低压配电系统保护设计.doc

从技术角度看，低压配电系统保护配合具有多种解决方案。不同区域保护配合类型的选择与系统及设计参数有极大的关联，并需全面平衡考虑。既要达到可靠性目标，还要考虑控制费用和风险在可接受的范围内。工程师的任务是，对于低压配电系统的不同区域，解决方案需最佳地兼顾技术和经济两方面。
    考虑配电系统的保护配合时，追求系统最佳技术经济指标和减少因系统失常或故障引起的影响，是不可或缺的两个基本要求。
由此考虑，某一区域内不同保护装置和器件间保护配合应满足：
· 减少对无故障区域电力质量的影响。(如压降过大，电机转速波动)。
· 确保安全。
· 迅速识别并隔离故障区域，并保证无故障区域供电持续性。
· 故障区域内设备所受的冲击和损坏减到最低程度。
· 如果保护跳闸系统本身产生故障，应提供足够的后备保护。
· 向操作人员和监控系统提供全面必要的信息，使电力系统在最短时间内恢复运行，以最大限度减少对无故障区域的影响。
· 在可靠性、简便性、经济性之间求得最佳平衡点。
总之，一个完善的保护系统应该实现：
· 能够识别区域内可接受的异常情况和故障情况，检测事件发生的位置和时间，避免不必要跳闸引起系统的正常运行部分被不合理地中断。
· 尽可能快速限制损害(设备毁坏，缩短寿命等)以保证供电的连续性和稳定性。
优先考虑严格界定故障和优先考虑快速分断设备是一对互相矛盾的要求，解决方案是在两者之间折衷：
例如：当严格界定故障作为优先要求时，常采用间接保护系统，即通过采集和传输现场电气数据实现区域间联锁，控制跳闸范围；但是当快速分闸和设备损害作为先决条件时，需要直接保护系统，即由设备自身所带的保护脱扣器直接动作分断系统。低压配电系统中的一级和二级配电一般采用直接保护系统。
由于过电流发生 (过载或短路) 时的保护配合问题占了低压放射型电网保护配合问题的90%，我们有必要清楚以下几个概念：
· 过电流选择性
是指“两个或多个过电流保护装置动作特性的‘配合’。两个或多个过电流保护装置，对于一定范围内的过电流，只允许应动作的过电流保护装置动作，其他保护装置均不动作。”
(IEC60947-1, 2.5.23)
· 完全选择性
完全选择性是一种过电流选择性。对于两个串联的过电流保护装置，在给定的过电流水平及以下，由负载侧的保护装置实现保护，但是不会引起其他保护装置动作。(IEC 60947-2, 2.17.2)
· 局部选择性
是一种过电流选择性。对于两个串联的过电流保护装置，在‘选择性电流极限Is’( IEC 60947-2, 2.17.4) 及以下，由负载侧的保护装置实现保护，但不引起其他保护装置动作。(IEC 60947-2, 2.17.3)
· “后备保护”
是两个串联的保护装置间的过电流配合，保护装置通常(并非一定)在电源侧；即使无其它保护装置协助，它也可完成过电流保护且不对另一保护装置产生过分损害。(IEC 60947-1，2.5.24)。
电源侧保护装置必然动作的最小电流值定义为 “交接电流 IB” (IEC 60947-1，2.5.25 和 IEC 60947-2，2.17.6)。交接电流也可称后备电流极限。
过电流保护配合的类型
额定电流/短路电流和保护配合类型互相关系
就采用过流脱扣器方式的保护装置而言，保护配合的选用很大程度上取决于配电系统中某点的电流额定值(In)和短路电流(Ik)确定的相对位置。各种不同的保护配合大致适应范围。
- 电流选择性
- 时间-电流选择性
- 区域选择性(逻辑选择性)
- 能量选择性
- 选择性后备保护
- 后备保护
时间-电流选择性
时间-电流选择性由电流选择性发展而来。
在此类配合中，保护装置的动作既取决于电流也取决于电流持续时间。持续一定时间的某电流值使保护装置动作，但“邻近”故障的保护装置不会动作，从而把故障区域隔离。
所以，这种保护配合采用提高电流设定门限和并随对主电源靠近程度增加脱扣延时时间(此值与配电层次有关)的方法。串联保护装置延时级差要考虑故障检测和切断时间的总和，也
要考虑电源侧允许承受的过载能力(可承受短暂故障的运行时间)。和电流选择性研究类似，可从比较保护装置的时间-电流曲线评估选择性。
一般而言，此类配合的优点是：
· 容易评估选择性，保护系统总体经济性好。
· 满足选择性极限取决于电源侧断路器能承受的短路电流。(此值一般很高)
· 可提供冗余保护功能，并可给控制系统提供重要信息。
电流选择性
这种类型的选择性基于如下事实，即故障发生点离电源侧愈近，短路电流愈高，在这种情况下有可能借助直接设定保护门限即可隔离故障发生区域，因为其下级配电装置保护区域内的故障电流一般低于在其电源侧设定的保护门限。
但通常只在特殊情况下才能实现完全选择性，例如；故障电流不高或低于装置额定电流；在两级保护之有高阻抗器件(变压器、很长电缆或电缆截面变小等）；因此很容易识别相差甚异的短路电流。
这种配合类型首先被应用于终端配电中(低额定电流和短路电流，高阻抗电缆等)。在探讨其选择性时，一般用装置的时间-电流曲线就能够即刻、方便、经济地评估选择性。
须注意的是：
· 因选择性电流极限通常较低，通常只有局部选择性。
· 若设定较高的选择性电流极限，则往往超过系统安全容许的限度，与减少短路损害的目标产生矛盾。
· 在某装置发生自身故障时，不能提供冗余保护来切断过电流。
区域选择性
区域选择性由时间-电流选择性发展而来。
区域选择性有直接保护型和间接保护型。通过在电流测量装置间建立对话功能，一旦检测到电流超过设定门限，故障区域立即被识别且仅切断故障区域的供电。
实际上可有两种实现方法：
· 测量装置向监控系统发送电流超过设定门限的信息，由系统决定应由那个保护装置动作。(间接保护型)
· 当电流高于保护装置保护设定门限时，通过直接连线或总线对其上级保护装置发送闭锁信号。同时，断路器脱扣动作的前提是其负载侧保护装置未发出类似闭锁信号。因此只有故障点最直接电源侧的保护装置才会动作。(直接保护型) 间接保护型脱扣时间为 0.5-5s，特适
合于电力输送方向不定的低短路电流场合。
长通道照明系统是集中控制区域选择性的典型运用。由于它的配电线路电压较高(690 V ~1000 V AC) ，有利于减少线路压降。
对于照明等负载(电源插座、扬声系统、泵或其他负载)，在通道内视需要布置一些降压变压器。
各种不同负载按T型方式接在主回路中；首要条件是使保护装置的脱扣具有选择性。
这里采用了可靠并相对简单的集中控制方式实现区域选择性。每个保护装置发送超限信号到中央监控单元，后者对装置发出的信号分析并鉴别出故障部分，并根据整个系统布置把受故障影响的负载或线路隔离。
此方式的脱扣时间明显长于直接保护型，但通常不会产生系统保护问题(特别是对电缆和装备保护)，原因是故障电流很低(电压虽高但线路很长)。
直接保护型脱扣时间明显要短：与时间-电流选择性相比较，愈近电源愈增加延迟的必要性有所降低。因延时时间只需大于负载侧保护装置闭锁信号的存续时间即可(指已检测出的非正常状态存续时间加信号传输所需时间)。
直接保护型的区域选择性的优点是：
· 系统脱扣时间减少，从而增加了安全裕度；总脱扣时间约几百毫秒。
· 减少故障对配电系统的损害和干扰。
· 减少断路器所受热应力和电动力。
· 允许更多的选择性层面。
但系统经济性不甚理想，还有复杂性的问题。更好的选择性意味着更高的设备选型要求(但并不高于时间-电流选择性的要求)，如可能需要特殊装置、附加电缆、辅助电源等。
所以此方案首先应用于对安全和连续供电有严格要求的高额定电流和高短路电流的系统，特别是用于紧靠在变压器和发电机负载侧的主配电站。另一个感兴趣的应用是区域选择性和时间电流选择性的结合；这样，当短路点靠近电源端时， 区域选择性的逻辑控制顺序使保护装置的脱扣时间减小。
如果系统集成有‘快速故障定位’(EFDP)，则区域选择性还能进一步得到改善。此系统除测量电流值外的还测量电流变化速度，它能在半毫秒内检测到短路发生并发出闭锁信号到电源侧保护装置。脱扣时间大约十毫秒(低于塑壳断路器脱扣时间)，因此所有器件承受的热应力和电动力大大减少，电压扰动也很小。此外，在配电中层区域也能采用限流断路器。这种复杂器件的费用可从配电系统其它成本的降低来得到弥补。

能量选择性
能量选择性是一种特殊的时间-流选择性，它利用了塑壳断路器的限流特性。限流断路器是“一种具有足够快分断时间的断路器，它在短路电流达到峰值以前已将断路器分断。”(IEC 60947-2，2.3)。
所有ABB SACE Isomax系列塑壳断路器都具有一定程度的限流特性，因为：
· 精心设计的Isomax的触头系统既能承受低于瞬时脱扣门限的过载电流又能在短路电流发生时分开主触头
· 加速电弧在灭弧室内移动速度(磁吹)， 并产生较高弧电压。
· 采用多个隔室分断电流，并有不同触头的完成各自的分断隔离功能。
短路条件下断路器脱扣相当快速(毫秒级脱扣时间)，分断时具有相当大的不对称分量。所以无法使用负载侧断路器的时间电流脱扣曲线和电源侧断路器限流特性曲线(基于正弦对称波形) 来研究其配合。这种现象往往是动态的(与瞬时电流值的平方成正比) ，通常用允通能量曲线和电源侧断路器的极限不脱扣能量曲线描述( 脱扣能量曲线)。
SACE 限流断路器Isomax SX
在SACE Isomax S 系列塑壳断路器中，S3X, S4X 和 S6X 属限流断路器。
这些元件的电气特性为：额定工作电压为690 Vac，额定工作电流 630 A ，额定极限短路分断能力为 200 kA/380/415 Vac 和 75 kA/ 690 Vac。
自动限流断路器功能由“限制”短路时最大允通能量实现，同时保护负载侧装置和回路的完好性。
分断系统采用每极双断点结构，能够极快地分断高短路电流。此外，分断部件的特殊形状能够限制故障电流峰值，大大降低了安装场合的短路电流。快速分断极大地减少故障引起的电动力对负载侧断路器冲击。
鉴于以上优良特性，SACE 限流断路器Isomax 系列特别适用于高短路电流的后备保护并实现能量类型选择性配合。
选择性后备保护
此类保护配合企图同时满足以下矛盾的要求：
要求采用分断能力低于安装点的预期短路电流的负载侧断路器。··
· 要求保证完全选择性。·
为了达到上述目标，当短路发生时要求电源侧断路器触头排斥产生的短暂分离以减少短路电流，在保护脱扣器尚未完成脱扣动作但下级断路器“确保”已分断时，触头再次接通。它的原
理是：当电流高于某一特定电流时，因电动力效应主触头出现排斥现象。
但要注意的是：排斥作用具有双刃作用：
1. 帮助没有足够分断能力的负载侧断路器分闸。
2. 负载侧断路器也有主触头排斥作用，两断路器的共同作用使电流减少至低于脱扣器脱扣值，以致于不能完成分闸动作。
此外，在期望快速分闸、降低成本的同时，必须看到：
· 研究这类保护配合比研究能量选择性配合更困难，且必须在实际配电系统中为求得装置间正确的组合进行大量试验。
· 因主断路器触头的短暂分离使负载侧和故障区并联的电源质量下降。
· 电源侧断路器的寿命和性能出现无法预测的降低(因主触头侵蚀、熔焊等)。
这类后备保护(也称增强选择性) 往往只用于短路电流较高的终端配电场合。
后备保护
后备保护采用牺牲选择性的方法‘帮助’负载侧的装置分断高于它们自身分断能力的短路电流。当故障电流高于交接电流IB时，两个串联保护装置会同步分断。相当罕见的情况是只有电源侧断路器分断，此时电源侧安装的是自动断路器，而负载侧安装的是隔离开关。
生产厂家提供的保护配合表是从试验结果派生的，这遵循 IEC 60947-2 附录 A 的要求。
通过下列比较，这些组合可按照上述标准提及的条款A.6.2进行计算：
· 负载侧装置在分断容量时的允通能量和电源侧装置在预期电流时(后备保护情况下的最大短路电流)总焦耳积分的比较。
· 在电弧能量、最大峰值电流、限制电流等作用下短路电流和预期峰值电流的比较。