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低壓配電系統全選擇性保護新理念——多層級短路故障選擇性保護

日期:2017-04-28    

 一、技術現狀

  過電流保護包括過載保護和短路故障保護。目前,對于過載保護,通過時間—電流的選擇性保護方式可實現全選擇性保護;而對于短路故障保護,則仍大部分停留在低層級的局部選擇性保護,還未能真正地實現完全的全選擇性保護。因此,選擇性保護的難點在于短路故障的全范圍選擇性有效實現。

  現有的選擇性保護技術主要包括:電流選擇性、時間選擇性、能量選擇性、邏輯選擇性等,其技術特點如下:

  電流選擇性:通過設定上下級斷路器過電流脫扣器不同的整定值來實現的。當故障電流等級低于選擇性極限電流值(上下級斷路器的保護特性的交點)時,上下級斷路器間具有選擇性;而當故障電流大于該門限值時,則上下級間就失去選擇性。因此,目前這種保護方式不單獨地用于短路故障保護,而主要用于過載長延時保護。

  時間選擇性:在電流選擇性的基礎上提出,通過為上級斷路器增加短路短延時動作功能來達到選擇性保護的目的。采用時間、電流選擇性相結合的方法,在理論上能實現全選擇性配合,但在短路短延時期間,系統的配電線路及設備需承受短路電流產生的電動力、熱效應和電磁干擾。當配電層級較多時,逐級累加的延時時間過長,則由于短路導致的電壓跌落會影響正常負荷的運行;同時過長的延時時間還可能導致局部過熱及對設備造成損壞。因此,目前該方法主要用于低短路電流的保護。

  能量選擇性:基于下級斷路器均具有能量脫扣器單元,且脫扣特性能靈敏地反映線路中短路能量的一種選擇性保護;當兩個斷路器檢測到大電流時,下級斷路器快速限流,使上級斷路器因能量限制不足以產生脫扣;因此,通過結合斷路器的限流能力和能量脫扣技術使得上下級斷路器在原先無選擇性的短路瞬動保護區段,形成了事實上的選擇性配合,因此其可用于大短路電流的保護。但這種方式的選擇性范圍具有一定的局限性,且難以實現準確的選擇性保護。

  邏輯選擇性:其本質是一種優化的時間選擇性,用于具有ZSI(區域選擇性聯鎖)功能的智能型斷路器,上下級斷路器之間通過設置邏輯聯鎖,保證各級按順序延時動作。當故障電流大于短路短延時整定時,采用該技術可以有效地避免盲目的延時,使斷路器動作時間比單純采用時間選擇性方式有較大的縮短,減小了斷路器及配電系統承受的短路電流產生的電動力、熱效應和電磁干擾。但這種保護方式在應用方面仍存在一些缺陷,如長距離通信的可靠性問題等。

  總體來說,現有的這幾種選擇性保護方式都以犧牲保護的快速性為代價來獲取保護的選擇性,側重于上下級斷路器間的交互作用,在實際實現上主要依賴于廠家通過實驗得出的選擇性配合表,尚未從低壓配電系統全局的角度考慮保護的協調性與選擇性,忽略了系統動態參數對選擇性保護的影響,缺乏系統(電源)、斷路器、負載之間的有效交互,無法實現準確的全選擇性保護。

  二、關鍵技術問題

  當前選擇性保護技術的發展方向已不僅是局部選擇性提升到全局選擇性,而且需將系統的選擇性保護范圍從電源側向終端側延伸,需實現低壓配電系統多層級協調基礎上的選擇性保護,為此,應重點圍繞短路故障解決以下關鍵技術:

  (1)通信技術有效且可靠地應用到低壓配電系統的選擇性保護;

  (2)研究低壓配電系統、斷路器、負載之間的交互作用,為低壓系統多層級斷路器的實時協調的選擇性保護提供技術支撐;

  (3)在短路故障檢測辨識及保護快速性基礎上,實現低壓配電系統全范圍選擇性協調保護。

因此,我們提出了低壓系統多層級短路故障選擇性保護技術,其系統架構如圖1所示。

  圖1 低壓系統多層級短路故障選擇性保護系統架構

  該系統各層級各支路的斷路器均配接一個本地監測處理裝置,且本地裝置通過電流傳感器實時監測流經斷路器的電流,對其進行實時處理,同時將處理結果經過高速信道上傳到中央智能控制與信息交換平臺。

  智能控制與信息交換平臺將接收到的各支路本地監測處理裝置上傳的信息與預先存儲在平臺中各層級各支路斷路器信息進行分析比較,并根據分析結果向最靠近故障點且能可靠分斷當前短路故障的斷路器發送動作控制命令,從而實現的系統范圍的全選擇性保護。

  圖1所示系統架構的選擇性保護技術,若配合快速分斷動作機構可以更有效地實現對短路故障的快速切除,提高斷路器等開關保護元件的分斷能力,同時大幅度地降低短路故障對低壓系統的電動力、熱效應和電磁干擾。

  實現低壓系統多層級短路故障選擇性保護技術,主要應解決的關鍵技術:

  (1)可靠的短路故障早期檢測辨識及其預測;

  (2)穩定的通信機制且通信延時確定

  (3)快速分斷機構開發;

  (4)中央智能控制與信息交換平臺的信息處理等。

  三、發展趨勢

  除了全選擇性保護,配電系統的未來技術發展趨勢,將體現在:

  (1)有源配電網主動控制與管理技術;

  (2)新型網絡元件開發——解決因間歇性可再生能源發電接入配電網而帶來的電壓調節等技術問題;

  (3)配網通信技術及其應用等。

  繆希仁簡介

  福州大學電氣工程系主任,福建省建筑智能化專委會副主任,中國電工技術學會低壓電器專委會委員。

轉自:低壓電器雜志





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