低压配电保护的选择性探讨

冯星明（中南建筑设计院股份有限公司，武汉市 430071）

摘 要：通过工程设计实例，阐述了低压配电保护采用选择性配合的必要性，介绍了低压配电保护选择性的定义、原理和方法，提出了满足保护选择性的条件，论述了自然的选择性的概念及要求，并对低压各级配电的保护选择性配合及断路器选型进行了充分的探讨。
关键词：完全选择性 部分选择性 自然的选择性 延时的选择性 能量选择性 逻辑选择性 选择性极限电流值 区域选择性联锁

1低压配电保护选择性配合的必要性
低压配电保护采用选择性配合是为了满足可靠性的要求，是有必要的，在某些情况下则是必须的。《低压配电设计规范》GB 50054-95第4.1.2条 ： 配电线路采用的上下级保护电器，其动作应具有选择性；各级之间应能协调配合。但对于非重要负荷的保护电器，可采用无选择性切断。此条文明确了保护选择的重要性和采用原则，配电系统上下级保护电器的动作应具有选择性。以往由于我国保护电器的性能较差，在低压配电系统中要做到是有困难的。目前低压电器发展较快，熔断器、断路器的更新换代产品的特性已有很大的改善。例如按新标准生产的熔断器(NT型等)选择比为1：1.6，具有三段保护的可调节电子脱扣器的断路器也能大量生产，具有ZSI（区域选择性联锁）功能的智能型断路器也出现了，目前配电系统要做到选择性已具备条件。
但在工程设计中，保护选择性往往被忽视，例如某工程设计的消火栓泵配电箱系统图如下：

此工程已知条件：变压器容量为1600kVA，供电距离为50m，进线电缆截面为70mm2，
配电箱主开关为NSX-160F，125A/4，电磁脱扣；分开关为NSX-100F，100A/3，电磁脱扣。
经计算，配电箱分开关出线下端短路电流Id=14kA，查询NSX开关的保护选择性配合表如下表：

通过上表得知，主开关NSX-160F，125A/4，与分开关为NSX-100F，100A/3没有选择性，当一路分开关由于短路故障跳闸时，主开关与分开关会一起跳闸，二台水泵将全部失电，两台水泵的一用一备形同虚设，火灾时消火栓泵失去灭火作用，造成严重的后果。
由此可知低压配电保护的选择性是非常重要的，特别是对于一级负荷而言。如果停电会造成火灾、爆炸或人身伤亡危险的场所，停电会使生产连续性中断而造成设备或产品大量损坏的场所，停电会造成重大政治影响或公共秩序混乱的场所，停电会造成通讯中断或数据丢失的场所的主、分开关以及变电所总开关与分开关，配电保护必须具有选择性。
2低压配电保护选择性的原理
2.1 保护选择性的定义

保护选择性是指自动保护装置之间的协调配合，使电网任意点的故障可以并仅由故障点的保护设备动作而上一级保护设备不动作。保护选择性包括完全选择性和部分选择性。
完全选择性：故障点的所有故障电流值，从过载到短路电流，无论故障电流值有多大，均由负载侧的断路器D2动作分断，而电源侧的D1保持闭合。
部分选择性：如果在较大短路故障电流情况下，不能满足完全选择性，但是可能在某一较低短路故障电流值（选择性极限电流值）时，上、下级断路器具有选择性，则称为部分选择性。
选择性极限电流值为负载侧保护器与电源侧保护的时间-电流特性的相交点，当大于此值时，在负载侧保护器动作完成前，电源侧保护器动作，因而不能保证选择性。
如果当过载或短路故障发生时，D1和D2断路器均跳闸，那么此保护就无选择性。
2.2 保护选择性的原理
目前施耐德、ABB等很多品牌的断路器均实现了从框架断路器、塑壳断路器到微型断路器的全系列的完全选择性，并提供了保护选择性的断路器配合表以及短路电流的选择性极限值，可以方便地验证设计的配电线路保护是否具有选择性并可据此选出满足选择性的断路器上下级配合方案。下面以施耐德的NSX系列开关为例介绍保护选择性的原理。
断路器采用快速旋转分断技术，当短路电流达到某值时，由于磁斥力使触头旋转，产生强大电弧能量并使壳内气体压力大增，推动活塞使断路器瞬间脱扣，具有很强的限流能力。
断路器保护的选择性基于以下原理：
电流选择性—用于过载长延时保护，如果配电断路器脱扣器长延时整定电流之比大于1.6，保护满足选择性。
时间选择性—用于低短路电流保护，在此情况下，上级断路器的脱扣应稍微延时，以使下级断路器先脱扣。如果短路保护电流整定值之比大于1.5的话，能保证保护的选择性。
能量选择性—用于大短路电流保护，此原理结合断路器的限流能力和能量脱扣技术，当两个断路器检测到大短路电流时，下级断路器快速限流，上级断路器产生的能量不足以引起能量脱扣，这就保证了完全的选择性，当断路器的壳架额定电流比值大于2.5时，能确保能量选择性。

逻辑选择性—用于具有ZSI（区域选择性联锁）功能的智能型断路器，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，使上级脱扣器延时动作，依次类推，以保证各级按顺序延时动作。由发生故障处的断路器切除故障。这样可保证完全的选择性。上下各级断路器通过信号线连接以传递动作逻辑指令。例如有四级断路器串联，从上到下分别为D1、D2、D3、D4。假设短路发生在D4和D3之间，D3检测到短路电流向D2发出闭锁命令，关闭D2所有的保护功能0.1秒（将D2锁定），0.1秒以后D2原设置的各种保护功能自动恢复，同理D2收到D3的信息后，发指令使D1延时0.2秒，同时由于D3未收到D4发出的闭锁命令，D3将瞬动切除故障。各级之间依次类推。目前一些公司的框架及塑壳断路器均可提供ZSI功能，但造价相对较高，适用于对选择性有要求的特别重要场所。
2.3 保护选择性的条件
保护选择性包括自然的选择性及延时的选择性。
自然的选择性是指仅通过断路器的壳架电流及整定电流的级差来实现的选择性。这可以通过断路器的配合实验来获取选择性配置，可查阅厂方提供的选择性配合表。
延时的选择性是指采用短路短延时的方式或者区域选择性联锁的方式来实现的选择性。延时选择性的保证条件是上级断路器的启动时间大于下级断路器的全分闸时间。
满足配电保护选择性配合的条件为以下之一：
1．上下级断路器之间具有自然的完全选择性。
2．上下级断路器之间具有自然的部分选择性，且下级三相全短路故障电流值低于选择性极限电流值。
3．上级断路器增加保护延时直至下级断路器全分闸。
3低压配电保护的选择性配合
3.1 上下级断路器采用自然的完全选择性
按照生产商提供的断路器选择性配合表，选择具有完全选择性的上下级断路器。自然的完全选择性的优点是无论故障电流的大小均能保证选择性，不会因为增加延时时间而增加系统的动、热稳定性负担。配电系统保护应优先考虑自然的选择性。
满足上下级断路器的自然的完全选择性的必要条件见下表（以施耐德断路器为例）：

以上是必要条件，满足上表要求的上下级断路器基本可满足完全选择性要求，但个别满足表中要求的为部分选择性，还需要进一步加以判断。因此是否能满足完全选择性的要求应以厂方提供的断路器选择性配合表为准。
通过合理的系统规划以及设备选型，可以做到自然的完全选择性，当上下级保护级差较小无法采用完全选择性的断路器或者采用完全选择性配置不经济时，可以采用部分选择性，条件是三相短路电流低于选择性极限电流值。
故障点短路电流的计算是确定部分选择性是否满足要求的基础，是验算动热稳定性及保护灵敏度的基础，也是确定选用脱扣器类型的基础。对于重要回路的短路电流计算是工程设计中不容忽视的步骤。
3.2 断路器的脱扣器类型与选择性的关系
以施耐德断路器为例，其脱扣器分为热磁脱扣器（TM）、电磁脱扣器（MA）、电子脱扣器(MIC2)及智能脱扣器(MIC5/6)等。各类脱扣器参数大致如下：
热磁脱扣器的参数为：Ir=（0.7~1）In，Im=（5~10）In。二段保护。
电磁脱扣器的参数为：Im=（5~12）In。一段保护。
电子脱扣器的参数为：Ir=（0.9~1）×（0.4~1）In，Isd=（1.5~10）Ir ，Im=12In。三段保护。
智能脱扣器的参数为：Ir=（0.9~1）×（0.4~1）In，Isd=（1.5~10）Ir ，Im=（10~15）In。三段或四段保护。并增加Tr和Tsd的可调节。
上式中Ir：长延时整定电流， Isd：短路短延时整定电流， Im：短路瞬时整定电流，In：脱扣器额定电流，Tr：长延时整定时间，Tsd：短延时整定时间。
由上可看出，电子脱扣器及智能脱扣器为三段保护，其电流调节范围更大，更容易满足选择性要求，且保护灵敏度也容易满足，可用于电源端及中间级配电，其中MIC2型电子脱扣器由于没有时间调节，当短路电流较大时难以实现时间选择，故更多用于中间级甚至末端配电。而MIC5/6型智能脱扣器还带有时间调节，可关闭瞬时保护，是真正的选择性脱扣器，适用于电源端配电保护。热磁脱扣器为二段保护，适合用于末端配电，可无选择性瞬时脱扣。电磁脱扣器用于电机启动场所或不允许过载跳闸场所。
当故障点短路电流小于10Ir时，可以采用自然的完全选择性，当短路电流较小可能造成上级断路器的保护死区时，上级断路器可采用三段保护来消除死区；当故障点短路电流大于10~15倍Ir时，可采用断路器额定电流的级差来保证自然的能量选择性，若级差不够时，可取消上级断路器的瞬时保护而改用短延时保护，同时增加上级脱扣器的短路延时动作时间（一般相差0.1S）,但需验算时间增加时的动、热稳定性。各类型保护的分闸时间见下表：

3.3 各级配电保护的选择性配合
低压配电系统一般分二到三级，不宜超过三级。第一级为变电所低压柜，第二级为中间（楼层）配电箱，第三级为终端配电箱。应尽量减少配电级数，级数少有利于保护的选择性配合。对于各级配电保护的选择性配合探讨如下：
1．变电所低压柜
一般总开关及联络开关采用框架断路器，出线开关采用塑壳断路器。
总开关与联络开关应有选择性，方法一是按选择性表格选型，框架电流一般相差二级时可以保证选择性要求；方法二是联络开关取消瞬动保护，总开关与分开关的长延时保护整定值的比值不小于1.6；方法三是联络开关改为框架式负荷开关。
总开关与分开关应有选择性，以施耐德MT型框架开关与NSX型塑壳开关为例，经查表比对，基本上实现了全系列的完全选择性。《工业与民用配电设计手册》建议为保证选择性低压总开关取消瞬时保护，仅设短延时保护。笔者认为这是没有必要的，变压器低压出线总开关不宜取消瞬时保护，一方面难以复核系统设备及线排的动热稳定性，大短路电流时应该采用能量保护快速分闸以减少对电气设备及母排的损害，特别是对变压器的损害，另一方面，低压总开关采用延时脱扣不利于高压侧继电保护的整定。同时目前上级框架开关与下级塑壳开关已实现了自然的完全选择性，不必考虑短路故障电流过大的问题。
变电所低压总开关宜采用具有全参数调节的智能型脱扣器，采用三段式保护或四段式保护（增加接地故障保护，建议作用于信号）。
当变电所少数出线开关容量较大而采用框架断路器时，设计时一定要注意，此回路应尽量减少容量，不行时可分成二路出线。应保证总开关与分开关的长延时整定电流的比值大于1.6且框架电流相差2.5倍以实现自然的完全选择性。这一点是不难做到的。
变电所出线开关建议采用电子脱扣器，重要回路采用智能脱扣器，三段式保护。一方面是满足对下级配电前段线路保护的灵敏度要求，一方面是为更好的满足保护选择性的要求。当与下级配电开关的瞬动满足不了选择性要求时可取消出线开关瞬时保护改用短延时保护。
对于变电所出线回路的漏电探测，为保证选择性，建议仅作用于信号而不跳闸。
2．中间（楼层）配电箱
一般总开关及出线开关采用塑壳断路器。若由变电所至中间（楼层）配电箱采用放射式供电，则中间（楼层）配电箱总开关可以采用负荷开关，这样由于上级变电所出线开关至本箱的分开关距离较远，短路电流相差较大，更易实现保护选择性，当有保护死区时上级变电所出线开关可采用三段保护以提高保护灵敏度；当由变电所至本箱采用树干式配电，则本箱总开关应采用断路器。变电所出线开关、本箱总开关及分开关均应按照所选断路器品牌的选择性配合表进行选型，以实现完全选择性配置。
3．终端配电箱
一般总开关采用塑壳断路器，分开关采用塑壳或微型断路器。当分开关采用微型断路器，主开关采用塑壳断路器时，其选择性容易实现。当分开关及主开关均采用微型断路器时，上下级只有部分选择性，则要求计算此处的短路电流。当小于选择性极限电流时可以满足选择性要求，否则主开关只能采用塑壳断路器。若由中间（楼层）配电箱至终端配电箱采用放射式供电，则终端配电箱总开关可以采用负荷开关，易实现与上级的保护选择性；当为树干式供电时，则本箱总开关应采用断路器。中间（楼层）配电箱出线开关、本箱总开关及分开关均应按照所选断路器品牌的选择性配合表进行选型，实现完全选择性配置。
4总结及建议
1．建议一级负荷应采用选择性保护，二级负荷宜采用选择性保护，三级负荷为节省造价可采用非选择性保护。
2．变配电所出线开关建议采用可调节三段式保护断路器。重要回路的末端配电箱总开关建议采用塑壳断路器代替微型断路器，更利于保护选择性。由放射式供电的配电箱总开关可以采用负荷开关。
3．建议尽量采用自然的选择性配置，对于短路电流较大的场所可采用延时的选择性配置，上级开关采用可调节的短路短延时脱扣。对于有特别要求的重要场所可采用ZSI区域选择性联锁。
4．建议配电回路均进行短路电流计算，目前的电气CAD软件都具有短路电流计算功能，计算起来快速而方便。短路电流计算对于选择性保护的选型和整定很重要。
5．为保证重要负荷的完全选择性，建议各级配电均选用同一品牌产品，以方便查表核验。同一品牌的产品的选择性是通过实验得出的，可靠性较高。
6．建议慎用原有的经验及计算公式，这是因为计算误差及设备差异会造成很大影响。保护选择性以厂家通过实验得出的选择性配合表为准。并建议没有做选择性配合实验的断路器生产厂家重视这个问题，提供准确的选择表供设计人员选型。

参考资料：

[1]《工业与民用配电设计手册》第三版 中国航空工业规划设计研究院组编
[2]《Schneider Compact NSX应用指南》