艦船供配電系統(tǒng)斷路器選擇性分析

摘 要：

介紹了斷路器選擇性保護的基本概念，以及進行斷路器選擇性保護研究對于保障供電連續(xù)性和可靠性的重要意義。針對某船電力系統(tǒng)，運用時間電流特性曲線設計了斷路器參數(shù)。搭建了五級斷路器試驗平臺，驗證從上而下五級斷路器之間選擇性，發(fā)現(xiàn)存在旁路缺陷。最后，提出了一種改進的時間電流特性曲線，可實現(xiàn)選擇性保護，并通過試驗驗證。

關鍵詞：

斷路器; 電力系統(tǒng); 時間電流特性曲線; 選擇性保護

中圖分類號： TM561

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）01-0065-06

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.01.012

Selective Analysis of Circuit Breaker for Power Supply and Distribution Systems of Naval Ships

LI Peng

［Shanghai Electric Apparatus Research Institute （Group） Co.，Ltd.， Shanghai 200063， China］

Abstract：

The basic concept of selective protection for circuit breakers，and the important significance of conducting research on selective protection for circuit breakers to ensure power supply continuity and reliability were introduced.A circuit breaker parameter was designed using the time current characteristic curve for a certain ship’s power system.A five level circuit breaker test platform was built to verify the selectivity between the five level circuit breakers from top to bottom.it was found that there were bypass defects.Finally，an improved time current characteristic curve was proposed to achieve selective protection，which was verified through experiments.

Key words：

circuit breaker; power system; time-current characteristic curve; selective protection

0 引 言

斷路器是能夠接通、承載以及分斷正常電路條件下的電流，也能在所規(guī)定的非正常電路（如短路）下接通、承載一定時間和分斷電流的一種開關電器［1］，是電力系統(tǒng)中最重要的開關電器之一。

當系統(tǒng)發(fā)生故障（過載、短路等）時，只能由最靠近故障點的斷路器動作，切除故障，而其他斷路器不動作，從而保證無故障回路供電的連續(xù)性［2-4］，這就是斷路器選擇性保護。簡單地說就是哪里出現(xiàn)故障，由距離該故障點最近的斷路器跳閘［5］，僅切斷出現(xiàn)故障支路的供電，而不影響其他支路的正常供電。

進行斷路器選擇性保護的研究對于供電的連續(xù)性和可靠性具有重要意義。

1 選擇性保護

1.1 選擇性保護的分類

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備動作而上一級保護設備不動作。保護的選擇性分為全選擇性和局部選擇性［6］。全選擇性是指在下級斷路器規(guī)定的極限短路分斷能力Icu（或Ics）的極限以內(nèi)，無論何種故障，均由距離故障點最近的斷路器切除，始終能把由于故障造成的停電控制在最小范圍內(nèi)。部分選擇性是指在一定的故障電流下可以實現(xiàn)上下級的選擇性，而超過這一故障電流后不具備選擇性。如當故障短路電流超過下級斷路器的脫扣值，但還小于上級斷路器的脫扣值時，則下級跳閘，上級不跳。當故障短路電流超過下級斷路器的脫扣值，也超過上級斷路器的脫扣值時，如果上級斷路器沒有短延時功能，則上下級同時跳閘，或甚至上級斷路器跳，下級還不跳，就不具有選擇性保護。后果是不該斷電的無故障回路也停電了，即故障波及的范圍擴大。

1.2 實現(xiàn)選擇性保護需滿足的條件

（1） 上級斷路器在下級斷路器將故障切除期間需能耐受一定時間的故障電流。

（2） 在下級斷路器無法切除故障時，上級斷路器需要能成功將故障切除。

隨著科技的進步，電子和計算機技術的迅猛發(fā)展，除了裝有熱磁脫扣器的斷路器外還出現(xiàn)了裝有智能脫扣器的新型斷路器。這種智能脫扣器采用了嵌入式技術，用數(shù)字化測控保護方式取代過去的熱磁式保護裝置，不但使得原有的保護功能的精度和穩(wěn)定度大大提高，而且使其保護功能呈現(xiàn)多樣化，保護功能齊全，能夠?qū)崿F(xiàn)過載長延時、短路短延時和短路瞬時三段保護，且整定調(diào)試方便，受溫度影響相對較小，因而獲得廣泛的應用。

新型裝有智能脫扣器的斷路器，可以實現(xiàn)上級斷路器在下級斷路器將故障切除過程中保持合閘狀態(tài)而不脫扣;而若超過延時時間故障仍然存在，則上級斷路器可以切除故障電流。帶智能脫扣器的斷路器為斷路器之間實現(xiàn)選擇性保護提供了有利條件;同時帶智能脫扣器的斷路器越來越受到客戶的需求，在市場上的優(yōu)勢越來越大。

2 選擇性保護實現(xiàn)方法

目前選擇性保護的實現(xiàn)方法有多種，如電流選擇、時間選擇、邏輯選擇和能量選擇。

2.1 電流選擇

簡單來說，當下級斷路器的保護動作值小于上級斷路器的動作值時，即可通過電流選擇實現(xiàn)選擇性保護。電流選擇示意圖如圖1所示。圖1給出上、下級斷路器之間通過電流選擇實現(xiàn)選擇性保護。

保護特性有上限值和下限值（即最大值和最小值）之分。上限值是必須動作的電流值，而下限值（等于或小于）是絕對不允許動作的電流值。利用電流選擇性進行選擇性保護的上下級配合原則是上級斷路器的動作下限值（即約定不動作電

流）大于下級斷路器動作上限值（即約定動作電流）。其配合范圍僅限于上級斷路器約定不動作電流范圍內(nèi)。

2.2 時間選擇

通過上級斷路器較下級斷路器的延時動作來實現(xiàn)選擇性保護。此時上級斷路器必須選用具有延時功能的斷路器。

對于A類斷路器（指在短路情況下，選擇性無人為的短延時，這種斷路器無額定短時耐受電流的要求），在過載區(qū)，可選擇到上、下級脫扣曲線不重合或不相交。但在瞬動區(qū)不能避免交叉或重合。因此，通過時間選擇實現(xiàn)短路情況下的選擇性保護，上級必須用B類斷路器（指在短路情況下，選擇性保護有人為短延時，這類斷路器要求有額定短時耐受電流）。

帶智能型脫扣器的斷路器在快速短路短延時動作時有一個指標是可返回時間。若下級斷路器在這段時間內(nèi)切除故障，則上級斷路器不會進行保護動作。而當下級斷路器切除故障大于可返回時間，則上級斷路器已進入保護處理程序而無法返回。因此，通過時間選擇進行選擇性保護的原則是上級斷路器的可返回時間均大于下級斷路器的最大斷開時間。時間選擇示意圖如圖2所示。圖2給出上下級斷路器之間通過時間選擇實現(xiàn)選擇性保護。

2.3 邏輯選擇

邏輯選擇，又叫區(qū)域選擇性連鎖?；谏?、下級斷路器都具備某些智能化功能和通信功能，從而可以實現(xiàn)邏輯選擇性。邏輯選擇示意圖如圖3所示。圖3給出上、下級斷路器之間通過邏輯選擇實現(xiàn)選擇性保護。

當下級斷路器B檢測到故障，同時向上級斷

路器A發(fā)送不脫扣信號，上級斷路器A接收到B的信號后，保持不脫扣，直到B斷路器切除故障區(qū)的電源?；蚩梢栽O定為下級斷路器B在規(guī)定時間內(nèi)不脫扣時才由上級A脫扣，實現(xiàn)保護。

邏輯選擇性其本質(zhì)是一種優(yōu)化的時間選擇性，可以有效地解決多級選擇性保護上級斷路器延時時間過長的問題。

2.4 能量選擇

能量選擇是基于上下級斷路器都具有限流能力及其脫扣特性能靈敏反應線路中短路能量的一種選擇性。當兩個斷路器檢測到大電流時，下級斷路器限流非?？?，其限制的能量不足以使上級斷路器脫扣。能量選擇示意圖如圖4所示。圖4給出上下級斷路器之間通過能量選擇實現(xiàn)選擇性保護。

當下級的能量曲線位于上級的下方時，就能實現(xiàn)能量選擇性。前兩種方法較為常規(guī)，且實現(xiàn)起來方便可行，現(xiàn)已廣泛應用;第三種方法使用時需要上、下級斷路器都配有智能化模塊和通訊模塊，實現(xiàn)成本較高;第四種方法只限于某型號斷路器，不具備通用性。

3 選擇性分析

3.1 系統(tǒng)介紹

某船電力系統(tǒng)單線圖如圖5所示。選擇性分析主要對五級斷路器（發(fā)電機開關，母聯(lián)開關，跨接開關，主配電開關，區(qū)配電開關）。前四級斷路器選用智能框架斷路器給出故障電流模擬信號，最后一級選用實物智能塑殼斷路器;從上至下五級斷路器開關：發(fā)電機開關Q1母聯(lián)開關Q2跨接開關Q3主配電開關Q4區(qū)配電板開關Q5。

假設區(qū)配電板滿負載情況下工作，斷路器QF4的電流為QF5、QF6、QF7的電流總和;經(jīng)過斷路器QF5的電流為630 A、斷路器QF6的電流550 A、斷路器QF7的電流為400 A，旁路電流總和為QF6+QF7電流和950 A。初定參數(shù)如表1所示。

運用繪圖軟件繪制參數(shù)更改前五級斷路器的“時間電流特性曲線”。時間電流特性曲線如圖6所示。

由圖6可見，下級之間沒有交叉區(qū)域，理論上可以實現(xiàn)選擇性保護;但在實驗室進行試驗時，通入故障電流1 600 A時，第五級塑殼斷路器未跳閘，而第四級框架斷路器跳閘，未形成選擇性。推斷旁路電流對第四級斷路器有可能產(chǎn)生了影響。

3.2 計算分析

由圖5可見，前四級斷路器選用智能框架斷路器，斷路器保護參數(shù)設置中只有長延時、短延時兩段保護，無瞬時保護。一～四級智能框架斷路器短延時動作電流和時間分別為7 580 A/0.66 s，7 580 A/0.42 s，7 580 A/0.32 s，6 000 A/0.22 s，第五級斷路器為塑殼斷路器，短延時動作電流和時間為3 780 A/0.1 s，當支路出現(xiàn)大電流短路時，超過斷路器短延時電流設置參數(shù)，各級斷路器之間可以通過短延時時間不同，形成逐級脫扣保護。因此重點分析短路電流在長延時保護區(qū)間段，上、下級斷路器之間的選擇性。

優(yōu)先考慮一～四級框架斷路器之間的選擇性關系，在電路中模擬設計一個故障電流I=5 775 A，根據(jù)框架斷路器長延時動作時間計算式：

TA=（1.15 Ir1/I）2 TL（1）

理論上發(fā)電機開關長延時脫扣時間T1=（1.15 Ir1/I）2 TL=（1.15×3 553/5 775）2×60=30.04 s。

理論上母聯(lián)開關長延時脫扣時間T2=（1.15 Ir1/I）2 TL=（1.15×5 775/5 775）2×15=19.84 s。

理論上跨接開關長延時脫扣時間T3=（1.15Ir1 /I）2 TL=（1.15×4 725/5 775）2×15=13.28 s。

理論上主配電開關長延時脫扣時間T4=（1.15 Ir1/I）2 TL=（1.15×1 600/5 775）2×60=6.09 s。

從計算結果可以看出，發(fā)電機開關、母聯(lián)開關、跨接開關、主配電開關長延時保護能夠?qū)崿F(xiàn)上、下級選擇性。

在電路中模擬設計一個故障電流I=800 A，不考慮旁路電流的情況下，該電流未達到一～四級斷路器的長延時整定電流，所以一～四級斷路器均不會動作，只考慮對第五級630 A塑殼斷路器的影響，該斷路器整定電流Ir1：630 A，長延時整定時間TL為4 s;長延時脫扣時間誤差±10%。根據(jù)塑殼斷路器長延時脫扣時間計算式：

TM=（6 Ir1/I）2 TL（2）

理論上塑殼斷路器長延時脫扣時間T5=（6 Ir1/I）2TL=（6×630/800）2×4=89.3 s。

在實驗室試驗中，630 A塑殼斷路器長延時實際脫扣時間測得值88 s;而故障電流未達到前四級框架斷路器的額定電流，框架斷路器不動作。下級動作，上級不動作，可以實現(xiàn)選擇性。

考慮旁路電流的情況下，實際試驗中通過框架斷路器的短路電流I=800+950=1 750 A，前三級框架斷路器整定電流均大于1 750 A，斷路器均不會動作，第四級1 600 A框架斷路器整定電流為1 600 A，長延時整定時間為60 s，長延時脫扣時間誤差±15%。根據(jù)式（1）理論上框架斷路器長延時脫扣時間T6=（1.15 Ir1/I）2 TL=（1.15×1 600/1 750）2×60=66.33 s。

在實驗室試驗中，1600 A框架斷路器長延時實際脫扣時間測得值67 s。從實測結果可以看出第四級框架斷路器比第五級塑殼斷路器跳閘時間短，上級比下級先動作，因此不能滿足選擇性。

考慮旁路電流，運用一種改進型的“時間電流特性曲線”將第四級和第五級斷路器（1 600 A框架斷路器與630 A塑殼斷路器）單獨分析上、下級的選擇性。改進的時間電流特性曲線如圖7所示。

由圖7可見，1600 A框架斷路器與630 A塑殼斷路器時間電流特性曲線確實有交叉區(qū)域。

為此，考慮到實際中存在旁路電流950 A，對框架斷路器整定參數(shù)進行了重新設計。將1 600 A

框架斷路器的長延時電流從1 600 A增加到1 840 A，630 A塑殼斷路器的長延時整定時間范圍是（3～18 s），現(xiàn)改為3 s，優(yōu)化后參數(shù)如表2所示。

根據(jù)式（2），理論上630 A塑殼斷路器長延時脫扣時間T7=（6 Ir1/I）2TL=（6×630/800）2×3=66.97 s。

根據(jù)式（1），1 600 A框架斷路器長延時脫扣時間T8=（1.15 Ir1/I）2 TL=（1.15×1 840/1 750）2×60=87.72 s。

在實驗室試驗中，630 A塑殼斷路器長延時實際脫扣時間測得值68 s，1 600 A框架斷路器長延時實際脫扣時間測得值88 s。從實測時間可以看出塑殼斷路器比框架斷路器跳閘時間短，下級比上級先動作，因此可以滿足選擇性。

調(diào)整參數(shù)后1 600 A框架斷路器與630 A塑殼斷路器的時間電流特性曲線如圖8所示。由圖8可見，兩者之間沒有交叉區(qū)域。

修改1 600 A框架斷路器參數(shù)后，再次繪制。1 600 A-5 500 A-5 500A-4 000 A時間電流特性曲線如圖9所示。

由圖9可見，上，下級四級斷路器時間電流特性曲線中均無交叉區(qū)域，可滿足選擇性保護的要求。

由圖8和圖9綜合來看，為了實現(xiàn)選型性保護而進行的五級斷路器選型以及相關特性參數(shù)的設定符合要求，可實現(xiàn)選擇性保護。

4 結 語

隨著電力系統(tǒng)的要求越來越高，對斷路器進行選擇性保護的研究顯得尤為重要。本文通過電力系統(tǒng)單線圖分析上下五級斷路器之間的選擇性，利用時間電流特性曲線圖，并結合實際操作試驗，優(yōu)化了斷路器選型參數(shù)，驗證了斷路器選型配置的可行性。

在本文研究中發(fā)現(xiàn)，時間電流特性曲線圖是基于理論數(shù)據(jù)基礎上，實際操作過程中有很多額外的因素影響，對“時間電流曲線”進行完善，可以更好地進行分析。

【參 考 文 獻】

［1］ 全國低壓電器標準化技術委員會.低壓開關設備和控制設備 第2部分：斷路器：GB 14048.2—2008［S］.北京：中國標準出版社，2009.

［2］ 連理枝.低壓斷路器及其應用［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［3］ 卜浩民.斷路器的選擇性保護和限流［J］.低壓電器，2009（3）：51-55.

［4］ 張彬， 劉哲， 王寧.塑殼斷路器的選擇性保護分析［J］.低壓電器，2011（16）：10-13.

［5］ 竇曉峰， 程德彬.船舶電力系統(tǒng)選擇保護研究［J］.船電技術，2018，38（12）：25-27.

［6］ 張培銘.基于系統(tǒng)選擇性保護的智能低壓配電控制與保護技術［J］.電器與能效管理技術，2016（4）：1-4.

收稿日期： 20230728