低壓配電系統選擇性保護技術的研究及應用

楊衛東

摘要：在低壓配電系統中斷路器的選擇性保護是關鍵。綜合分析比較斷路器的幾種選擇性保護技術優缺點，闡述了低壓配電系統對選擇性保護的要求，引入選擇性保護技術分析并解決某交換機房低壓配電系統的故障，提出了低壓配電系統有效的預防及監控措施。低壓配電系統選擇性保護技術能夠提高供電系統供電的連續性，優化并降低供電系統成本。

關鍵詞：低壓配電系統;斷路器;選擇性保護;安全可靠

引言

可靠穩定的供配電系統是數據中心穩定運行的基礎，而低壓配電系統是通信局（站）供配電系統的重要組成部分，主要將變壓器輸出的低壓市電與低壓油機發電機組的電能按照要求進行切換，同時完成電能的分配工作。低壓配電系統作為市電、油機電切換以后的第一級配電，一旦出現短路故障，將危害整個通信系統的正常運行，可能引起火災等嚴重事故，甚至危及人身安全。文獻[1。5]對低壓配電系統的選擇性保護技術進行研究和分析，但研究主要集中在對選擇性保護技術的基本原理和方法的闡述。本文在比較各種選擇性保護技術的基礎上，以某機房配電系統的故障為研究對象，深入分析故障產生的原因，合理采用選擇性保護技術，徹底排除故障，為機房配電系統故障的排除提供借鑒。

1低壓配電系統短路故障選擇性保護方法

當前國內外研究的低壓配電系統短路故障選擇性保護方法有以下幾種：

1.1過電流保護

目前，應用最廣泛的短路故障選擇性保護方法是過電流保護，主要分為電流選擇性和時間選擇性。過電流保護機理如圖1所示。

由圖1可以看出，電流選擇性是通過設定上下級斷路器不同的整定電流來實現對過載、短路故障的選擇性保護配合，即三段式保護，其優點是技術成熟、原理簡單且成本較低。但基于電流選擇性的瞬動保護的動作時間僅為開關的固有分閘時間，在短路電流足夠大時，會出現上下級同時跳閘或上級先跳閘的情況，選擇性難以保障，且保護范圍亦受到限制，只能做到局部而非全范圍的保護;時間選擇性則是對于相同的短路電流設定不同的動作時間，靠時間來決定上下級的開關順序以實現選擇性。雖然彌補了電流選擇性的不足，但當多級開關串聯時，延時時間累計增加，上級開關延時時間越長，故障時短路電流持續時間越長，整個配電系統要付出更大的代價來滿足動熱穩定的要求。

因此，雖然過電流保護在當今電網的選擇性保護方式上應用廣泛，但這種保護方式是以犧牲保護的快速性甚至可靠性為代價來獲取保護的選擇性。

1.2虛擬時間選擇性和能量選擇性保護

近年來，在傳統過電流保護的基礎上，一些改進方法相繼被提出，虛擬時間選擇性保護即是其中之一。若下級QF2采用限流型斷路器，通過限流作用可使實際的短路電流幅值和持續時間大大減少，當其限流系數越小時，則上級QF1斷路器所承受的短路電流作用就越小，其動作時間隨著短路電流的增大而減小。虛擬時間選擇性保護機理如圖2所示。從圖2可以看出，這是一個等效的反時限特性曲線（即圖2中虛線所示），增強了上下級斷路器的選擇性保護特性。

能量選擇性保護也是改進方法之一。它是指基于一定量值的短路能量同時作用于上下級斷路器上，由于上下級斷路器存在級差，短路電流只能使下級斷路器跳閘，而不足以使上級斷路器跳閘，僅能使其觸頭微微拆開，產生電弧而又限制了短路電流能量。當下級斷路器QF2脫扣分斷后，上級斷路器QF1又恢復而保持了閉合，從而實現了選擇性。能量選擇性保護機理如圖3所示。

這兩種方法在一度程度上增強了保護的選擇性。但從以上分析中不難看出，這兩種保護均是在傳統過電流保護的基礎上，從電器本身入手對傳統過電流保護方法進行改進，主要側重于上下級斷路器間的相互配合，并依賴廠家通過試驗得出的選擇性配合表，并未考慮多層級的情況，在大電流的沖擊下仍無法實現準確的全選擇性保護。

1.3區域選擇性聯鎖保護

在輻射式電網中，各級斷路器可通過通信或數據交換來實現選擇性保護，即區域選擇性聯鎖保護，其工作原理如圖4所示。當下級斷路器QF2檢測到的電流值大于脫扣器整定值時，即向上一級QF1的脫扣器發出邏輯等待指令，QF1閉鎖其脫扣裝置，直至下級QF2脫扣分斷后，指令解除。當下級QF2因故未能在規定時間內動作，指令也解除，上級QF1作為后備保護而動作。若QF1未接收到等待指令，則脫扣器按瞬動整定值動作。

2低壓配電系統對斷路器的要求

2.1低壓配電系統的組成

低壓配電系統是通信局（站）供配電系統的重要組成部分，主要將變壓器輸出的低壓市電與低壓油機發電機組的電能按照要求進行切換，同時完成電能的分配工作，一般安裝在低壓開關柜中。

大容量通信局（站）系統，可以進行兩路市電與一臺或兩臺油機的切換。進線柜主要完成市電的引入、計量、測量與保護工作，主要安裝了避雷器、斷路器、電流互感器;ATS柜主要實現市電與應急電源或市電與市電直接的切換，安裝設備包括ATS（雙電源自動轉換開關）、空氣斷路器、電流互感器CT等;補償柜主要用來提高功率因數，它與配電系統并聯運行，主要安裝了負荷開關、避雷器、接觸器、電抗、電容、熔斷器等;饋電柜完成電能的分配工作，主要由斷路器、電流互感器組成。兩路市電母線通過聯絡柜進行組合，聯絡柜主要完成兩段母線的閉合與分斷，主要由斷路器、電流互感器組成。

2.2選擇性保護的要求

1.進線柜內的斷路器作為變壓器輸出的第一級開關，應根據負載電流選擇斷路器的額定電流，考慮到負載斷電重啟后的沖擊電流，斷路器的帶載量應小于額定電流的70%以下，同時由于短路時產生的故障電流較大，為保護系統，要求其能夠承受的短時耐受電流最大。

2.當故障發生時，鄰近故障的前一級斷路器，必須快速切斷故障電流，同時具有選擇性保護的上級斷路器的脫扣機構不動作，始終處于閉合狀態。即饋電柜內的斷路器先跳閘，總的進線斷路器不脫扣。

3.由于饋電柜內的斷路器分斷故障電流需要一定的時問，主開關斷路器應能承受該短時間的短路或過載電流，保持在合閘狀態，同時工作正常。

3擇性保護故障案例分析

3.1故障原因分析

1.負載側存在短路故障。故障點有可能在饋電柜后端，由于短路電流過大造成該路饋電斷路器無法跳閘，由主開關進行保護;或是主開關與饋電斷路器之間存在短路故障，造成進線主開關跳閘。

2.斷路器過電流保護。隨著負載增加，負載電流越來越大，超過斷路器的額定標稱電流，達到斷路器延時保護的時間值，使斷路器動作分閘。

3.斷路器本體損壞。由于使用年限過長，設備老化或內部脫扣機誤動作等設備本身原因跳閘，使系統斷電。

3.2故障處理

所有在用分路斷路器沒有自動斷開，檢查總進線斷路器與各在用分路斷路器之間一切正常，無氣味，無明顯燒灼點。將各在用分路斷路器斷開，做好應急準備后逐級送電，所有設備工作正常，說明負載側沒有發現短路現象。若存在短路故障，電路將快速跳閘。

測量負載電流：（300±2%）A，含蓄電池充電電流，800A斷路器不應存在過載或偏載問題;觀察一段時間后，總斷路器仍能正常工作，確定斷路器沒有損壞。

將樓層總交流屏雙電源開關下端斷路器Ir設定為0.9，同時對所有綜合樓機房和變電所斷路器進行普查，調整了一部分斷路器相關設置參數，目前工作正常。

4結語

在分析傳統選擇性保護方法和試驗研究的基礎上，提出多層級選擇性低壓短路保護試驗系統。本文所開發的試驗系統能夠對不同層級、不同類型的短路故障進行實時采集測控，既能滿足短路故障的快速、實時、可靠檢測，又具備分析、辨識、預測能力，并可驗證早期檢測算法和峰值預測算法在實際多層級低壓配電系統中的可行性，為低壓配電選擇性協調保護奠定技術基礎，有廣闊的應用發展前景.

參考文獻：

[1]陳德桂.智能電網與低壓電器智能化的發展[J].低壓電器，2010（5）：1-6.

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[3]張培銘.智能電網與智能電器系統[J].電器與能效管理技術，2014（10）：5-9.

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