低壓配電系統(tǒng)選擇性保護(hù)分析

1、低壓配電保護(hù)的選擇性探討  2012-7-16 0:00:00馮星明（中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢市 430071）    摘  要：通過(guò)工程設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述了低壓配電保護(hù)采用選擇性配合的必要性，介紹了低壓配電保護(hù)選擇性的定義、原理和方法，提出了滿足保護(hù)選擇性的條件，論述了自然的選擇性的概念及要求，并對(duì)低壓各級(jí)配電的保護(hù)選擇性配合及斷路器選型進(jìn)行了充分的探討。    關(guān)鍵詞：完全選擇性 部分選擇性 自然的選擇性 延時(shí)的選擇性 能量選擇性 邏輯選擇性 選擇性極限電流值 區(qū)域選擇性聯(lián)鎖  

2、;  1 低壓配電保護(hù)選擇性配合的必要性    低壓配電保護(hù)采用選擇性配合是為了滿足可靠性的要求，是有必要的，在某些情況下則是必須的。低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50054-95第4.1.2條 ： 配電線路采用的上下級(jí)保護(hù)電器，其動(dòng)作應(yīng)具有選擇性；各級(jí)之間應(yīng)能協(xié)調(diào)配合。但對(duì)于非重要負(fù)荷的保護(hù)電器，可采用無(wú)選擇性切斷。此條文明確了保護(hù)選擇的重要性和采用原則，配電系統(tǒng)上下級(jí)保護(hù)電器的動(dòng)作應(yīng)具有選擇性。以往由于我國(guó)保護(hù)電器的性能較差，在低壓配電系統(tǒng)中要做到是有困難的。目前低壓電器發(fā)展較快，熔斷器、斷路器的更新?lián)Q代產(chǎn)品的特性已有很大的改善。例如按新標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的

3、熔斷器(NT型等)選擇比為1：1.6，具有三段保護(hù)的可調(diào)節(jié)電子脫扣器的斷路器也能大量生產(chǎn)，具有ZSI（區(qū)域選擇性聯(lián)鎖）功能的智能型斷路器也出現(xiàn)了，目前配電系統(tǒng)要做到選擇性已具備條件。    但在工程設(shè)計(jì)中，保護(hù)選擇性往往被忽視，例如某工程設(shè)計(jì)的消火栓泵配電箱系統(tǒng)圖如下：    此工程已知條件：變壓器容量為1600kVA，供電距離為50m，進(jìn)線電纜截面為70mm2，    配電箱主開(kāi)關(guān)為NSX-160F，125A/4，電磁脫扣；分開(kāi)關(guān)為NSX-100F，100A/3，電磁脫扣。  

4、60; 經(jīng)計(jì)算，配電箱分開(kāi)關(guān)出線下端短路電流Id=14kA，查詢NSX開(kāi)關(guān)的保護(hù)選擇性配合表如下表：    通過(guò)上表得知，主開(kāi)關(guān)NSX-160F，125A/4，與分開(kāi)關(guān)為NSX-100F，100A/3沒(méi)有選擇性，當(dāng)一路分開(kāi)關(guān)由于短路故障跳閘時(shí)，主開(kāi)關(guān)與分開(kāi)關(guān)會(huì)一起跳閘，二臺(tái)水泵將全部失電，兩臺(tái)水泵的一用一備形同虛設(shè)，火災(zāi)時(shí)消火栓泵失去滅火作用，造成嚴(yán)重的后果。由此可知低壓配電保護(hù)的選擇性是非常重要的，特別是對(duì)于一級(jí)負(fù)荷而言。如果停電會(huì)造成火災(zāi)、爆炸或人身傷亡危險(xiǎn)的場(chǎng)所，停電會(huì)使生產(chǎn)連續(xù)性中斷而造成設(shè)備或產(chǎn)品大量損壞的場(chǎng)所，停電會(huì)造成重大政治影響或公共秩序混亂的場(chǎng)所

5、，停電會(huì)造成通訊中斷或數(shù)據(jù)丟失的場(chǎng)所的主、分開(kāi)關(guān)以及變電所總開(kāi)關(guān)與分開(kāi)關(guān)，配電保護(hù)必須具有選擇性。    2 低壓配電保護(hù)選擇性的原理    2.1 保護(hù)選擇性的定義    保護(hù)選擇性是指自動(dòng)保護(hù)裝置之間的協(xié)調(diào)配合，使電網(wǎng)任意點(diǎn)的故障可以并僅由故障點(diǎn)的保護(hù)設(shè)備動(dòng)作而上一級(jí)保護(hù)設(shè)備不動(dòng)作。保護(hù)選擇性包括完全選擇性和部分選擇性。    完全選擇性：故障點(diǎn)的所有故障電流值，從過(guò)載到短路電流，無(wú)論故障電流值有多大，均由負(fù)載側(cè)的斷路器D2動(dòng)作分?jǐn)?，而電源?cè)的D1保持閉合。&#

6、160;   部分選擇性：如果在較大短路故障電流情況下，不能滿足完全選擇性，但是可能在某一較低短路故障電流值（選擇性極限電流值）時(shí)，上、下級(jí)斷路器具有選擇性，則稱為部分選擇性。    選擇性極限電流值為負(fù)載側(cè)保護(hù)器與電源側(cè)保護(hù)的時(shí)間-電流特性的相交點(diǎn)，當(dāng)大于此值時(shí)，在負(fù)載側(cè)保護(hù)器動(dòng)作完成前，電源側(cè)保護(hù)器動(dòng)作，因而不能保證選擇性。    如果當(dāng)過(guò)載或短路故障發(fā)生時(shí)，D1和D2斷路器均跳閘，那么此保護(hù)就無(wú)選擇性。    2.2 保護(hù)選擇性的原理    目前施耐

7、德、ABB等很多品牌的斷路器均實(shí)現(xiàn)了從框架斷路器、塑殼斷路器到微型斷路器的全系列的完全選擇性，并提供了保護(hù)選擇性的斷路器配合表以及短路電流的選擇性極限值，可以方便地驗(yàn)證設(shè)計(jì)的配電線路保護(hù)是否具有選擇性并可據(jù)此選出滿足選擇性的斷路器上下級(jí)配合方案。下面以施耐德的NSX系列開(kāi)關(guān)為例介紹保護(hù)選擇性的原理。    斷路器采用快速旋轉(zhuǎn)分?jǐn)嗉夹g(shù)，當(dāng)短路電流達(dá)到某值時(shí)，由于磁斥力使觸頭旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強(qiáng)大電弧能量并使殼內(nèi)氣體壓力大增，推動(dòng)活塞使斷路器瞬間脫扣，具有很強(qiáng)的限流能力。    斷路器保護(hù)的選擇性基于以下原理：   

8、 電流選擇性用于過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)，如果配電斷路器脫扣器長(zhǎng)延時(shí)整定電流之比大于1.6，保護(hù)滿足選擇性。時(shí)間選擇性用于低短路電流保護(hù)，在此情況下，上級(jí)斷路器的脫扣應(yīng)稍微延時(shí)，以使下級(jí)斷路器先脫扣。如果短路保護(hù)電流整定值之比大于1.5的話，能保證保護(hù)的選擇性。    能量選擇性用于大短路電流保護(hù)，此原理結(jié)合斷路器的限流能力和能量脫扣技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)斷路器檢測(cè)到大短路電流時(shí)，下級(jí)斷路器快速限流，上級(jí)斷路器產(chǎn)生的能量不足以引起能量脫扣，這就保證了完全的選擇性，當(dāng)斷路器的殼架額定電流比值大于2.5時(shí)，能確保能量選擇性。    邏輯選擇性用于具有ZSI（

9、區(qū)域選擇性聯(lián)鎖）功能的智能型斷路器，上下級(jí)斷路器之間設(shè)置邏輯聯(lián)鎖，當(dāng)下級(jí)斷路器保護(hù)區(qū)發(fā)生故障，電流大于脫扣器整定值時(shí)，給上級(jí)斷路器發(fā)出邏輯等待命令，使上級(jí)脫扣器延時(shí)動(dòng)作，依次類推，以保證各級(jí)按順序延時(shí)動(dòng)作。由發(fā)生故障處的斷路器切除故障。這樣可保證完全的選擇性。上下各級(jí)斷路器通過(guò)信號(hào)線連接以傳遞動(dòng)作邏輯指令。例如有四級(jí)斷路器串聯(lián)，從上到下分別為D1、D2、D3、D4。假設(shè)短路發(fā)生在D4和D3之間，D3檢測(cè)到短路電流向D2發(fā)出閉鎖命令，關(guān)閉D2所有的保護(hù)功能0.1秒（將D2鎖定），0.1秒以后D2原設(shè)置的各種保護(hù)功能自動(dòng)恢復(fù)，同理D2收到D3的信息后，發(fā)指令使D1延時(shí)0.2秒，同時(shí)由于D3未收到D

10、4發(fā)出的閉鎖命令，D3將瞬動(dòng)切除故障。各級(jí)之間依次類推。目前一些公司的框架及塑殼斷路器均可提供ZSI功能，但造價(jià)相對(duì)較高，適用于對(duì)選擇性有要求的特別重要場(chǎng)所。    2.3 保護(hù)選擇性的條件    保護(hù)選擇性包括自然的選擇性及延時(shí)的選擇性。    自然的選擇性是指僅通過(guò)斷路器的殼架電流及整定電流的級(jí)差來(lái)實(shí)現(xiàn)的選擇性。這可以通過(guò)斷路器的配合實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取選擇性配置，可查閱廠方提供的選擇性配合表。    延時(shí)的選擇性是指采用短路短延時(shí)的方式或者區(qū)域選擇性聯(lián)鎖的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的選擇性。延時(shí)

11、選擇性的保證條件是上級(jí)斷路器的啟動(dòng)時(shí)間大于下級(jí)斷路器的全分閘時(shí)間。    滿足配電保護(hù)選擇性配合的條件為以下之一：    1上下級(jí)斷路器之間具有自然的完全選擇性。    2上下級(jí)斷路器之間具有自然的部分選擇性，且下級(jí)三相全短路故障電流值低于選擇性極限電流值。    3上級(jí)斷路器增加保護(hù)延時(shí)直至下級(jí)斷路器全分閘。    3 低壓配電保護(hù)的選擇性配合3.1 上下級(jí)斷路器采用自然的完全選擇性    按照生產(chǎn)商提供

12、的斷路器選擇性配合表，選擇具有完全選擇性的上下級(jí)斷路器。自然的完全選擇性的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論故障電流的大小均能保證選擇性，不會(huì)因?yàn)樵黾友訒r(shí)時(shí)間而增加系統(tǒng)的動(dòng)、熱穩(wěn)定性負(fù)擔(dān)。配電系統(tǒng)保護(hù)應(yīng)優(yōu)先考慮自然的選擇性。滿足上下級(jí)斷路器的自然的完全選擇性的必要條件見(jiàn)下表（以施耐德斷路器為例）：    以上是必要條件，滿足上表要求的上下級(jí)斷路器基本可滿足完全選擇性要求，但個(gè)別滿足表中要求的為部分選擇性，還需要進(jìn)一步加以判斷。因此是否能滿足完全選擇性的要求應(yīng)以廠方提供的斷路器選擇性配合表為準(zhǔn)。    通過(guò)合理的系統(tǒng)規(guī)劃以及設(shè)備選型，可以做到自然的完全選擇性，

13、當(dāng)上下級(jí)保護(hù)級(jí)差較小無(wú)法采用完全選擇性的斷路器或者采用完全選擇性配置不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可以采用部分選擇性，條件是三相短路電流低于選擇性極限電流值。    故障點(diǎn)短路電流的計(jì)算是確定部分選擇性是否滿足要求的基礎(chǔ)，是驗(yàn)算動(dòng)熱穩(wěn)定性及保護(hù)靈敏度的基礎(chǔ)，也是確定選用脫扣器類型的基礎(chǔ)。對(duì)于重要回路的短路電流計(jì)算是工程設(shè)計(jì)中不容忽視的步驟。    3.2 斷路器的脫扣器類型與選擇性的關(guān)系    以施耐德斷路器為例，其脫扣器分為熱磁脫扣器（TM）、電磁脫扣器（MA）、電子脫扣器(MIC2)及智能脫扣器(MIC5/6)等。各類脫

14、扣器參數(shù)大致如下：    熱磁脫扣器的參數(shù)為：Ir=（0.71）In，Im=（510）In。二段保護(hù)。    電磁脫扣器的參數(shù)為：Im=（512）In。一段保護(hù)。    電子脫扣器的參數(shù)為：Ir=（0.91）×（0.41）In，Isd=（1.510）Ir ，Im=12In。三段保護(hù)。    智能脫扣器的參數(shù)為：Ir=（0.91）×（0.41）In，Isd=（1.510）Ir ，Im=（1015）In。三段或四段保護(hù)。并增加Tr和Tsd的可調(diào)節(jié)。 

15、   上式中Ir：長(zhǎng)延時(shí)整定電流， Isd：短路短延時(shí)整定電流， Im：短路瞬時(shí)整定電流，In：脫扣器額定電流，Tr：長(zhǎng)延時(shí)整定時(shí)間，Tsd：短延時(shí)整定時(shí)間。    由上可看出，電子脫扣器及智能脫扣器為三段保護(hù)，其電流調(diào)節(jié)范圍更大，更容易滿足選擇性要求，且保護(hù)靈敏度也容易滿足，可用于電源端及中間級(jí)配電，其中MIC2型電子脫扣器由于沒(méi)有時(shí)間調(diào)節(jié)，當(dāng)短路電流較大時(shí)難以實(shí)現(xiàn)時(shí)間選擇，故更多用于中間級(jí)甚至末端配電。而MIC5/6型智能脫扣器還帶有時(shí)間調(diào)節(jié)，可關(guān)閉瞬時(shí)保護(hù)，是真正的選擇性脫扣器，適用于電源端配電保護(hù)。熱磁脫扣器為二段保護(hù)，適合用于末端配電

16、，可無(wú)選擇性瞬時(shí)脫扣。電磁脫扣器用于電機(jī)啟動(dòng)場(chǎng)所或不允許過(guò)載跳閘場(chǎng)所。    當(dāng)故障點(diǎn)短路電流小于10Ir時(shí)，可以采用自然的完全選擇性，當(dāng)短路電流較小可能造成上級(jí)斷路器的保護(hù)死區(qū)時(shí)，上級(jí)斷路器可采用三段保護(hù)來(lái)消除死區(qū)；當(dāng)故障點(diǎn)短路電流大于1015倍Ir時(shí)，可采用斷路器額定電流的級(jí)差來(lái)保證自然的能量選擇性，若級(jí)差不夠時(shí)，可取消上級(jí)斷路器的瞬時(shí)保護(hù)而改用短延時(shí)保護(hù)，同時(shí)增加上級(jí)脫扣器的短路延時(shí)動(dòng)作時(shí)間（一般相差0.1S）,但需驗(yàn)算時(shí)間增加時(shí)的動(dòng)、熱穩(wěn)定性。各類型保護(hù)的分閘時(shí)間見(jiàn)下表：故障電流分閘時(shí)間保護(hù)類別0.41In（=Ir）1200s過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)1.510Ir2

17、0500ms短路短延時(shí)保護(hù)1015Ir1050ms短路瞬時(shí)保護(hù)15Ir5ms短路能量保護(hù)     3.3 各級(jí)配電保護(hù)的選擇性配合    低壓配電系統(tǒng)一般分二到三級(jí)，不宜超過(guò)三級(jí)。第一級(jí)為變電所低壓柜，第二級(jí)為中間（樓層）配電箱，第三級(jí)為終端配電箱。應(yīng)盡量減少配電級(jí)數(shù)，級(jí)數(shù)少有利于保護(hù)的選擇性配合。對(duì)于各級(jí)配電保護(hù)的選擇性配合探討如下：    1變電所低壓柜    一般總開(kāi)關(guān)及聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)采用框架斷路器，出線開(kāi)關(guān)采用塑殼斷路器。    總開(kāi)

18、關(guān)與聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)應(yīng)有選擇性，方法一是按選擇性表格選型，框架電流一般相差二級(jí)時(shí)可以保證選擇性要求；方法二是聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)取消瞬動(dòng)保護(hù)，總開(kāi)關(guān)與分開(kāi)關(guān)的長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)整定值的比值不小于1.6；方法三是聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)改為框架式負(fù)荷開(kāi)關(guān)。    總開(kāi)關(guān)與分開(kāi)關(guān)應(yīng)有選擇性，以施耐德MT型框架開(kāi)關(guān)與NSX型塑殼開(kāi)關(guān)為例，經(jīng)查表比對(duì)，基本上實(shí)現(xiàn)了全系列的完全選擇性。工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)建議為保證選擇性低壓總開(kāi)關(guān)取消瞬時(shí)保護(hù)，僅設(shè)短延時(shí)保護(hù)。筆者認(rèn)為這是沒(méi)有必要的，變壓器低壓出線總開(kāi)關(guān)不宜取消瞬時(shí)保護(hù)，一方面難以復(fù)核系統(tǒng)設(shè)備及線排的動(dòng)熱穩(wěn)定性，大短路電流時(shí)應(yīng)該采用能量保護(hù)快速分閘以減少對(duì)電氣設(shè)備及

19、母排的損害，特別是對(duì)變壓器的損害，另一方面，低壓總開(kāi)關(guān)采用延時(shí)脫扣不利于高壓側(cè)繼電保護(hù)的整定。同時(shí)目前上級(jí)框架開(kāi)關(guān)與下級(jí)塑殼開(kāi)關(guān)已實(shí)現(xiàn)了自然的完全選擇性，不必考慮短路故障電流過(guò)大的問(wèn)題。    變電所低壓總開(kāi)關(guān)宜采用具有全參數(shù)調(diào)節(jié)的智能型脫扣器，采用三段式保護(hù)或四段式保護(hù)（增加接地故障保護(hù)，建議作用于信號(hào)）。當(dāng)變電所少數(shù)出線開(kāi)關(guān)容量較大而采用框架斷路器時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意，此回路應(yīng)盡量減少容量，不行時(shí)可分成二路出線。應(yīng)保證總開(kāi)關(guān)與分開(kāi)關(guān)的長(zhǎng)延時(shí)整定電流的比值大于1.6且框架電流相差2.5倍以實(shí)現(xiàn)自然的完全選擇性。這一點(diǎn)是不難做到的。變電所出線開(kāi)關(guān)建議采用電子脫扣器

20、，重要回路采用智能脫扣器，三段式保護(hù)。一方面是滿足對(duì)下級(jí)配電前段線路保護(hù)的靈敏度要求，一方面是為更好的滿足保護(hù)選擇性的要求。當(dāng)與下級(jí)配電開(kāi)關(guān)的瞬動(dòng)滿足不了選擇性要求時(shí)可取消出線開(kāi)關(guān)瞬時(shí)保護(hù)改用短延時(shí)保護(hù)。對(duì)于變電所出線回路的漏電探測(cè)，為保證選擇性，建議僅作用于信號(hào)而不跳閘。    2中間（樓層）配電箱    一般總開(kāi)關(guān)及出線開(kāi)關(guān)采用塑殼斷路器。若由變電所至中間（樓層）配電箱采用放射式供電，則中間（樓層）配電箱總開(kāi)關(guān)可以采用負(fù)荷開(kāi)關(guān)，這樣由于上級(jí)變電所出線開(kāi)關(guān)至本箱的分開(kāi)關(guān)距離較遠(yuǎn)，短路電流相差較大，更易實(shí)現(xiàn)保護(hù)選擇性，當(dāng)有保護(hù)死區(qū)時(shí)上

21、級(jí)變電所出線開(kāi)關(guān)可采用三段保護(hù)（過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)、短路短延時(shí)保護(hù)、瞬時(shí)動(dòng)作保護(hù)）以提高保護(hù)靈敏度；當(dāng)由變電所至本箱采用樹(shù)干式配電，則本箱總開(kāi)關(guān)應(yīng)采用斷路器。變電所出線開(kāi)關(guān)、本箱總開(kāi)關(guān)及分開(kāi)關(guān)均應(yīng)按照所選斷路器品牌的選擇性配合表進(jìn)行選型，以實(shí)現(xiàn)完全選擇性配置。    3終端配電箱    一般總開(kāi)關(guān)采用塑殼斷路器，分開(kāi)關(guān)采用塑殼或微型斷路器。當(dāng)分開(kāi)關(guān)采用微型斷路器，主開(kāi)關(guān)采用塑殼斷路器時(shí)，其選擇性容易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)分開(kāi)關(guān)及主開(kāi)關(guān)均采用微型斷路器時(shí)，上下級(jí)只有部分選擇性，則要求計(jì)算此處的短路電流。當(dāng)小于選擇性極限電流時(shí)可以滿足選擇性要求，否則主開(kāi)關(guān)只能采用塑殼斷路器。若由中間（樓層）配電箱至終端配電箱采用放射式供電，則終端配電箱總開(kāi)關(guān)可以采用負(fù)荷開(kāi)關(guān)，易實(shí)現(xiàn)與上級(jí)的保護(hù)選擇性；當(dāng)為樹(shù)干式供電時(shí)，則本箱總開(kāi)關(guān)應(yīng)采用斷路器。中間（樓層）配電箱出線開(kāi)關(guān)、本箱總開(kāi)關(guān)及分開(kāi)關(guān)均應(yīng)按照所選斷路器品牌的選擇性配合表進(jìn)行選型，實(shí)現(xiàn)完全選擇性配置。