论文部分内容阅读
摘要：变电站采用一体化电源可以实现高效管理，具有优化资源，节省投资成本、运维成本和机房空间等优点。但由于取消了通信电源的蓄电池组，而DC/DC变换器电流输出能力是有限的，当通信负载支路出现短路或持续过载故障时，常规空气开关不能切断故障支路，DC/DC变换器的限流作用会使两段通讯直流母线的电压出现跌落，甚至电压跌落到0V，会影响其它支路上的通信设备正常运行。文章采用动作特性曲线比较精密液压电磁式开关来解决此问题，并对液压电磁式开关做了相关测试，验证其性能。
关键词：电力系统一体化电源；空气开关；电源脱扣；液压电磁式开关；供电可靠性
中图分类号：TM732 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）31-0115-04
一、概述
变电站一体化通信电源典型方案是取消通信电源的蓄电池组，将站内直流电源系统、通信用直流变换电源（DC/DC）组合为一体，共享站直流电源系统的蓄电池组，并统一集中监控的成套设备。该组合方式是以直流操作电源为核心，其通信用直流变换电源DC/DC由直流输入变换为直流输出的电源装置，输出特性满足通信电源的要求。
变电站采用一体化电源可以实现高效管理，具有优化资源，节省投资成本、运维成本和机房空间等优点。
二、DC/DC电源脱扣现象带来的问题
在一体化电源系统中，由于取消了通信电源的蓄电池组，改用DC/DC变换器，DC/DC变换器以直流操作电源的输出作为输入，通过DC/DC变换来获得-48V通信电源，当交流失电时，由直流操作电源的蓄电池组来维持DC/DC变换器的输入。这种方法存在一个缺陷：DC/DC变换器的电流输出能力是有限的，且通信负载要求有双路电源供电，当通信负载支路出现短路或持续过载故障时，常规空气开关不能切断故障支路，DC/DC变换器的限流作用会使两段通讯直流母线的电压出现跌落，甚至电压跌落到0V，会影响其它支路上的通信设备正常运行。与传统的-48V电源后接蓄电池模式相比，其过程如下：
1．传统模型：负载短路à蓄电池提供较大冲击电流，并持续时间à空气开关断开àDC/DC模块没有
失压。
2．DC/DC电源模型：负载短路àDC/DC模块输出装置自带电路放电à电流及持续时间不够空气开关脱扣条件àDC/DC模块失压。
广州供电局曾在检修期间在现场做过试验，模拟通讯负载支路短路，造成站用直流电源-48V开关全跳，在实际生产环境验证了此问题的存在。
空气开关是一种只要有短路或严重过载现象，开关形成回路就会跳闸的开关。空气开关跳闸需要两个基本条件：电流和持续的时间。通常空气开关在3～5倍额定电流时间持续20～40ms时间则可把空气开关冲开。空气开关所经历的电流大小和持续时间不同，脱扣的时间在不同的电流下引起的空气开关跳开所需要的时间形成脱扣曲线。脱扣曲线是断路器速断脱扣器的动作特性曲线，如图1所示：
如上图所示，电流越大，冲开空气开关断开时间越短。不同的产品有不同的曲线，脱扣曲线分为A、B、C、D、K等几种，各自的含义如下：
A曲线：脱扣电流为（2～3）In，适用于保护半导体电子线路，带小功率电源变压器的测量线路，或线路长且短路电流小的系统。
B曲线：脱扣电流为（3～5）In，适用于住户配电系统，家用电器的保护和人身安全保护。
C曲线（常用）：脱扣电流为（5～10）In，适用于保护配电线路以及具有较高接通电流的照明线路和电动机回路。
D曲线：脱扣电流为（10～20）In，适用于保护具有很高冲击电流的设备，如变压器电磁阀等。
K曲线：具备1.2倍热脱扣动作电流和8～14倍磁脱扣动作范围，适用于保护电动机线路设备，有较高的抗冲击电流能力。
三、采用精密液压电磁式开关来解决空气开关不能脱扣的问题
根据以上条件分析，拟采用动作特性曲线比较精密液压电磁式开关（上海良信NDB3系列液压电磁式开关）来解决空气开关不能脱扣的问题，要求液压电磁式开关具备以下条件：
1．开关额定电流要求。目前通信电源馈电屏采用开关有10 A、20 A、32 A共3个电流等级。
2．动作特性曲线要求。电流≥4In（In是断路器额定电流）瞬时动作，动作时间不应超过3ms；当电流﹤4In时，动作特性为反时限特性曲线（曲线可参照NDB3短延时系列液压电磁式开关Z2特性曲线）。
四、验证定制液压电磁式开关能否解决脱扣问题
为验证定制液压电磁式开关能否解决脱扣问题，2010年7月27日在广东电网公司电力通信设备运维中心做了相关试验。
（一）试验仪器与设备
HIOKI 8855 横河 7650 录波示波器各一台；
马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）2套；
阿尔卡特7750-SR1数据网设备1套；
DC110V开关电源一台，DC/ DC 20A/48V 6台；
In=10A、20A、30A三种额定电流的被测液压电磁式开关各4只；30A可调电阻4只。
（二）试验内容、数据与结论
按In=10A、20A、30A三种额定电流的液压电磁式开关分别进行试验，每种型号开关试验3次。
1．短路保护动作特性试验。
（1）验收标准。当被试开关的输出线路发生短路故障时，若短路故障电流大于4In，被试开关应可靠瞬时动作关断，动作时间不大于4ms，同时直流母线电压跌落不大于12V，通信设备工作正常，不丢失数据。
（2）试验电路。试验接线如图2所示电路：
图2 短路保护动作特性试验线路图
（3）试验方法。合上K2、K3开关，SDH光传输设备和数据网设备正常工作，两个回路负荷电流均为9A。然后合上开关K1，观察被试开关的动作波形。
（4）试验结论与数据。被试开关短路保护动作正确，动作时间比较一致；当由6个电源模块供电，通信母线电压跌落7.2～10V，SDH光传输设备无数据丢失，数据网设备重启；
当由2个电源模块供电，通信母线电压跌落17.6～21.2V，SDH光传输设备无数据丢失，数据网设备重启；
根据测试发现，被试开关还不能完全满足短路保护动作的要求，SDH光传输设备由于电压输入要求是-48V，±20%，所以当瞬间电压跌落时，设备无数据丢失。但数据网设备由于电压输入要求只是-48V，没有波动范围，所以当瞬间电压跌落时，设备重启。
试验数据见后表2、表3：
以上测试数据由6个电源模块供电，带马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）2套；阿尔卡特7750-SR1数据网设备1套。
以上测试数据由2个电源模块供电，带马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）1套；阿尔卡特7750-SR1数据网设备1套。
2．过载保护动作特性试验。
（1）验收标准。当被试开关的输出线路发生过载故障时，若过载故障电流从1In A逐渐增大到4In A电流值，被试开关应延时动作关断，同时直流母线电压跌落不大于12V，通信设备工作正常，不丢失数据。
（2）试验电路。试验接线如图3所示电路：
（3）试验方法。合上K2、K3开关，SDH光传输设备和数据网设备正常工作，两个回路负荷电流均为9A。合上开关K1后，调节负载电阻的电流从被试开关的额定值开始从1In A逐渐增大到4In A电流值，观察被试开关的动作波形。
（4）试验结论与数据。
液压开关过载保护动作正确，动作时间比较一致；
当由6个电源模块供电，通信母线电压无跌落，SDH光传输设备无数据丢失，数据网设备无重启；
当由2个电源模块供电，通信母线电压无跌落，SDH光传输设备无数据丢失，数据网设备无重启；
根据测试发现，被试开关能满足过载保护动作的要求。
试验数据见后表4、表5：
以上测试数据由6个电源模块供电，带马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）2套；阿尔卡特7750-SR1数据网设备1套。
以上测试数据由2个电源模块供电，带马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）2套；阿尔卡特7750-SR1数据网设备1套。
3．冷启动试验。
（1）验收标准。当通信设备冷启动时，负载回路在通信设备冷启动冲击电流作用下，被试开关不应动作，同时直流母线电压跌落不大于12V，通信设备工作正常，不丢失数据。
（2）试验电路。试验接线如图4所示电路。
图4 冷启动试验线路图
（3）试验方法。合上开关K1、K3后，带阿尔卡特7750-SR1通信设备1套，合被试开关，观察被试开光动作情况，同时观察波形，测试数据。
合上开关K1、K2后，带马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）1套，合被试开关，观察被试开光动作情况，同时观察波形，测试数据。
（4）试验结论与数据。
带阿尔卡特7750-SR1通信设备1套冷启动设备成功，该设备启动电流比工作电流略大，时间为1.6～1.8s左右。
带马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）1套，10A被试开关启动不成功，20A、30A被试开关启动成功，该设备启动电流是工作电流4～6倍，时间为50～60ms左右。
根据测试发现，被试开关能满足设备冷启动的要求。
试验数据见后表6、表7：
以上测试数据由6个电源模块供电，带阿尔卡特7750-SR1通信设备1套。
以上测试数据由6个电源模块供电，带SDH通信设备1套。
五、结语
变电站采用一体化电源时，当通信负载支路出现短路或持续过载故障，常规空气开关不能切断故障支路，DC/DC变换器的限流作用会使两段通讯直流母线的电压出现跌落，会影响其它支路上通信设备的正常工作。本文拟采用动作特性曲线比较精密液压电磁式开关来解决此问题，并对液压电磁式开关做了相关测试，发现在过载时液压电磁式开关能解决开关脱扣问题，同时也能满足设备冷启动的要求，但在短路时还是不能满足要求，会对其它支路的通信设备有一定的影响。
下一步如变电站一体会电源要大范围推广，需要对通信设备做相关的要求，使其输入电压范围比较大，都要达到-48V，±20%的要求。同时也要对液压电磁式开关进一步改良，使其更满足动作特性曲线要求。
作者简介：杨旭（1968-），男，湖南长沙人，广东电网公司电力通信设备运维中心工程师，研究方向：电力通信管理。
（责任编辑：刘 晶）
关键词：电力系统一体化电源；空气开关；电源脱扣；液压电磁式开关；供电可靠性
中图分类号：TM732 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）31-0115-04
一、概述
变电站一体化通信电源典型方案是取消通信电源的蓄电池组，将站内直流电源系统、通信用直流变换电源（DC/DC）组合为一体，共享站直流电源系统的蓄电池组，并统一集中监控的成套设备。该组合方式是以直流操作电源为核心，其通信用直流变换电源DC/DC由直流输入变换为直流输出的电源装置，输出特性满足通信电源的要求。
变电站采用一体化电源可以实现高效管理，具有优化资源，节省投资成本、运维成本和机房空间等优点。
二、DC/DC电源脱扣现象带来的问题
在一体化电源系统中，由于取消了通信电源的蓄电池组，改用DC/DC变换器，DC/DC变换器以直流操作电源的输出作为输入，通过DC/DC变换来获得-48V通信电源，当交流失电时，由直流操作电源的蓄电池组来维持DC/DC变换器的输入。这种方法存在一个缺陷：DC/DC变换器的电流输出能力是有限的，且通信负载要求有双路电源供电，当通信负载支路出现短路或持续过载故障时，常规空气开关不能切断故障支路，DC/DC变换器的限流作用会使两段通讯直流母线的电压出现跌落，甚至电压跌落到0V，会影响其它支路上的通信设备正常运行。与传统的-48V电源后接蓄电池模式相比，其过程如下：
1．传统模型：负载短路à蓄电池提供较大冲击电流，并持续时间à空气开关断开àDC/DC模块没有
失压。
2．DC/DC电源模型：负载短路àDC/DC模块输出装置自带电路放电à电流及持续时间不够空气开关脱扣条件àDC/DC模块失压。
广州供电局曾在检修期间在现场做过试验，模拟通讯负载支路短路，造成站用直流电源-48V开关全跳，在实际生产环境验证了此问题的存在。
空气开关是一种只要有短路或严重过载现象，开关形成回路就会跳闸的开关。空气开关跳闸需要两个基本条件：电流和持续的时间。通常空气开关在3～5倍额定电流时间持续20～40ms时间则可把空气开关冲开。空气开关所经历的电流大小和持续时间不同，脱扣的时间在不同的电流下引起的空气开关跳开所需要的时间形成脱扣曲线。脱扣曲线是断路器速断脱扣器的动作特性曲线，如图1所示：
如上图所示，电流越大，冲开空气开关断开时间越短。不同的产品有不同的曲线，脱扣曲线分为A、B、C、D、K等几种，各自的含义如下：
A曲线：脱扣电流为（2～3）In，适用于保护半导体电子线路，带小功率电源变压器的测量线路，或线路长且短路电流小的系统。
B曲线：脱扣电流为（3～5）In，适用于住户配电系统，家用电器的保护和人身安全保护。
C曲线（常用）：脱扣电流为（5～10）In，适用于保护配电线路以及具有较高接通电流的照明线路和电动机回路。
D曲线：脱扣电流为（10～20）In，适用于保护具有很高冲击电流的设备，如变压器电磁阀等。
K曲线：具备1.2倍热脱扣动作电流和8～14倍磁脱扣动作范围，适用于保护电动机线路设备，有较高的抗冲击电流能力。
三、采用精密液压电磁式开关来解决空气开关不能脱扣的问题
根据以上条件分析，拟采用动作特性曲线比较精密液压电磁式开关（上海良信NDB3系列液压电磁式开关）来解决空气开关不能脱扣的问题，要求液压电磁式开关具备以下条件：
1．开关额定电流要求。目前通信电源馈电屏采用开关有10 A、20 A、32 A共3个电流等级。
2．动作特性曲线要求。电流≥4In（In是断路器额定电流）瞬时动作，动作时间不应超过3ms；当电流﹤4In时，动作特性为反时限特性曲线（曲线可参照NDB3短延时系列液压电磁式开关Z2特性曲线）。
四、验证定制液压电磁式开关能否解决脱扣问题
为验证定制液压电磁式开关能否解决脱扣问题，2010年7月27日在广东电网公司电力通信设备运维中心做了相关试验。
（一）试验仪器与设备
HIOKI 8855 横河 7650 录波示波器各一台；
马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）2套；
阿尔卡特7750-SR1数据网设备1套；
DC110V开关电源一台，DC/ DC 20A/48V 6台；
In=10A、20A、30A三种额定电流的被测液压电磁式开关各4只；30A可调电阻4只。
（二）试验内容、数据与结论
按In=10A、20A、30A三种额定电流的液压电磁式开关分别进行试验，每种型号开关试验3次。
1．短路保护动作特性试验。
（1）验收标准。当被试开关的输出线路发生短路故障时，若短路故障电流大于4In，被试开关应可靠瞬时动作关断，动作时间不大于4ms，同时直流母线电压跌落不大于12V，通信设备工作正常，不丢失数据。
（2）试验电路。试验接线如图2所示电路：
图2 短路保护动作特性试验线路图
（3）试验方法。合上K2、K3开关，SDH光传输设备和数据网设备正常工作，两个回路负荷电流均为9A。然后合上开关K1，观察被试开关的动作波形。
（4）试验结论与数据。被试开关短路保护动作正确，动作时间比较一致；当由6个电源模块供电，通信母线电压跌落7.2～10V，SDH光传输设备无数据丢失，数据网设备重启；
当由2个电源模块供电，通信母线电压跌落17.6～21.2V，SDH光传输设备无数据丢失，数据网设备重启；
根据测试发现，被试开关还不能完全满足短路保护动作的要求，SDH光传输设备由于电压输入要求是-48V，±20%，所以当瞬间电压跌落时，设备无数据丢失。但数据网设备由于电压输入要求只是-48V，没有波动范围，所以当瞬间电压跌落时，设备重启。
试验数据见后表2、表3：
以上测试数据由6个电源模块供电，带马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）2套；阿尔卡特7750-SR1数据网设备1套。
以上测试数据由2个电源模块供电，带马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）1套；阿尔卡特7750-SR1数据网设备1套。
2．过载保护动作特性试验。
（1）验收标准。当被试开关的输出线路发生过载故障时，若过载故障电流从1In A逐渐增大到4In A电流值，被试开关应延时动作关断，同时直流母线电压跌落不大于12V，通信设备工作正常，不丢失数据。
（2）试验电路。试验接线如图3所示电路：
（3）试验方法。合上K2、K3开关，SDH光传输设备和数据网设备正常工作，两个回路负荷电流均为9A。合上开关K1后，调节负载电阻的电流从被试开关的额定值开始从1In A逐渐增大到4In A电流值，观察被试开关的动作波形。
（4）试验结论与数据。
液压开关过载保护动作正确，动作时间比较一致；
当由6个电源模块供电，通信母线电压无跌落，SDH光传输设备无数据丢失，数据网设备无重启；
当由2个电源模块供电，通信母线电压无跌落，SDH光传输设备无数据丢失，数据网设备无重启；
根据测试发现，被试开关能满足过载保护动作的要求。
试验数据见后表4、表5：
以上测试数据由6个电源模块供电，带马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）2套；阿尔卡特7750-SR1数据网设备1套。
以上测试数据由2个电源模块供电，带马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）2套；阿尔卡特7750-SR1数据网设备1套。
3．冷启动试验。
（1）验收标准。当通信设备冷启动时，负载回路在通信设备冷启动冲击电流作用下，被试开关不应动作，同时直流母线电压跌落不大于12V，通信设备工作正常，不丢失数据。
（2）试验电路。试验接线如图4所示电路。
图4 冷启动试验线路图
（3）试验方法。合上开关K1、K3后，带阿尔卡特7750-SR1通信设备1套，合被试开关，观察被试开光动作情况，同时观察波形，测试数据。
合上开关K1、K2后，带马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）1套，合被试开关，观察被试开光动作情况，同时观察波形，测试数据。
（4）试验结论与数据。
带阿尔卡特7750-SR1通信设备1套冷启动设备成功，该设备启动电流比工作电流略大，时间为1.6～1.8s左右。
带马可尼SDH传输设备（型号：SMA16-64）1套，10A被试开关启动不成功，20A、30A被试开关启动成功，该设备启动电流是工作电流4～6倍，时间为50～60ms左右。
根据测试发现，被试开关能满足设备冷启动的要求。
试验数据见后表6、表7：
以上测试数据由6个电源模块供电，带阿尔卡特7750-SR1通信设备1套。
以上测试数据由6个电源模块供电，带SDH通信设备1套。
五、结语
变电站采用一体化电源时，当通信负载支路出现短路或持续过载故障，常规空气开关不能切断故障支路，DC/DC变换器的限流作用会使两段通讯直流母线的电压出现跌落，会影响其它支路上通信设备的正常工作。本文拟采用动作特性曲线比较精密液压电磁式开关来解决此问题，并对液压电磁式开关做了相关测试，发现在过载时液压电磁式开关能解决开关脱扣问题，同时也能满足设备冷启动的要求，但在短路时还是不能满足要求，会对其它支路的通信设备有一定的影响。
下一步如变电站一体会电源要大范围推广，需要对通信设备做相关的要求，使其输入电压范围比较大，都要达到-48V，±20%的要求。同时也要对液压电磁式开关进一步改良，使其更满足动作特性曲线要求。
作者简介：杨旭（1968-），男，湖南长沙人，广东电网公司电力通信设备运维中心工程师，研究方向：电力通信管理。
（责任编辑：刘 晶）