站用交流负荷简易不平衡电流保护装置的研制

站用交流负荷简易不平衡电流保护装置的研制

谢楷成1

（1. 广东电网公司 惠州供电局，广东 惠州 516000）

摘要：本文针对110kV变电站站用交流电源系统中三相负荷不平衡的问题，设计了一种新型的站用交流负荷不平衡电流保护装置。该装置通过实时监测不平衡电流，当电流超过设定值时，能够可靠动作并跳开对应支路的馈线开关，避免越级跳闸造成的严重后果。同时，该装置还可提供数据支持，便于运维人员分析和处理。本文对装置的技术原理、方案设计、材料选型、调试及特点等方面进行了详细阐述，并展望了该装置在保障变电站安全可靠运行方面的应用前景。

关键词：站用交流电源系统、交流负荷、不平衡电流

1、项目背景

变电站站用交流电源系统是保障变电站安全可靠运行必不可少的一个环节，其主要负荷有主变冷却系统、消防水泵、直流电源系统及隔离开关操作系统等[1]。站用交流系统采用三相四线制的接线方式，其存在较多的单相负荷，且交流负荷随机性强，因此三相负荷不平衡在运行中是不可避免的[2]。当三相负荷不平衡时将产生不平衡电流，该电流流经中性线并以零序电流的形式存在。不平衡电流将造成站用变电能损耗增加、中性点电压偏移、影响用电设备的安全运行及电动机效率降低等危害[3]。

当前，某供电局变电管理一所仍有11个采用站用变兼接地变形式的110kV变电站，其接地变容量仅为100kVA，低压零序过流保护定值为47.52A。当大功率的单相电动机负荷起动时，其起动电流叠加其它随机性强的单相交流负荷电流极易使接地变低压零序过流保护误动，导致接地变变低开关越级跳闸。

目前，交流屏中尚无直接针对不平衡电流的保护[4]，尽管部分新投运交流屏的进线开关及主馈开关的接地保护可保护三相负荷严重不平衡时的交流系统，但其定值往往过大，无法与接地变低压零序过流保护有效配合。

2、技术原理

据此，本文计划研制一套站用交流负荷简易不平衡电流保护装置，当任一交流负荷达到装置内设定的不平衡电流整定值时，该简易保护装置可动作跳开对应支路的馈线开关，将故障范围限制在该馈线开关后，避免了越级跳闸所造成的严重后果，保证交流系统的可靠运行。

2.1技术路线及方案

将从馈线开关引出的三条相线或N线穿过零序电流互感器，采集主回路中的不平衡电流，并传送电流值给保护装置，装置读取该值后，实时显示并进行存储。

并将不平衡电流先与报警电流进行比较，若小于报警电流，则正常工作。若大于报警电流，则发出报警声。此时，若电流仍大于整定的不平衡动作电流，且持续时间超过动作时间，装置的的脱扣驱动回路将导通驱动断路器的分励脱扣线圈，触发相应支路的馈线开关执行跳闸操作。

2.2装置的功能设计

图1初步设想

初步设计该装置及相关接线如图1所示，且其要求该装置能实现下列功能：

1)接收电流互感器的信号并实时显示于lcd屏，能存储并读取；

2)单片机可设定告警电流、故障电流：当电流值大于高于告警电流，记录电流值，黄色告警灯常亮，蜂鸣器告警（间断鸣）。当电流值大于故障电流时，通过中间继电器开出AC220V、8A的信号，用于驱动脱扣线圈，并记录此时故障电流值，红色告警灯常亮，蜂鸣器告警（长鸣）；

3)键盘能对应实现复归、确认、上下翻动、返回功能；

4)具有一个可拷贝单片机存储的数据的USB口；

5)三个装置指示灯用于表示装置的运行状态：绿色表装置正常运行，黄色表示装置处于告警状态、红色表示装置处于故障状态；

6)蜂鸣器：实现装置告警、动作时提示工作人员的功能；

对照上述装置的相关功能，设计显示界面如下：

图2装置显示界面设计

3、材料选型及调试

依据设计方案，选取核实的元器件，主要元器件有：外置的电流互感器、STM32主控芯片、中间继电器、电流检测芯片、显示屏，分别如图3所示

图3 装置的主要元器件

设计根据方案选取所需的电子元器件，并绘制原理图，生成PCB图并打样，焊接元器件，分别如图4至图7所示

图4装置电路原理图                      图5 PCB图

图6 3D PCB图               图7装置焊接完成图

依据装置功能设计代码，烧写进装置并进行功能调试，分别如图8、9所示

图8部分代码                     图9功能调试

4、装置的特点

交流负荷在三相不平衡度较大时，该保护装置能可靠动作并仅跳开对应支路的馈线开关，将故障范围限制在该馈线开关后。避免了越级跳闸所造成的严重后果，保证交流系统的可靠运行，填补了站用交流负荷不平衡电流保护的空白。

此外，该装置可实时显示主回路中的不平衡电流值，将存储的不平衡电流值通过USB口读取，为后续运维人员的分析及处理提供了有力的数据支撑。装置还具有便于检测，操作简单，安装维护简单，不影响站用交流电源系统的正常供电，以及不引入安全隐患等优点。

5、总结及展望

站用交流负荷简易不平衡电流保护装置可以推广应用于采用站用变兼接地变形式且容量仅为100kVA的110kV变电站，能将故障范围限制在安装了本项目成果的该馈线开关后，避免了越级跳闸所造成的严重后果，保证交流系统的可靠运行。该装置动作可靠，安装维护简单，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]苗梅.智能变电站站用电源系统的设计及应用[D].华北电力大学,2011.

[2]谢伟东.变电站站用电源系统关键技术研究[D].华南理工大学,2010.

[3]黄伟杰.一种基于分级跳闸的变电站站用交流系统的完善方案[J].中国高新科技,2020,(18):16-17.

[4]Q/CSG 1203002—2013，变电站站用交流电源系统技术规范[S] .