低压配电系统选择性保护技术的研究及应用

低压配电系统选择性保护技术的研究及应用

张鑫

北京东方华脉工程设计有限公司 100081

摘要：在低压配电系统中断路器的选择性保护是关键。综合分析比较断路器的几种选择性保护技术优缺点，阐述了低压配电系统对选择性保护的要求，引入选择性保护技术分析并解决某交换机房低压配电系统的故障，提出了低压配电系统有效的预防及监控措施。低压配电系统选择性保护技术能够提高供电系统供电的连续性，优化并降低供电系统成本。

关键词：低压配电系统; 断路器; 选择性保护; 安全可靠;

引言：智能低压配电网的主要目标是实现供电的可靠性与连续性。随着低压配电网络规模的不断扩大,配电层级不断增多,低压配电系统短路故障变得更加频繁。短路故障一旦发生后,若不能快速可靠地切除故障,轻则造成电压跌落等,影响供电质量;重则冲击电气设备与供电系统的动、热稳定性;更有甚者引发火灾等事故危害。同时,在多层级配电网络中易造成上、下级断路器同时跳闸或越级跳闸的情况,扩大了故障的影响范围。对于低压配电系统而言,解决这一问题最有效的方法是实现选择性保护。

传统的选择性保护方法都是基于电流选择性和时间选择性提出的 。电流选择性通过设定上、下级断路器不同的电流整定值来实现,当故障电流超过下级断路器整定值且未达到上级整定值时可实现选择性保护,其选择极限电流小于上级断路器动作电流。在电流选择性的基础上,通过设置上级断路器的延时动作时间,可拓宽选择性保护的电流范围,即时间选择性。增大延时时间的同时,电气设备与供电系统也需承受更多的短路电流冲击。近年来,为提高产品的选择性保护能力,虚拟时间选择性和能量选择性保护方法被提出 ,均是通过改进断路器本身的机构,利用限流能力来改善选择性保护的特性曲线。虽然改进的方法可以提高上、下级断路器的配合,但仍无法从本质上解决同时跳闸或越级跳闸的问题。

逻辑选择性在上、下级断路器间增加了通信功能,支路断路器检测到短路故障后,立即向上级断路器发出闭锁信号 ,收到信号的断路器即使检测到短路故障也不动作,最后只有离故障点最近的断路器动作。逻辑选择性有利地解决了同时跳闸和越级跳闸的问题,说明了通信技术应用于选择性保护中的优势。但随着配电网络区域大型化和复杂化,只在上、下级之间发送简单的闭锁信号,而不考虑保护电器与保护电器之间、保护电器与供电系统之间信息的有效交互,已不能满足现今对选择性保护的要求。

面对当前选择性保护的发展方向从局部选择性提升到全局选择性,保护范围从电源侧向终端侧延伸 ,提出了一种低压配电系统的多层级、全范围的选择性保护技术。

1 低压配电系统选择性保护技术

在短路保护的区域范围中, 实现对低压配电系统中的断路器进行选择性保护跳闸是具有相当难度的, 要实现保护性跳闸的选择性需要通过多种办法来相互配合。

1. 电流的选择性

若是在低压配电系统中出现了短路故障, 则应该按照系统线路阻抗的差异所导致上下级断路器所测出的短路电流大小的差异来选择保护电流。完成这项保护就需要通过相邻级的断路器当中脱扣器的动作值差异来实现, 通常情况下这种办法会应用在A类塑料断路器、剩余动作电流断路器以及小型断路器的保护当中。根据相关的标准要求, 通常情况下断路器A的最小瞬动电流不得低于断路器B的最小瞬动电流的1.4倍。

(2) 时间上的选择性

若是在短路电流偏大的情况下, 则应该按照上下级断路器动作时间的差异来完成选择性保护。断路器的断开动作过程是从发生短路故障到脱扣器解扣, 然后断路器的触头由于操作机构的动作而断开, 在这个动作过程当中所产生的电弧会被灭弧装置所熄灭, 断路器的开断动作过程便彻底完成。而从短路故障发生到脱扣器自动解扣的中间过程有一段很短的时间, 这段时间通常名为脱扣时间, 而整个断开动作所使用的时间名为全分断动作时间。要想确保时间选择性, 断路器就必须保证在安秒特性曲线当中, 主断路器的脱扣时间不得低于分支断路器的全分断动作时间。

(3) 虚拟时间的选择性

若下级配线使用的是限流型断路器, 则上级进线所承受的短路电流与限流的系数是息息相关的, 若是限流系数较小, 短路电流造成的作用则较小, 线路的动作时间较长, 这样一来配线和进线的选择性保护特性便有效加强。

(4) 逻辑上的选择性

逻辑选择性还有另一个名称———交区域选择性联锁。实现逻辑选择性保护的前提是上下级的断路器需要有足够的智能化程度, 同时还要具备通信功能。而逻辑性选择的动作流程则是下级断路器出现故障并检测到故障之后立刻对上级断路器发送信号, 让上级断路器不会脱扣, 上级断路器在接收到信号后确认是不脱扣的指令并执行不脱扣的动作。然后下级断路器便立即进行跳闸动作, 及时切除故障发生位置的电源, 最后上级断路器保持闭合状态, 或是在设定时间内发现下级断路器仍未脱扣的情况下立即脱扣。

(5) 能量的选择性

能量的选择性指的是在上下级断路器都拥有限流能力的情况下, 通过具有灵敏脱扣性能的脱扣器来反应线路上的短路能力, 以此来实现选择性保护技术。在出现故障的情况下, 上下级断路器同时检测到大量的电流, 拥有强大限流速度的下级断路器能够让短路能量降低到上级断路器判定进行脱扣动作的标准之下, 使得上级断路器不会进行脱扣动作。根据上下级断路器的能量曲线能够发现, 要想实现能量选择性就必须确保下级断路器的短路能量曲线不能高于上级断路器。

2低压配电系统对断路器的要求

2.1低压配电系统的组成

低压配电系统是通信局（站）供配电系统的重要组成部分，主要将变压器输出的低压市电与低压油机发电机组的电能按照要求进行切换，同时完成电能的分配工作，一般安装在低压开关柜中。低压配电系统组成结构如图5所示。

图5 低压配电系统组成结构图 

大容量通信局（站）系统，可以进行两路市电与一台或两台油机的切换。进线柜主要完成市电的引入、计量、测量与保护工作，主要安装了避雷器、断路器、电流互感器；ATS柜主要实现市电与应急电源或市电与市电直接的切换，安装设备包括ATS（双电源自动转换开关）、空气断路器、电流互感器CT等；补偿柜主要用来提高功率因数，它与配电系统并联运行，主要安装了负荷开关、避雷器、接触器、电抗、电容、熔断器等；馈电柜完成电能的分配工作，主要由断路器、电流互感器组成。两路市电母线通过联络柜进行组合，联络柜主要完成两段母线的闭合与分断，主要由断路器、电流互感器组成。

2.2选择性保护的要求

（1）进线柜内的断路器作为变压器输出的第一级开关，应根据负载电流选择断路器的额定电流，考虑到负载断电重启后的冲击电流，断路器的带载量应小于额定电流的70%以下，同时由于短路时产生的故障电流较大，为保护系统，要求其能够承受的短时耐受电流最大。

（2）当故障发生时，邻近故障的前一级断路器，必须快速切断故障电流，同时具有选择性保护的上级断路器的脱扣机构不动作，始终处于闭合状态。即馈电柜内的断路器先跳闸，总的进线断路器不脱扣。

（3）由于馈电柜内的断路器分断故障电流需要一定的时间，主开关断路器应能承受该短时间的短路或过载电流，保持在合闸状态，同时工作正常。

结语

为保证低压配电系统的安全运行，提高通信设备的供电可靠性，保障设备与人身安全，需要加强断路器的选择性保护技术应用。在日常工作中注重系统的日常巡检与测试，防患于未然。随着设备与系统智能化程度的提高，配电系统的不断完善，供电连续性与可靠性将会进一步提高。

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