淺析低壓電器元件的選擇性和后備保護(hù)

安雅麗

（甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741018）

低壓電器元件的選擇性保護(hù)，是保證低壓系統(tǒng)可靠性與安全性的關(guān)鍵。為保證全部電器元件協(xié)同工作處于最佳狀態(tài)，主要是對(duì)導(dǎo)線以及設(shè)備采用選擇性保護(hù)方式，以免短路、斷路以及其他故障問題的出現(xiàn)，從而影響整體系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，分析短路或是短路條件下，低壓電器元件的選擇性和后備保護(hù)，對(duì)低壓配電線路的安全使用具有重要意義。

1 低壓電器元件的選擇性

1.1 電流的選擇性

在設(shè)定系統(tǒng)電流值時(shí)，上級(jí)斷路器的過載電流或是短路電流要大于上下級(jí)斷路器，使得距離故障點(diǎn)最近的路中斷路器先跳閘。當(dāng)電流故障發(fā)生在負(fù)載端時(shí)，負(fù)載側(cè)斷路器的額定電流值將遠(yuǎn)小于母線側(cè)斷路器，并且會(huì)先發(fā)生跳閘，若斷路器無法正常運(yùn)行，將先對(duì)母線側(cè)斷路器實(shí)施級(jí)聯(lián)保護(hù)，如圖1二級(jí)配電系統(tǒng)圖。

圖1 二級(jí)配電系統(tǒng)圖（QF1為母線側(cè)斷路器，QF2為負(fù)載側(cè)斷路器）

1.2 時(shí)間的選擇性

時(shí)間選擇性是指，短路電流近似相同時(shí)的一種選擇辦法，必須在上一級(jí)的斷路器部分配置具有延時(shí)特性的脫扣器，若下級(jí)斷路器發(fā)生故障，則可以及時(shí)斷開短路。根據(jù)二級(jí)配電系統(tǒng)圖，若負(fù)載側(cè)斷路器的動(dòng)作電流遠(yuǎn)小于過電流故障時(shí)的電流，并且故障電流將達(dá)到母線側(cè)斷路器的電流值，此時(shí)的負(fù)載與母線側(cè)斷路器將一同發(fā)生跳閘。為避免低壓系統(tǒng)中的電器元件出現(xiàn)這種事故，需要利用斷路器的時(shí)間選擇性，對(duì)電器元件采取相應(yīng)的級(jí)聯(lián)保護(hù)。在設(shè)定時(shí)間時(shí)，負(fù)載發(fā)生過電流保護(hù)情況下的母線側(cè)斷路器延時(shí)將大于負(fù)載側(cè)斷路器，負(fù)載側(cè)斷路器會(huì)在同時(shí)采取延時(shí)保護(hù)的情況下，先動(dòng)作，由母線側(cè)斷路器切斷回路，若正常延時(shí)保護(hù)措施采取后，負(fù)載側(cè)斷路器沒有產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，則判定為故障，此時(shí)將由母線側(cè)斷路器對(duì)低壓線路進(jìn)行保護(hù)，不僅脫扣延時(shí)，而且脫扣器的動(dòng)作電力實(shí)現(xiàn)了分級(jí)配合。

1.3 邏輯的選擇性

邏輯選擇性是指，斷路器能夠分享并交換數(shù)據(jù)，對(duì)各元件的智能化要求較高。在路基選擇性保護(hù)機(jī)理中，斷路器能夠根據(jù)故障的具體位置，向上級(jí)斷路器傳送下級(jí)斷路器監(jiān)測(cè)到的不脫扣信號(hào)，使得處于等待狀態(tài)的上級(jí)斷路器對(duì)下級(jí)斷路器的故障進(jìn)行判斷。如果下級(jí)斷路器沒有在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)跳閘，則不脫扣指令將解除，指導(dǎo)下級(jí)斷路器完成成分跳閘動(dòng)作，進(jìn)而由上級(jí)斷路器分析自身與故障點(diǎn)的距離，然后實(shí)施相應(yīng)的保護(hù)措施。邏輯選擇性保護(hù)機(jī)理如圖2所示。

圖2 邏輯選擇性保護(hù)機(jī)理（A為上級(jí)斷路器，C為下級(jí)斷路器）

2 后備保護(hù)方法的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

低壓電器元件作為維護(hù)低壓系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵，在目前的變電站繼電保護(hù)結(jié)構(gòu)中，保護(hù)區(qū)域內(nèi)的變電站為主站，其他為區(qū)域子站，由智能電子設(shè)備采集、上傳并執(zhí)行測(cè)量信號(hào)以及跳閘命令。各個(gè)子站利用通信網(wǎng)傳輸保護(hù)區(qū)域內(nèi)的狀態(tài)量信息，一旦線路中存在故障問題，則由斷路器向各個(gè)子站下達(dá)跳閘命令，以此充分發(fā)揮出各電器元件的協(xié)同作用，有效解決了不同裝置互操作中存在的問題，對(duì)提升低壓系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 基本原理

2個(gè)過電流保護(hù)電器在串聯(lián)之后會(huì)產(chǎn)生一種過電流配合，電源側(cè)保護(hù)電器在其他保護(hù)電器的幫助下，不僅能夠避免其他保護(hù)電器過負(fù)荷，而且有利于電源側(cè)保護(hù)電器的過電流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)。廣域視角下，低壓系統(tǒng)中低壓電器元件后備保護(hù)原理如下：

（1）由子站實(shí)時(shí)采集母線電壓的各序分量，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判斷啟動(dòng)元件是否存在動(dòng)作，并且子站與母線的各序電壓比例系數(shù)，會(huì)被智能元件上傳到主站，然后由主站排序傳輸上來的各序電壓比例系數(shù)，為精準(zhǔn)找出故障點(diǎn)做好鋪墊工作。

（2）子站將一系列候選故障線路、相鄰線路的元件動(dòng)作系數(shù)，傳輸至主站，并依據(jù)相關(guān)的計(jì)算方法，對(duì)故障關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行排序，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)故障線路的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）若故障電路兩端的斷路器存在故障動(dòng)作，可利用傳統(tǒng)的主保護(hù)進(jìn)行切除，若故障線路兩端的斷路器不發(fā)生動(dòng)作，則可能是保護(hù)柜故障或是斷路器線路失靈。為有效解決線路故障問題，有必要區(qū)分故障電路斷路器以及相鄰線路斷路器下發(fā)的跳閘命令，從而保證后備保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，使得故障線路的電壓、電流信息能夠被充分利用。

2.3 故障定位

在低壓系統(tǒng)線路發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)區(qū)域內(nèi)故障線路與相鄰線路的故障關(guān)聯(lián)數(shù)值，可作為故障線路候選的輸出值，通過綜合比較，最終查找出具體故障的線路。要想判定候選故障線路就是故障線路，判斷結(jié)果應(yīng)滿足以下公式。

式中，F(xiàn)out(Li)為故障線路和相鄰線路的故障關(guān)聯(lián)系數(shù)融合值；Fout(Lk)為候選故障線路輸出的故障值；Fset(Li)為判斷結(jié)果的門檻值。

在對(duì)低壓電器元件后備保護(hù)方法中，需要對(duì)與母線以及變壓器有關(guān)的元件輸出值進(jìn)行判斷，當(dāng)全部為“1”時(shí)，說明電器元件存在故障。與此同時(shí)，對(duì)與母線相關(guān)的線路的元素進(jìn)行查看，若比對(duì)結(jié)果不同，說明相關(guān)的線路為故障線路，并且正常線路輸出值非“1”即“－1”。因此，利用后備保護(hù)裝置采集到的方向元件輸出值，構(gòu)建關(guān)聯(lián)矩陣，當(dāng)檢測(cè)到保護(hù)區(qū)域內(nèi)某方向元件啟動(dòng)，由關(guān)聯(lián)矩陣對(duì)其賦值，直到確定出發(fā)生故障的線路，實(shí)現(xiàn)低壓系統(tǒng)故障的精準(zhǔn)定位。

3 實(shí)際檢驗(yàn)中存在的問題

3.1 具體問題分析

在對(duì)企業(yè)生產(chǎn)的GCS開關(guān)柜實(shí)際使用情況進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)短路時(shí)，MCC柜中某個(gè)抽屜模塊沒有及時(shí)分?jǐn)喽搪?，由進(jìn)線柜內(nèi)的主斷路器對(duì)短路故障進(jìn)行分?jǐn)?，使得低壓配電線路無法正常工作，沒有體現(xiàn)出低壓電器元件的選擇性與后備保護(hù)。通過對(duì)樣機(jī)的檢驗(yàn)，找出問題原因。故障發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因在于：抽屜模塊單元采用的斷路器與主回路的連接導(dǎo)線，產(chǎn)生的預(yù)期短路電流為50kA，檢驗(yàn)結(jié)果表明，斷路器各項(xiàng)功能可正常運(yùn)行，連接導(dǎo)線使得MCC柜垂直母線的下端發(fā)生熔化。結(jié)合波形采集圖，發(fā)現(xiàn)PVC無法抵抗給定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使得絕緣層發(fā)生破壞，使得扎成捆的三相絕緣導(dǎo)線發(fā)生了二次短路，持續(xù)一段時(shí)間后，將對(duì)沿向銅導(dǎo)體造成不可恢復(fù)的熱沖擊，進(jìn)而產(chǎn)生熔斷，使得短路分?jǐn)喙δ軣o法正常運(yùn)行。與此同時(shí)，垂直母線下端的熔化現(xiàn)象，產(chǎn)生了能夠造成線路發(fā)生三次短路的弧光短路，嚴(yán)重影響了主斷路器的保護(hù)作用，只有在承受一段時(shí)間中，進(jìn)線柜才會(huì)發(fā)生消除故障的斷短路動(dòng)作。

3.2 改進(jìn)措施

通過對(duì)實(shí)際線路中低壓電器元件選擇性與后備保護(hù)方法的分析，主要是由于連接導(dǎo)線選擇不當(dāng)而引發(fā)的一系列短路故障。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)者應(yīng)在滿足斷路器額定電壓的情況下，對(duì)短路時(shí)的熱沖擊現(xiàn)象產(chǎn)生原因進(jìn)行綜合考慮，從而維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在對(duì)不同連接導(dǎo)線不損壞接頭的溫度進(jìn)行測(cè)量與計(jì)算之后，建議將原有的BVR6mm2連接導(dǎo)線設(shè)計(jì)成BVR16mm2連接導(dǎo)線。通過對(duì)設(shè)計(jì)的連接導(dǎo)線進(jìn)一步檢驗(yàn)，此方案順利通過。

因此，對(duì)于低壓電路元件的選擇性與后備保護(hù)，需要在滿足低壓電器元件額定電流的前提下，全面考慮上下級(jí)全部元件短路、過流配合以及 接插件、連接導(dǎo)線等，并對(duì)連接導(dǎo)線所能承受的熱效應(yīng)進(jìn)行綜合計(jì)算，通過理論計(jì)算來找出最佳的連接導(dǎo)線設(shè)計(jì)值，以此保障斷路器能夠正常工作。通過查閱大量資料，可查找到有關(guān)斷路器限流特性塑料殼樣品的熱穩(wěn)定熱效應(yīng)曲線，與被限制熱應(yīng)力以及短路電流曲線結(jié)合后，能夠查找出電纜線路所能承受的最大熱應(yīng)力，選用交聯(lián)聚乙烯絕緣導(dǎo)線作為設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，能夠有效避免故障問題的發(fā)生，以此充分發(fā)揮出低壓電器元件的選擇性能與后備保護(hù)。

為有效避免日常工作中斷路器出現(xiàn)誤跳閘、越級(jí)跳閘等故障，應(yīng)對(duì)各低壓電器元件進(jìn)行定期檢查，全面實(shí)施問題預(yù)防措施。通過定期檢查，判斷斷路器各相電流的實(shí)際負(fù)載值與額定值相比，比例系數(shù)應(yīng)為0.7。同時(shí)，對(duì)斷路器的延時(shí)值以及電流整定值進(jìn)行檢測(cè)，并在斷路器表面標(biāo)明相關(guān)標(biāo)識(shí)，以便后期斷路器的檢修與維護(hù)。此外，應(yīng)定期清理低壓系統(tǒng)表面，為電器元件穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供良好的環(huán)境，或是利用紅外成像儀對(duì)斷路器線路兩端的溫度進(jìn)行定期檢查，以免較大的熱沖擊效應(yīng)損壞連接導(dǎo)線，從而不斷提升低壓電器元件的運(yùn)行性能，增強(qiáng)后備保護(hù)。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)低壓電器元件的選擇以及后備保護(hù)方法的分析，結(jié)合實(shí)際電器元件的實(shí)際檢驗(yàn)，需要綜合考慮上下級(jí)全部元件短路、過流配合以及接插件、連接導(dǎo)線等，需要在滿足低壓電器元件額定電流的前提下，選擇規(guī)格相對(duì)較大的絕緣導(dǎo)線來保障低壓系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性，促使全部低壓電器元件能夠協(xié)同配合。