电网谐波环境下低压断路器运作影响量分析

曾谊 吴建生 欧阳海军 童伟 陆胜利

摘要：断路器使用广泛,一旦出现突发故障,会造成巨大损失,严重时甚至会危及生命。断路器的可靠性非常重要,更有针对性的断路器故障诊断技术研究也十分迫切。目前的研究多集中在高压断路器方面,而针对低压断路器故障诊断的研究相对较少。有数据表明,低压断路器故障主要来自机械故障,通过定期拆卸检查的方法无法满足现实的需求,将智能算法与故障诊断结合已成为研究的主流。针对低压断路器机械故障诊断主要分为3步:故障信号的采集;故障信号特征向量的提取;故障信号特征向量的识别。在故障情况下，断路器可以切断供电回路，防止设备由于过热出现损坏，或者人身伤害。所以，科学的选择断路器，使其该动作时就动作，不该动作时就不动作，可以有效保障用户财产和人身安全。否则，若断路器整定值选择错误，使得断路器误动作，该动作时不动作，有可能造成线路过热损坏，设备故障;重则造成人员伤亡和经济损失。在配电系统中，常见的负载有配电线路、电机和照明回路。工业供电中最常用的负载为配电线路和电机回路。在断路器整定值计算时，反时限和瞬时过电流脱扣器的整定值按照配电线路和照明线路分别计算。基于此，本篇文章对电网谐波环境下低压断路器运作影响量分析进行研究，以供参考。

关键词：电网谐波环境；低压断路器；运作影响量分析

引言

电力用户随着自身企业不断创新发展、工艺改造，以提高生产能力，其要求配套的电网规模越来越大且网络结构更加复杂，系统运行方式及短路容量也有了较大变化。而电网安全稳定性及继电保护定值适应系统变化的能力是有限的，需要随着电网运行情况及电网短路容量的变化进行调整。为消除电力用户企业电网的安全隐患，保障企业安全生产运行，电力用户企业应结合企业电网变化情况进行安全评估及继电保护定值复核。电网安全评估及继电保护定值复核工作，可运用专业电力分析计算软件完成，可建立全厂电网仿真模型，从整体性的全系统角度计算电网的短路电流和潮流分布，仿真计算各种电气故障事件对电网的影响，找到电网的薄弱环节。通过全面的分析计算，得出电网安全性、可靠性等具体技术指标，进而指导企业制定电力系统的设计、规划和改造方向，提高电能利用率和电网稳定性，实现电网的资源优化。同时，结合计算机软件的分析计算结果，对全厂所有设备元件进行保护配置分析，对全厂电气设备的继电保护定值进行系统性的复核，并用计算机软件反向配合校验，为电网提供一套完善的继电保护配置方案，使电网供电满足“选择性、快速性、可靠性、灵敏性”的要求，确保电力设安全可靠运行。

1目标任务

1)经分析对可能影响电网安全、稳定、可靠运行的因素，制定解决方案和风险防范措施，减少系统电网隐患，提高电能质量和系统稳定性。(2)发现和消除系统潜在的安全隐患，分析系统的运行工况，校验电气设备的选择，校核线路和设备的保护，确定供电系统的可靠性指标，校验接地设计的合理性等，确保电网的供电安全。(3)通过从上至下的全系统角度分析计算系统潮流短路情况、系统有功无功分布情况、功率因数偏差情况、变压器负载率情况，进行电量平衡分析、电网能效评估分析，益于企业制定合理的节能技改方案，提高效益。(4)掌握电网结构设定策略及电网一次侧设计、规划、运行原则。(5)形成企业内部电气操作运行标准。(6)进行继电保护配置优化、定值校核。

2模拟信号仿真实验

采用模拟信号进行低压断路器误操作实验测试，将实验结果与现有分析方法的实验结果作比较。实验中，在电力系统模型中设定电流额定值为220V，同时采用模拟信号对不同的分析方法进行实验研究。假设低压断路器中采集的某段信号的表达式如下:I(s)=220 cos(100π*s)(12)式中，s表示周期时间，电流信号为220V的正弦交流电流，周期为0．02s，选取其中某一段电流数据用于后续的误操作实验中。其电流数据的波形图如下图所示。基于上述实验条件，分别在不同的谐波含量下，使用不同的分析方法分析低压断路器运作响量，观察在低压断路器工作时间内，电流信号变

化情况。当电流信号走势静止时，说明低压断路器出现误操作，实验结果如下图所示。图中显示的是当电流达到低压断电器设定的电流值时，低压断电器执行瞬时电流保护前后阶段的电流信号变化。图(a)中显示当触及到设定的电流值，出现了持续的静止，这说明存在误操作;图(b)中显示在未触及到设定的电流值前，已经存在静止状态，且在后续中检测到的电流信号多次静止，说明存在多次误操作;图(c)中显示，当调整电流值达到低压电流器设定的电流值时，在ω=60 和ω=90 两种不同的谐波环境下的电流信号变化曲线，当触及到设定的电流值时，存在短暂的静止，之后又出现正常的电流信号波动变化，这说明所提方法在正常工作后，通过自适应进一步判断电流变化，该方法有效避免分析过程中出现的误操作。在上述实验结果基础上，计算电流值达到预设值后低压断路器的动作时间，并与预测的动作时间相比，低压断路器动作时间与预测动作时间越接近，说明该方法精度越好。计算结果如下表所示:从表中结果可以看出，现有分析方法中低压断路器的实际动作时间与预测动作时间存在误

差，其相对误差超过5%，而所提的分析方法与预测动作时间较为接近。结合上述电流变化实验结果可知，设计的电网谐波环境下实现低电压断路器运作影响量的分析方法能够更详细地掌握断路器的电流变化，且断路器动作时间相对误差较低，说明该分析方法的分析精度更高。

3分析

断路器正常工作时，主回路长时间通以额定电流会产生大量焦耳热，热量一部分散失在周围介质中，另一部分使断路器各部件温度升高。过高的温升会破坏断路器的绝缘性，或使其工作寿命严重降低，或使其内部结构机械性能降低，产生安全风险。采用数值方法对断路器温度场进行仿真分析有助于避免设计缺陷，指导优化断路器内部结构，还有助于节约成本，缩短设计周期。为了简化处理，工程上一般采用牛顿热公式估算电器的发热，但误差较大。①两种计算方法的总有效值虽有差异，但差异不大，两种算法各有优点。均方根值算法简单，速度高;FFT算法复杂，但能真实阐述系统的谐波情况，可以更准确地分析小负载电气特性;②FFT计算总有效值又称为全波有效值，理论上和均方根值算法有效值相等，但两者算法不同，实际上会存在绝对误差，同时典型小负载电流具有谐波原因，导致误差变大，误差与谐波大小成正线性关系;③大量小负载使用功率小，带有小型电机更容易产生谐波，尤其是空调与小型台钻;④谐波的产生，降低了用户的电能质量，且给测量计算造成影响;⑤均方根有效值的计算可以考虑全谐波影响，但无法满足用户对电能质量指标要素的直观观察和上报统计;⑥智能小型断路器应增加内存和快速FFT计算分析功能，以满足用户对电能质量的精准化分析和管理要求，而不能只考虑数据的基本检测保护功能。智能小型断路器的保护功能设定应能避开强谐波的干扰。

结束语

基于低压断路器运行影响分析，提出了动作保护时间,通过对比仿真与实验结果，验证了仿真分析的正确性。

参考文献

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作者简介：曾谊，男，1979.6，湖北，大专，巨邦集团有限公司，低压技术部经理，工程师，主要从事塑壳断路器研发工作。