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选择性保护在万能断路器中的应用

来源:中国工业电器网  点击:次  时间:2012/10/19 9:57:15
    

  区域联锁选择性保护也称完全选择性保护是一种新概念的保护方式,是提高配电系统选择性保护性能的一种措施,它克服了传统性配电系统保护中上下级间难以达到的真正选择性保护。通过系统中各级断路器配套控制器之间通信或数据交换实现相互联锁选择性保护,确保离故障点最近的断路器瞬时分断,从而缩短清除故障所需要的时间,减少电气配电设备在短路或者接地故障时所遭受的破坏。

  目前,国内使用的智能型万能断路器,一般只具有过载长延时、短路短延时、短路瞬时、三相不平衡和单相金属性短路接地保护等功能。当线路中某点发生短路故障时,从出现故障到断路器切断线路的过程中,线路中短路点以上的所有电器元件均受到短路电流的冲击作用。从减轻对线路及电器元件的破坏程度出发,不论短路发生在何处都希望尽快及时予以切除,即要求具有短路保护的断路器能瞬时动作,这样可避免对线路及电器元件造成破坏。为了确保断路器与串联在同一电路中的另一台短路保护断路器在短路条件下的配合,则需要考虑两台电器各自的特性及它们连接在一起的性能。因此,必须要求对短路故障实行有选择性保护动作。

  1 选择性保护应用的重要性与关键技术

  电力系统过电流保护是电器产品的主要任务,完善的过电流保护应该是过电流(短路、过载等)故障级电器设备能快速可靠切除故障,而上级配电电器不应越级跳闸,使电力系统故障限制在最小范围内,这就是通常讲的选择性保护。因为短路等故障发生时不仅影响本支路负载的正常供电,而且还由于处理不及时导致蔓延扩大,以致殃及其他正常工作负载的供电,甚至电网大面积停电。显然,低压配电系统的安全性和可靠性是依据系统中各级断路器的技术性能及其具有的相互选择性保护技术来评价的,电力系统对保护装置(断路器)的基本要求有以下四点。

  (1)选择性。当供电系统发生故障时,要求最靠近故障点的保护装置动作,切除故障,而其他部分仍正常工作,否则叫“失去选择性”。 所谓选择性保护,简而言之就是哪里出现故障,该故障点的上级断路器跳闸,仅仅是切断故障支路的供电,而不影响其他支路的正常供电。

  (2)速动性。为防止事故扩大,减轻危害程度,提高电力系统的稳定性,当发生故障时要求尽快动作,迅速切除故障。

  (3 )可靠性。是指发生了属于它应该动作的故障时,它能可靠动作,即不发生拒绝动作;而在任何其他不属于它动作的情况下,它能可靠不动作,即不发生误动。简单地说就是“该动就动,不该动就不能动”。

  (4)灵敏性。是指保护装置对其保护系统区内故障和不正常工作状态作出反应能力的参数。

  随着低压电器分断能力、保护功能不断完善,已逐步具备实现电力系统全范围选择性保护的可能性。实现全范围选择性保护的主要关键技术是需进一步提高低压断路器分断性能,不仅要提高极限短路分断能力Icu,还要提高运行短路分断能力Ics,尤其是要大幅度提高万能式断路器短时耐受电流能力,达到Icw = Ics = Icu。这是低压配电系统实现全电流范围选择性保护的前提条件。研究并合理设计区域联锁模块动作逻辑程序,是提高选择性保护可靠性、缩短实现选择性保护时间的重要保证。

  2 区域联锁选择性保护原理

  现在,随着计算机数据处理能力的高速提高和万能断路器分断能力与短时耐受电流指标的提高,新一代智能型万能断路器具有一种新型的选择性保护技术——区域联锁选择性保护,又被称为完全选择性保护(简称ZSI)是一种新概念的保护方式。利用万能断路器配置智能控制器的通信与数据交换原理组成一种新型区域联锁。要实现区域联锁选择性保护技术的应用,配电系统中上下级断路器必须具有通信功能。它能克服传统配电系统保护中上下级间难以达到的真正选择性保护,从而可避免短路电流对电力系统的冲击,从而有效提高了供电系统的可靠性。

 

  区域联锁选择性保护装置原理如图1 所示,是在智能控制器的基础上增加高速光、电隔离驱动器、I/O 口和相应的软件,将短路短延时故障或接地故障进行隔离,并由离故障点最近的断路器(无内部延时)瞬时分断故障电流。系统内部其他区域(包括故障支路的上一级断路器)的设备保持合闸状态而持续供电,最大限度地避免了因下级短路故障而造成大范围停电事故。

  区域联锁功能可实现短路保护和接地故障的选择性保护,下级智能控制器的区域联锁输出端与上级断路器智能控制器的区域联锁输入端连接实现上下级断路器的区域联锁。当断路器配置的智能控制器一旦检测到一个短路或接地的故障,它立即发送一个信号到相邻的上级断路器智能控制器,起动上级断路器智能控制器的预置延时,实现选择性保护。如果上级断路器智能控制器没收到下级断路器智能控制器的信号,就不起动预置延时而立即分断断路器,迅速排除故障。


  3 在万能断路器中的应用
  通过控制连线可联锁多台具有此功能的万能断路器,其联线示意如图2 所示,具有区域联锁选择性保护功能的万能断路器可确保断路器上下级完全的选择性保护。当短路故障发生时,检测到故障电流的断路器先发送一个信号给上级断路器并检查下级断路器到达的信号,如果有下级断路器发送来的信号,此断路器将在脱扣延时内保持合闸。如果下级没有送来信号,断路器发出故障分断命令同时断路器跳闸,不管控制器保护是否设有延时。即最靠近故障点的断路器忽略预先整定的延时时间,在不进行内部延时的情况下瞬时分断断路器,切除故障线路。智能控制器在发脱扣命令的同时,也向上一级联锁断路器发出下一级已分断的约束级联锁信号,通知上一级断路器按既定延时执行。若下一级断路器分断后,故障已排除,则上一级断路器退出故障状态而正常运行,从而保证保护的可靠性,实现真正地选择性保护。若下级断路器配套的智能控制器因其内部电子线路等故障而不能发故障脱扣命令来分断断路器时,上一级断路器上智能控制器在30 ms 内(控制器脱扣脉宽为10 ms,断路器固有机械及电弧灭弧分断时间约为20 ms)没有接收到下一级送来的故障分断级约束级联锁信号,且短路电流继续存在时,则上一级控制器不按预定整定时间而瞬时分闸,并将故障分断约束级联锁信号向更上一级传递。

 

  图2 为具有区域联锁(三级)联线及参数整定示意图。第一级万能断路器与主变压器相连,选额定电流In= 3 200 A的断路器,延时时间整定为0.4s。第二级选额定电流In=1 600 A的断路器,延时整定为0.2 s。第三级选额定电流In=630 A的断路器,延时整定为0.1 s。

  举例故障A 出现时,系统中第一级与第二级断路器均检测到故障电流,第一级断路器收到第二级断路器发送的信号在脱扣延时0.4 s 内保持合闸,第二级断路器由于没有收到下级发送的信号而零延时跳闸,尽管它的脱扣时间整定为0.2 s。当故障B出现时,第一级断路器检测到故障电流,因没有收到下级断路器发送的信号,它将零延时跳闸,尽管脱扣时间整定0.4 s。

  如无选择性保护功能,当故障A 出现时,则第一级断路器,第二级断路器都不可避免的受到短路电流的冲击,特别是在大容量的变压器情况下,这时A 点短路时短路电流很大,这对系统的稳定性带来很大的危险性。另一方面在配电系统中,如短路点距离变压器很近,回路阻抗很小,短路电流会更大,这时会使第一级断路器与第二级断路器同时跳闸而达不到真正的选择性保护目的。由于第一级断路器跳闸,将全部负载断电,造成大范围停电的事故。

  由于电力系统中存在短路等故障,系统电压会在短时间内出现大幅度降低甚至短暂消失等现象,它会给线路和电气设备带来损失和损伤。比如,欠电压会使电动机疲劳、堵转,从而产生数倍于额定电流的过电流,从而烧坏电动机;而当电压恢复时,大量电动机的自起动又会使线路电压大幅度下降,造成危害。采用具有区域联锁选择性保护的断路器后,出现故障时,消除了内部设定延时,大大提高了分断速度。由于分断时间缩短,限流效果好,可以降低短路电流在母线上的压降,因而同一母线上的其他带欠压脱扣器的断路器就不会因欠电压产生误动作。由于其是通过降低过电流故障期的能量释放来约束故障应力,故极大地降低了万能断路器的热应力和电动应力,提高了断路器分断时的可靠性,且最大限度地缩小了停电区域,保证了无故障部分的连续供电,又可将系统短路电流的冲击降到最低的影响,从而可实现完整的多级监控功能。

  4 结束语

  选择具有区域联锁选择性保护的万能断路器,最大限度地避免了因下级短路故障而造成大范围停电的事故。因此应在万能断路器上大力推广应用。

 

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