簡論低壓電氣裝置的過負荷與短路保護

宋先彬

摘 要 影響低壓電氣裝置正常運行的主要故障因素有：低壓電氣裝置設備以及配電線路常見過負荷、短路故障。可見，要使低壓電氣裝置以及配電線路安全可靠地運行，就必須對應設計相關的保護措施。

關鍵詞 低壓 電氣 裝置 過負荷 短路 保護 措施

影響低壓電氣裝置正常運行的主要故障因素有：低壓電氣裝置設備以及配電線路常見過負荷、短路故障。可見，要使低壓電氣裝置以及配電線路安全可靠地運行，就必須對應設計相關的保護措施。

一、低壓電氣裝置及配電線路過負荷保護

配電線路過負荷保護的目的，是保護電纜在允許的工作溫度下長期運行，避免電纜因過負荷發熱，損壞絕緣性能，降低電纜使用壽命。電氣設備過負荷原因（以電力電容器為例），過負荷就是設備承受的負荷（功率）超過其額定值的現象。對于電氣設備，其特點之一就是過電流。

1.電氣設備過負荷原因。

（1）電容器在合閘投入電網時產生的合閘涌流。一般限制為正常工作電流的6～8倍，頻率高，可以達到2.5 kHz～3 kHz。電壓波形畸變引起電容器過電流。電網中由于大功率可控硅整流器等非線性設備投運及變壓器鐵芯的磁飽和等都會使電壓波形發生畸變。由于容抗與頻率的增加，諧波次數越高，對該次諧波表現出來的容抗越小，諧波電流就越大。當電容與電源及線路阻抗、串接電抗器阻抗形成諧振時，可能出現對某次諧波電流的放大現象，使得流過電容器的電流大大超過額定電流。

（2）系統的參數會隨著系統結構和負荷狀況而變化。因此，在由并聯無功補償電容器的系統中，要時刻注意避免諧波放大現象的發生。電容器運行中關于過電流的規定：電容器在額定頻率和額定正弦波電壓下，其有效值電流不大于1.3倍額定電流。很多人將其理解為：總的電流有效值不大于1.3倍額定值。

2.電氣設備過負荷保護。

過負荷對電氣設備的影響主要是因為過高的溫升而降低電氣設備的使用壽命。因此，過負荷保護的原則，就是防止電氣設備過熱。保護根據原理的不同，可以分為三類：溫度保護；根據熱累積的原理動作的保護；根據電流的大小來動作的保護。

（1）溫度保護。溫度保護用于保護電機設備是隨國外引進的設備進入國內的，其基本原理是：將溫度敏感元件粘在或者埋設在被保護設備的最熱部位，以此來實時監測設備的溫度。當設備過熱時切除電源，以達到保護設備的目的。這種保護方式，能夠較真實地反映設備溫度，作為過負荷保護原理上講是比較理想的。溫度保護按照采用的溫度敏感元件性質的不同又分為兩類： 一是溫敏元件為開關特性，如雙金屬片，溫度達到一定程度，雙金屬片動作，斷開設備電源。二是溫敏元件輸出為模擬信號，采用的溫度敏感元件有：熱敏電阻——由金屬氧化物、陶瓷半導體或炭化硅材料制成。PTC、NTC；熱電阻——由銅、鎳、鉑等金屬材料制成（如最常見的鉑電阻）；熱電偶；PN結。

優點： 保護的原理最簡單、直接，能比較真實地反映設備溫度，在一定程度上可以反映短路故障。

缺點：一是準確度的問題：設備在不同的工作條件下最熱點可能不一樣。有些設備的最熱點可能不適合安裝測溫元件。二是信號的傳輸問題：被保護設備多為高電壓、大電流設備，對弱電測量信號可能存在較強的干擾。在被保護設備故障時電壓電流異常，干擾可能更加嚴重。保護裝置的安裝位置可能與被保護設備距離較遠，可能幾十米、上百米，這時就有弱信號的可靠傳輸與傳輸成本的問題。

（2）根據熱累積的原理。反映電流的熱效應，電流產生的熱量達到一定時，保護動作。有兩類：熔斷器和熱繼電器。

熔斷器優點：簡單、成本低。缺點：準確度低，溫升特性與被保護設備存在差異，保護動作后需更換，較麻煩。

熱繼電器——電流流過繼電器中的發熱元件，元件發熱，使雙金屬片受熱動作。其優點是：構造簡單，價格低廉，使用方便，廣泛應用于電動機的過載和斷相保護。不存在熔斷器那樣的更換問題。其缺點是：首先，同樣由于被保護設備（主要是電動機）與熱繼電器不是一體的，溫升特性與被保護設備也存在差異。用熱繼電器很難反映不同型號和容量的電機的溫升；當電機負荷變動大時，保護的困難更多。其次，影響熱繼電器動作的因素眾多，如環境溫度、安裝方向都會影響其動作時間。再次，精度太低，同型誤差可達到20%。

（3）根據電流的大小來動作的保護。首先，定時限：大于某一電流值（如過電流倍數大于或等于1.05），經過過一定的延時后斷開。其次，階越時限：過負荷倍在[β1、β2]之間時允許時間為tr1，在大于β2時，允許時間為tr2。再次，反時限：保護的完全按照設備的過負荷特性曲線來設定動作時間。另外，可變時限：用電流來模擬熱累積效應，是反時限的一種。

二、低壓電氣配電線路的短路保護

1.低壓配電線路短路保護的裝設要求。所有的低壓配電線路都應裝設短路保護裝置。短路保護裝置的裝設，應保證線路末端發生短路時，保護裝置能可靠動作。短路保護裝置應能避開線路中短時間過負荷的影響，如大容量異步電動機的啟動瞬間等，同時又能可靠地保護線路。低壓配電線路的短路保護，通常采用熔斷器或低壓斷路器來完成。

2.短路保護用熔斷器熔體電流的確定。當采用電纜或穿管絕緣導線配電時，熔斷器熔體的額定電流應小于或等于電纜或穿管絕緣導線允許載流量的2.5倍。當采用明敷絕緣導線配電時，熔斷器熔體的額定電流應小于或等于導線允許載流量的1.5倍，這是由于明敷絕緣導線的絕緣等級偏低，絕緣容易老化的緣故。當熔斷器用來保護配電線路末端的短路事故時，熔斷器熔體的額定電流應小于或等于線路末端發生單相接地短路或兩相短路時短路電流的1/4倍。

3.低壓電網短路電流計算的特點。在低壓電網中運行的變壓器低壓側發生短路時可以認為變壓器的高壓側端電壓不變和低壓側短路電流不衰減。也就是說，變壓器高壓側電源可視為無窮大。理論上，變壓器低壓側的所有低壓元件，包括母線和電纜、電流互感器的一次線圈、斷路器和刀閘觸頭的接觸電阻等，對低壓短路電流都有影響，但為了簡化計算，使計算出的短路電流值又偏于安全，容許不考慮占回路總阻抗不超過10%的元件。低壓電網一般以三相短路電流為最大，并與中性點是否接地無關。在低壓電網中，一般不允許忽略電阻，因此短路電流非周期分量比高壓電網衰減快得多，故短路電流最大有效值及短路沖擊電流與周期分量比值一般不太大。

三、結束語

總而言之，低壓電氣裝置設備以及配電線路常見過負荷、短路故障，是影響低壓電氣裝置正常運行的主要故障因素。因此，為了保護低壓電氣以及配電線路，在發生上述故障時應及時切斷電源，確保人身和財產的安全，或使這類故障產生的危害最小化。基于此，相關工作人員務必了解有關的保護原理和應用必要的方法，以解除和減少故障帶來的危害和影響。

參考文獻

[1]侯文豹.630KVA變電站無功功率集中補償分組投切裝置的設計[J].企業文化（中旬刊），2012，（5）：108.