斷路器在低壓配電系統(tǒng)的選擇性保護(hù)技術(shù)詳解

選擇性保護(hù)是指兩個(gè)或兩個(gè)以上保護(hù)裝置的動(dòng)作特性進(jìn)行相互配合，當(dāng)在某個(gè)指定范圍內(nèi)發(fā)生短路、接地或其他過(guò)流現(xiàn)象時(shí)，在這個(gè)范圍內(nèi)指定動(dòng)作的裝置進(jìn)行動(dòng)作以切除故障，而此范圍外的裝置不動(dòng)作。也就是當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)中某一點(diǎn)發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，配電的電氣設(shè)備按照預(yù)先規(guī)定的動(dòng)作順序進(jìn)行有選擇的開斷動(dòng)作，絕對(duì)不允許越級(jí)脫扣。選擇性保護(hù)的重要意義在于：當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)出現(xiàn)短路故障、接地等過(guò)電流現(xiàn)象時(shí)，配電系統(tǒng)中的保護(hù)裝置既要能夠可靠切除故障，又要保證停電范圍最小。

　　1、系統(tǒng)選擇性保護(hù)技術(shù)

　　在短路保護(hù)的區(qū)域范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)中斷路器的保護(hù)性跳閘是很困難的，需要以下幾種方法相互配合完成。

　　1.1電流選擇性

　　當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)中發(fā)生短路故障時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)線路阻抗的差異造成上下級(jí)斷路器測(cè)得短路電流大小的不同，進(jìn)行電流的選擇性保護(hù)。此項(xiàng)保護(hù)依靠相鄰級(jí)的斷路器中脫扣器的動(dòng)作值不同來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法可應(yīng)用于A類塑殼斷路器、小型斷路器和剩余動(dòng)作電流斷路器的保護(hù)中。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，一般要求斷路器1的最小瞬動(dòng)電流不小于斷路器2的最小瞬動(dòng)電流的1.4倍。

　　1.2時(shí)間選擇性

　　當(dāng)短路電流較大時(shí)，可根據(jù)上下級(jí)斷路器動(dòng)作時(shí)間不同來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。斷路器的斷開工作過(guò)程如下：發(fā)生短路故障后，脫扣器自動(dòng)解扣，斷路器的觸頭在操作機(jī)構(gòu)的作用下斷開，過(guò)程中產(chǎn)生的電弧經(jīng)由滅弧裝置熄滅，斷路器開斷工作完成。從短路開始到脫扣器即將解扣前的這段時(shí)間叫做脫扣時(shí)間；從短路發(fā)生直到全部分?jǐn)鄤?dòng)作完成的時(shí)間叫做全分?jǐn)鄤?dòng)作時(shí)間。為保證時(shí)間選擇性，斷路器必須滿足：在安秒特性曲線中，主斷路器的脫扣時(shí)間大于分支斷路器的全分?jǐn)鄤?dòng)作時(shí)間。

　　對(duì)于A類斷路器，上下相鄰兩級(jí)斷路器的脫扣曲線在過(guò)載區(qū)內(nèi)不相交，也不重合，但在瞬動(dòng)區(qū)，兩條曲線則會(huì)出現(xiàn)交叉甚至重合。因此為實(shí)現(xiàn)時(shí)間選擇性，上級(jí)斷路器應(yīng)采用具有耐受電流能力和短路短延時(shí)的B類斷路器。

　　1.3虛擬時(shí)間選擇性

　　當(dāng)下級(jí)配線采用限流型斷路器時(shí)，上級(jí)進(jìn)線承受的短路電流與限流系數(shù)有關(guān)，限流系數(shù)越小，短路電流作用就會(huì)越小，線路的動(dòng)作時(shí)間則會(huì)越長(zhǎng)。故電流-脫扣特性曲線為反時(shí)限特性，這樣增強(qiáng)了配線與進(jìn)線的選擇性保護(hù)特性。

　　1.4邏輯選擇性

　　邏輯選擇性，又叫做區(qū)域選擇性聯(lián)鎖。邏輯選擇性保護(hù)的實(shí)現(xiàn)以上下級(jí)斷路器都具有通信功能和智能化功能為前提。邏輯選擇性的工作程序如下：1）下級(jí)斷路器發(fā)生故障并檢測(cè)到故障后，向上級(jí)斷路器發(fā)送信號(hào)，使其不脫扣；2）上級(jí)斷路器接收到不脫扣指令，并執(zhí)行指令，保持不脫扣；3）下級(jí)斷路器跳閘動(dòng)作，切除故障電源；4）上級(jí)斷路器保持閉合，或者在設(shè)定時(shí)間內(nèi)下級(jí)斷路器不脫扣的情況下，進(jìn)行脫扣。以下圖1為例。

　　其工作原理為：1）斷路器CB2的出線發(fā)生故障時(shí)，CB2斷路器斷開，將故障切除。2）斷路器CB2發(fā)生故障時(shí)，斷路器CB2的脫扣器自動(dòng)向上級(jí)斷路器CB1的脫扣器發(fā)出信號(hào)，使CB1由原來(lái)整定的脫扣時(shí)間改為延時(shí)時(shí)間，倘若超過(guò)了延時(shí)時(shí)間，斷路器CB2仍然不跳閘，此時(shí)斷路器CB1發(fā)生跳閘切除故障。3）如果斷路器CB2發(fā)生故障后的故障電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其承受能力，斷路器CB1無(wú)論收到CB2的信號(hào)與否，都即刻跳閘切除故障。

　　1.5能量選擇性

　　能量選擇性，是指以具有限流能力的上下級(jí)斷路器為基礎(chǔ)，利用脫扣器靈敏的脫扣性能反應(yīng)線路的短路能量，實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)的技術(shù)。當(dāng)發(fā)生故障，上下兩級(jí)斷路器均檢測(cè)到大電流時(shí)，下級(jí)斷路器具有很快的限流速度，使得短路能量低于上級(jí)斷路器實(shí)現(xiàn)脫扣動(dòng)作的能量，從而上級(jí)斷路器無(wú)法動(dòng)作。由上下級(jí)斷路器的能量曲線可知，實(shí)現(xiàn)能量選擇性的條件是：下級(jí)斷路器的短路能量曲線低于上級(jí)斷路器。

　　2、低壓配電系統(tǒng)對(duì)各級(jí)斷路器的要求

　　低壓配電系統(tǒng)的選擇性保護(hù)技術(shù)對(duì)各級(jí)斷路器有以下幾點(diǎn)要求。

　　2.1進(jìn)線柜

　　進(jìn)線柜的主開關(guān)采用框架斷路器，應(yīng)滿足下列要求：智能化的控制器，可實(shí)現(xiàn)在線故障監(jiān)測(cè)，動(dòng)作值整定，通信等控制功能；額定短路極限分段能力，額定短路運(yùn)行分?jǐn)嗄芰σ约邦~定短時(shí)耐受電流三者相等，分別列出其0.2s，0.5s，1s時(shí)的電流；控制器抵抗電磁干擾的能力應(yīng)較強(qiáng)；短路短延時(shí)時(shí)間取0.2-0.5s。

　　2.2配電柜

　　配電柜主要采用塑殼斷路器，應(yīng)滿足以下要求：限流型，小容量斷路器的限流能力應(yīng)在6-10kA以下；帶有0.2-0.4s的短路延時(shí)性，為整定值可以調(diào)節(jié)的三段保護(hù)；具有通信功能，利于區(qū)域選擇性聯(lián)鎖的實(shí)現(xiàn)；帶電子脫扣器的斷路器要求有較高的抗電磁干擾能力；有一定的額定短時(shí)耐受電流。

　　2.3終端

　　配電系統(tǒng)終端的主要元件為小型斷路器，應(yīng)滿足以下要求：采用限流型的產(chǎn)品；具有一定的額定短時(shí)耐受電流，比如0.2s，10-20kA；可調(diào)的保護(hù)整定值；漏電保護(hù)器或者漏電斷路器的電流和電壓值可調(diào)。

　　2.4目前存在的不足

　　目前的斷路器還不能滿足低壓配電系統(tǒng)對(duì)于保護(hù)選擇性的全部要求。比如：小電流的塑殼斷路器雖然帶有電子脫扣器，但是受尺寸大小的限制，沒(méi)有短路短延時(shí)的功能；大多數(shù)的塑殼斷路器和小型斷路器沒(méi)有額定短時(shí)耐受電流的要求；智能型的斷路器價(jià)格過(guò)高，雖然可采用分體式群控的措施，但是如何及時(shí)優(yōu)先處理故障回路的跳閘問(wèn)題還有待研究；目前塑殼斷路器的跳閘機(jī)構(gòu)極少具有能量選擇性等。這些問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究解決。                                         

　　3、選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)的實(shí)施要點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)

　　3.1選擇性保護(hù)形式的確定

　　選擇性保護(hù)技術(shù)主要包括全選擇性保護(hù)和部分選擇性保護(hù)兩種。全選擇性保護(hù)是指，在上下級(jí)斷路器之間發(fā)生故障且處于下級(jí)斷路器的保護(hù)范圍內(nèi)，出現(xiàn)的故障電流在過(guò)載整定值與三相短路電流值之間時(shí)，由下級(jí)斷路器跳閘切除故障，上級(jí)斷路器保持不動(dòng)作，保證保護(hù)的選擇性。部分選擇性保護(hù)是指，當(dāng)故障電流大于某個(gè)預(yù)定值時(shí)，上下級(jí)斷路器的特性曲線有交點(diǎn)，無(wú)法保證全部選擇性，此時(shí)，在某一個(gè)較低的故障電流值以下，上下級(jí)斷路器得到選擇性配合。

　　在低壓配電系統(tǒng)中配置斷路器時(shí)，理想的情況是，上下級(jí)間能獲得完全選擇性；如果無(wú)法做到完全選擇性保護(hù)，只能退而求其次，采用部分選擇性的配合。通常，我們根據(jù)要求調(diào)整配電系統(tǒng)中的線路結(jié)構(gòu)和路徑等，并將短路電流計(jì)算出來(lái)，若計(jì)算值低于選擇性極限電流值，則系統(tǒng)是具有選擇性的；若超過(guò)選擇性極限電流值，則上級(jí)斷路器誤動(dòng)，失去保護(hù)選擇性。

　　如果所供電負(fù)荷不允許停電，則應(yīng)努力保證保護(hù)選擇性，必須重新配置斷路器，并使得計(jì)算的短路故障電流小于選擇性極限電流；如果對(duì)所供電負(fù)荷影響不大，則屬于部分性選擇保護(hù)。

　　3.2精心設(shè)計(jì)低壓配電系統(tǒng)，合理分配負(fù)荷

　　低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理分配負(fù)荷，為滿足保護(hù)器件額定電流比的要求，應(yīng)盡量加大上下級(jí)負(fù)荷的比值。選擇性的要求在上下級(jí)負(fù)荷的比值越大的情況下越容易得到滿足。

　　無(wú)論是斷路器保護(hù)，還是采用熔斷器保護(hù)，要想達(dá)到選擇性保護(hù)的要求，都必須滿足上下級(jí)保護(hù)器額定電流比值大于某一設(shè)定值。

　　故在進(jìn)行低壓配電系統(tǒng)的選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求合理調(diào)整好上下級(jí)負(fù)荷，絕不能任其自然分配負(fù)荷，同時(shí)應(yīng)盡量采用“自然的”選擇性保護(hù)，以給選擇性保護(hù)提供便利，滿足保護(hù)性的要求。否則采取其他選擇性保護(hù)方式，會(huì)出現(xiàn)既不經(jīng)濟(jì)又麻煩費(fèi)事的后果。

　　3.3斷路器短路短延時(shí)選擇性保護(hù)注意事項(xiàng)

　　斷路器保護(hù)實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)最常用的方式是短路短延時(shí)保護(hù)，需注意以下幾點(diǎn)：

　　1）盡量縮短延時(shí)時(shí)間

　　在滿足選擇性的前提下，應(yīng)盡可能地縮短斷路器的延時(shí)時(shí)間。因?yàn)樵谘訒r(shí)時(shí)間內(nèi)，斷路器所承受的短路電流很大，這提高了斷路器的制造要求，也增加了費(fèi)用。同時(shí)，延時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使系統(tǒng)電壓波動(dòng)很大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，應(yīng)慎重選擇短路短延時(shí)時(shí)間，更不能隨意增加延時(shí)時(shí)間。

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　　2）合理確定配電級(jí)數(shù)

　　在低壓配電系統(tǒng)中采用短路短延時(shí)選擇型斷路器時(shí)，可通過(guò)改變配電級(jí)數(shù)來(lái)改變延時(shí)時(shí)間，配電級(jí)數(shù)減少，上級(jí)配電延時(shí)時(shí)間也相應(yīng)減小。在具體的配電系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合各種因素合理地確定配電系統(tǒng)的配電級(jí)數(shù)。

　　3）正確采用“自然的”選擇性方式

　　在實(shí)際的低壓配電系統(tǒng)中，很少出現(xiàn)全部采用短路短延時(shí)的選擇性方式，也很少出現(xiàn)全部“自然的”選擇性方式。低壓配電系統(tǒng)大多采用混合型的選擇性方式，這種相互組合的方式也是合理的。原則上是盡量采用“自然的”選擇性方式，且在局部系統(tǒng)中，尤其是中間和末端配電部分，多采用“自然的”選擇性方式。

　　4）斷路器的三段保護(hù)

　　當(dāng)斷路器采用過(guò)電流、短路短延時(shí)以及瞬時(shí)速動(dòng)保護(hù)三段保護(hù)配合時(shí)，使得上下級(jí)的短路電流差值很小，導(dǎo)致下級(jí)發(fā)生短路故障時(shí)，上下兩級(jí)斷路器均會(huì)跳閘，不能保證保護(hù)的選擇性。此情況下只得解除上級(jí)的瞬時(shí)速動(dòng)保護(hù)，只依靠短路短延時(shí)進(jìn)行保護(hù)。

　　如果是較長(zhǎng)的線路發(fā)生故障，瞬時(shí)速動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，會(huì)減小保護(hù)范圍，但也應(yīng)該盡可能投入瞬時(shí)速動(dòng)保護(hù)，盡快切除其保護(hù)范圍以內(nèi)的短路故障，避免線路和電氣裝置遭受損壞，減少短路故障帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

　　4、結(jié)論

　　實(shí)現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)的保護(hù)選擇性，可有效保證系統(tǒng)供電可靠性。目前的選擇保護(hù)性技術(shù)還需要進(jìn)一步地提高和完善，相信隨著科技的不斷發(fā)展，低壓配電系統(tǒng)會(huì)得到完善，供電可靠性將進(jìn)一步提高。