低压配电系统选择性保护技术的研究及应用

杨卫东

摘要：在低压配电系统中断路器的选择性保护是关键。综合分析比较断路器的几种选择性保护技术优缺点，阐述了低压配电系统对选择性保护的要求，引入选择性保护技术分析并解决某交换机房低压配电系统的故障，提出了低压配电系统有效的预防及监控措施。低压配电系统选择性保护技术能够提高供电系统供电的连续性，优化并降低供电系统成本。

关键词：低压配电系统;断路器;选择性保护;安全可靠

引言

可靠稳定的供配电系统是数据中心稳定运行的基础，而低压配电系统是通信局（站）供配电系统的重要组成部分，主要将变压器输出的低压市电与低压油机发电机组的电能按照要求进行切换，同时完成电能的分配工作。低压配电系统作为市电、油机电切换以后的第一级配电，一旦出现短路故障，将危害整个通信系统的正常运行，可能引起火灾等严重事故，甚至危及人身安全。文献[1。5]对低压配电系统的选择性保护技术进行研究和分析，但研究主要集中在对选择性保护技术的基本原理和方法的阐述。本文在比较各种选择性保护技术的基础上，以某机房配电系统的故障为研究对象，深入分析故障产生的原因，合理采用选择性保护技术，彻底排除故障，为机房配电系统故障的排除提供借鉴。

1低压配电系统短路故障选择性保护方法

当前国内外研究的低压配电系统短路故障选择性保护方法有以下几种：

1.1过电流保护

目前，应用最广泛的短路故障选择性保护方法是过电流保护，主要分为电流选择性和时间选择性。过电流保护机理如图1所示。

由图1可以看出，电流选择性是通过设定上下级断路器不同的整定电流来实现对过载、短路故障的选择性保护配合，即三段式保护，其优点是技术成熟、原理简单且成本较低。但基于电流选择性的瞬动保护的动作时间仅为开关的固有分闸时间，在短路电流足够大时，会出现上下级同时跳闸或上级先跳闸的情况，选择性难以保障，且保护范围亦受到限制，只能做到局部而非全范围的保护;时间选择性则是对于相同的短路电流设定不同的动作时间，靠时间来决定上下级的开关顺序以实现选择性。虽然弥补了电流选择性的不足，但当多级开关串联时，延时时间累计增加，上级开关延时时间越长，故障时短路电流持续时间越长，整个配电系统要付出更大的代价来满足动热稳定的要求。

因此，虽然过电流保护在当今电网的选择性保护方式上应用广泛，但这种保护方式是以牺牲保护的快速性甚至可靠性为代价来获取保护的选择性。

1.2虚拟时间选择性和能量选择性保护

近年来，在传统过电流保护的基础上，一些改进方法相继被提出，虚拟时间选择性保护即是其中之一。若下级QF2采用限流型断路器，通过限流作用可使实际的短路电流幅值和持续时间大大减少，当其限流系数越小时，则上级QF1断路器所承受的短路电流作用就越小，其动作时间随着短路电流的增大而减小。虚拟时间选择性保护机理如图2所示。从图2可以看出，这是一个等效的反时限特性曲线（即图2中虚线所示），增强了上下级断路器的选择性保护特性。

能量选择性保护也是改进方法之一。它是指基于一定量值的短路能量同时作用于上下级断路器上，由于上下级断路器存在级差，短路电流只能使下级断路器跳闸，而不足以使上级断路器跳闸，仅能使其触头微微拆开，产生电弧而又限制了短路电流能量。当下级断路器QF2脱扣分断后，上级断路器QF1又恢复而保持了闭合，从而实现了选择性。能量选择性保护机理如图3所示。

这两种方法在一度程度上增强了保护的选择性。但从以上分析中不难看出，这两种保护均是在传统过电流保护的基础上，从电器本身入手对传统过电流保护方法进行改进，主要侧重于上下级断路器间的相互配合，并依赖厂家通过试验得出的选择性配合表，并未考虑多层级的情况，在大电流的冲击下仍无法实现准确的全选择性保护。

1.3区域选择性联锁保护

在辐射式电网中，各级断路器可通过通信或数据交换来实现选择性保护，即区域选择性联锁保护，其工作原理如图4所示。当下级断路器QF2检测到的电流值大于脱扣器整定值时，即向上一级QF1的脱扣器发出逻辑等待指令，QF1闭锁其脱扣装置，直至下级QF2脱扣分断后，指令解除。当下级QF2因故未能在规定时间内动作，指令也解除，上级QF1作为后备保护而动作。若QF1未接收到等待指令，则脱扣器按瞬动整定值动作。

2低压配电系统对断路器的要求

2.1低压配电系统的组成

低压配电系统是通信局（站）供配电系统的重要组成部分，主要将变压器输出的低压市电与低压油机发电机组的电能按照要求进行切换，同时完成电能的分配工作，一般安装在低压开关柜中。

大容量通信局（站）系统，可以进行两路市电与一台或两台油机的切换。进线柜主要完成市电的引入、计量、测量与保护工作，主要安装了避雷器、断路器、电流互感器;ATS柜主要实现市电与应急电源或市电与市电直接的切换，安装设备包括ATS（雙电源自动转换开关）、空气断路器、电流互感器CT等;补偿柜主要用来提高功率因数，它与配电系统并联运行，主要安装了负荷开关、避雷器、接触器、电抗、电容、熔断器等;馈电柜完成电能的分配工作，主要由断路器、电流互感器组成。两路市电母线通过联络柜进行组合，联络柜主要完成两段母线的闭合与分断，主要由断路器、电流互感器组成。

2.2选择性保护的要求

1.进线柜内的断路器作为变压器输出的第一级开关，应根据负载电流选择断路器的额定电流，考虑到负载断电重启后的冲击电流，断路器的带载量应小于额定电流的70%以下，同时由于短路时产生的故障电流较大，为保护系统，要求其能够承受的短时耐受电流最大。

2.当故障发生时，邻近故障的前一级断路器，必须快速切断故障电流，同时具有选择性保护的上级断路器的脱扣机构不动作，始终处于闭合状态。即馈电柜内的断路器先跳闸，总的进线断路器不脱扣。

3.由于馈电柜内的断路器分断故障电流需要一定的时问，主开关断路器应能承受该短时间的短路或过载电流，保持在合闸状态，同时工作正常。

3择性保护故障案例分析

3.1故障原因分析

1.负载侧存在短路故障。故障点有可能在馈电柜后端，由于短路电流过大造成该路馈电断路器无法跳闸，由主开关进行保护;或是主开关与馈电断路器之间存在短路故障，造成进线主开关跳闸。

2.断路器过电流保护。随着负载增加，负载电流越来越大，超过断路器的额定标称电流，达到断路器延时保护的时间值，使断路器动作分闸。

3.断路器本体损坏。由于使用年限过长，设备老化或内部脱扣机误动作等设备本身原因跳闸，使系统断电。

3.2故障处理

所有在用分路断路器没有自动断开，检查总进线断路器与各在用分路断路器之间一切正常，无气味，无明显烧灼点。将各在用分路断路器断开，做好应急准备后逐级送电，所有设备工作正常，说明负载侧没有发现短路现象。若存在短路故障，电路将快速跳闸。

测量负载电流：（300±2%）A，含蓄电池充电电流，800A断路器不应存在过载或偏载问题;观察一段时间后，总断路器仍能正常工作，确定断路器没有损坏。

将楼层总交流屏双电源开关下端断路器Ir设定为0.9，同时对所有综合楼机房和变电所断路器进行普查，调整了一部分断路器相关设置参数，目前工作正常。

4结语

在分析传统选择性保护方法和试验研究的基础上，提出多层级选择性低压短路保护试验系统。本文所开发的试验系统能够对不同层级、不同类型的短路故障進行实时采集测控，既能满足短路故障的快速、实时、可靠检测，又具备分析、辨识、预测能力，并可验证早期检测算法和峰值预测算法在实际多层级低压配电系统中的可行性，为低压配电选择性协调保护奠定技术基础，有广阔的应用发展前景.

参考文献：

[1]陈德桂.智能电网与低压电器智能化的发展[J].低压电器，2010（5）：1-6.

[2]何瑞华.智能电网系统中低压电器发展探讨[J].低压电器，2011（1）：1-5.

[3]张培铭.智能电网与智能电器系统[J].电器与能效管理技术，2014（10）：5-9.

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