低压配电系统选择性保护技术研究

黄珂

（海洋石油富岛有限公司 海南省东方市 572600）

1 相关概念概述

1.1 低压配电系统

低压配电系统是根据不同用户的需求，在遵循国家配电系统标准的前提下的具有自动化、高性能等特点的智能配电系统。该系统通常被用于电负荷不断增多的情况下，不仅可以通过遥测和遥控等手段对电负荷进行智能调节、节约电能，还能对使用范围内各种耗电设备的耗电量进行记录，如记录插座、空调等用电电的高反与低谷进行记录，以此为电能管理提高依据。

1.2 选择性保护技术

选择性保护技术是指在低压配电系统中存在多个保护装置或两个或两个以上子配电系统前提下，当部分系统或线路发生故障时可通过保护装置的选择性动作实现各部门间的配合，避免大规模故障的出现。如图1所示。

图1：低压配电系统线路简图

简单来说，选择性保护技术就是在低压配电系统发生电路、或接地过流等电流故障时，先从发生故障所在的断路器跳闸，再由下而上依次切断电源。当图示位置发生电路故障时，跳闸次序依次为：三级配电系统、二级配电系统、低压进线断路器。自下而上的跳闸次序主要是为了最大程度的缩小电流故障的影响范围，将故障造成的危害最小化。此外，在未发生电路故障时，选择性保护技术还能为部分系统提供相应的技术支持，从而有效避免配电系统故障的发生，优化低压配电系统的运行环境。

1.3 低压配电系统的选择性保护技术

低压配电系统中选择性保护技术按保护性能可分为两类：

一是全选择性。针对配有两台或两台以上串联的保护装置的低压配电系统，其中某一台超负荷或发生故障时，该部位过流保护装置会选择对其进行过电保护，但并不会对其他过流保护装置产生相应的影响。如图2所示。

图2：串联低压配电线路图

当Q1位置出现故障，该处过流保护装置会执行特定动作，但Q2并不受该动作的影响，仍然继续平稳供电，这就选择性保护技术的全选择性。二是局部选择性。在与上图所示同样的串联保护装置中，给定一个电流阀值，当某出电流超负荷时，Q1与Q2都会被切断电源。即上下级断路器在过电流故障发生时特性曲线存在重合点，不能实现全部选择性。

2 选择性保护技术适用情形

低压配电系统中常见故障大致可分为三类，即超负荷、短路故障以及工艺性过载故障。不同的故障的选择性配合情况也不尽相同，目前，已有许多专家学者对不同故障情况下选择性保护条件进行了研究，具体情况如下：

2.1 过载时的选择性保护

当低压配电系统运行过程中过载动作进行的时间较长时，低压配电系统中电流过渡时的燃弧以及动作时间可被忽略。一般情况下，在对低压配电系统进行选择性保护检查时，首先要确定绘制时间。例如，t1与t2分别为两个不同的绘制时间，而在对两者进行同一电流进行分析时，低压配电系统的选择性保护是否遭到破坏与t1、t2间的大小关系有较大关联。即在t1＞t2时，低压配电系统的选择性不会被破坏。在两个绘制时间相等时，选择性通过感应元件进行电流加热来触发保护机制。而在这种情况下，I1也会与I2相等，从而触发选择性保护条件（1）。

公式（1）中的1和2是I以及T的一级电器时间（t1）以及下一级电器时间（t2），PC是制造偏差，YR是预热的影响。

2.2 短路的选择性保护

短路是低压配电系统中最常见的故障，也是选择性保护技术运用最广泛的地方，由于在低压配电系统中突发短路故障时选择性保护配合动作时间较短，因此，在短路时的保护性配合中要充分考虑电路的过渡阶段。设I1=I2=I（I1、I2、I分别为过渡过程、燃弧时间、结构动作时间），同时若上一级电器为热式电器时，还需要配合下一级的所有电器，必须考虑下级电器可能会造成的误差。相反，如果上一级为电磁式电器时，由于不再有延时时间，此时t1与电流I没有关联，选择性保护条件为（2）：

2.3 工艺性过载的选择性保护

当低压配电系统中电动机的两个曲线有交点时，即特性曲线与熔断器特性曲线数值相等时，两个断路器会失去原有的选择性保护同时断开。此时，应该保证电动机顺利启动从而确保上下级间的良好配合。

3 低压配电系统选择性保护技术要求

3.1 给定电流阀值时的选择性

所谓的电流的选择性是指如图3所示的二级配电系统中，两只断路器为上下级联式，给定电流阀值时，下级断路器无论是发生短路故障还是过载电流小于上级断路器等情况，都能保证故障发生时距离故障点最近的断路器能及时并最先做出跳闸动作。在图3中断路器QF2电流负载即其额定电流值比母线断路器QF1小。此时，负载发生过电流故障时，根据上述的选择性保护原则可知，QF2先跳闸。而若QF2断路器已被损坏无法触发保护机制时，临近的母线侧断路器也能实现选择性保护机制。

图3：二级配电系统图

3.2 时间的选择性

同样在图3所示的故障中，如果故障处电流比距离最近的断路器QF2的动作电流大的多，且该处电流已经与母线断路器QF1处的电流相接近时，两个断路器将一起跳闸。此时，在时间上的选择性即为同一时刻，无先后顺序。而为了尽可能避免类似事故的频繁发生，保护电路的稳定性，可采用断路器级联保护手段来进行时间选择性的把握。首先，延时时间设定为：QF1＞QF2。当负载处触发过电流保护机制时，两个断路器同时触发延时保护。但断路器QF2的延时时间相较于QF1来说更短，而QF1在合闸状态下将先发出动作切断故障回路，如果QF2在延时时间设定范围内依然为进行保护，说明QF2发生故障，此时QF1会自动判定下级断路器发生故障。此种时间选择性使得配线与进线的保护性进一步加强。

3.3 逻辑选择性

逻辑选择性又可称为——交区域选择性联锁。与其他电流、时间选择性相比逻辑选择性保护情况更复杂，因此需要各级断路器间的智能化达到一定程度，除此之外，各级断路器间还需要有一定的通信能力，从而在故障发生时向上级断路器发送故障信号。具体动作流程可分为三步：

第一步：下级断路器在出现并检测到相关故障时马上将故障信号发送给最近的断路器并向上级传送，以便让上级断路器不会李佳恩断闸。

第二步：上级断路器根据接受到的故障信号来判断是否为不脱扣及跳闸指令，若为不脱扣指令便执行该动作。同时，下级断路器进入保护状态，执行跳闸动作，将故障处电源及时切除。

第三步：上级断路器在执行不跳闸指令后，判断在设定的时间内故障处断路器是否已跳闸，若超过设定时间下级断路器未跳闸则立即脱扣。

3.4 能量的选择性

当联级断路器中，不止一个断路器拥有限流保护能力时，需要将选择性保护的重心放在能量选择上来。能量选择判断依据主要是通过断路器脱扣性能的好坏与反应线路上短路电流能力来实现选择性保护技术的能量选择性。简单来说，故障发生时，哪一级断路器最先检测到强大的电流或短路电流，并能最先作出反应、执行跳闸动作便具有较强的能量选择性。由于下级断路器限流速度远高于上级断路器，因此下级断路器能抢先让短路能量在短时间内降到上级断路器限流标准下，使上级断路器不跳闸，而此时上级断路器的能量曲线应一直高于下级。

4 选择性保护设计的实施要点及实现

4.1 确定选择性保护形式

选择性保护形式的确定是基于上述的选择性保护技术分类而言的，即在低压配电系统中只有在不能实现完全选择性时才采用部分选择性。这就要求选择性保护技术设计者与开发者能及时调整低压配电系统内的线路，包括线路结构及路径等的调整。同时，要计算出短路电流，系统具有选择性的前提是计算值比选择性电流阀值低。同样的，若高于电流阀值上级断路器将失去选择保护性。此外，若存在不允许停电的供电负荷时，应优先保证该位置的保护，合理配置断路器来保证必须的供电。

4.2 短路延时选择性保护要点

在低压配电系统中短路延时保护是选择性保护的常见形式之一。一方面要尽可能的缩短短路延时时间，主要原因是在延时时间内低压配电系统的断路器承受着巨大的短路电流，这不仅要求断路器的质量好，还会增加耗损成本。此外，在延时时间较长的情况下，低压配电系统的电压波动剧烈，严重影响着系统的稳定性。因此，在满足选择性保护的同时还需要缩短断路器的延时时间。另一方面是实施三段保护，在低压配电系统内对断路器实施三段保护会缩减上下级短路电流间的差距，选择性保护被破坏及故障发生时上级断路器与下级同时跳闸的情况下，应解除瞬时速冻保护，仅采用短路延时保护。

4.3 选择性协调技术

在智能电网建设中，低压配电系统的智能化的发展与应用也成为了选择性保护技术的新方向，选择性协调保护技术开始为低压配电系统的发展助力。而选择性保护协调技术主要包括以下内容：

（1）早期的短路故障检测，智能低压配电系统要求提高系统自身的短路分析能力，这就要求选择性保护技术与系统系统间高度配合，提高协调能力，从而实现配电系统的智能短路故障判断与动作。

（2）预测短路电流，即根据选择性保护协调技术对短路电流的后期走向做预测，这里所说的预测主要是指峰值电流的预测。上述说到，当前低压配电系统的使用要求是能记录各电器用电峰值从而为智能控制中心提供决策依据。当选择性保护与系统间实现高度协调时，能快速得到短路电流预测数据时，而此时低压配电系统控制中心便能根据该信息自动判断各级断路器的电流情况以及限流性能，从而准确的对整个系统进行有效控制。

5 结语

总而言之，当前低压配电系统的使用范围广并且造福着广大人民群众，为了提高低压配电系统的可靠性与稳定性，加大选择性保护技术的研究具有较高的现实意义。选择性保护技术无论是内容上还是方式上都存在一定的难度，在进行研究与设计时，要结合选择性保护技术的分类及选择性配合条件来改进技术，以此为低压配电系统正常供电提供保障。此外，在智能化、数字化的发展浪潮中，低压配电系统的选择性保护技术也将得到一定的升华。