《电子技术应用》

低压配电系统的选择性保护技术

2017/7/19 22:05:00

  选择性保护是指两个或两个以上保护装置的动作特性进行相互配合,当在某个指定范围内发生短路、接地或其他过流现象时,在这个范围内指定动作的装置进行动作以切除故障,而此范围外的装置不动作。也就是当低压配电系统中某一点发生过流故障时,配电的电气设备按照预先规定的动作顺序进行有选择的开断动作,绝对不允许越级脱扣。选择性保护的重要意义在于:当低压配电系统出现短路故障、接地等过电流现象时,配电系统中的保护装置既要能够可靠切除故障,又要保证停电范围最小。

  1、系统选择性保护技术

  在短路保护的区域范围内,实现低压配电系统中断路器的保护性跳闸是很困难的,需要以下几种方法相互配合完成。

  1.1电流选择性

  当低压配电系统中发生短路故障时,可根据系统线路阻抗的差异造成上下级断路器测得短路电流大小的不同,进行电流的选择性保护。此项保护依靠相邻级的断路器中脱扣器的动作值不同来实现,这种方法可应用于A类塑壳断路器、小型断路器和剩余动作电流断路器的保护中。按照相关标准,一般要求断路器1的最小瞬动电流不小于断路器2的最小瞬动电流的1.4倍。

  1.2时间选择性

  当短路电流较大时,可根据上下级断路器动作时间不同来实现选择性保护。断路器的断开工作过程如下:发生短路故障后,脱扣器自动解扣,断路器的触头在操作机构的作用下断开,过程中产生的电弧经由灭弧装置熄灭,断路器开断工作完成。从短路开始到脱扣器即将解扣前的这段时间叫做脱扣时间;从短路发生直到全部分断动作完成的时间叫做全分断动作时间。为保证时间选择性,断路器必须满足:在安秒特性曲线中,主断路器的脱扣时间大于分支断路器的全分断动作时间。

  对于A类断路器,上下相邻两级断路器的脱扣曲线在过载区内不相交,也不重合,但在瞬动区,两条曲线则会出现交叉甚至重合。因此为实现时间选择性,上级断路器应采用具有耐受电流能力和短路短延时的B类断路器。

  1.3虚拟时间选择性

  当下级配线采用限流型断路器时,上级进线承受的短路电流与限流系数有关,限流系数越小,短路电流作用就会越小,线路的动作时间则会越长。故电流-脱扣特性曲线为反时限特性,这样增强了配线与进线的选择性保护特性。

  1.4逻辑选择性

  逻辑选择性,又叫做区域选择性联锁。逻辑选择性保护的实现以上下级断路器都具有通信功能和智能化功能为前提。逻辑选择性的工作程序如下:1)下级断路器发生故障并检测到故障后,向上级断路器发送信号,使其不脱扣;2)上级断路器接收到不脱扣指令,并执行指令,保持不脱扣;3)下级断路器跳闸动作,切除故障电源;4)上级断路器保持闭合,或者在设定时间内下级断路器不脱扣的情况下,进行脱扣。以下图1为例。

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  其工作原理为:1)断路器CB2的出线发生故障时,CB2断路器断开,将故障切除。2)断路器CB2发生故障时,断路器CB2的脱扣器自动向上级断路器CB1的脱扣器发出信号,使CB1由原来整定的脱扣时间改为延时时间,倘若超过了延时时间,断路器CB2仍然不跳闸,此时断路器CB1发生跳闸切除故障。3)如果断路器CB2发生故障后的故障电流远远大于其承受能力,断路器CB1无论收到CB2的信号与否,都即刻跳闸切除故障。

  1.5能量选择性

  能量选择性,是指以具有限流能力的上下级断路器为基础,利用脱扣器灵敏的脱扣性能反应线路的短路能量,实现选择性保护的技术。当发生故障,上下两级断路器均检测到大电流时,下级断路器具有很快的限流速度,使得短路能量低于上级断路器实现脱扣动作的能量,从而上级断路器无法动作。由上下级断路器的能量曲线可知,实现能量选择性的条件是:下级断路器的短路能量曲线低于上级断路器。

  2、低压配电系统对各级断路器的要求

  低压配电系统的选择性保护技术对各级断路器有以下几点要求。

  2.1进线柜

  进线柜的主开关采用框架断路器,应满足下列要求:智能化的控制器,可实现在线故障监测,动作值整定,通信等控制功能;额定短路极限分段能力,额定短路运行分断能力以及额定短时耐受电流三者相等,分别列出其0.2s,0.5s,1s时的电流;控制器抵抗电磁干扰的能力应较强;短路短延时时间取0.2-0.5s。

  2.2配电柜

  配电柜主要采用塑壳断路器,应满足以下要求:限流型,小容量断路器的限流能力应在6-10kA以下;带有0.2-0.4s的短路延时性,最好为整定值可以调节的三段保护;具有通信功能,利于区域选择性联锁的实现;带电子脱扣器的断路器要求有较高的抗电磁干扰能力;有一定的额定短时耐受电流。

  2.3终端

  配电系统终端的主要元件为小型断路器,应满足以下要求:采用限流型的产品;具有一定的额定短时耐受电流,比如0.2s,10-20kA;可调的保护整定值;漏电保护器或者漏电断路器的电流和电压值可调。

  2.4目前存在的不足

  目前的断路器还不能满足低压配电系统对于保护选择性的全部要求。比如:小电流的塑壳断路器虽然带有电子脱扣器,但是受尺寸大小的限制,没有短路短延时的功能;大多数的塑壳断路器和小型断路器没有额定短时耐受电流的要求;智能型的断路器价格过高,虽然可采用分体式群控的措施,但是如何及时优先处理故障回路的跳闸问题还有待研究;目前塑壳断路器的跳闸机构极少具有能量选择性等。这些问题需要进一步的研究解决。

  3、选择性保护设计的实施要点及实现

  3.1选择性保护形式的确定

  选择性保护技术主要包括全选择性保护和部分选择性保护两种。全选择性保护是指,在上下级断路器之间发生故障且处于下级断路器的保护范围内,出现的故障电流在过载整定值与三相短路电流值之间时,由下级断路器跳闸切除故障,上级断路器保持不动作,保证保护的选择性。部分选择性保护是指,当故障电流大于某个预定值时,上下级断路器的特性曲线有交点,无法保证全部选择性,此时,在某一个较低的故障电流值以下,上下级断路器得到选择性配合。

  在低压配电系统中配置断路器时,最理想的情况是,上下级间能获得完全选择性;如果无法做到完全选择性保护,只能退而求其次,采用部分选择性的配合。通常,我们根据要求调整配电系统中的线路结构和路径等,并将短路电流计算出来,若计算值低于选择性极限电流值,则系统是具有选择性的;若超过选择性极限电流值,则上级断路器误动,失去保护选择性。

  如果所供电负荷不允许停电,则应努力保证保护选择性,必须重新配置断路器,并使得计算的短路故障电流小于选择性极限电流;如果对所供电负荷影响不大,则属于部分性选择保护。

  3.2精心设计低压配电系统,合理分配负荷

  低压配电系统的设计中,应合理分配负荷,为满足保护器件额定电流比的要求,应尽量加大上下级负荷的比值。选择性的要求在上下级负荷的比值越大的情况下越容易得到满足。

  无论是断路器保护,还是采用熔断器保护,要想达到选择性保护的要求,都必须满足上下级保护器额定电流比值大于某一设定值。

  故在进行低压配电系统的选择性保护设计时,应按照标准要求合理调整好上下级负荷,绝不能任其自然分配负荷,同时应尽量采用“自然的”选择性保护,以给选择性保护提供便利,满足保护性的要求。否则采取其他选择性保护方式,会出现既不经济又麻烦费事的后果。

  3.3断路器短路短延时选择性保护注意事项

  断路器保护实现选择性保护最常用的方式是短路短延时保护,需注意以下几点:

  1)尽量缩短延时时间

  在满足选择性的前提下,应尽可能地缩短断路器的延时时间。因为在延时时间内,断路器所承受的短路电流很大,这提高了断路器的制造要求,也增加了费用。同时,延时时间过长,会使系统电压波动很大,不利于系统的稳定运行。因此,应慎重选择短路短延时时间,更不能随意增加延时时间。

  2)合理确定配电级数

  在低压配电系统中采用短路短延时选择型断路器时,可通过改变配电级数来改变延时时间,配电级数减少,上级配电延时时间也相应减小。在具体的配电系统中,应根据实际情况,结合各种因素合理地确定配电系统的配电级数。

  3)正确采用“自然的”选择性方式

  在实际的低压配电系统中,很少出现全部采用短路短延时的选择性方式,也很少出现全部“自然的”选择性方式。低压配电系统大多采用混合型的选择性方式,这种相互组合的方式也是合理的。原则上是尽量采用“自然的”选择性方式,且在局部系统中,尤其是中间和末端配电部分,多采用“自然的”选择性方式。

  4)断路器的三段保护

  当断路器采用过电流、短路短延时以及瞬时速动保护三段保护配合时,使得上下级的短路电流差值很小,导致下级发生短路故障时,上下两级断路器均会跳闸,不能保证保护的选择性。此情况下只得解除上级的瞬时速动保护,只依靠短路短延时进行保护。

  如果是较长的线路发生故障,瞬时速动保护动作,会减小保护范围,但也应该尽可能投入瞬时速动保护,尽快切除其保护范围以内的短路故障,避免线路和电气装置遭受损坏,减少短路故障带来的经济损失。

  4、结论

  实现低压配电系统的保护选择性,可有效保证系统供电可靠性。目前的选择保护性技术还需要进一步地提高和完善,相信随着科技的不断发展,低压配电系统会得到完善,供电可靠性将进一步提高。


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