GARD接地故障保護繼電器

一、系統(tǒng)介紹及接地故障保護的重要性

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

電池經(jīng)過光伏并網(wǎng)逆控處理后并入電網(wǎng)，尤其是國家推動的《金太陽工程》，大力推動了我國光伏發(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)主要用于邊遠地區(qū)，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護功能，如輸入直流極性接反保護，交流輸出短路保護，過熱、過載保護等。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、負極均不接地。一旦負極接地，除因通過柜體導(dǎo)致回流，還可以從地返回，這樣會使雜散電流增大;若發(fā)生正極接地，就會對人身安全造成嚴重威脅，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)場損壞，嚴重會影響并網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行。本文針對直流不接地系統(tǒng)，介紹適宜采用和應(yīng)用的保護方式。

有專業(yè)機構(gòu)經(jīng)過數(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%，瞬時故障及永久性故障只占電氣系統(tǒng)故障的5%~10%。當循環(huán)供電時，記住跳閘狀態(tài)，提前預(yù)報警泄露電流情況，允許系統(tǒng)在接地故障中安全的運行，又因為這些設(shè)備都處在邊遠地區(qū)和島嶼，許多電站無人值守和維護。在不接地直流系統(tǒng)中這些接地故障檢測和預(yù)防與保護措施就顯得尤為重要。

二、保護繼電器的應(yīng)用與介紹

什么是保護繼電器？

保護繼電器是一種智能的裝置，它接收輸入，將輸入與設(shè)置點進行比較，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)字顯示形式的視覺反饋、通信、控制警告、報警和控制電源開關(guān)的通斷。

保護繼電器可以是機電的或電子的/基于微處理器的。機電繼電器是一種淘汰的技術(shù)，這種繼電器由機械零件組成，這些零件要求定期校準，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電設(shè)計，這樣會有許多優(yōu)點，包括：提高準確性、附加功能、減少維護、較小的空間要求以及較低的壽命周期維護費用。

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行收集。在有些情況下，現(xiàn)場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

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

處理

一旦對輸入進行了連接和對設(shè)置進行編程，繼電器就會比較這些數(shù)值，并做出決定。根據(jù)需要，可針對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。通常繼電器會控制一個開關(guān)（繼電器接點），指明輸入已經(jīng)超過了設(shè)置，或者，繼電器可以通過視覺反饋（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優(yōu)點是能夠與網(wǎng)絡(luò)或pLC進行通信。

三、保護繼電器是如何解決電氣問題的？

類似于自動調(diào)溫器在控制家中的空調(diào)對自動化問題的解決方式，保護繼電器也能夠解決電器問題。保護繼電器的用途是探測問題（最理想的情況是在問題的初始階段），同時也消除并顯著減少對人員或設(shè)備的損壞。

下面的階段說明了電器問題是如何形成的：

第1階段：

當有良好絕緣的導(dǎo)體暴露于故障引發(fā)因素時，例

如：潮濕、灰塵、化學品、持久穩(wěn)定的過載、振動或只是正常的劣化，那么絕緣將慢慢惡化。這種小變化，在損壞程度足夠嚴重而引起電氣故障之前，將不會立即變得很明顯。通過測定電流、電壓、電阻或溫度的輕微變化，繼電器可以探測到有問題正在形成。由于變化的量很小，所以只有精密的裝置（例如：靈敏的保護繼電器或監(jiān)控器）才能夠在發(fā)生任何進一步的損壞之前，探測到這些情況，并且指明可能有問題正在形成。

第2階段：

在問題變得更嚴重時，會發(fā)生進一步的變化，例如：絕緣擊穿、過熱或過電壓。由于從正常到異常的變化很大，所以可使用傳統(tǒng)的裝置來中斷電源。在不能使用保險絲和斷路器的情況下，通過探測故障形成的因素（過熱、過電壓等），保護繼電器可以提供附加保護。

第3階段：

此時，問題已經(jīng)發(fā)生并且引起了損壞。不同類型的保護繼電器和監(jiān)控器可以減少或者消除損壞，因為它們可以比傳統(tǒng)裝置提前探測到問題。

例如：如果一個工廠或電網(wǎng)管理公司不斷地重置斷路器，更換保險絲或維修設(shè)備，又找不到問題所在，那么他們可能遇到了過電流。如果情況確實如此，那么用戶可以安裝一個具有過電流保護功能的保護繼電器器。該繼電器測量電流（輸入），并且允許用戶將極限（設(shè)置值）編程到繼電器中。設(shè)置值一般比保險絲或斷路器更靈敏。一旦超過了這些極限，繼電器將控制一個內(nèi)部開關(guān)（繼電器觸點）。用戶可以選擇使用開關(guān)在發(fā)生更大的問題之前打開燈（報警顯示）或斷開電源（并聯(lián)跳開）。用戶可以使用報警顯示，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

接地電氣系統(tǒng)的主要目的是提供防電氣故障保護。但是，這一目的直到二十世紀七十年代才被認識。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程中不會引起嚴重損壞，但是與接地故障相關(guān)的許多缺點還是導(dǎo)致了接地觀念的改變。接地系統(tǒng)有其它的優(yōu)點，例如：降低觸電危險和防雷擊。電氣故障可以細分為兩類：相對相故障和接地故障。有研究已經(jīng)表明所有電氣故障中95%是接地故障（資料來源：2003年5月1日Woodham,Jack,p.E.的“接地系統(tǒng)基礎(chǔ)知識”）。在保險絲可以防止相對相故障的地方，往往要求附加保護，例如：保護繼電器，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)計和維護時要格外細心。因為水是導(dǎo)電的，所以它會使絕緣降級，以及增加形成危險的可能性。

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、嚙齒類動物等造成的短路18.0%

暴露于灰塵中14.5%

其他機械損壞12.1%

暴露于化學品中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。當線路閉合時，全部或部分電流流過烤箱框架，然后流過地線。當有足夠的電流流過（通常按6×15安＝90安計算）時，斷路器將斷開。可以安裝一個保護繼電器，以探測低至5mA的電流，能夠在相當?shù)偷乃较聰嚅_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)計的，以便通過探測電流、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、以上為繼電保護器的綜合介紹。下面我們來詳細分析接地保護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)有正負總線。如果兩條總線中任何一條接地，那么這個系統(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)場損壞。

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

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0.05s~2.5s的跳閘繼電器允許快速保護跳閘。具有標準的報警繼電器常開常閉輸出和用于外部測量的模擬量輸出0~5V信號、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)電和自動化運輸系統(tǒng)的未接地直流控制系統(tǒng)。

工作環(huán)境溫度-40°C到60°C

儲存環(huán)境溫度-55°C到80°C

工作環(huán)境濕度85%無凝露

工作控制電壓DC9~36VDC32~70VDC/AC75~275V

工作頻率50/60HZ

校準周期無需校準

用戶自測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點引線接入繼電器4號接點進行測試。之前要接好控制電源以及接地保護線

保質(zhì)期5年

跳閘存儲器記憶性跳閘存儲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)、運輸系統(tǒng)。對于系統(tǒng)的益處于

當循環(huán)供電時，可探測到系統(tǒng)中的故障，記住跳閘狀態(tài)，允許在接地故障中安全的運作。它提供靈敏的的接地故障保護，且不會產(chǎn)生與誤跳閘有關(guān)的問題。

此方案以成功運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繼電器在直流未接地控制系統(tǒng)、電池充電系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)為廣大用戶的高價值設(shè)備做出提升性接地故障保護。

結(jié)束語

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