智能斷路器Emax2提高測量電流精度的試驗分析*

許地理

(廈門ABB低壓電器設(shè)備有限公司，福建 廈門 361000)

0 引 言

低壓斷路器主要功能是用來分合運行回路的正常工作電流、過載電流和短路電流，Emax2智能斷路器已經(jīng)成為一個多功能平臺，是管理微電網(wǎng)等下一代電氣的重要設(shè)備，未來發(fā)展的目標是成為真正的電能管理器，而保護脫扣器是智能斷路器的核心，是集系統(tǒng)管理所需的所有功能于一體的電能管理器，先進的保護脫扣器能夠很好的提高電氣系統(tǒng)的效率和可靠姓，因此提高保護脫扣器對電流有效值敏感度，確保測量和保護功能的精確性變得越來越重要，目前智能斷路器Emax2 PR存在精確測量功率和電能問題，加強和確保測量和保護功能的精確性是目前研究的重要課題。

為了滿足智能斷路器Emax2 PR電流測量達到更高的精度，經(jīng)過驗證可以通過對CORE、HMI、Rating Plug、Ekip Measuring及Currentsensor等軟硬件升級實現(xiàn)，文中重點通過開發(fā)測試設(shè)備對智能斷路器Emax2的回路電流測量系統(tǒng)分析及PR CT Rogowski自動校準及補償控制，達到可以實現(xiàn)更高的電流測量精度[1]。

1 回路測試原理

為了提高智能斷路器Emax2測量電流精度(如1%)，對設(shè)備測量系統(tǒng)要有很高的精度及穩(wěn)定度要求。圖1為回路測試系統(tǒng)原理圖，通過將電子電源、斷路器、互感器等元器件串聯(lián)形成回路測試系統(tǒng)，并將功率分析儀與互感器連接，再通過PC與供應商分析儀進行通信采集數(shù)據(jù)，同時單獨給斷路器YU線圈供電，通過對電子脫扣器供電來確保能夠采集斷路器自身的互感器線圈電流值，最終形成一整套完整的控制系統(tǒng)[2]。

對于整套測量系統(tǒng)的相關(guān)測量元件需超過斷路器自身的測量精度要求，以下為主要測量元件關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),見表1所列。

2 智能斷路器Emax2測試及驗證

2.1 測試方法

Emax2斷路器通電后，自動閉合開關(guān)使三相與回路串聯(lián)，主電路注入0.5倍In電流，Period N0:啟動電流(關(guān)閉功率分析儀及PR)；Period N1:保持通電，穩(wěn)定電流確保PR讀數(shù)(期間系統(tǒng)與PR沒有通訊)設(shè)備與功率分析儀進行通信，分析儀器檢測到的RMS值的穩(wěn)定性。

圖1 回路測試原理圖

表1 測量元件關(guān)鍵技術(shù)

如果注入電流不穩(wěn)定，應停止測試；Period N2:繼續(xù)通電，設(shè)備與功率分析儀和PR單元進行通信，以獲取兩個系統(tǒng)讀取的電流值，設(shè)備與功率分析儀進行通信以便獲取RMS均值，設(shè)備與PR通訊以便獲取電流值ITU_X ；Period N3:注入電流并，功率分析儀和PR單元通訊，直到是節(jié)拍時間完成停止，系統(tǒng)對比每個單相行程單元測量的電流值和功率分析儀檢測到的平均RMS值[5]。

If |ITU-IPA|/IPA≤Ix%_1,測試OK，通過。

If |ITU-IPA|/IPA>Ix%_1,測試NG，需要重新修正Rogowski增益。

設(shè)備與PR單元進行通信，重新計算寫入新的Rogowski增益，主回路停止通電，輔助電源停止通電(PR斷電)Vaux。

脫扣裝置應在電流注入時提供電源，以便與設(shè)備進行通信(例如PLC)。并實時傳遞檢測到的電流值。如果沒有電源，系統(tǒng)不能儲能任何值，也不可能與功率分析儀對比，PR單元將被供電直至系統(tǒng)通訊修改Rogowski增益值，之后電源關(guān)閉。

功率分析儀在T時段測得的RMS最大值與最小值之差與T時段測得的RMS平均之差之比小于Y%(電源穩(wěn)定度判斷條件)：

式中：IPA_max _N1為N1功率分析儀讀取到的最大電流值；IPA_min _N1為N1功率分析儀讀取到的最小電流值；IPA_media_N1為N1期間功率分析儀自動計算電流平均值。N1為穩(wěn)定度判斷；采樣周期=500 ms；N2為校準驗證。

設(shè)備與功率分析儀和PR單元進行通信，以獲取兩個系統(tǒng)讀取的電流值，功率分析儀與設(shè)備通訊讀取回路電流值，設(shè)備與脫扣器通訊獲取斷路器PR值。N2期間比較功率分析儀與脫扣器獲取的電流值對比，功率分析儀將會每100 ms間隔進行采樣。Nx時刻檢測到的電流值與功率分析儀測得的平均值在ΔN4s(等于N1s)的間隔內(nèi)進行比較，對于間隔N2的每次Nx，都重復進行這種比較，最后計算出平均值、最大值和最小誤差。平均誤差值ΔEavg%公差值Ix_2%(如0.1%)對比，如果誤差大于公差極限值，則計算一個新的Rogowski增益值，并寫到在脫扣裝置中[3]。

功率分析儀平均電流值計算公式：

avg(IPA[Nx-ΔN4;Nx]) =IPAx

式中：avg為功率分析儀在[Nx-ΔN4;Nx]時間間隔內(nèi)檢測到的平均電流；ΔN4為功率分析儀檢測到的平均電流與脫扣器測量值比較的時間間隔(ΔN4=N1s)

誤差值計算公式[6]：

ΔEmax%-ΔEmin%≤Z% 0.05%(校準標準)

式中：ΔEX%為X時刻跳閘裝置測量值與功率分析儀檢測值之間的誤差%；ΔEavg%為N2期間的平均誤差值；ΔEavg%<0.1% (校準判斷條件)；ITUNx為Nx測得的脫扣器電流值。

圖2 N2期間功率分析儀電流采樣平均值

Rogowski增益值計算公式：

ITUmedia_N2=N2期間脫扣器獲取的平均電流值

IPAmedia_N2=[N2-ΔN4;N2]期間功率分析儀測得的平均電流值

表2為文中出現(xiàn)代號屬性注釋[6]。

表2 屬性代號和含義

續(xù)表2 屬性代號和含義

1.2 產(chǎn)品測試及驗證

為了驗證Emax2測量精度是否達到精度提高，通過上述測試方法，開始給設(shè)備主回路系統(tǒng)注入電流(如2 500 A)，等待穩(wěn)定電流后，用功率分析儀判斷電源輸出電流是否穩(wěn)定，如圖3為N1期間功率分析儀采集到的30組數(shù)據(jù)的回路電流值，采樣周期5 007 ms，每隔500 ms取有效值。

圖3 N1采集電流值對比

表3 電源輸出電流穩(wěn)定度分析

以表3數(shù)據(jù)分析N1階段電源輸出電流處于穩(wěn)定階段，因此可以繼續(xù)通電進行功率分儀讀值與脫扣器讀值對比分析。

同樣N2階段(見圖4)分別開始采集功率分析儀及脫扣器電流讀值，采樣周期500 ms，同樣采集30組數(shù)據(jù)對比。具體分析見表4所列。

圖4 N2采集電流值對比

這里的30組數(shù)據(jù)為功率分析儀測得的平均值在ΔN4s(等于N1s)的間隔內(nèi)進行比較值而非實時讀值。

通過表4數(shù)據(jù)分析，計算得出平均誤差遠大于標準誤差要求，因此需要重新校準增益值：

ΔEavg%=0.144% >0.1% 重新校準！

表4 回路電流與斷路器PR電流分析

表5 校準前后的增益值分析

圖5 重新校準后采集電流值對比

通過重新校準修正增益值后(見表5)，實驗再分別獲取10組功率分析儀和脫扣器電流讀值數(shù)據(jù)(見圖5)。

校準完成后，通過實驗采集可以得到功率分析儀最大值和最小值、平均值，通過分析計算出電流穩(wěn)定度是否達到標準要求(見表6)。

總結(jié)：通過以上表6數(shù)據(jù)分析，在校準前測得斷路器測量電流實際平均誤差(0.14%)遠高于標準要求(0.1%)，在通過重新校準及Rogowski補償后，重新測得斷路器電流平均誤差值為0.074%，遠小于0.1%，電流精度可達到1%，因此達到實現(xiàn)斷路器測量電流精度提升目標。

表6 補償后電流穩(wěn)定度分析

3 結(jié) 語

為了滿足市場客戶需求，電能智能化管理越來越迫切，斷路器不斷升級換代，由此對應的低壓電氣系統(tǒng)的功能也要求越來越高。目前很多斷路器智能化水平不高，電能測量準確性低，其中電流測量精度需要試驗提升，此次試驗針對影響測量精度的因素，通過實驗采用開發(fā)測試設(shè)備對智能斷路器Emax2的回路電流測量系統(tǒng)分析及PR CT Rogowski自動校準及補償控制，通過對測量模塊電壓、頻率的校準、改變額定插塊的阻值及精度、提升互感器精度等措施實現(xiàn)了更高的電流測量精度，此次分析實驗可為智能斷路器電能智能化管理特別是電能測量和監(jiān)視提供很好的參考價值，對于智能斷路器低壓電氣系統(tǒng)的保護、測量和控制具有重要參考意義。同時需要更加認識的是電流測量精度提升是整體的全面提升而非某點提升，因此還需要不斷去做各種嘗試驗證，通過不斷摸索不斷優(yōu)化達到真正實現(xiàn)電能控制和監(jiān)視功能為一體的智能化斷路器。