低压配电线路保护的几个问题(任元会06.2.8).doc

低压配电线路保护的几个问题中国航空工业规划设计研究院任元会摘要 本文系统地分析了低压配电线路保护的要求和实施方法，叙述了熔断器和断路器的选型，及其参数的整定；提出处理好正常运行不动作和故障时应按规定时间动作的关系，以及动作灵敏性和选择性的关系，指出全面理解和执行线路保护的技术要求和注意点。关键词 短路保护 过负载保护 接地故障保护 保护电器 熔断器断路器 选择性动作 一 概述 低压配电线路遍布工业、农业、服务业的各个角落，同时也深入千家万户；不仅专业人员接触，也有众多非专业人员，以至普通老百姓都会触及，线路发生故障的几率大大增加。如设计、施工不当，将容易导致人身触电（间接接触），或线路损坏，甚至引起电气火灾。为此，在配电线路设计中，应严格执行低压配电设计规范（GB50054-95）的各项规定，包括加强绝缘，妥善接地，做好等电位联结，但最根本和广泛应用的是做好配电线路保护，正确整定保护电器各项参数，保证在故障时能按要求切断电源，以策安全。 二 全面实施低压配电线路保护规范要求 低压配电设计规范（本文简称规范）实施已十年，为广大电气设计师所熟知，并获得认真积极贯彻执行。但据知，仍有部分设计师和使用运行单位电气工程师对低压配电线路保护的要求缺乏完整系统地理解，难以全面、准确地把握。为此，本文拟对此作一较系统的叙述和分析，阐述各项要求的内在联系。 配电线路设计中，至少要考虑以下和保护相关的要求。 1、规范第四章规定配电线路应装设短路保护、过负载保护和接地故障保护，而且每段配电线路都应满足这三项保护要求（特别规定者除外）。 2、规范还规定上下级保护电器的动作应具有选择性，使故障时只切断该故障线路，而上级保护电器不应动作，力求缩小停电范围。 3、电路发生故障时，保护电器应能在规定时间内动作；另一方面，在正常工作和用电设备正常起动时，保护电器均不应动作。 4、规范规定导体截面应满足动热稳定要求，要和保护电器能协调配合，也就是选择的导体类型和截面，应该和保护电器类型和整定值相关联。 5、作为分断短路电流的保护电器，还应具有足够的分断能力。 以上各项要求密切关联，决定了保护电器的选型和参数整定，具有一定的复杂性，每一段线路和相应的每组保护电器，都应按以上条件一一计算、校验，确定各项参数。 为了全面实施规范的各项要求，特将规定的主要条件以及实施的方法和（或）计算式列于表1，以便全面理解和执行。 表1中的保护电器按规范规定编列了熔断器和断路器两类；而断路器按保护特性不同，又分为非选择性和选择性两类，由于其保护特性、实现选择性要求区别很大，应予特别关注。 表1中的接地故障保护按TN接地系统（包括TN-S、TN-C、TN-C-S）而编制，工程中TN系统仍应用最多，实施接地保护要求也较复杂。8表1： 关于低压保护电器（低压熔断器和低压断路器）电流的整定 要求 保护电器类型保证在正常工作条件下不应切断电路发生接地故障时应保证在规定时间内切断保护电器应保证在导体达到过载温度前切断保护电器上下级之间应有选择性动作（特别是首端应有选择性动作）分断能力要求正常工作时不切断用电设备起动时不切断（按单台或配电线路中最大一台笼型电动机直接起动） 过负载保护短路保护热稳定校验低压熔断器IrIjs1、单台电动机：Ir值按允许通过的起动电流选择对aM型熔断器：Ir（1.051.10）IM对gG型熔断器：Ir（1.52.3）IM（参考值）2、配电干线IrKIjs（n-1）+IMK取1.01.3Id1Kr Ir切断时间5s时：Kr为4.5，5，6，7切断时间0.4s时：Kr为8，9，10，11（视Ir值大小定）IjsIrIz（当Ir12A的刀型触头 和圆筒帽式熔断器：Ir0.85IZ） I - St K(适用于t5s)当t0.1s时按（KS）2I2 t上下级均为熔断器时，按过电流选择比为1.6：1定，即Ir（上）：Ir（下）1.6熔断器额定电流值大体符合1.6：1定40 63 100 160 250 50 80 125 200 315熔断器的额定分断电流应不小于最大短路电流周期分量有效值低压断路器Izd1Ijs长延时脱扣器1、单台电动机：Izd1 IM7.2倍Izd1的动作时间应大于电动机起动时间2、干线：当有大功率电动机时，应考虑7.2倍Izd1的动作时间1、运用瞬时脱扣器时： Id11.3I zd32、带有短时脱扣器时： Id11.3I zd23、当带有零序保护时：Id11.3I zd0（一般用于主干线）4、当采用剩余电流保护时：Id11.3I zdG（一般用于主干线）IjsIzd1Iz同上1、 上级不宜选用非选择型断路器，因这种情况属无选择性。2、上级用选择型断路器（一般用于主干线）应按以下要求整定：a ) Izd2（上）1.2 Izd3（下）或Izd2（上）1.2 Izd2（下）b) 短延时时间：应比下级之最大熔断器之熔断时间大0.10.2s通常要求：Izd2（上）（1215）Ir（下）延时宜为0.30.4s3、当带有短延时脱扣器时，Izd3不应太小，一般宜为1215倍。断路器瞬时脱扣器的额定分断电流应不小于最大短路电流周期分量有效值短延时脱扣器1、单台Izd2 1.2I qM2、干线Izd2 1.2Ijs（n-1）+I qM瞬时脱扣器1、单台Izd3 （2.02.5）I qM2、干线Izd3 1.2Ijs（n-1）+IqM注：1. 本表依据国家标准GB50054-95、电动机起动不切断的有关内容依据GB50055-93编制2. 符号说明I qM Ir 熔断器熔体额定电流 Id1 单相接地故障电流 IqM 笼型电动机的全起动电流（最大一台）（可取I qM之2倍） Iz 电缆或导线载流量，A Izd1 断路器长延时脱扣器整定电流 Ijs 计算电流 S 被保护电缆或导线截面，mm2 Izd2 断路器短延时脱扣器整定电流 Ijs（n-1）不包括最大一台电动机的计算电流 I 预期短路电流，A Izd0 断路器零序保护整定电流 I M 笼型电动机的额定电流 K 电缆或导线热稳定系数（见GB50054-95） IzdG 断路器剩余电流保护整定电流 I qM 笼型电动机的起动电流（最大一台） t 短路持续时间，s 设计时，在初定配电系统后，应从末端回路开始，自用电端到配电变压器低压侧，逐一对每段线路和保护电器按表1各项要求进行计算，以确定导体截面和保护电器参数。 三 实施配电线路保护要着重把握的几个问题 1、做好三项计算 线路负荷计算、短路电路计算，另加电压损失计算，是配电线路设计的基础。(1) 线路负荷计算：按照该线路所接负荷安装功率，逐段计算出线路计算电流(Ijs)，是确定导体截面(S)和熔断器的熔体电流(Ir)或断路器的长延时脱扣器整定电流(Izd1)的主要依据（不是唯一的）。 (2) 短路电流计算：包括计算三相短路电流(I)和接地故障电流(Id1)两种，前者用以校验保护电器分断能力是否足够；后者是确定接地故障时保护电器动作灵敏性的重要依据。 (3) 电压损失计算：对离配电变压器较远的线路，将对导体截面大小有很大影响，从而也间接关系到线路保护电器参数。 2、处理好两对矛盾 (1) 正确处理保护电器在正常工作（含设备起动）时不应动作，而在故障时要可靠动作的矛盾 前者是常规要求，规定了保护电器整定电流的最低限值，低于此值就不能正常工作或起动；后者是按规范规定的保护要求，规定了保护电器整定电流的最高限值，若高于此值就不能保证故障时可靠动作。因此，设计时，只能在高低两限值之间确定整定电流。 有时，两者要求互相矛盾，后者要求的整定电流最高限值比前者的最低限值还小，使你无法同时满足两者的要求。此时，设计者就要采取措施，如加大相线和PE线截面，调整配电系统接线方式，或改变保护电器类型等，解决矛盾，务求同时满足两者要求。 (2) 正确处理故障时保护电器可靠动作和有选择性动作的矛盾故障时保护电器可靠动作和有选择性动作是一对矛盾，前者要求的动作快，后者则不宜太快，要合理调整和处理。对于末端回路，故障时保护电器应尽快动作（规范规定时间以内），不存在选择性问题；而对于上级和以上各级保护电器，尤其是馈电回路首端的保护电器，应满足故障时可靠动作，还应该有选择性动作，即在下级保护电器后面任一点发生故障时，只应由最近的保护电器动作，而上级不应动作。为达到这个要求，配电干线各级保护电器（除末级外）不应选用非选择型断路器，而应选择具有反时限保护特性的熔断器；对于额定电流较大的首端主馈电线保护，应选择带有短延时脱扣器的选择型断路器，并且合理整定其各项参数，才能更好保证选择性。3、把握好几个要点(1) 配电箱（盘）的进线处不宜装设保护电器，宜装隔离开关配电箱的每回路出线都装设了保护电器，进线处再装保护电器就增加了保护的级数，是不妥当的。其实只需要装设具有隔离功能和开关功能的电器，最好就是隔离开关。装保护电器不仅没有必要，如果选型不好，反而产生不良后果。现在不少设计师常使用带长延时脱扣和瞬时脱扣的断路器作为进线开关，一旦发生接地或短路故障，瞬时脱扣器快速动作，容易破坏保护的选择性，这种方案不可取。如果一定要使用这类断路器，则建议选用只带长延时脱扣器、而不带瞬时脱扣器的断路器，主要作为一般切断负载电流的开关使用，也可具有过载保护功能。(2) 变电所低压屏接出小容量馈线要注重导体热稳定和保护电器的分断能力校验配电变压器容量大的变电所，其低压侧的短路电流很大，如变压器容量为1000kVA时，低压屏出线处的三相短路电流可达2325kA（按S9型变压器），变压器高压侧为三角形接线时，该处的接地故障电流也可达20kA以上。如果从低压屏直接引出小容量馈线，如变配电所用电、小功率电动机等，其计算电流仅几个至几十安培。若按计算电流选择馈线的导体截面和保护电器，其值都比较小，因此应注意作以下两项校验：1） 校验保护电器的分断能力：额定电流为几十安培的保护电器，如果选用熔断器，一般用刀形触头、圆筒帽等结构形式，全封闭有填料的产品，如NT系列，其分断能力至少在50kA以上，能满足大容量变压器条件下的要求；如果使用断路器，一般为非选择型断路器，其分断能力则有一般型、较高分断型和高分断型的不同产品，应选择分断能力大于该处最大短路电流的断路器，一般说，这种条件下，不应选用微型断路器，因其分断能力一般只有68kA，不能适应这种条件。2） 校验导体的热稳定：这种计算电流很小的馈线，若只按载流量和允许电压损失选择，截面很小，所以特别要校验短路时的热稳定，往往需要加大截面；或者采取特别措施，使发生短路和接地故障的可能性降到最小。这些措施包括选用双层绝缘线或交联聚乙烯线，电器连接处应作特殊处理。(3) 远离配电变压器的线路应特别校验保护电器动作灵敏性离变电所远，特别是变压器容量较小时，远端接地故障电流很小，而保护电器的整定电流又较大时，往往难以满足在规定时间内可靠断开的要求，应予特别关注。如不能满足要求，应采取相关措施，或采用其他保护方式或接地方式。(4) 选用选择型断路器应正确整定其参数，才能保证其选择性配电干线容量较大时，常常选用选择型断路器作保护。选择型断路器除有长延时和瞬时脱扣器外，还带有短延时脱扣器，使故障时能经过短延时动作，从而保护选择性。为此，应正确整定各项参数，特别是短延时脱扣器的整定电流和延时时间，才能保证其动作选择性。短延时脱扣器整定电流(Izd2)和动作时间(t2)应符合以下要求：1） 当选择型断路器不带接地故障保护时，短延时脱扣器应满足接地故障保护要求，即要求Id11.3Izd2。2） 当下一级装有非选择型断路器时，Izd2应大于或等于下一级最大一台断路器之瞬时脱扣器整定值Izd3的1.21.3倍，以保证其选择性。3） 当下一级装有熔断器时，短延时脱扣器的延时时间t2应着重检查和下一级熔断器相配合，要求在下一级熔断器后发生的故障电流大于Izd2时，下一级最大一台熔断器的熔体电流的全熔断时间（含灭弧时间）应比t2小一个级差，即小0.100.15s，以保证下一级熔断器先熔断，而短延时脱扣器不会动作。此外，为保证选择性，选择型断路器的瞬时脱扣器整定电流，在满足短路动作条件下应尽量整定得大些。(5) 配电线路的截