淺析低壓電器元件的選擇性和后備保護

安雅麗

（甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741018）

低壓電器元件的選擇性保護，是保證低壓系統可靠性與安全性的關鍵。為保證全部電器元件協同工作處于最佳狀態，主要是對導線以及設備采用選擇性保護方式，以免短路、斷路以及其他故障問題的出現，從而影響整體系統的正常運行。因此，分析短路或是短路條件下，低壓電器元件的選擇性和后備保護，對低壓配電線路的安全使用具有重要意義。

1 低壓電器元件的選擇性

1.1 電流的選擇性

在設定系統電流值時，上級斷路器的過載電流或是短路電流要大于上下級斷路器，使得距離故障點最近的路中斷路器先跳閘。當電流故障發生在負載端時，負載側斷路器的額定電流值將遠小于母線側斷路器，并且會先發生跳閘，若斷路器無法正常運行，將先對母線側斷路器實施級聯保護，如圖1二級配電系統圖。

圖1 二級配電系統圖（QF1為母線側斷路器，QF2為負載側斷路器）

1.2 時間的選擇性

時間選擇性是指，短路電流近似相同時的一種選擇辦法，必須在上一級的斷路器部分配置具有延時特性的脫扣器，若下級斷路器發生故障，則可以及時斷開短路。根據二級配電系統圖，若負載側斷路器的動作電流遠小于過電流故障時的電流，并且故障電流將達到母線側斷路器的電流值，此時的負載與母線側斷路器將一同發生跳閘。為避免低壓系統中的電器元件出現這種事故，需要利用斷路器的時間選擇性，對電器元件采取相應的級聯保護。在設定時間時，負載發生過電流保護情況下的母線側斷路器延時將大于負載側斷路器，負載側斷路器會在同時采取延時保護的情況下，先動作，由母線側斷路器切斷回路，若正常延時保護措施采取后，負載側斷路器沒有產生相應的動作，則判定為故障，此時將由母線側斷路器對低壓線路進行保護，不僅脫扣延時，而且脫扣器的動作電力實現了分級配合。

1.3 邏輯的選擇性

邏輯選擇性是指，斷路器能夠分享并交換數據，對各元件的智能化要求較高。在路基選擇性保護機理中，斷路器能夠根據故障的具體位置，向上級斷路器傳送下級斷路器監測到的不脫扣信號，使得處于等待狀態的上級斷路器對下級斷路器的故障進行判斷。如果下級斷路器沒有在相應的時間內跳閘，則不脫扣指令將解除，指導下級斷路器完成成分跳閘動作，進而由上級斷路器分析自身與故障點的距離，然后實施相應的保護措施。邏輯選擇性保護機理如圖2所示。

圖2 邏輯選擇性保護機理（A為上級斷路器，C為下級斷路器）

2 后備保護方法的實現

2.1 系統結構

低壓電器元件作為維護低壓系統正常運行的關鍵，在目前的變電站繼電保護結構中，保護區域內的變電站為主站，其他為區域子站，由智能電子設備采集、上傳并執行測量信號以及跳閘命令。各個子站利用通信網傳輸保護區域內的狀態量信息，一旦線路中存在故障問題，則由斷路器向各個子站下達跳閘命令，以此充分發揮出各電器元件的協同作用，有效解決了不同裝置互操作中存在的問題，對提升低壓系統穩定性與安全性具有十分重要的現實意義。

2.2 基本原理

2個過電流保護電器在串聯之后會產生一種過電流配合，電源側保護電器在其他保護電器的幫助下，不僅能夠避免其他保護電器過負荷，而且有利于電源側保護電器的過電流保護的實現。廣域視角下，低壓系統中低壓電器元件后備保護原理如下：

（1）由子站實時采集母線電壓的各序分量，并根據相關標準判斷啟動元件是否存在動作，并且子站與母線的各序電壓比例系數，會被智能元件上傳到主站，然后由主站排序傳輸上來的各序電壓比例系數，為精準找出故障點做好鋪墊工作。

（2）子站將一系列候選故障線路、相鄰線路的元件動作系數，傳輸至主站，并依據相關的計算方法，對故障關聯系數進行排序，以此實現對故障線路的實時監控。

（3）若故障電路兩端的斷路器存在故障動作，可利用傳統的主保護進行切除，若故障線路兩端的斷路器不發生動作，則可能是保護柜故障或是斷路器線路失靈。為有效解決線路故障問題，有必要區分故障電路斷路器以及相鄰線路斷路器下發的跳閘命令，從而保證后備保護功能的實現，使得故障線路的電壓、電流信息能夠被充分利用。

2.3 故障定位

在低壓系統線路發生故障時，保護區域內故障線路與相鄰線路的故障關聯數值，可作為故障線路候選的輸出值，通過綜合比較，最終查找出具體故障的線路。要想判定候選故障線路就是故障線路，判斷結果應滿足以下公式。

式中，Fout(Li)為故障線路和相鄰線路的故障關聯系數融合值；Fout(Lk)為候選故障線路輸出的故障值；Fset(Li)為判斷結果的門檻值。

在對低壓電器元件后備保護方法中，需要對與母線以及變壓器有關的元件輸出值進行判斷，當全部為“1”時，說明電器元件存在故障。與此同時，對與母線相關的線路的元素進行查看，若比對結果不同，說明相關的線路為故障線路，并且正常線路輸出值非“1”即“－1”。因此，利用后備保護裝置采集到的方向元件輸出值，構建關聯矩陣，當檢測到保護區域內某方向元件啟動，由關聯矩陣對其賦值，直到確定出發生故障的線路，實現低壓系統故障的精準定位。

3 實際檢驗中存在的問題

3.1 具體問題分析

在對企業生產的GCS開關柜實際使用情況進行分析時，發現短路時，MCC柜中某個抽屜模塊沒有及時分斷短路，由進線柜內的主斷路器對短路故障進行分斷，使得低壓配電線路無法正常工作，沒有體現出低壓電器元件的選擇性與后備保護。通過對樣機的檢驗，找出問題原因。故障發生時，產生這種現象的主要原因在于：抽屜模塊單元采用的斷路器與主回路的連接導線，產生的預期短路電流為50kA，檢驗結果表明，斷路器各項功能可正常運行，連接導線使得MCC柜垂直母線的下端發生熔化。結合波形采集圖，發現PVC無法抵抗給定時間內產生的熱效應，使得絕緣層發生破壞，使得扎成捆的三相絕緣導線發生了二次短路，持續一段時間后，將對沿向銅導體造成不可恢復的熱沖擊，進而產生熔斷，使得短路分斷功能無法正常運行。與此同時，垂直母線下端的熔化現象，產生了能夠造成線路發生三次短路的弧光短路，嚴重影響了主斷路器的保護作用，只有在承受一段時間中，進線柜才會發生消除故障的斷短路動作。

3.2 改進措施

通過對實際線路中低壓電器元件選擇性與后備保護方法的分析，主要是由于連接導線選擇不當而引發的一系列短路故障。針對這一問題，設計者應在滿足斷路器額定電壓的情況下，對短路時的熱沖擊現象產生原因進行綜合考慮，從而維護系統運行的可靠性。在對不同連接導線不損壞接頭的溫度進行測量與計算之后，建議將原有的BVR6mm2連接導線設計成BVR16mm2連接導線。通過對設計的連接導線進一步檢驗，此方案順利通過。

因此，對于低壓電路元件的選擇性與后備保護，需要在滿足低壓電器元件額定電流的前提下，全面考慮上下級全部元件短路、過流配合以及 接插件、連接導線等，并對連接導線所能承受的熱效應進行綜合計算，通過理論計算來找出最佳的連接導線設計值，以此保障斷路器能夠正常工作。通過查閱大量資料，可查找到有關斷路器限流特性塑料殼樣品的熱穩定熱效應曲線，與被限制熱應力以及短路電流曲線結合后，能夠查找出電纜線路所能承受的最大熱應力，選用交聯聚乙烯絕緣導線作為設計優化方案，能夠有效避免故障問題的發生，以此充分發揮出低壓電器元件的選擇性能與后備保護。

為有效避免日常工作中斷路器出現誤跳閘、越級跳閘等故障，應對各低壓電器元件進行定期檢查，全面實施問題預防措施。通過定期檢查，判斷斷路器各相電流的實際負載值與額定值相比，比例系數應為0.7。同時，對斷路器的延時值以及電流整定值進行檢測，并在斷路器表面標明相關標識，以便后期斷路器的檢修與維護。此外，應定期清理低壓系統表面，為電器元件穩定可靠運行提供良好的環境，或是利用紅外成像儀對斷路器線路兩端的溫度進行定期檢查，以免較大的熱沖擊效應損壞連接導線，從而不斷提升低壓電器元件的運行性能，增強后備保護。

4 結語

綜上所述，通過對低壓電器元件的選擇以及后備保護方法的分析，結合實際電器元件的實際檢驗，需要綜合考慮上下級全部元件短路、過流配合以及接插件、連接導線等，需要在滿足低壓電器元件額定電流的前提下，選擇規格相對較大的絕緣導線來保障低壓系統運行的可靠性與安全性，促使全部低壓電器元件能夠協同配合。