方案都不能消除因中性点位移而引起的1~2相过电压的缺点。
五、比较理想的电源接线方式选择
为了使计算机正常工作，电源必须符合计算机的要求，即电压偏移不超过允许值，谐波不超过允许值，从技术上保证不发生触电死亡事故等。通过上面的分析可知，采用TN-C、TN-S系统都是不理想的方案。对于具有较多台计算机的用户的机房，应该采取IT系统配电，其接线方式如图6所示，它的优点是：
（1）机房采用专用电源线路供电，以减少其他用电设备的干扰。
（2）采用隔离变压器将计算机机房变为小接地电流系统，并将设备外壳保护接地区以保证任何时候接触电压不超过安全电压及抗外界电波的干扰。
飞轮:一种新的电源保护装置 篇4
在某些控制应用中,短时断电或电压过低会造成不便,但对于电脑控制的主进程,即使是时间极短的电源故障也会带来严重后果,并造成较大的损失。为了确保持续的电源供电,传统方法是将基于电池组的不间断电源(UPSs)与发电机组配合使用。UPSs虽为一种保护手段,但其铅蓄电池充电缓慢,需要持续维护,并且受温度影响大,还会造成巨大的环境花费。在严格的环境法规管辖之下,如何采取适当的处理也是一个问题。
电池制造商声称,在75F恒温下,且未过度充放的电池,使用寿命至少可达4年。对于那些历经频繁短时电源中断的设备来说,这便是一个问题。当电池在这种情况下使用,频繁的充放电将缩短它的寿命。另外,很多UPSs的电池组为串联,这意味着一个电池的损坏便能使整个电池组无法工作。
另一种方案——飞轮
如同一种机械电池,飞轮将动能储存在高速旋转组件中,并重新转换为电能以支持临界负载。飞轮系统为后备发电机提供重启时间,是一种节省空间、近零维护且并不昂贵的为设备提供持续电源的方法,能在执行关键任务时给予保障。美国能源部在2006年的联邦技术报告中称,“飞轮作为UPSs系统的后备电源,正稳步取代电池组或作为辅助使用。虽然飞轮的初装费比它所取代或辅助的电池组高昂,但它的寿命更长,维护更简单,也将缩减使用期间的开销。”
清洁的能源储备
飞轮技术将动能存贮在安静的转盘中,能提供可靠且可预测的DC电源。经过新的发展飞轮技术更加优化,并能支持更大功率的应用它利用机械方式而非化学方式完成能量存贮在可靠性增强的同时也实现了低碳,更体现出其为一种可靠且利于环保的电源保护方案。
为大功率、短期应用而设计的飞轮系统通过物体绕轴旋转将动能存贮起来,就如同一个动能电池,因而可取代铅蓄电池。首先,电流输入飞轮使转子加速转动,然后通过备用充电使其转速维持在24/7,直到被要求释放存贮的电能(见剖面立体图)。成熟的飞轮技术,能使飞轮轮毂——一个配备非接触式磁悬浮轴承的高速永磁电动机/发电机——在运转中支撑转子,使其100%悬浮。这种构造使得转子轮縠在转动时脱离所有金属接触,排除了轴承磨损无需轴承润滑油或润滑脂,也无需维护。因此在整个飞轮使用期间都无需更换轴承。
与传统电池组不同,飞轮在其20年使用周期中,即使进行无数次高速充放电也不会造成损耗。可获得的能量及供电时间与其质量及转速的平方成比例。在飞轮领域,质量加倍则能量容量加倍,但转速加倍则能量容量增为四倍:E=kMω2(k由转盘形状决定;M表示飞轮质量ω为角速度)。
与UPS系统配套使用时,当公用电源短时中断或电压过低时,飞轮能提供持续的DC重启电流及稳定电压,并在更长时间的断电中保持电池组的可用性。很多后备发电机需要6到10秒的起动时间,与UPS连接则需通过自动转换开关。某些飞轮单元能提供高达300KW的瞬时重启电流及稳定电压达20秒以上(或其他的功率与时间的组合),这个时间完全足够跨越大部分的电源中断。飞轮单元可以通过并联相加,来提供更多的能量容量、运行时间以及/或冗余。
应用选型
UPSs和飞轮的定型通常都以实际负载为基础。很多工程师对UPS的定型都比实际负载大30%～40%,以备扩展。UPS定型以后,飞轮则需根据UPS来定型。UPS的所有额定值都基于KVA和KW数值,功率应用中的额定值为kW额定值。kW数值确定以后,则被标示为满负载kW额定值。例如,UPS额定值为275kVA且功率因子(pf)额定值为0.9时,等同于UPS248kW能量。由于大部分负载根据UPS定型时负载因数接近80%,且效率为96%,这便等效于207kwb。因此,这个额定值便用于飞轮定型,以确保适当的功率额定值及运行时间需求。为了更便捷地定型飞轮,很多飞轮制造商还为用户提供运行时间表,将KVA与运行时间相对照(见运行时间规格表)。
如运行时间规格表所示,使用两个飞轮,模型1能达到26.6秒运行时间,模型2能达到28.6秒运行时间。两者都能满足最短运行时间超过20秒的要求。这便能满足多数设备的需求,并在更长的电源中断发生时,为转换到发电机组预留了充足的时间。
投资回报
如果将电池组与飞轮的寿命周期成本作比较,就可以清楚辨别哪种技术在其寿命周期中更能节约成本。这种“投资报酬(ROI)”方法被很多营销商应用在购买决策的开销调整中。很多工程师发现,在3到4年的时间内,飞轮的ROI成本节省优于电池组。不过,有一点很重要,即购买决策并不是非此即彼飞轮可以单独使用,也可与电池组配合使用。
肖红练译_与电池组配合使用时,飞轮作为防止电源故障的第一道防线,可以吸收所有短时放电。如此,飞轮便能减少放电次数及频率,延长电池寿命。当飞轮与UPS在无电池的情况下配合使用时,系统会为所接负载提供持续电源,等效于负载连接了电池组。但是,若电源故障持续过久,造成严重断电(不仅仅是瞬时断电),飞轮会将控制权移交给设备的发电机。
节能的投资回报率
国防工业供货商BAE Systems与Siemens和Metrus签订了协议,只需为项目综合能效改进中节省的能量买单。Siemens全权负责此项目的所有事务。
http://tinyurl.com/ylz5zhr
燃料电池管理促进包装技术
可口可乐公司将在其位于CA,Dinuba的Odwalla饮料包装工厂对以沼气为驱动的燃料电池进行测试,其核心技术——固体酸化物燃料电池——是为NASA而开发的,并声称能高效地将烃类燃料转化为电能。
http://tinyurl.com/ybpw8j3
能源之星表彰
为了表彰Cemex USA在能源管理及温室气体排放削减方面的成就,环境保护局给予其能源之星伙伴的称号。福特汽车公司也因其一贯的杰出表现,获得了连续第5次能源之星表彰。
电源保护 篇5
关于定期检查漏电保护器、电源线盘和电焊机的通知
各部门：
为了进一步加强公司用电安全管理，确保安全生产，现要求如下：
1、电工每季度对全公司漏电保护器进行一次隐患排查，确保完好、有效，填写《漏电保护器安全检查表》。
2、每月对电焊机进行一次绝缘检查，确保完好、有效，填写《电焊机绝缘检测表》。
3、任何单位使用的电源线盘需经过机务队电工班检测（每1年检测一次），确保完好，在线盘上张贴合格标签，使用无合格标签的电源线盘按违章处理。
特此通知，请严格执行！
安保办
电源保护 篇6
关键词：分布式电源，配电继电保护，影响
中图分类号：TM715 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）29-0087-02
1 概 述
当下，由于电力需求不断增大以及资源短缺所造成的双重矛盾，致使分布式电源在我国发展速度较快，其的出现不仅提高了配电网的稳定性，而且还能够在一定程度上减少电网损耗，并且相对于传统的大功率发电机组而言，其具有环境影响小、可再生等优势。但是各种分布式电源接入配电网后，会给配电网的运行带来新的特征，系统的潮流方向也会发生相应的改变，从而制约着电网的正常运行，对原有的继电保护装置产生了不良的影响。因此，对含有分布式电源的配电网继电保护方案进行改进迫在眉睫。
2 分布式电源的概念
分布式电源（Distributed Generation）简称DG，是指功率为数千瓦到数十兆瓦之间的，不直接和输电系统相连的独立电源系统。目前的分布式电源主要由风力发电、光伏发电、生物发电、燃料电池和燃气轮机组成。分布式电源普遍具有减小线路损耗、缓解输配电容量、改善电能质量、提高电力系统稳定性的重要作用。
3 分布式电源的接入对继电保护的影响
配电网是接入用户端的最末环节，以往的配电网主要涉及放射性、单电源等结构，相对而言，其结构简单，便于维护。而分布式能源的接入，改变了其原先的结构，潮流方向也会发生变化，给传统继电保护配置带来了许多新的可能和问题。
3.1 分布式电源接入前的配电网继电保护配置
传统配电网大多是单电源辐射型供电网络，采用了一些原理简单的保护，也不需要继电保护配置，具备方向性，例如：过电流和过电压保护、距离保护。其中，阶段式电流保护最为常用。
当线路因故障导致跳闸后，配置三相一次重合闸，不分相跳闸。在故障后，确保及时重合，恢复供电。
3.2 分布式电源接入对配电网继电保护配置的影响
如分布式电源接入之后，配电网就会形成多源供电的现象。如果母线的末端出现了问题，则会极易引起分布式电源和主电源出现故障。基于此，可将其表达式设为：
If=Is+Ig
其中，If表示已故障的电流；
Is用于表示主电源短路的电流；
Ig则是分布式电源短路电流。
由于分布式电源的存在，极易导致If增大，出于保护配电网的因素，继电保护就会自动切断故障线路，以确保配电网的安全。如果If急剧增大，则可能超过装置所能够承受的极限，这将会引发其他装置在此情况下切断线路，进而导致其他故障范围增大。
此外，在母线中间的保护装置出现了故障的情况下，虽然Is和Ig可能不会有非常明显的变化，但是由于分布式电源电压远小于主电源，若为故障点提供电压的时间较长，会导致线路电压大大降低，从而引起配电网面临着局部的崩溃。
因此，分布式电源接入以后，对电源保护的负面影响则会十分明显，如果处置不当极易造成故障停电的面积不断扩大或出现局部大面积电网崩溃等不利后果。
3.3 分布式电源对重合闸装置的影响
为了预防电路瞬时性的故障，一般会在配电网内安装重合闸装置，这种装置可以在电网发生故障时迅速起到重合的作用，用以确保电网在短时间内能够恢复至正常运行的状态。而在接入分布式电源后，多电源网络使重合闸的难度变大，可能会导致重合不成功。
3.3.1 故障点拉弧
接入分布式电源后，如果线路出现了故障，保护动作只能够将故障点与系统主电源隔离，而分布式电源依然能够通过线路提供故障电流，则会生成持续电弧，甚至损害保护装置绝缘层，扩大故障，将应该能够短暂恢复的故障转化成为永久性的故障。
3.3.2 非同期合闸
当出现馈线同时，在两端为主电源与分布式电源双端供电时出现了故障的情况下，为了彻底解决故障，则需要两端的短路保护器在瞬间同时发生作用，才能够达到彻底切断电源的目的。所以，想要通过重合闸及时恢复供电，就必须处理好检同期的问题。此时如果馈线的功角摆开较大，则会产生大电流冲击现象，这不仅会在一瞬间内破坏配电网及其部件，甚至可能引发火灾等安全事故的发生。
3.3.3 破坏重合闸与保护器之间的配合
分布式电源的接入，会影响重合闸与继电保护装置的配合关系。在出现故障时，因为分布式电源增大了短路电流，则会使重合闸位置的电力有所降低，从而导致瞬间内的熔断丝抢先一步发生作用，进而破坏重合闸与保护器的正常配合。
4 减少分布式电源对配电继电保护影响的措施
综合前文对分布式电源接入配电网的影响，可以通过以下几种措施进行改进：
4.1 加装方向性元件
加入分布式电源后会影响故障点电流方向、大小和分布，导致继电保护失去选择性，可以通过在分布式电源上游两侧加装方向性元件，在保护的对侧加装断路器解决该问题。这样，当某一线路两端注入功率方向为一正一负时，就可以判定是否为本区域内的故障。
对于分布式电源的下游线路，则可以将分布式电源作为辅助电源，在保留原有的阶段式电流保护基础上进行重新整定，使得分布式电源供电与主电源供电保持一致，这能够有效避免其它保护器的误启动。
4.2 加装故障限流器
随着电力电子科学技术的发展，如今的故障限流器已经可以达到在系统正常运行时表现为无电抗的程度。
即，当线路发生故障时，成为阻抗器进行限流，减少短路电流的作用。这可以有效防止分布式电流接入配电网时增大短路电流，引起误启动或者造成局部大面积故障停电的现象。
4.3 加装低周低压解列装置
正常时，分布式电源与配电网并列运行，但当主电源因故障停电时，分布式电源则将承担全部负荷。所以，如果分布式电源总容量小于负荷的总容量达到一定程度，分布式电源将不能保持额定转速。这就是说，分布式电源侧的周波将可能降低。严重时，甚至会使分布式电源趋于停转的状态，即系统周波崩溃。
此时应用低周减载装置，可按预定方案切除相应的负荷，使系统内的发、用电处于基本平衡的状态。在分布式电源侧加装低周低压解列装置可以降低非同期合闸和故障点拉弧给系统带来的不利影响。此外，还可以通过适当延长重合闸动作发生的时间，使分布式电源在合闸前就能够断开与故障点的联系。当线路重合时，系统侧能够起到检线路无压的作用，使得分布式电源侧检同期合闸成功。
4.4 系统分区
当电网中有大量分布式电源接入时，可以进行系统分区，通过断路器连接各个区域，将在线感应故障、识别故障类型和故障区域以及向相应的断路器发出跳闸信号的功能通过配电站处的继电器来完成。
为保证非故障区域的正常运行，由断路器来隔离故障区以及切出故障区的分散式电源系统。主继电器则实现瞬时故障的重合闸。
4.5 建设含分布式电源配电自动化系统
加快含分布式电源配电自动化系统的建设进程，革新保护方案，通过配电自动化系统实时监控配网运行状态，可以及时加以调整和优化，在其出现故障时，迅速地找到故障点，并快速进行隔离操作，从而能够及时的恢复供电，达到减小故障损失的目的，并且还能通过合理的控制电压水平和无功负荷，维护电网安全、高效、稳定运行，提高电能质量。
5 结 语
随着如今对电力需求与日俱增的影响，以及国家对分布式电源发展的支持，构建含分布式电源的配电网已是必不可免的趋势。虽然分布式电源优势相对而言较大，发展前景也更为广阔，但其对配电网继电保护的不利影响也将越来越突出，因此行之有效的应对措施则成为了当务之急。电力科研人员应该加快在此方面的研究，减小分布式电源对配电网继电保护的损害，以助力于分布式电源的发展。
参考文献：
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[2] 冯希科，邰能灵，宋凯，等.DG容量对配电网电流保护的影响及对策研 究[J].电力系统保护与控制，2010，（38）.
[3] 鲍薇，胡学浩.分布式电源并网标准[J].电网技术，2012，（12）
[4] 余胜，李晓辉.含分布式电源的配网自适应保护方案[J].电力系统保护 与控制，2012，（40）
中频电源柜漏水检测与保护 篇7
中频加热设备在锻压铸造等行业得到了广泛的应用, 中频电源功率也越来越大。对于大功率中频电源运行中产生的热量, 一般都是采用水冷方式进行强制冷却。冷却介质通常有软化水、自来水。软化水不结垢、不堵塞管路, 但是价格昂贵, 所以目前大部分中频设备都是采用循环自来水进行设备强制冷却。不管采用哪种冷却介质, 都可能出现管路漏水。
二、漏水原因及危害
以中国南车资阳机车有限公司锻压分公司的中频加热设备KGPS-1250/0.4为例, 中频电源柜的水路冷却系统管路采用塑料软管, 喉箍固定。原使用的是自来水, 现使用软化水。采用自来水作为冷却介质, 随着使用时间的增加, 管内很容易结垢、堵塞, 使水流量变小, 设备在这种情况下工作, 特别是大电流时, 发热元件产生的热量不能及时带走, 积聚的热量很快就会超过元器件的额定工作温度将其烧坏。而且塑料软管由于不能承受高温, 连接在发热元件端的冷却管子就会首先受热膨胀破裂, 从而漏水。采用软化水作为冷却介质, 也会由于设备长时间的使用、工作现场的振动、维护保养不及时等导致固定喉箍松动, 如果未及时进行紧固会导致漏水发生。如果没有及时发现漏水, 水喷溅到柜内的电子、电器元件、接线端子上面, 会引起线路、元器件短路、电气绝缘降低等。而且该中频加热设备安装时中频电源柜安装在室内, 而操作者是在室外操作, 操作者不能及时发现室内电源柜漏水, 在实际使用中多次出现漏水, 烧坏元器件, 导致设备非正常停机, 影响了生产。
三、漏水检测电路设计
根据中频供电示意图1, 为防止设备在漏水情况下的继续危险工作, 必须断开低压开关柜。漏水检测电路的灵敏、可靠关系到漏水保护的及时、可靠。
漏水检测与保护电路电源采用独立电源, 以便漏水故障发生时能声、光报警, 警示操作者。
1. 漏液检测器、传感带选择及连接
选择Omron公司的漏液检测器、传感带。漏液检测器型号K7L-AT50, 它可以平行接多根传感带, 对多个地方漏水进行检测。传感带型号F03-16SFC, 带目测识别。
由于该中频电源柜由三个柜子组装而成, 为了保证漏水检测功能及时, 保护可靠, 根据设备安装现场, 在地坑内平行放置三根传感带, 覆盖三个柜子所在的直线距离。漏液检测器、传感带连接示意见图2。
2. 漏水检测电路 (图3)
功能:漏水检测, NPN型输出。当漏水发生时, 根据设置漏液检测器输出ON, KA10吸合。
四、漏水保护电路设计
根据检测到的漏水信号KA10, 接通KA1, 自动启动保护功能, 同时声光报警 (HL1, DL1) , 保护电路 (图4~图7) 自动完成了“中频停止加热—延时1s—交流分闸—延时1s—低压开关柜断开”的顺序关断程序, 目的是为了防止直接低压开关柜断开产生的瞬间过电压可能引起晶闸管损坏。
保护电路中设置了“漏水保护功能启动、禁止”选择旋钮SA1, 增加了设备使用的灵活性。在漏水故障解除后, 由于传感带被打湿还未来得及恢复, KA10继续吸合, 在有人随时监视且能保证设备继续安全使用的情况下, 则可以将SA1置为OFF状态, 保护功能禁止, 不影响生产。在传感带恢复初始状态的情况下再将SA1置为ON状态, 保护功能启动。在设备漏水严重的情况下则需停机处理, 禁止再次启动设备。如果漏水故障未解除, 保护功能在未屏蔽的情况下中间继电器KA10始终吸合, 从而漏水保护始终起作用, 此时无法再次开启设备。如果漏水故障解除, KA10失电, 则KA1、KA2、KA3、KT1、KT2均失电, 漏水故障自动解除复位, 从而允许下次中频设备的启动。
1. 漏水保护及声、光报警电路 (图4)
漏液检测器检测到漏水信号后, KA10吸合, 接通KA1, 保护电路启动, 同时声光报警 (HL1、DL1) 。如果漏水故障长时间未得到解除, SA2、SA3可以选择是否关断声、光报警。
2. 与中频停止控制电路电气连接 (图5)
当检测到电源柜漏水时, 首先中频停止加热, 中频无输出。
3. 与交流分闸电路的电气连接示意图 (图6)
当检测到电源柜漏水且中频停止加热后, 由于KA1吸合, 从而KT1时间继电器得电, 延时1s后KA2吸合使交流分闸。
4. 与低压开关柜的万能断路器分闸电路的电气连接 (图7)
当交流分闸后由于KA2吸合, 从而KT2时间继电器得电, 延时1s后KA3吸合, 使低压开关柜断开。由于为双整流供电, 由两个低压开关柜控制, 所以使用两对KA3常开触点, 分别并联至每个低压开关柜的万能断路器的分闸电路。
通过对水冷系统漏水的检测与保护设计, 大大增强该类设备运行的安全、可靠性, 实践证明上述方法行之有效。
含分布式电源的配网保护 篇8
1 DG对配网保护的影响
DG发展初期只有并网运行一种运行方式, 即当电网发生故障时, 所有分布式电源立即退出运行, 不得独立供电, 但是这不利于高效经济的利用DG, 随着配网和DG的不断发展, 系统要求在故障情况下, DG能够独立运行, 即DG具有两种运行方式:并网运行和孤岛运行, 当DG孤岛运行时会产生很多问题。
我国传统的配网保护主要是三段式电流保护, 通过不同的整定值和动作时间的配合, 实现配网的保护。但是, 传统的配网结构是单电源辐射网, DG以电源的形式接入配网, 就改变了配网的原始结构, 变成了多电源网络, 这对传统的电流保护造成了严重影响, 通过以下简单的例子说明DG对配网保护的影响。图1为简单的含DG的配网图, 以此图为例说明DG对配网保护的影响。
1.1 当f1发生故障时
当f1发生故障时, 流过故障点的短路电流包括两部分:电网S提供的短路电流和DG提供的短路电流, 由于DG的助增作用, 保护R2测到的短路电流同不含DG时相比会变大, 从而增加保护R2的灵敏度, 这样当母线D出口处发生短路时可能会导致保护R2的误动作。对于保护R3、R4, 由于DG的分流作用, 保护R3、R4测得的短路电流将比不含DG时的小, 减小保护R3二段和三段保护的灵敏度, 严重时可能起不到R2的后备保护作用。
1.2 当f3发生故障时
当f3点发生故障时, DG会向故障点注入短路电流, 对保护R3产生一个反向电流, 由于配网的电流保护没有装设方向元件, 所以可能导致R3的误动作。
1.3 当f4发生故障时
如果馈线AD上含有一个或多个DG, 当f4发生故障时, 由于DG的助增会增大保护R5测到的故障电流, 增大保护R5的灵敏度, 可能会引起保护R5的误动作。同时R4将会流过由DG提供的反向故障电流, 这样将有可能引起保护R4的误动作。
1.4 自动重合闸不成功
DG的接入还会对配电网的自动重合闸造成影响, 当发生故障时, 如果只有电网测得保护跳开而DG不退出运行, DG将会继续对故障点提供短路电流, 将导致自动重合闸不成功。
1.5 DG容量对保护的影响
除了DG接入配网位置的不同会对保护产生影响, 在不改变DG接入位置的情况下, 分布式电源的容量会对配网保护产生影响, 随着DG容量的改变, 发生短路故障时, DG提供的短路电流随着改变。与不接DG相比, 在同一点发生故障, DG下游流过保护的短路电流增大, 如果不改变保护定值, 这将增大下游保护的保护范围;而随着容量的增加, DG的助增能力也越大, 伸入到下一段保护的范围越大, 将不能满足继电保护的选择性。
2 含DG的配电网保护方案
小容量分布式电源提供的短路电流小, 对原有的电流保护影响不大, 但是大容量的DG就会影响保护的灵敏性和选择性, 传统的简单的电流保护将不再适用, 需要研究新的配网保护方案。目前已提出的保护方案主要分为两种:一是改进的电流保护;二是采用输电网中距离保护、纵联保护等保护。国内外在新型配网保护方案的研究已有一定成果, 但是都有其局限性。
2.1 改进的电流保护
由于分布式电源的接入改变了配网结构, 使原来的单电源辐射网变成了多电源网络, 因此, 为了防止DG上游线路保护由于反向电流而误动, 需要在线路两侧均装设具有方向元件的三段式电流保护, 以保证动作的选择性;为了防止DG下游线路保护的误动, 各线路的电流保护需要根据DG注入容量的不同而重新整定。改进的电路保护只是在原有的配网保护的基础上加以修改, 实现配网的保护, 但是具有一定的局限性, 例如三段式电路保护的整定方法很复杂。
2.2 距离保护和纵联保护
相对于电流保护而言, 输电网成熟的距离和纵联保护的性能更加完善, 且受系统的运行方式影响较小, 此外, 保护采用方向元件, 能够保护线路的全长, 低电压等级的含DG的配网采用距离、纵联保护可以防止DG上游保护的误动。但是此种方法也有其局限性, 对于像风力和太阳能发电这类具有间歇性的电源, 它们的出力受自然环境的影响很大, 会随着自然条件的变化随机波动, 在发生故障时有可能会产生很小的短路电流使保护拒动。尽管距离和纵联保护具有方向性且不受运行方式的影响, 但是在接入分布式电源后, 并不能对所有短路故障做出正确反应, 严重时容易引起保护拒动。同时, 短路点过渡电阻还会对距离保护产生较大影响。除了改进电流保护、距离保护和纵联保护之外, 国内外学者也已经研究出一些其他的保护方案, 例如:自适应电流保护、广域保护和多agent保护方案等。
3 结论
本文主要介绍了分布式电源对配网保护的影响, 分析总结了DG接入位置的不同对保护的影响:当DG下游发生故障时, 由于DG的助增作用会增大下游保护的灵敏度, 当相邻线路出口处发生故障时会导致下游保护的误动作, 由于DG的分流作用会减小上游保护的灵敏度, 可能无法实现下游保护的后备保护;当DG上游发生故障时, 可能会有反向电流流过上游保护使其勿动;由于DG的持续供电可能会导致重合闸失败。此外, DG容量也会影响配网保护。
传统的配网电流保护已不再适用, 研究新型保护方案已成为现如今重要的问题, 以纵联保护为主保护, 距离、电流保护等为后备保护的新型保护将成为未来重要的研究方向。
摘要：随着经济的发展, 分布式电源在配电网的渗透率越来越高, 成为一种重要的发电方式。但是分布式电源的接入, 导致配网拓扑结构的变化, 带来了很多方面的问题。本文重点介绍分布式发电对配网保护的影响, 以及含分布式电源的配网保护的配置。
微机保护开关电源实时在线监测研究 篇9
自1998年开始,微机保护开始在苏南地区推广使用,随着技术的发展,微机保护的各项功能都得到了加强和完善,到目前为止几乎完全取代了传统的电磁型保护。虽然微机保护相对于电磁型保护来说优点很多,但是其使用寿命仅有12年左右,比电磁型保护短很多[1],而微机保护开关电源模件的寿命更短,且各主流厂家生产或提供的开关电源寿命差异较大,部分厂家的开关电源可使用12年以上,而有些厂家的开关电源仅仅能使用6年左右。从现场运行和检修的经验来看,在继电保护的各类缺陷中,电源模件损坏占比较大,无锡地区2012年统计的继电保护缺陷数据显示,2012年保护装置的各类缺陷中,开关电源故障占比为34.46%,已成为影响继电保护装置正常运行的主要缺陷之一。
继电保护用开关电源是继电保护装置中的主要功能模块,它负责将站用220 V直流转换成供微机保护CPU使用的5 V和继电器使用的24 V直流[1]。而继电保护开关电源的好坏直接影响到保护装置动作的可靠性,当电源模件损坏时,微机保护所有功能都将缺失,这给电网的安全带来很大的隐患。
本研究将探讨如何在微机保护运行时,实时监测开关电源的运行状态,当开关电源性能下降时,及时提供报警信息,提醒检修人员及时更换。同时,监测的结果可完整地保存下来,为今后的开关电源设计提供可靠的设计依据。
1开关电源故障分析
1.1开关电源故障率状态分析
实践证明开关电源的故障率是时间的函数,遵循浴盆曲线(Bathtub curve,失效率曲线)的规律[2],失效率曲线如图1所示。
曲线的形状呈两头高,中间低,具有明显的阶段性,可划分为3个阶段:早期失效期,偶然失效期,耗损失效期。浴盆曲线是指产品从投入到报废为止的整个寿命周期内,其可靠性的变化呈现一定的规律, 如果取产品的失效率作为产品的可靠性特征值,则它是以使用时间为横坐标、以失效率为纵坐标的一条曲线。
早期失效期:是由于在设计、结构、制造工艺中存在缺陷或由于严重的使用不当而造成产品失效的阶段。由于微机保护出厂时已经完成拷机测试,现场运行时该阶段失效的概率很低。
偶然失效期:这是一个随机的失效阶段,这种失效与工作环境有关,与工作时间关系不大。这一时期是产品的良好使用阶段,偶然失效主要是由质量缺陷、材料弱点、环境和使用不当等因素引起。该阶段的失效概率很低。
耗损失效期:该阶段,元件的性能急剧恶化,失效率随时间而上升。主要由磨损、疲劳、老化和耗损等原因造成。微机保护开关电源在该阶段损坏的概率上升很快,需要及时更换。
要研究开关电源是否进入耗损失效期以及进入耗损失效期的条件,就需要从开关电源的组成和结构开始研究。
1.2开关电源结构分析
开关电源是开关稳压电源的简称,它采用脉宽调制(PWM)驱动功率半导体器件作为开关元件,通过周期性通断开关、控制开关元件的占空比来调整输出电压[3]。其工作频率一般在20 kHz~500 kHz范围之内(典型开关频率为150 kHz),效率可达65%~85%。开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOS- FET构成。
继电保护开关电源一般为DC/DC开关电源,由于微机保护装置的运行功率较低,一般使用小功率反激式DC/DC转换电源。反激式开关电源即:开关稳压器将一输入电压变换成一较低的稳定反相输出电压。 其原理图如图2所示[4]。
其中,变压器T1起隔离、传递、储存能量的作用,即在开关管Q导通时Np储存能量,开关管Q关断时Np向Ns释放能量。在输出端加有电感器L0和电容C0组成的低通滤波器,变压器初级Cr、Rr和VDr,组成的RCD漏感尖峰吸收电路[4]。其优点是电路结构简单,适用于200 W以下的小功率电源,且多路输出交调特性相对较好。
1.3开关电源元器件分析
开关电源由多种元器件构成,其中易老化的关键元器件主要为电解电容、光耦和粉芯磁件。
(1)电解电容。电解电容中的电解液易挥发,长期运行后存在电容值降低、等效串联电阻上升等老化现象,从而影响电源产品的性能,最终导致整个产品失效[5]。
(2)光耦。光耦一般应用在控制回路中作为线性隔离器件。老化时电流传输比降低,导致电源环路增益下降、环路不稳等,使得产品失效。
(3)粉芯磁件。粉芯磁件由铁粉通过有机胶粘合压制而成,如果设计不当,使得有机粘合老化严重时, 会出现磁损巨增、磁芯饱和等问题,可能引起由电感导致的烧机的安全隐患。
一般而言在开关电源元器件中,电解电容为寿命最短的元器件,所以电解电容在电源产品的寿命中是关键性的一个环节。
通过对开关电源电解电容、输出纹波、电压的监测,能达到监测开关电源运行状态和性能的目的。
2开关电源实时在线监测算法研究
2.1开关电源理论寿命折算评估法
开关电源的寿命主要由电容的寿命决定,通过估算电容的寿命,可以大致了解电容的寿命。
电解电容的理论寿命公式[6]为:
式中:L —电容寿命时间,L0—电容理论寿命,T —电容实际使用温度,T0—电容标识温度。
L0、T0由生产厂商提供。
首先,引入电容的耗损量公式,电容的耗损量是时间和温度的函数:
式中:W(t) —电容的损耗量;t —时间变量;T(t) —温度变量,其中温度又是时间的函数。
根据电容理论寿命公式可以推导出电容耗损量公式:
式中:W(t) —电容的损耗量,t —时间变量,L0—电容理论寿命,T0—电容标识温度,T —电容实际使用温度。
考虑适当的裕度,当电容的耗损量达到85%时, 认为开关电源进入耗损失效期。
2.2输出纹波判别法
DC/DC开关电源输出为直流量,直流稳定量中多少带有一些交流成份,这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。
实际运行中的开关电源纹波如图3所示。
开关电源的输出纹波和输出滤波电容有很大的关系[7]。当输出滤波电路的电容量下降时,输出电压中的纹波含量将上升。
本研究对国内著名继电保护厂家国电南自的PSL641U保护装置电源模块进行纹波分析实验,数据显示:当电容正常工作时,纹波幅值小于10 mV。当电容损耗容值下降50%时,纹波扩大接近1倍。当电容彻底损坏,纹波的幅值已经大幅度增加达到100 mV以上。
上述实验表明,可以根据谐波增大的程度,判别开关电源是否进入耗损失效期。而且,随着电容量耗尽,开关电容的输出纹波明显增加。
在实际运行环境中,由于开关电源输出电压中的谐波比较复杂,如果采用输出谐波判别法对开关电源的状态进行评估,还需要结合开关电源的实际结构、 电源的实际应用环境等因素进行综合分析评估。
本研究通过实时地对开关电源的交流均方根值进行记录,构建纹波的变化趋势图,可以做到预测电源的失效时间。
2.3输出电压判别法
由图3可以看出,忽略纹波后,开关电源的输出也不会是一条水平直线,输出电压将会呈现周期性或随机性的漂移和摆动。
根据国网公司DL/T527-2002《静态继电保护装置逆变电源技术条件》规定,5 V、24 V的电压波动范围为[8]:
+5 V:4.75 V~5.25 V
+24 V:22.8 V~25.2 V
当开关电源输出电压超出上述范围持续一段时间时,即可判断开关电源性能异常。
3开关电源实时在线监测硬件
3.1温度采集电路设计
根据式(3)可知,需要监测开关电源运行中的温度,才能获得开关电源的耗损量。
通过在开关电源电路板的关键部位,预埋Pt100 RTD测温电阻,可以精确获得需要采集的温度。
铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温(-200 ℃~650 ℃)范围的温度测量中[9]。
通过应用三线制接法能准确地测量Pt100电阻值,其优点是将PT100的两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上,使得导线电阻得以消除。
3.2纹波采集电路设计
纹波采集电路和示波器电路设计类似,其典型的电路如图4所示。
输入的电压信号经耦合电路后送至前端放大器, 前端放大器将信号放大,以提高示波器的灵敏度和动态范围。放大器输出的信号由取样/保持电路进行取样,并由A/D转换器数字化,经过A/D转换后,信号变成了数字形式存入存储器中[10],微处理器对存储器中的数字化信号波形进行相应地处理,并显示出来。这就是数字存储示波器的工作过程。总体上说,采集开关电源纹波的处理方法几乎等同于示波器处理流程。
但是对纹波采集的要求又不同于示波器:开关电源的纹波频率一定,采集需要的截止频率有限,仅仅需要采集150 kHz频率的PWM信号纹波;无需还原纹波的上升沿、下降沿时间,只需知道纹波大小即可;频谱分析只需计算总的谐波含有率;电源故障的特征较长, 对刷新率要求不高,对处理器的运算速度要求低。
经选择,国电南自原有线路保护中使用的CPU, ST意法半导体Cortex-M4核心的STM32F4ZET6可以很好地满足需求,3个独立的12位ADC,采样率高达2.4 Msps,支持3个ADC交错采样,最高实现7.2 sps的采样率,可以很好地完成对开关电源纹波的采样;自带10/100 M以太网MAC,能可靠完成设备对外的通信任务,支持DSP指令,对浮点运算操作有更快的硬件运算部件支持。硬件总体设计图如图5所示。
4开关电源在线监测前景分析
CPU-STM32F4ZET6为高集成度单芯片设计,具有很高的性价比。通过在微机保护中增加一块诊断插件来完成在线实时监测任务,不影响保护装置其他功能的正常运行,总体硬件的成本可控,同时又能很好地满足技术参数要求,具有很好的市场竞争力。
未来该系统可逐步增加其他监测功能和监测点, 使整个监测回路更加完善,能促进继电保护装置的安全稳定运行。
5结束语
本研究根据微机型继电保护多年运行经验的总结,从开关电源是其性能的薄弱点出发,分析了开关电源的结构、特点,最后设计相应的软件和硬件,完成对开关电源运行状态的监视。该硬件已开始在变电站现场运行,且运行情况良好。
分布式电源接入的保护方案探讨 篇10
随着我国智能电网的迅速发展以及分布式电源的不断更新,分布式电源具有的高效、清洁、持续、低碳等特征使其在电网中得到了广泛的应用。分布式电源推动了电网系统的进一步发展和完善,对继电保护装置具有重要作用。
1 分布式电源简介
所谓分布式电源是指一种独立式的电源系统,其功率在50 000 k Wh以下,该系统的电压一般在35 k V以下,这种能源的种类多种多样,不仅包括风力发电、火力发电,还包括部分太阳能发电以及光化学发电系统等,几种主要的分布式电源如表1所示。
2 分布式电源接入对继电保护的影响
分布式电源的接入能够对继电装置起到保护作用,而且能够稳定电压系统。配电网的接入对用户用电质量以及电压稳定起着重要的作用,但是在通常情况下,由于受到电压不稳定等因素的影响,配电网往往不能有效地调节用户电压,而接入分布式电源则能够很好地调节用户端的电压稳定,能够对继电保护配置起到重要影响。
分布式电源对配电网的影响主要体现在网架结构、故障电流变化以及潮流流向方面,电源对每个主体的容量、位置决定了对其产生的影响大小。分布式电源的接入能够影响继电装置的灵敏度、重合闸以及选择方向。
图1所示为含有分布式电源的配电网系统图,其中,Es为系统主电源,Zs为Es的等效阻抗,L1为配电网的一条出线,ZL为L1的线路全长阻抗,DG为接入配电网的分布式电源,通过一个双圈接入L1线路,ZDG为其等效阻抗。
2.1 保护灵敏度改变
如图1所示,当故障发生在1的位置时,供给电源为Es,这个时候只有这一个电源,当接入分布式电源DG后,故障电流的提供不再单一,有两个电源处共同提供故障电流支持,通过两个电源的支持能够有效地降低保护F1位置的灵敏度,一旦发生严重事故,就能够有效地对1位置进行有效保护。
图1所示的流程只是一种分布式电源接入后所产生的影响,当分布式电源接入在保护前端时,一旦发生故障就会感受到电流的增大,灵敏度也会随之变大,与此同时也会影响各个阶段的执行度。
2.2 保护选择性改变
在传统的供电系统中,由于没有接入分布式电源,因此所保护的配置没有方向性可言,而一旦接入分布式电源,就会形成两个电源,如果出现故障就会导致保护失去方向,容易引起动作的错位。
当F3位置发生故障时,没有接入分布式电源之前是由ES提供电流的,当接入之后则由F3和Es两个部分共同提供故障电流,这个时候就容易使保护2的故障电流变大,进而导致保护2失去选择性,致使下属线路出现超范围故障切除。
2.3 重合闸不成功
在传统的供电系统中,由于只有一个电源,因此一旦发生故障电源很容易切断,三相一次重合闸也能够有效重合,能够有效地保障系统的安全可靠性,但是接入分布式电源后,就会增大切断电源的难度,重合闸自动重合的成功率就会降低。
(1)DG孤岛运行。当在传统电源系统中接入分布式电源后,一旦电力发生故障,故障点就会与主电源自动切断,而分布式电源由于具有独立性的电源供电能力,因此还能够提供供电,也就是所谓的DG孤岛供电,孤岛供电给重合闸重合带来了一定的难度。
(2)非同期合闸。分布式电源的接入产生了孤岛运行,也就是主电源切断后分布式电源依然可以提供电源供给,当分布式电源运行时就会和主电源之间产生一个相差角,这就会导致分布式电源和主电网无法同步运行,使得三相一次重合闸两侧系统难以同步,无法有效满足重合闸重合的条件最终导致重合闸无法重合。
(3)故障点拉弧。从以上分析可以看出,当故障发生时,保护装置会将故障点与主电源有效地分离,而分布式电源则无法有效隔离,这就导致分布式电源一段形成弧形供电,如果长时间不断的话很容易将电力故障进一步扩大,短暂性的故障也有可能形成长久故障。
3 分布式电源接入对继电保护配置影响的对策
针对上文分析的分布式电源接入对继电保护的影响,可从以下几个方面采取对策:
3.1 加装方向元件
针对分布式电源接入后,可能出现了多电源供电导致继电保护失去选择性,对继电保护加装方向元件,来确保继电保护的正确动作。
3.2 做好含分布式电源的保护方案设计
(1)单一的DG设计。进行单一的DG设置其目的主要是有效地规避分布式电源产生的不利影响,主要措施是通过对电源容量以及安装位置的改变来实现进一步优化,进行这种优化也是我国目前电力系统安装研究的主要方向,而在配电网协调设计方面研究的还尚浅。
可以通过对微增率的计算进行排序,对分布式电源进行最佳位置的确定,综合考虑环境效益、电压改善程度以及网损对分布式电源进行定容。
另外,在研究过程中还可以根据分布式电源潮流模型来分析其对整个电压的影响状况,然后根据其现状以及影响力度对其进行适当改善,进而减少事故发生的概率,提高电压供电质量。
(2)DG与配电网网架协调设计。将网架结构和分布式电源有效结合是一种全面的方案,能够进一步优化电网结构和电网质量,从当前的设计方法来看,分布式电源具有约束性、动态性、非线性等特征,通过对两方面的结合可以设计3种较为有效的模型,分别是:数学化计算法、启发式计算法、智能化计算法。
4 结语
通过本文研究可以发现,分布式电源对用户用电以及电网系统具有优化作用,能够充分实现当地电力资源的利用,能够为用户提供更加便利、洁净、可靠的电力供应,但由于分布式电源独立供电的特征,也使得分布式电源在接入电网系统后对电网系统产生一些不利的影响,因此如何通过接入分布式电源充分利用其优势,有效地避免分布式电源对电网结构的不利影响是需要进一步深入研究的问题,只有充分发挥优势、规避不足,才能真正地实现电网系统的优化,才能真正将分布式电源的优点发挥殆尽。舍弃其缺点,构建高效、高电能质量水平的配电网,是值得深入研究的问题。
参考文献
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