低压配电系统保护的选择性和设备选择.docx

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低压配电系统保护的选择性和设备选择

低压配电系统保护的选择性和设备选择

摘要：

系统保护的选择性是连续供电的重要保证，本文对实现系统保护选择性的条件，确定保护选择性的方式，正确选择断路器和负荷开关等间题进行了探讨。

关键词：

“自然的”选择性,准延时选择性,能量选择性,具有隔离开关功能的负荷开关（Switchdisconnector）

1系统保护选择性的现状

保护的选择性是配电系统质量的一个重要标准。

现在如果看看工程的设计图纸，不难看到许多配电系统保护的选择性是不合格的。

这是有其历史原因的。

以前低压配电系统的保护电器以采用熔断器为主的时期，系统保护选择性的设计是比较容易的。

核算两级间的熔体额定电流比是否合格就可以了。

以后，配电系统的保护电器广泛采用了断路器，由于客观条件的限制，当时我国断路器的制造水平有限，具有选择性的断路器品种很少。

要满足保护选择性要求，只有靠有短路短延时保护的断路器。

在这种情况下，全系统要实现选择性保护是困难的。

因此只好重点保证重要负荷的连续供电，实现部分环节的保护选择性了。

从低压配电设计规范及大众广为使用的低压配电各级间应选择性分护选择性就可以了。

长期以来，大家习惯了这种模式。

对配电系统的保护选择性间题未作深究。

也无人要求必须保证系统的选择性。

因此表现在配电系统设计图纸上保护选择性不合格就是自然的事了。

现在，由于电器制造技术不断进步，断路器保护选择性技术的提高，各种选择性型技术的推出，使得我们可以重新认识讨论这一间题。

目前我们可以说，采用断路器的配电系统实现保护选择性已具备条件了。

本文拟就这一间题提出一些建议，以供有关人士研究讨论。

2现代断路器与各型保护选择性技术

现代电器制造技术的发展，断路器不断更新，保护选择性技术不断改进，推出了各种保护选择性技术。

2.1准延时选择性（pseudo—timediscrimnation，另有译为虚拟时间选择性）

当上下两级均为断路器级联时，大的短路电流受到了下级限流型断路器的限流。

实际的短路电流和持续时间大大地减小。

上级断路器脱扣器检测到的电流比没有限流型下级断路器值小得多。

将此实际的短路电流在上、下两断路器的时间/电流曲线上进行比较，相当于在两断路器之间具有一等效的短的时间差。

使得下级断路器快速跳闸，而上级断路器保持闭合，上下级断路器之间达到保护选择性配合。

此时间差随预期短路电流增大而大大减小。

它不是人为有意设置的延时时间，这个时间称为准延时（pseudo—time）。

当上、下两级均采用限流型断路器时，由于上级断路器限流对下级断路器限流的增强作用，提高了下级断路器的分断能力。

下级断路器的分断电流比其原所规定的分断电流要大。

这种做法是符合IEC364—4—434.1条规定的。

对于选择性来说，由于级联，提高了选择极限电流值，相应于增大了选择性的准延时，提高了保护选择性。

22逻辑选择性（亦称为ZSI区域选择性联锁）

上下级断路器之间设置逻辑联锁。

当下级断路器保护区发生故障，电流大于脱扣器整定值时，给上级断路器发出逻辑等待命令，使上级脱扣器延迟脱扣，而下级断路器立即脱扣跳闸，切除故障。

当上级断路器保护区内发生故障时，不会接收到等待命令，断路器立即跳闸，迅速切除故障。

这就可保证各级间保护的选择性。

ZSI也可附加于时间选择性系统，用以减少或消除故障的时间，有利于减小故障电流热应力和电动应力造成的损害。

23能量选择性（Ener——baseddiscdiscrimination）

若上、下级均采用普通断路器，当短路电流超过两断路器脱扣器的整定值时，断路器同时动作，保护无选择性。

如果断路器设了能反映短路电流能量（fR尚t）的脱扣器，而且下级断路器的额定电流小于上级断路器，启动下级断路器脱扣器所需的能量也小于上级断路器。

凶此在故障时两断路器都检测到短路电流，下级断路器限流非常快，上级断路器产生的能量使脱扣器动作所需的时间大于下级断路器，故下级断路器迅速先行跳闸，上级断路器保持闭合，两断路器的保护得到了配合。

施耐德公司开发的CompactNs100～630A塑壳断路器就实现了这一目标。

断路器采用双旋转触头，当短路电流达到某值时，由于磁斥力使触头在外壳内转动，并产生强大电弧能量，使壳内气体膨胀产生很大压力，推动活塞以极快的速度使断路器瞬动脱扣。

在触头斥开大约3ms就将断路器分断：

这就是能量脱扣。

它有很强的限流能力，例如CompactNsl00A塑壳断路器的分断能力可达150kA。

这种断路器非常有利于保护选择性的配合。

24“自然的”选择性

断路器间的保护选择性是比较复杂的。

为了使用方便，施耐德公司推出了断路器“自然的”选择性概念，以便用户使用。

它是在CompactNs100～630A塑壳断路器间，将过载、时间及能量等选择性方式，通过试验规定了脱扣器间整定电流的比值。

组合构成了断路器的“自然的”选择性。

粗略地说，只要上级断路器的额定电流大于下级断路器2.5倍，断路器间就可获得完全选择性。

即在下级断路器保护区发生故障短路的电流一直大到下级断路器的极限分断电流值的范围内。

断路器都能有选择性的切除故障，这就保证了完全选择性。

这好像与在采用熔断器保护的配电系统内，只要上下级熔体电流的比值大于某值，就可获得选择性是相似的。

所以说这是一种简单的“自然的”选择性概念。

只要考虑满足电流配合比的要求，而不需再依赖人为故意的在脱扣器上另加延时时间或采取逻辑联锁等其他措施来保证选择性。

但是，在具体设计配电系统时，仍要进行一些核算选择性工作，要根据脱扣器的类型与其所在的位置核算断路器脱扣器的整定电流比。

例如上下两级断路器均采用CompactNs塑壳断路器时，当上级脱扣器为热磁式，对下级为热磁（TM）或电子式（STR）的过载脱扣整定电流I，的比值应≥1.6;而对下级热磁式短路脱扣整定电流Im的比值应≥2，对下级电子式短路脱扣整定电流Im的比值应≥1.5。

当上级脱扣器为电子式（STR）时;对下级为热磁式或电子式的短路脱扣整定电流Im的比值应≥1.5;而对下级热磁式的过载脱扣整定电流Ir的比值应≥2.5，对下级电子式的过载脱扣整定电流Ir的比值应≥1.6。

如果上下级断路器为其他类型的断路器，其相互配合则为其他比值。

从以上叙述，“自然的”选择性是很简便，对配电系统设计配置方案是很有用的。

但在具体设计时，核算选择性的工作也是烦琐的。

最实用的方法是制造厂按照试验结果，提供断路器保护选择性配合表，设计时按表查用就可以了。

例如施耐德公司提供的CompactNS塑壳断路器应用技术资料就是实例。

2.5选择型断路器（selectivetypecircuit-breaker）性能不断完善

IEC947-2（GB14048.2）中选择断路器的定义是：

“在短路情况下，明确用作负载侧另一短路保护电器的选择性保护的断路器，有人为的延时”。

它是实现系统选择性保护的主要手段。

随着制造技术的进步，选择型断路器较之老产品已有不少改进，例如，短时耐受电流提高;短路延时保护精度提高;断路器瞬动保护可便利地根据需要投入或解除;超过耐受电流阈值自保护脱扣动作等。

这些都是有利于选择保护的完善。

确定选择型断路器上下两级的延时级差是很重要的。

它与断路器性能有关，可要求制造厂提供。

如果具有产品有关的技术数据，可按下式求得。

式中：

td（两级间时间差）≥tc+tr+2△t;

tc——断路器的分断时间，s;

tr——断路器恢复到静止状态的时间，s;

△t——定时限的延时容差，s。

3系统选择性保护的实施要点

3.1精心设计配电系统，合理分配负荷

设计时适当分配负荷，使上下级负荷的比值加大，满足选择性所需的保护器额定电流比的要求。

而且比值越大，越容易满足选择性要求。

无论是采用熔断器或者是断路器保护，都需要上下级保护器额定电流比大于某一比值，才能达到选择性保护配合要求。

因此在进行配电系统设计时，不要听其自然随意分配，而要有意地调整分配负荷，以便给选择性保护提供便利，尽量采用“自然的”选择性保护来满足要求。

否则要采取其他选择性保护方式才能满足选择性保护要求，既麻烦费事又不经济。

3.2关于完全选择性与部分选择性的确定

完全选择性的定义是，在上下级断路器间，下级断路器保护范围内，产生从大于过载整定值电流一直到三相短路电流（不超过断路器的极限分断电流）的故障，都由下级断路器切除，而上级断路器保持闭合，达到了保护选择性的配合。

这就称为完全选择性。

部分选择性的定义是，如果上述的完全选择性得不到满足，而在某一较低的故障电流值（选择性极限值）以下，上下级间能达到选择性配合，则称这种选择性为部分选择性。

如果按3.1节所述配电系统配置的断路器，上下级间能获得完全选择性，这是最理想的。

如果不能获得完全选择性，只能得到部分选择性的配合。

这时我们选择与调整配电线路路径、结构和截面，并计算短路故障电流，若是小于选择性极限电流值（为保护选择性所允许的最大故障电流值），则全系统也是具有选择性的。

若短路电流大于选择性极限电流值，则上级断路器将无选择性跳闸。

这时若其所供电负荷不允许断电，则应重新配置，以保证其选择性;但若对其所供电负荷影响不大，这种无选择断电是在可接受范围之内的，则表明部分选择性系统，在一定条件下也是可行的。

3.3断路器保护的选择性方式的一般要求

断路器保护选择性的方式与配电网特性、供电负荷容量及断路器配置等因素有关。

较大的配电系统，一般可按三级配电来说明。

电源端：

无论向工厂厂房或民用建筑供电，一般都设置总（主）配电盘。

其特点是额定电流大，要求断路器分断能力高。

因为是控制总电源，任何分支配出回路发生故障，不应无选择性地切断总电源，必然保证选择性。

一般选用具有短路短延时保护的选择性断路器。

当有特殊要求，或与中压侧保护连锁，也可采用逻辑选择性方式。

常采用框架式的空气断路器（ACB）。

符合功能要求的大电流塑壳断路器（MCCB）也可采用。

末端配电：

因处于末梢，短路电流一般较小。

最末端直接接用电设备的断路器，无需选择性。

保护可瞬时脱扣切断保障。

与最末端上级配电断路器间的配合，宜采用具有限流特性的准延时选择性方式配合。

末端多采用小型短路器（MCB）基本上属限流性。

中间级配电：

从总配电盘至末端配电之间，均为中间级配电。

中间级配电可多于1级，但以少为佳。

其配电断路器以采用塑壳断路器为主，各种选择性方式均可应用，其中以准延时选择性、能量选择性和短路短延时选择性方式使用最多。

下面列出法国Jean-pierre提出的断路器各种选择性方式组合使用表，（本文将其中准延时选择性方式的使用延伸到末端配电）。

以供参改。

断路器各种选择性方式组合使用表：

空白部分参照下表

一般说来，全系统都采用短路短延时选择性方式，或是全系统都采用“自然的”选择性方式，都是少见的。

而混合采用相互组合的方式是最多的，而且也是合理的。

对于“自然的”选择性方式，只要条件具备，就可尽量采用。

它往往是在局部的部分系统采用，特别是在末端配电和中间级配电中采用最多。

34采用短路短延时选择型断路器需注意的间题

采用短路短延时是断路器保护达到选择性配合最常用的方式，有以下间题值得注意：

341在满足选择性前提下，尽可能减少选择性的延迟时间。

断路器延时分断，需要断路器在延迟时间内承受大的短路电流，会使制造费用增加。

而且断路器所保护的线路和电气装置，因要承受热应力和电动应力而增加电缆截面和设备机械强度，也会增加费用。

此外，缩短短路短延时时间，对于减少系统电压的波动，保证系统平稳运行也是具有重要作用的。

因此，慎重确定短路短延时保护的时间，特别要避免无根据地随意增加延迟时间，这是要我们予以重视的。

延迟时间的确定可参见2.5节。

3.4.2合理地确定配电系统配电级数

在采用选择型断路器的配电系统中，减少配电级数是减少上级配电延时时间的有效办法。

应当综合各种因素合理确定配电级数。

3.4.3尽可能采用“自然的”选择性方式

一般来说，全系统都采用短路短延时选择性方式，或是全系统都采用“自然的”选择性方式，都是少见的。

而混合采用相互组合的方式是最多的，而且也是合理的。

对于“自然的”选择性方式，只要条件具备，就可尽量采用，它往往是在局部的部分系统采用，特别是在末端配电和中间级配电中采用最多。

3.4.4关于断路器三段保护的采用

当采用过载、短路短延时及瞬动三段保护的断路器时，常因上下两级的短路电流差值甚小，下级发生短路故障，上下级断路器会同时动作，得不到选择性配合。

冈此只好将上级瞬动保护解除，只靠短路短延时保护。

但若线路较长，短路时瞬动保护能得到配合，这时其保护范围可能有所缩小，也应尽可能将瞬动保护投入使用。

使其保护区内的短路故障能尽快切除，有利于避免线路和电气装置受到过量损坏。

3.5合理采用负荷开关

3.5.1关于负荷开关的名称

负荷开关（IEC的原文是Switch—disconnector），以前的厂家产品样本称此为“隔离开关”。

将Switch—disconnector译作隔离开关，按文字对应看来似乎也属正确。

我国的国家标准也是译为隔离开关。

但是，从其实质含义来看，都是不正确的。

因为按我国通常所说的隔离开关，是用作无载通断电路，隔离电源用的。

不能用作分断负荷电流。

而Switch—disconnector都是用作分断负荷电流的。

这可从IEC947—1所给出的下面的定义得到证实。

Switch（mechanical）——开关（机械式）的定义：

在正常的电路条件下（包括规定的过载工作条件），能接通、承载和分断电流;并在规定的非止常电流条件下（例如短路），在规定时间内，能承载电流的一种机械式通断电器。

[笔者注：

从这个定义可知，这就是我国通常所说的“负荷开关”。

]

disconnector的定义：

在断开位置上，能符合规定的隔离功能要求的一种开关电器。

[笔者注：

这实际上就是隔离开关，用以无载时接通和分断电路。

但在国家标准译作隔离器。

]

Switch—disconnector的定义：

在断开位置上，能满足对隔离开关（隔离器）所规定的隔离要求的一种开关。

[笔者注：

按此定义来看，它应当是一种“开关”（Switch，请见上面已引用的Switch（mechanical）开关（机械式）的定义]。

但已是在断开位置上能满足隔离功能的一种“开关”（即负荷开关）。

所以应将它译作具有隔离功能的负荷开关或者译为能隔离的负荷开关，也可简称为隔离型负荷开关或隔离、负荷开关。

现在也有的厂家译为负荷隔离开关。

在欧洲也有将Switch—disconnector称为LoadbreakSwitch，可见也是称作负荷开关。

下面从IEC947—3中电器定义及符号一览表，摘引出有关开关的符号、名称及功能，并译出汉语名称，相互对照可得到一个比较清晰的概念。

将下表中符号拷贝至上表中。

比较表中的名称、功能、符号及汉语译名，可见汉语译名所表述的概念是准确与清楚的。

与我国通常对隔离开关、负荷开关术语的含义是相符的。

若将Disconnector译作隔离器，将Switch—disconnector译作隔离开关，则与我国通常的含义是相悖的。

而且名称之间含义混淆，而有岐义。

但在GB/T14048.1标准中是采用的这样名称，因此建议今后在标准更新时，进行适当修改为宜。

3.5.2进线开关与母联开关采用负荷开关。

放射式系统配电盘的进线开关采用负荷开关而不要采用断路器。

这里的负荷开关系指由断路器派生而成的负荷开关。

简单地说它就是一台不带过流保护脱扣器的断路器。

对于具有隔离功能的断路器就派生构成具有隔离功能的负荷开关（Switch—disconnector）。

它可接通和分断工作电流和过载电流，它可隔离电源进行设备维护、检修和试验工作。

因此它可实现配电盘进线开关所有功能的要求。

都避免了因采用断路器而带来的保护重复，整定麻烦的弊端。

对于减少系统保护级数，实现保护选择性的配合是非常有利的，也可减少一些费用。

负荷开关不具有过流保护，因此对配电盘母线及对负荷开关本身的过流保护则由上一级配电盘馈出线过流保护一并承担。

母线联络开关采用负荷开关，具有显著的简化系统保护的优点。

施耐德公司的MT框架式HF型负荷开关，合闸时具有短路瞬动保护脱扣功能，防止合闸时短路。

当负荷开关一旦合闸，将短路瞬动保护解除，就与普通开关一样了。

母联开关不再需保护，而靠系统负荷具有的其他现有保护就足够了。

由于这种类型的负荷开关是由断路器派生而成。

它可具有远方操作、分励脱扣、接地保护及自保护等功能，可根据需要选用。

3.5.3其他类型负荷开关的采用

除前面所述断路器式负荷开关外，尚有其他类型的负荷开关也可采用。

例如，通断额定电流的刀开关;熔断器式刀开关（不含熔体，因不需设保护）等。

但这些是指用于放射式配电系统，配电盘进线开关的保护可由上级配电盘馈出线保护兼顾，避免了重复设置。

但对于干线式配电系统，都不应与之相同，而应采用断路器，或带有熔断体保护的熔断式刀开关（熔断器式负荷开关），或熔断器式隔离型负荷开关。

因为在这里需要具有过流保护的。

此外，还有隔离开关、隔离开关熔断器组、熔断器式隔离开关，也可根据配电系统与负荷特性的具体情况采用。

当然其达到的性能是有差别的。

4实现保护选择的条件与困难

41目前具备了全系统实现保护选择性的条件

就满足配电系统保护选择性的技术与设备条件来说，目前已经具备。

例如施耐德、ABB等公司生产了能达到保护选择性配合的各型断路器产品。

而且还提供了断路器间保护选择性配合表。

尤以施耐德公司提供的“CompactNS塑壳断路器应用技术资料”较为完整，使用起来较为方便。

根据配电系统具体情况，恰当地选用断路器，实现全系统保护选择性的配合是完全可以达到的。

4.2目前存在的困难

只靠几家公司的产品.是不能满足当前国内配电系统全部需要的。

因为在我国国内，除选择型断路器外，大多数厂家都未提供断路器保护选择性的配合数据，所以要使全国所有配电系统都满足保护选择性配合要求是困难的。

但是考虑到各个厂家生产的断路器产品类型相同，保护选择性配合数据是要靠进行试验得到的，只要各个厂家相互配合，共同努力进行工作，才会取得成果的。

4.3有关管理部门、生产厂家与工程设计人员共同努力

为促进制造厂积极进行断路器保护选择性配合试验及提供技术数据，其有关管理部门是负有重要责任的，应当组织进行这项工作。

工程设计人员以前由于客观条件限制，对实现系统保护选择性重视不够，要求也不严。

也未要求制造厂提供有关资料，所以没有促进这一工作的推动力量。

事实上现在有的公司是具有断路器保护选择性配合资料的，但由于产品用户并未向公司要求提供这类资料，所以他们在产品样本中就未予提供。

这说明工程没计人员重视与否是起着重要作用的。

如果配电工程没计人员，对满足系统保护选择性严格要求。

没有断路器保护选择性配合数据的产品就不予选用。

若如此，必将会有重大促进作用。

因此有关各方共同努力，系统保护选择性的完全实现是不会太大的。

5低压系统配电断路器保护选择性配置示例图

（1）本图意在显示不选有短路短延时的选择型断路器（包括主配电盘的断路器在内），而采用“自然的”选择性方式。

本图不是推荐的实用示例，为了显示选择性配合关系，图中把断路及脱扣器型号均予标出。

（2）本图是应用施耐德公司所提供的“CompactNS塑壳断路器应用技术资料”而配置的。

断路器型号也是按资料中规定的数据选用的。

（3）系统是按获得完全选择性配置的。

但为了也作出部分选择性的示例，在图中配置了x1～x5个断路器保护的部分选择性，并注明了部分选择性范围。

（4）母联开关采用了合闸时具有短路瞬动保护，合闸后解除保护功能的负荷开关。

在电动机旁装设了负荷开关，以备紧急通断和维修时隔离之用（随具体情况装没）。

6结束语

配电系统的保护选择性是提高连续供电的重要保证。

目前实现系统保护选择性配合的条件已有所具备。

只要共同努力，所有配电系统保护选择性实现配合，也是可以期待的。

而转变观念、取得共识是努力行动的首要环节。

本文旨在提出有关间题，引起有关人士关注，进行研究讨论。

促使这一技术工作积极取得进展，使配电系统得以完善。

参考资料

[1]DiscriminatioonWithLVPowerCircaitbreakers.Jean—PierreNEREAUCahierTechnigue2001.

[2]CompactNS塑壳断路器MeriinGerin梅兰日兰80～1250A应用技术资料.