GARD接地故障保護(hù)繼電器

一、系統(tǒng)介紹及接地故障保護(hù)的重要性

目前我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流-交流系統(tǒng)，即將太陽(yáng)電池發(fā)出的電能給蓄電池充電，而蓄

電池經(jīng)過(guò)光伏并網(wǎng)逆控處理后并入電網(wǎng)，尤其是國(guó)家推動(dòng)的《金太陽(yáng)工程》，大力推動(dòng)了我國(guó)光伏發(fā)電的研究與建設(shè)新階段，光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽(yáng)能電池方陣，蓄電池組，充放電控制器，光伏并網(wǎng)逆變器，交流配電柜，太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無(wú)人值守和維護(hù)，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過(guò)熱、過(guò)載保護(hù)等。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的特殊性，光伏發(fā)電中光伏并網(wǎng)逆變器直流系統(tǒng)段均采用直流不接地系統(tǒng)。直流供電系統(tǒng)段的正極、負(fù)極均不接地。一旦負(fù)極接地，除因通過(guò)柜體導(dǎo)致回流，還可以從地返回，這樣會(huì)使雜散電流增大;若發(fā)生正極接地，就會(huì)對(duì)人身安全造成嚴(yán)重威脅，未接地直流系統(tǒng)上的接地故障也可以引起電源損壞和現(xiàn)場(chǎng)損壞，嚴(yán)重會(huì)影響并網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文針對(duì)直流不接地系統(tǒng)，介紹適宜采用和應(yīng)用的保護(hù)方式。

有專業(yè)機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)研究分析表明在每年電氣系統(tǒng)故障中接地故障占電氣系統(tǒng)故障的90%~95%，瞬時(shí)故障及永久性故障只占電氣系統(tǒng)故障的5%~10%。當(dāng)循環(huán)供電時(shí)，記住跳閘狀態(tài)，提前預(yù)報(bào)警泄露電流情況，允許系統(tǒng)在接地故障中安全的運(yùn)行，又因?yàn)檫@些設(shè)備都處在邊遠(yuǎn)地區(qū)和島嶼，許多電站無(wú)人值守和維護(hù)。在不接地直流系統(tǒng)中這些接地故障檢測(cè)和預(yù)防與保護(hù)措施就顯得尤為重要。

二、保護(hù)繼電器的應(yīng)用與介紹

什么是保護(hù)繼電器？

保護(hù)繼電器是一種智能的裝置，它接收輸入，將輸入與設(shè)置點(diǎn)進(jìn)行比較，并且提供輸出。輸入可以是電流、電壓、電阻或溫度。輸出可以包括以指示等和/或字母數(shù)字顯示形式的視覺(jué)反饋、通信、控制警告、報(bào)警和控制電源開(kāi)關(guān)的通斷。

保護(hù)繼電器可以是機(jī)電的或電子的/基于微處理器的。機(jī)電繼電器是一種淘汰的技術(shù)，這種繼電器由機(jī)械零件組成，這些零件要求定期校準(zhǔn)，以便保持在預(yù)期公差內(nèi)。微處理器或電子繼電器使用數(shù)字技術(shù)，提供快速、可靠、準(zhǔn)確且可重復(fù)的輸出。使用電子的或基于微處理器的繼電器代替機(jī)電設(shè)計(jì)，這樣會(huì)有許多優(yōu)點(diǎn)，包括：提高準(zhǔn)確性、附加功能、減少維護(hù)、較小的空間要求以及較低的壽命周期維護(hù)費(fèi)用。

輸入

繼電器需要獲取系統(tǒng)信息，以便做出決定。這些輸入可以各種方式進(jìn)行收集。在有些情況下，現(xiàn)場(chǎng)的電線可以直接連接到繼電器。在其他應(yīng)用中需要附加裝置，以便將測(cè)得的參數(shù)轉(zhuǎn)換繼電器能夠處理的格式。這些附加裝置可以是地參考模塊的電阻網(wǎng)絡(luò)、電流互感器、電壓互感器、電壓耦合器、RTD或其它裝置。

設(shè)置

許多型號(hào)的保護(hù)繼電器都有可調(diào)的設(shè)置。用戶設(shè)置（檢波電平）進(jìn)行編程，讓繼電器做決定。繼電器將輸入與這些設(shè)置值進(jìn)行比較，并相應(yīng)地做出反應(yīng)。

處理

一旦對(duì)輸入進(jìn)行了連接和對(duì)設(shè)置進(jìn)行編程，繼電器就會(huì)比較這些數(shù)值，并做出決定。根據(jù)需要，可針對(duì)不同的功能選擇不同類型的繼電器。

輸入

繼電器有雙重方式傳導(dǎo)已做出決定的通信。通常繼電器會(huì)控制一個(gè)開(kāi)關(guān)（繼電器接點(diǎn)），指明輸入已經(jīng)超過(guò)了設(shè)置，或者，繼電器可以通過(guò)視覺(jué)反饋（例如：儀表或者LED指示燈）提供通知。部分系列電子的或微處理器的繼電器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠與網(wǎng)絡(luò)或pLC進(jìn)行通信。

三、保護(hù)繼電器是如何解決電氣問(wèn)題的？

類似于自動(dòng)調(diào)溫器在控制家中的空調(diào)對(duì)自動(dòng)化問(wèn)題的解決方式，保護(hù)繼電器也能夠解決電器問(wèn)題。保護(hù)繼電器的用途是探測(cè)問(wèn)題（最理想的情況是在問(wèn)題的初始階段），同時(shí)也消除并顯著減少對(duì)人員或設(shè)備的損壞。

下面的階段說(shuō)明了電器問(wèn)題是如何形成的：

第1階段：

當(dāng)有良好絕緣的導(dǎo)體暴露于故障引發(fā)因素時(shí)，例

如：潮濕、灰塵、化學(xué)品、持久穩(wěn)定的過(guò)載、振動(dòng)或只是正常的劣化，那么絕緣將慢慢惡化。這種小變化，在損壞程度足夠嚴(yán)重而引起電氣故障之前，將不會(huì)立即變得很明顯。通過(guò)測(cè)定電流、電壓、電阻或溫度的輕微變化，繼電器可以探測(cè)到有問(wèn)題正在形成。由于變化的量很小，所以只有精密的裝置（例如：靈敏的保護(hù)繼電器或監(jiān)控器）才能夠在發(fā)生任何進(jìn)一步的損壞之前，探測(cè)到這些情況，并且指明可能有問(wèn)題正在形成。

第2階段：

在問(wèn)題變得更嚴(yán)重時(shí)，會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的變化，例如：絕緣擊穿、過(guò)熱或過(guò)電壓。由于從正常到異常的變化很大，所以可使用傳統(tǒng)的裝置來(lái)中斷電源。在不能使用保險(xiǎn)絲和斷路器的情況下，通過(guò)探測(cè)故障形成的因素（過(guò)熱、過(guò)電壓等），保護(hù)繼電器可以提供附加保護(hù)。

第3階段：

此時(shí)，問(wèn)題已經(jīng)發(fā)生并且引起了損壞。不同類型的保護(hù)繼電器和監(jiān)控器可以減少或者消除損壞，因?yàn)樗鼈兛梢员葌鹘y(tǒng)裝置提前探測(cè)到問(wèn)題。

例如：如果一個(gè)工廠或電網(wǎng)管理公司不斷地重置斷路器，更換保險(xiǎn)絲或維修設(shè)備，又找不到問(wèn)題所在，那么他們可能遇到了過(guò)電流。如果情況確實(shí)如此，那么用戶可以安裝一個(gè)具有過(guò)電流保護(hù)功能的保護(hù)繼電器器。該繼電器測(cè)量電流（輸入），并且允許用戶將極限（設(shè)置值）編程到繼電器中。設(shè)置值一般比保險(xiǎn)絲或斷路器更靈敏。一旦超過(guò)了這些極限，繼電器將控制一個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)（繼電器觸點(diǎn)）。用戶可以選擇使用開(kāi)關(guān)在發(fā)生更大的問(wèn)題之前打開(kāi)燈（報(bào)警顯示）或斷開(kāi)電源（并聯(lián)跳開(kāi)）。用戶可以使用報(bào)警顯示，以幫助判斷在傳統(tǒng)裝置清除故障之前的故障設(shè)備。

四、繼電器應(yīng)用

接地故障保護(hù)

接地電氣系統(tǒng)的主要目的是提供防電氣故障保護(hù)。但是，這一目的直到二十世紀(jì)七十年代才被認(rèn)識(shí)。在那之前，大多數(shù)商業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)都是不接地的。雖然不接地的系統(tǒng)在第一次接地故障過(guò)程中不會(huì)引起嚴(yán)重?fù)p壞，但是與接地故障相關(guān)的許多缺點(diǎn)還是導(dǎo)致了接地觀念的改變。接地系統(tǒng)有其它的優(yōu)點(diǎn)，例如：降低觸電危險(xiǎn)和防雷擊。電氣故障可以細(xì)分為兩類：相對(duì)相故障和接地故障。有研究已經(jīng)表明所有電氣故障中95%是接地故障（資料來(lái)源：2003年5月1日Woodham,Jack,p.E.的“接地系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)”<http://www.ecmweb.com/mag/electric_basics_grounding_systems_2/index.html>）。在保險(xiǎn)絲可以防止相對(duì)相故障的地方，往往要求附加保護(hù)，例如：保護(hù)繼電器，以防止接地故障。

接地故障的定義

接地故障是通電導(dǎo)體和地或設(shè)備框架之間不注意的的接觸。故障電流的返回路經(jīng)是通過(guò)接地系統(tǒng)以及成為該系統(tǒng)的一部分的任何人員和設(shè)備。接地故障常常是絕緣擊穿的結(jié)果。重要的是，需注意潮濕、多雨和多灰塵的環(huán)境要求，在設(shè)計(jì)和維護(hù)時(shí)要格外細(xì)心。因?yàn)樗菍?dǎo)電的，所以它會(huì)使絕緣降級(jí)，以及增加形成危險(xiǎn)的可能性。

表1顯示了電氣故障的主要引發(fā)因素。

故障的主要引發(fā)因素占所有故障的百分比

暴露于潮濕中22.5%

工具、嚙齒類動(dòng)物等造成的短路18.0%

暴露于灰塵中14.5%

其他機(jī)械損壞12.1%

暴露于化學(xué)品中9.0%

老化引起的正常劣化7.0%表1

例如：在烤箱電路中，零線或火線短路到烤箱的金屬外殼上。當(dāng)線路閉合時(shí)，全部或部分電流流過(guò)烤箱框架，然后流過(guò)地線。當(dāng)有足夠的電流流過(guò)（通常按6×15安＝90安計(jì)算）時(shí)，斷路器將斷開(kāi)。可以安裝一個(gè)保護(hù)繼電器，以探測(cè)低至5mA的電流，能夠在相當(dāng)?shù)偷乃较聰嚅_(kāi)斷路器，因此要比傳統(tǒng)斷路器快得多。雖然上面的例子只顯示直接接地的單相電路，但是在以后討論的三相電路上，其基本原理都是相同的。繼電器和監(jiān)控器是特別設(shè)計(jì)的，以便通過(guò)探測(cè)電流、電壓、電阻或溫度的低水平變化而找到表1中所示的主要引發(fā)因素。

五、以上為繼電保護(hù)器的綜合介紹。下面我們來(lái)詳細(xì)分析接地保護(hù)繼電器在不接地直流系統(tǒng)的應(yīng)用和方案

直流系統(tǒng)

直流（DC）系統(tǒng)有正負(fù)總線。如果兩條總線中任何一條接地，那么這個(gè)系統(tǒng)就稱為直流接地系統(tǒng)。如果兩條總線都不接地，那么這個(gè)系統(tǒng)就稱為直流不接地系統(tǒng)。未接地直流系統(tǒng)上的接地故障也可以引起電源損壞和現(xiàn)場(chǎng)損壞。

如果系統(tǒng)是未接地的，那么可以使用一個(gè)接地故障繼電器，即在兩條總線之間裝設(shè)一個(gè)地參考模塊，建立一個(gè)中性點(diǎn)。接地故障繼電器使用這個(gè)中性點(diǎn)所取得的值一探測(cè)低水平的接地故障。

地參考模塊是一種電阻網(wǎng)絡(luò)，用于限制接地故障電流小于25mA,并且提供一種信號(hào)傳給接地故障繼電器的一種裝置

用于未接地直流系統(tǒng)的LitteifusepOWR-GRRD接地故障繼電器

此接地故障繼電器和接地參考模塊體積都很小，可以直接安裝在逆變器控制柜內(nèi)或者安裝在門(mén)面板上，也可選擇導(dǎo)軌式安裝。接地參考模塊可以安裝在柜內(nèi)一角。

接地故障繼電器pGR-2601地參考模塊

外形尺寸：55mm（寬）*75mm（高）*118mm（深）最大外形尺寸：120mm（寬）*220mm（高）*85mm（深）

Littelfuse（利特）pOWR-GARDpGR-2601是一個(gè)基于微處理器的用于未接地直流系統(tǒng)的接地故障繼電器，它能提供1~20mA的靈敏的可調(diào)的跳閘水平，同時(shí)0.05s~2.5s的跳閘繼電器允許快速保護(hù)跳閘。具有標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)警繼電器常開(kāi)常閉輸出和用于外部測(cè)量的模擬量輸出0~5V信號(hào)、復(fù)位按鈕及可調(diào)節(jié)的面板。能夠用于工礦、企業(yè)、發(fā)電行業(yè)中24VDC控制電路中到1000VDC光伏發(fā)電和自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)的未接地直流控制系統(tǒng)。

工作環(huán)境溫度-40°C到60°C

儲(chǔ)存環(huán)境溫度-55°C到80°C

工作環(huán)境濕度85%無(wú)凝露

工作控制電壓DC9~36VDC32~70VDC/AC75~275V

工作頻率50/60HZ

校準(zhǔn)周期無(wú)需校準(zhǔn)

用戶自測(cè)試使用電源裝置給出直流電源25mA電流接入地參考模塊由接地參考模塊S點(diǎn)引線接入繼電器4號(hào)接點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。之前要接好控制電源以及接地保護(hù)線

保質(zhì)期5年

跳閘存儲(chǔ)器記憶性跳閘存儲(chǔ)器可以保持跳閘狀態(tài)

此款接地故障繼電器可應(yīng)用在直流未接地控制系統(tǒng)、電池充電系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)。對(duì)于系統(tǒng)的益處于

當(dāng)循環(huán)供電時(shí)，可探測(cè)到系統(tǒng)中的故障，記住跳閘狀態(tài)，允許在接地故障中安全的運(yùn)作。它提供靈敏的的接地故障保護(hù)，且不會(huì)產(chǎn)生與誤跳閘有關(guān)的問(wèn)題。

此方案以成功運(yùn)行在張家口某集中光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)中，以微處理器為基礎(chǔ)的高靈敏度接地故障保護(hù)繼電器在直流未接地控制系統(tǒng)、電池充電系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)為廣大用戶的高價(jià)值設(shè)備做出提升性接地故障保護(hù)。

結(jié)束語(yǔ)

由于以微處理器基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的接地故障保護(hù)繼電器在未接地直流的控制系統(tǒng)、電池充電系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，提高了整個(gè)被控系統(tǒng)以及企業(yè)的自動(dòng)化程度和硬件接地故障保護(hù)的靈敏度。隨著微電腦技術(shù)的不斷發(fā)展，接地故障保護(hù)繼電器本身的成本也在不斷的降低，在實(shí)際應(yīng)用未接地直流的控制系統(tǒng)使用中，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)供電系統(tǒng)接地故障保護(hù)程度的提升，這必將使未接地直流在接地故障保護(hù)發(fā)展中形成一個(gè)亮點(diǎn)。