低壓配電系統(tǒng)選擇性保護分析

1、低壓配電保護的選擇性探討  2012-7-16 0:00:00馮星明（中南建筑設(shè)計院股份有限公司，武漢市 430071）    摘  要：通過工程設(shè)計實例，闡述了低壓配電保護采用選擇性配合的必要性，介紹了低壓配電保護選擇性的定義、原理和方法，提出了滿足保護選擇性的條件，論述了自然的選擇性的概念及要求，并對低壓各級配電的保護選擇性配合及斷路器選型進行了充分的探討。    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 低壓配電保護選擇性配合的必要性    低壓配電保護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)計規(guī)范GB 50054-95第4.1.2條 ： 配電線路采用的上下級保護電器，其動作應具有選擇性；各級之間應能協(xié)調(diào)配合。但對于非重要負荷的保護電器，可采用無選擇性切斷。此條文明確了保護選擇的重要性和采用原則，配電系統(tǒng)上下級保護電器的動作應具有選擇性。以往由于我國保護電器的性能較差，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。例如按新標準生產(chǎn)的

3、熔斷器(NT型等)選擇比為1：1.6，具有三段保護的可調(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)計中，保護選擇性往往被忽視，例如某工程設(shè)計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，進線電纜截面為70mm2，    配電箱主開關(guān)為NSX-160F，125A/4，電磁脫扣；分開關(guān)為NSX-100F，100A/3，電磁脫扣。  

4、60; 經(jīng)計算，配電箱分開關(guān)出線下端短路電流Id=14kA，查詢NSX開關(guān)的保護選擇性配合表如下表：    通過上表得知，主開關(guān)NSX-160F，125A/4，與分開關(guān)為NSX-100F，100A/3沒有選擇性，當一路分開關(guān)由于短路故障跳閘時，主開關(guān)與分開關(guān)會一起跳閘，二臺水泵將全部失電，兩臺水泵的一用一備形同虛設(shè)，火災時消火栓泵失去滅火作用，造成嚴重的后果。由此可知低壓配電保護的選擇性是非常重要的，特別是對于一級負荷而言。如果停電會造成火災、爆炸或人身傷亡危險的場所，停電會使生產(chǎn)連續(xù)性中斷而造成設(shè)備或產(chǎn)品大量損壞的場所，停電會造成重大政治影響或公共秩序混亂的場所

5、，停電會造成通訊中斷或數(shù)據(jù)丟失的場所的主、分開關(guān)以及變電所總開關(guān)與分開關(guān)，配電保護必須具有選擇性。    2 低壓配電保護選擇性的原理    2.1 保護選擇性的定義    保護選擇性是指自動保護裝置之間的協(xié)調(diào)配合，使電網(wǎng)任意點的故障可以并僅由故障點的保護設(shè)備動作而上一級保護設(shè)備不動作。保護選擇性包括完全選擇性和部分選擇性。    完全選擇性：故障點的所有故障電流值，從過載到短路電流，無論故障電流值有多大，均由負載側(cè)的斷路器D2動作分斷，而電源側(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，上、下級斷路器具有選擇性，則稱為部分選擇性。    選擇性極限電流值為負載側(cè)保護器與電源側(cè)保護的時間-電流特性的相交點，當大于此值時，在負載側(cè)保護器動作完成前，電源側(cè)保護器動作，因而不能保證選擇性。    如果當過載或短路故障發(fā)生時，D1和D2斷路器均跳閘，那么此保護就無選擇性。    2.2 保護選擇性的原理    目前施耐

7、德、ABB等很多品牌的斷路器均實現(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，可以方便地驗證設(shè)計的配電線路保護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配合方案。下面以施耐德的NSX系列開關(guān)為例介紹保護選擇性的原理。    斷路器采用快速旋轉(zhuǎn)分斷技術(shù)，當短路電流達到某值時，由于磁斥力使觸頭旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強大電弧能量并使殼內(nèi)氣體壓力大增，推動活塞使斷路器瞬間脫扣，具有很強的限流能力。    斷路器保護的選擇性基于以下原理：   

8、 電流選擇性用于過載長延時保護，如果配電斷路器脫扣器長延時整定電流之比大于1.6，保護滿足選擇性。時間選擇性用于低短路電流保護，在此情況下，上級斷路器的脫扣應稍微延時，以使下級斷路器先脫扣。如果短路保護電流整定值之比大于1.5的話，能保證保護的選擇性。    能量選擇性用于大短路電流保護，此原理結(jié)合斷路器的限流能力和能量脫扣技術(shù)，當兩個斷路器檢測到大短路電流時，下級斷路器快速限流，上級斷路器產(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，當斷路器的殼架額定電流比值大于2.5時，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，上下級斷路器之間設(shè)置邏輯聯(lián)鎖，當下級斷路器保護區(qū)發(fā)生故障，電流大于脫扣器整定值時，給上級斷路器發(fā)出邏輯等待命令，使上級脫扣器延時動作，依次類推，以保證各級按順序延時動作。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。上下各級斷路器通過信號線連接以傳遞動作邏輯指令。例如有四級斷路器串聯(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檢測到短路電流向D2發(fā)出閉鎖命令，關(guān)閉D2所有的保護功能0.1秒（將D2鎖定），0.1秒以后D2原設(shè)置的各種保護功能自動恢復，同理D2收到D3的信息后，發(fā)指令使D1延時0.2秒，同時由于D3未收到D

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

11、選擇性的保證條件是上級斷路器的啟動時間大于下級斷路器的全分閘時間。    滿足配電保護選擇性配合的條件為以下之一：    1上下級斷路器之間具有自然的完全選擇性。    2上下級斷路器之間具有自然的部分選擇性，且下級三相全短路故障電流值低于選擇性極限電流值。    3上級斷路器增加保護延時直至下級斷路器全分閘。    3 低壓配電保護的選擇性配合3.1 上下級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斷路器。自然的完全選擇性的優(yōu)點是無論故障電流的大小均能保證選擇性，不會因為增加延時時間而增加系統(tǒng)的動、熱穩(wěn)定性負擔。配電系統(tǒng)保護應優(yōu)先考慮自然的選擇性。滿足上下級斷路器的自然的完全選擇性的必要條件見下表（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斷路器基本可滿足完全選擇性要求，但個別滿足表中要求的為部分選擇性，還需要進一步加以判斷。因此是否能滿足完全選擇性的要求應以廠方提供的斷路器選擇性配合表為準。    通過合理的系統(tǒng)規(guī)劃以及設(shè)備選型，可以做到自然的完全選擇性，

13、當上下級保護級差較小無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)濟時，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。    故障點短路電流的計算是確定部分選擇性是否滿足要求的基礎(chǔ)，是驗算動熱穩(wěn)定性及保護靈敏度的基礎(chǔ)，也是確定選用脫扣器類型的基礎(chǔ)。對于重要回路的短路電流計算是工程設(shè)計中不容忽視的步驟。    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。    電磁脫扣器的參數(shù)為：Im=（512）In。一段保護。    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。    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。并增加Tr和Tsd的可調(diào)節(jié)。 

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

16、，可無選擇性瞬時脫扣。電磁脫扣器用于電機啟動場所或不允許過載跳閘場所。    當故障點短路電流小于10Ir時，可以采用自然的完全選擇性，當短路電流較小可能造成上級斷路器的保護死區(qū)時，上級斷路器可采用三段保護來消除死區(qū)；當故障點短路電流大于1015倍Ir時，可采用斷路器額定電流的級差來保證自然的能量選擇性，若級差不夠時，可取消上級斷路器的瞬時保護而改用短延時保護，同時增加上級脫扣器的短路延時動作時間（一般相差0.1S）,但需驗算時間增加時的動、熱穩(wěn)定性。各類型保護的分閘時間見下表：故障電流分閘時間保護類別0.41In（=Ir）1200s過載長延時保護1.510Ir2

17、0500ms短路短延時保護1015Ir1050ms短路瞬時保護15Ir5ms短路能量保護     3.3 各級配電保護的選擇性配合    低壓配電系統(tǒng)一般分二到三級，不宜超過三級。第一級為變電所低壓柜，第二級為中間（樓層）配電箱，第三級為終端配電箱。應盡量減少配電級數(shù)，級數(shù)少有利于保護的選擇性配合。對于各級配電保護的選擇性配合探討如下：    1變電所低壓柜    一般總開關(guān)及聯(lián)絡開關(guān)采用框架斷路器，出線開關(guān)采用塑殼斷路器。    總開

18、關(guān)與聯(lián)絡開關(guān)應有選擇性，方法一是按選擇性表格選型，框架電流一般相差二級時可以保證選擇性要求；方法二是聯(lián)絡開關(guān)取消瞬動保護，總開關(guān)與分開關(guān)的長延時保護整定值的比值不小于1.6；方法三是聯(lián)絡開關(guān)改為框架式負荷開關(guān)。    總開關(guān)與分開關(guān)應有選擇性，以施耐德MT型框架開關(guān)與NSX型塑殼開關(guān)為例，經(jīng)查表比對，基本上實現(xiàn)了全系列的完全選擇性。工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊建議為保證選擇性低壓總開關(guān)取消瞬時保護，僅設(shè)短延時保護。筆者認為這是沒有必要的，變壓器低壓出線總開關(guān)不宜取消瞬時保護，一方面難以復核系統(tǒng)設(shè)備及線排的動熱穩(wěn)定性，大短路電流時應該采用能量保護快速分閘以減少對電氣設(shè)備及

19、母排的損害，特別是對變壓器的損害，另一方面，低壓總開關(guān)采用延時脫扣不利于高壓側(cè)繼電保護的整定。同時目前上級框架開關(guān)與下級塑殼開關(guān)已實現(xiàn)了自然的完全選擇性，不必考慮短路故障電流過大的問題。    變電所低壓總開關(guān)宜采用具有全參數(shù)調(diào)節(jié)的智能型脫扣器，采用三段式保護或四段式保護（增加接地故障保護，建議作用于信號）。當變電所少數(shù)出線開關(guān)容量較大而采用框架斷路器時，設(shè)計時一定要注意，此回路應盡量減少容量，不行時可分成二路出線。應保證總開關(guān)與分開關(guān)的長延時整定電流的比值大于1.6且框架電流相差2.5倍以實現(xiàn)自然的完全選擇性。這一點是不難做到的。變電所出線開關(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。一方面是滿足對下級配電前段線路保護的靈敏度要求，一方面是為更好的滿足保護選擇性的要求。當與下級配電開關(guān)的瞬動滿足不了選擇性要求時可取消出線開關(guān)瞬時保護改用短延時保護。對于變電所出線回路的漏電探測，為保證選擇性，建議僅作用于信號而不跳閘。    2中間（樓層）配電箱    一般總開關(guān)及出線開關(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）配電箱總開關(guān)可以采用負荷開關(guān)，這樣由于上級變電所出線開關(guān)至本箱的分開關(guān)距離較遠，短路電流相差較大，更易實現(xiàn)保護選擇性，當有保護死區(qū)時上

21、級變電所出線開關(guān)可采用三段保護（過載長延時保護、短路短延時保護、瞬時動作保護）以提高保護靈敏度；當由變電所至本箱采用樹干式配電，則本箱總開關(guān)應采用斷路器。變電所出線開關(guān)、本箱總開關(guān)及分開關(guān)均應按照所選斷路器品牌的選擇性配合表進行選型，以實現(xiàn)完全選擇性配置。    3終端配電箱    一般總開關(guān)采用塑殼斷路器，分開關(guān)采用塑殼或微型斷路器。當分開關(guān)采用微型斷路器，主開關(guān)采用塑殼斷路器時，其選擇性容易實現(xiàn)。當分開關(guān)及主開關(guān)均采用微型斷路器時，上下級只有部分選擇性，則要求計算此處的短路電流。當小于選擇性極限電流時可以滿足選擇性要求，否則主開關(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，則終端配電箱總開關(guān)可以采用負荷開關(guān)，易實現(xiàn)與上級的保護選擇性；當為樹干式供電時，則本箱總開關(guān)應采用斷路器。中間（樓層）配電箱出線開關(guān)、本箱總開關(guān)及分開關(guān)均應按照所選斷路器品牌的選擇性配合表進行選型，實現(xiàn)完全選擇性配置。