專利名稱：三相四線制零線故障及缺相智能保護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相四線制零線故障及缺相智能保護裝置，本裝置能自動檢測出零線是否發(fā)生故障并針對不同的故障情形進行處理，屬于供電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在我國城鄉(xiāng)和廠礦企業(yè)的低壓供配電系統(tǒng)中，大部份采用380/220V三相四線制 混用的低壓供電系統(tǒng)，如圖1所示。這種混合式的三相四線制低壓供電系統(tǒng)中會產(chǎn)生單相 負(fù)荷分配及分配不平衡問題，就會出現(xiàn)相間電壓的不平衡。而在城市公用配電房中，配電變 壓器的大部分負(fù)載為單相負(fù)荷，甚至達80%以上，這必然產(chǎn)生相間負(fù)荷分配不平衡問題。負(fù)荷的不平衡將帶來三相電壓的不平衡，由于零線(PEN)的均壓作用，在三相負(fù)載 功率小于30KW以下，且零線的電阻較小(R0彡1Ω)時，即使三相負(fù)載不平衡，其各項電壓 仍然對稱，分別等于電源相電壓。眾所周知在三相四線制供電系統(tǒng)中，當(dāng)零線發(fā)生斷線/破損/缺相等故障，均會引 起線路后段電壓及三相四線制中性點發(fā)生偏移，從而危及線路后端用電設(shè)備安全和用電人 員的人身安全。當(dāng)零線故障后，由于三相負(fù)載功率的不平衡度不同，所引起中性點偏移電壓 也不相等；當(dāng)不平衡度達一定值時，其中性點偏移電壓在50V以上，與之對應(yīng)的三相負(fù)載 相電壓有的大于270V，有的小于170V:即各相負(fù)載電壓升、降達額定值的20%以上。為了保證用電設(shè)備安全和人身安全，提高用電的安全可靠性，防止由于零線發(fā)生 故障而引起線路上電壓危及安全，國際電工委員會IEC/TC64《建筑物電氣裝置》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定第 一區(qū)段的安全電壓和JGJ/T16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》規(guī)定了零線故障后的保護及 動作時間要求(1)相線對地標(biāo)稱電壓為220V的TN系統(tǒng)配電線路的接地故障保護，其切 斷故障回路的時間應(yīng)符合下列規(guī)定A.配電線路或僅供給固定式電氣設(shè)備用電的末端線 路，不宜大于5s ；B.供電給手握式電氣設(shè)備和移動式電氣設(shè)備末端線路或插座回路，不應(yīng) 大于0.4s。(2)手握式電氣設(shè)備的接地故障保護，當(dāng)發(fā)生單相接地時，自動斷開電源的時間 不應(yīng)超過0.4s或接觸電壓不應(yīng)超過50V。(3)適用于防電擊保護分類為I類的電氣設(shè)備， 設(shè)備所在的環(huán)境為正常環(huán)境時，人身電擊安全電壓限值(UL)為50V。目前，國內(nèi)外在零線故障技術(shù)方面作了大量研究。對于TN-C-S系統(tǒng)，其基本方法 主要是利用PEN線斷線后，其負(fù)荷中性點偏移電壓是通過PEN與PE線的分支連接處引入PE 線，因而造成對人體的接觸電壓。為了消除和降低PE線上的對地偏移電壓，對PEN與PE分 支連接點進行接地，即等電位連接處理，這樣可以避免用電器外殼產(chǎn)生偏移電位對人體的 接觸電壓的危害。由于這種方法只解決了電壓的偏移問題，但沒有從根本上解決故障線路 還處于帶電工作狀態(tài)的問題，故存在很大的安全隱患，有可能導(dǎo)致其它事故的發(fā)生。也有人選用三個等容量的電容器接成Y形，形成一個人為中點N，代替“電壓型保 護器”的工作接地，然后進行判斷是否發(fā)生零線故障，然而因受各種因素的影響，此法仍不盡如人意。根據(jù)現(xiàn)有國內(nèi)、國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，中斷保護器取樣電路的工作接地必須做獨立的接 地裝置，同PEN線的重復(fù)接地嚴(yán)格分開，以使其工作接地為零電位，且不受其它接地電位的 影響。這就要求工作接地與重復(fù)接地和建筑物的基礎(chǔ)鋼筋、埋地金屬管道等自然接地體保 持約20米的距離。這對于高樓林立、地下管道密布的居民區(qū)來說，要求設(shè)置不受其它接地 影響的單獨接地極，確實難以實現(xiàn)。所以國外實際上已停止使用這種電壓型保護器，國內(nèi)也 由于中斷保護器工作接地的零電位很難不受其它接地的影響，而難以正常推廣使用?；谝陨蠁栴}，這就需要解決零線故障而引起的事故，以保護設(shè)備和人身安全，使 供電系統(tǒng)安全運行。雖然目前有不少技術(shù)是利用網(wǎng)絡(luò)進行實時監(jiān)控的，但對于0. 4kv配網(wǎng)終端來說， 實施起來很困難，供電線路復(fù)雜、分散、線路分支多、數(shù)量大、距離比較遠(yuǎn)，造成組網(wǎng)、通訊困 難，對于一個城市的配網(wǎng)供電線路系統(tǒng)來說，要將監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)布到每個線路終端是一項非常 巨大的工程。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種易于實施、方便管理的 三相四線制零線故障及缺相智能保護裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的三相四線制零線故障及缺相智能保護裝置，它 主要由電流互感器、電壓互感器、量程轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、CPU邏輯控制器、驅(qū)動電路、 通信模塊和參數(shù)設(shè)置模塊組成；電流互感器用于感應(yīng)供電回路電流信號，電流互感器輸出 接量程轉(zhuǎn)換模塊輸入；電壓互感器用于感應(yīng)供電回路電壓信號，電壓互感器輸出接量程轉(zhuǎn) 換模塊輸入；量程轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、CPU邏輯控制器和驅(qū)動電路依次順序連接，驅(qū) 動電路一路輸出開關(guān)跳閘信號接帶分閘線圈的開關(guān)，另一路輸出報警信號接后臺管理中 心；CPU邏輯控制器通過通信模塊與遠(yuǎn)程管理中心或終端連接，參數(shù)設(shè)置模塊的輸出接CPU 邏輯控制器的輸入。本裝置還包括顯示器，所述顯示器的輸入接CPU邏輯控制器的輸出。本發(fā)明能直接對數(shù)據(jù)進行采集、分析、計算并判斷出零線是否發(fā)生故障，并在故障 發(fā)生后發(fā)出保護控制信號，使開關(guān)跳閘，切斷故障后端電源線路，停止供電，使供電系統(tǒng)安 全運行，從而達到保護設(shè)備和人身安全的目的。同時發(fā)出報警信號(無源信號)，傳送到后臺 管理機進行相應(yīng)的處理，實現(xiàn)報警上傳功能，故障信息能對停電事故快速作出處理意見，減 少停電時間。本裝置具有遠(yuǎn)程管理功能。由于以前有裝置只有控制功能，輸出信號也為干節(jié)點 信號觸點，不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，而本裝置具有通信功能，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，能很好的與現(xiàn)有管 理系統(tǒng)或新建管理系統(tǒng)兼容，通過簡單組態(tài)，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)定值管理和其它控制功能。本裝置直接裝于線路末端或配電房出線端，可與開關(guān)配合使用(開關(guān)需帶分閘線 圈)，安裝靈活、使用方便，可根據(jù)情況現(xiàn)場設(shè)置參數(shù)，工程量不大，對新建配網(wǎng)和老網(wǎng)改造 都很適用。


圖1-現(xiàn)有的三相四線制混用的低壓供電系統(tǒng)示意2-本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-本發(fā)明工作流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明設(shè)計了一種三相四線制零線故障及缺相智能保護裝 置，裝置通過檢測線路三相電壓和三相電流，并進行運算，如判斷出零線發(fā)生故障，則發(fā)出 相應(yīng)的動作信號，實現(xiàn)對故障線路斷電操作，保護設(shè)備及人身安全。輸出信號的同時也輸出 干節(jié)點信號，可接入其它管理系統(tǒng)。通過擴展智能通信模塊，可實現(xiàn)在線檢測數(shù)據(jù)實時上傳 至后臺或管理系統(tǒng)；同時以串行通信的方式，減少布線及人工安裝成本。其具體實現(xiàn)方案參見圖2，從圖上可以看出，本發(fā)明零線故障及缺相智能保護裝 置，它主要由電流互感器、電壓互感器、量程轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、CPU邏輯控制器、驅(qū)動 電路、顯示器、參數(shù)設(shè)置模塊和電源模塊組成。電流互感器和電壓互感器的輸出接量程轉(zhuǎn)換 模塊輸入，量程轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、CPU邏輯控制器和驅(qū)動電路依次順序連接，驅(qū)動電 路一路輸出開關(guān)跳閘信號接帶分閘線圈的開關(guān)，另一路輸出報警信號接后臺管理中心。參 數(shù)設(shè)置模塊的輸出同時接CPU邏輯控制器的輸入。顯示器的輸入接CPU邏輯控制器的輸出。為了實現(xiàn)在線監(jiān)視功能及遠(yuǎn)程控制和管理功能，本裝置CPU邏輯控制器具備通信 端口，CPU邏輯控制器的通信端口通過通信模塊與遠(yuǎn)程管理中心或終端連接，可以通過通信 方式實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理。各主要部件的功能介紹如下
電流互感器感應(yīng)供電回路主回路一次電流或二次電流信號并輸送到量程轉(zhuǎn)換模塊。電壓互感器感應(yīng)供電回路主回路一次電壓或二次電壓信號并輸送到量程轉(zhuǎn)換模 塊。量程轉(zhuǎn)換模塊對電流互感器和電壓互感器送過來的信息轉(zhuǎn)換成裝置能識別的范 圍。數(shù)據(jù)處理模塊通過對采樣的電流信號進行計算得到三相線電流和相電流、對采 樣的電壓信號進行計算得到三相線電壓和相電壓及中性點電壓的偏移量、有功功率、無功 功率、視在功率、功率因數(shù)等所有電力參數(shù)，并將計算結(jié)果發(fā)送到CPU邏輯控制器。CPU邏輯控制器通過輸入的計算結(jié)果，CPU按編寫的邏輯控制程序進行運算、比 較、判斷，然后計算是否發(fā)生零線故障，如是，則發(fā)出控制指令給開關(guān)，同時輸出報警信號。顯示器與CPU邏輯控制器配合使用，測量、狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置。驅(qū)動電路擴大控制接點的容量，CPU邏輯控制器的輸出接點容量比較小，信號經(jīng) 繼電器的線圈由繼電器的接點直接去控制開關(guān)動作和輸出報警信號。參數(shù)設(shè)置模塊(即鍵盤)用于設(shè)置參數(shù)及顯示界面調(diào)整。通信模塊與外部管理系統(tǒng)(遠(yuǎn)程管理中心或終端)進行通信，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置及狀 態(tài)輸出，可實現(xiàn)“遙信”、“遙測”、“遙控”等功能。
電源模塊用于給各模塊供電，使裝置正常工作。開關(guān)(帶分閘線圈)本裝置的被控對象，為電力系統(tǒng)本身自帶部件，接收到跳閘指 令后執(zhí)行動作，切斷后端電路。本發(fā)明動作流程介紹(見圖3) 1、設(shè)備初始化
(1)設(shè)備通電開始運行。(2) 參數(shù)設(shè)置設(shè)計電流互感器變比、電壓互感器變比、過壓動作值、欠壓動作 值、延時時間、信號類型、系統(tǒng)時間、通信地址和通信波特率等。2、流程圖
(1)系統(tǒng)上電開機；
(2)系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)自檢，開中斷；
(3)根據(jù)要求是否需要設(shè)備參數(shù)，如需要設(shè)置參數(shù)，則設(shè)置參數(shù)；
(4)若不需要設(shè)備參數(shù)則進入模擬采集過程，將采集得到的數(shù)據(jù)送入內(nèi)存單元，以備 后用；
(5)調(diào)節(jié)量程范圍，把采集得到的模擬量信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的量程；
(6)計算線電壓、相電壓、線電流、相電流等；
(7)智能計算并判斷；
(8)若經(jīng)計算得知發(fā)生故障并根據(jù)發(fā)生故障的類型，發(fā)出跳閘信號和報警信號，轉(zhuǎn)到 (9)；若沒有發(fā)生故障則返回(3)，重復(fù)以上過程；
(9)停機。3、中斷處理
(1)根據(jù)中斷矢量，進入中斷程序。(2)關(guān)閉中斷入口 ；
(3)中斷處理程序，處理通信協(xié)議及內(nèi)容；
(4)開中斷入口；
(5)中斷程序返回。本發(fā)明還具有其它功能
1.能實現(xiàn)32條SOE事件記錄詳細(xì)，有動作日期和時間；
2.可實現(xiàn)欠壓延時動作保護、欠壓瞬時動作保護、過壓延時動作保護、過壓瞬時動作保
護；
3.權(quán)限管理，設(shè)置不同密碼得到不同權(quán)限，保證設(shè)備安全運行；
4.確認(rèn)操作，所有操作均設(shè)置確認(rèn)，防止誤操作。5.參數(shù)設(shè)置后，全自動智能計算故障情況，無需人工干預(yù)。6.本裝置與開關(guān)的輔助觸頭與報警信號配合，根據(jù)不同的組合，可以判斷是開關(guān) 故障、開關(guān)本身保持性動作及零線故障智能保護動作及正常工作。7.多級選擇性保護功能實現(xiàn)總路和支路，支路和用戶等多級分別判斷零線斷線 保護的配合功能，支路應(yīng)優(yōu)先動作，防止斷電范圍擴大。8.報警回傳功能當(dāng)本裝置判斷出零線斷線后，根據(jù)類型發(fā)送相應(yīng)的信號驅(qū)動開 關(guān)跳閘(無源信號)，同時送出一報警信號(無源信號)，用于傳送到后臺管理中心進行相應(yīng)的處理，達到報警上傳的功能，故障信息能對停電事故快速作出處理意見，減少停電時間。
本零線故障及缺相智能保護裝置安裝在線路末端或配電房出線端，裝置實時采集 線路 的三相電流和三相電壓，實時進行運算，通過采樣值計算出的零線的電位偏移與設(shè)定 的保護動作值作比較，同時通過實測相電壓的變化進行判斷零線是否發(fā)生斷線/破損/缺 相等故障，發(fā)出相應(yīng)的控制信號，驅(qū)動保護裝置動作，保護線路后端設(shè)備及人身的安全。當(dāng) 設(shè)備發(fā)出保護控制信號的同時，也提供一個報警信號，用于后臺對本回路的報警信息進行 管理。
權(quán)利要求
三相四線制零線故障及缺相智能保護裝置，其特征在于它主要由電流互感器、電壓互感器、量程轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、CPU邏輯控制器、驅(qū)動電路、通信模塊和參數(shù)設(shè)置模塊組成；電流互感器用于感應(yīng)供電回路電流信號，電流互感器輸出接量程轉(zhuǎn)換模塊輸入；電壓互感器用于感應(yīng)供電回路電壓信號，電壓互感器輸出接量程轉(zhuǎn)換模塊輸入；量程轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、CPU邏輯控制器和驅(qū)動電路依次順序連接，驅(qū)動電路一路輸出開關(guān)跳閘信號接帶分閘線圈的開關(guān)，另一路輸出報警信號接后臺管理中心；CPU邏輯控制器通過通信模塊與遠(yuǎn)程管理中心或終端連接，參數(shù)設(shè)置模塊的輸出接CPU邏輯控制器的輸入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相四線制零線故障及缺相智能保護裝置，其特征在于本 裝置還包括顯示器，所述顯示器的輸入接CPU邏輯控制器的輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三相四線制零線故障及缺相智能保護裝置，電流互感器和電壓互感器輸出接量程轉(zhuǎn)換模塊輸入；量程轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、CPU邏輯控制器和驅(qū)動電路依次順序連接，驅(qū)動電路一路輸出開關(guān)跳閘信號接帶分閘線圈的開關(guān)，另一路輸出報警信號接后臺管理中心；CPU邏輯控制器通過通信模塊與遠(yuǎn)程管理中心或終端連接。本發(fā)明能直接判斷零線是否發(fā)生故障，并在故障發(fā)生后發(fā)出保護控制信號，使開關(guān)跳閘，切斷故障后端電源線路，從而達到保護設(shè)備和人身安全的目的。同時發(fā)出報警信號，傳送到后臺管理機進行相應(yīng)的處理，實現(xiàn)報警上傳功能，故障信息能對停電事故快速作出處理意見，減少停電時間。
文檔編號H02J13/00GK101964516SQ20101050809
公開日2011年2月2日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者劉志宏, 周道娟, 張發(fā)斌, 張曉勇, 徐鑫, 李志勇, 肖朝勛 申請人:重慶市電力公司;重慶櫻花電氣開關(guān)有限公司