工厂供电系统低压配电保护电器的选择分析

黄彬

摘要：本文围绕工厂供电系统低压配电保护电器的选择问题进行分析与研究，概括短路保护、单相接地保护以及过负荷保护条件下的保护电器选择问题，并就各级保护电器间的选择性进行分析探讨，仅供参考。

关键词：工厂供电系统;低压配电;保护电器;选择

随着我国生产制造业规模的不断壮大，企业生产的稳定性工作非常重要，其中就有配电的稳定性因素。工厂供电系统低压配电线路的运行质量直接与工业生产水平存在着密切关系，能够为工业生产提供安全可靠的能源支持。电能供应中断可能导致工业生产系统中重大设备发生损坏，产品报废，甚至还潜在人身安全威胁。从这一角度上来说，对供电系统低压配电保护电器的正确选择与设计，是保障工厂企业连续生产作业的关键内容之一。

1 保护电器选择

遵循现行《低压配电设计规范》中的有关要求，工厂供电系统低压配电线路应配置短路保护、单相接地故障保护以及过负荷保护。目前，工厂供电系统中应用较为广泛的低压配电保护电器以断路器为主。以下即针对保护电器的选择问题进行概括分析。

1）短路保护及其选择。工厂供电系统低压配电线路短路保护的基本要求为：在短路电流对导体以及连接件造成机械性以及热效应性危害前，对所对应短路电流进行有效分断处理。因此，配置短路保护电器应当具备以下两个方面的特性：第一方面，能够在短路电流作用于导体并达到温度极限允许值前，对短路电流进行分断处理;第二方面，对短路电流的分断能力应当高于保护电器安装部位所对应的预期短路电流极限值。当短路电流持续时间低于0.1s的情况下，需要充分考虑短路电流非周期分量对热效应的影响，按照如下式（1）所示方式进行校验，以确保保护电器能够在对短路电流进行分断前，导体可充分承受含非周期分量的短路电流热作用。

该式中，定义绝缘导体线芯截面为S，定义计算系数为K，定义为保护电器允许能量值，需由保护电器生產厂家提出;

当短路电流持续时间在0.1s～5.0s的情况下，导体自正常运行所允许最高温度上升至计算温度的持续时间可以按照如下式（2）所示方式进行计算，计算过程中系数K受导体物理特性以及短路状态下初始、最终温度的影响。

该式中，定义绝缘导体线芯截面为S，定义预期短路电流有效值为I，定义导体内短路电流持续作用时间为t，定义计算系数为K（主要为导体材料材质特性、发生短路时初始、最终温度）;

当短路电流持续时间在5.0s以上的情况下，应对应计以及散热的影响进行校验。

2）单相接地保护及其选择。单相接地故障保护器件设置的主要目的是对人身间接电击、电气火灾以及线路损坏等相关事故进行有效预防。对单相接地故障保护电器的选择需要充分考虑工厂供电系统低压配电的接地形式，以及电气设备具体型式的影响，同时纳入对导体截面因素的考量。以国内常用的TN-S系统为例，在根据该型式对保护电器进行选择时，定义接地故障回路总阻抗水平为（包括所在回路相线阻抗、地线阻抗以及设备外壳与相线的接触阻抗，所以在选择接地材料规格的时候应该合理，如果规格偏小，将造成阻抗总值变大，回路接地故障电流变小而造成该回路保护电器无法正常动作，失去保护意义，造成更大的事故隐患），定义保证保护电器在规定时间内对故障回路进行切断的电流值为，定义相线对地标称电压为，则配电线路接地故障保护动作特性应符合如下式（3）所示关系：

以使用低压断路器作为单相接地故障保护器为例，所在回路单相接地故障电流需要满足大于等于1.3倍该低压断路器瞬时或者短延时脱扣整定值。

TN-S系统基于过电流保护电器兼备接地故障保护功能，当过流保护无法满足上述要求的情况下可应用零序电流保护或剩余电流动作保护满足接地保护需求。

3）过负荷保护及其选择。过负荷保护的基本要求在于两个方面：第一，对于突然断电比过负载所致损失更大的线路而言（比如消防、应急电源等），此时过负荷保护应报警于所在监控系统，不做分断动作处理;第二，除以上第一条以外的负载，过负荷保护电器应在过负荷电流所致导体温升对绝缘、接头、周边物质造成损坏前，对过负荷电流进行分断处理。在对过负荷保护器件进行选择的过程中，将线路计算电流定义为，将断路器长延时脱扣器整定电流定义为，将导体允许持续载流量定义为，将保护电器可靠动作电流定义为，则动作特性应满足如下式所示关系：

的概念。对于一个保护电器来讲，不仅要求流过的电流不能超过规定值，而且还要保证流过该电流的时间不可超过规定值。当电流在其额定电流范围内的时候，流过保护电器产生的热量与其散热平衡，保护电器就不会被烧坏，所在回路就可以长期正常运行。而当电流变大内，流经保护电器的时间就与电流大小成二次方反比下降，假如电流越大，保护电器正常运行的持续时间越短。需由该产品制造商给出（按照《低压开关设备和控制设备 第2部分：低压断路器》，为1.3倍）。

2 各级保护电器选择性

在工厂企业供电系统低压配电线路出现单相接地故障、短路故障或过负荷故障的情况下，选择性动作一方面需要保护可靠的分断故障电路，另一方面需要最大限度控制断电范围，预防不必要的大面积停电，实现可进行选择性的分断处理。因此，低压配电系统设计的合理性至关重要，为确保对故障回路有选择性的切断处理，就需要正确整定保护电器的动作时间与动作电流。在此过程当中，低压系统断路器上级、下级的选择性配合问题至关重要。

1）非选择性的断路器及其级间配合。这种配置现在广泛存在于工厂企业中，比较容易被忽视。下图（如图1）所示为上级断路器（定义为A）与下级断路器（定义为B）所对应的长延时以及--瞬时整定结构示意图。结合图1，在断路器出现故障（假定故障发生于D点）的情况下，忽略可靠系数1.3倍的要求，若故障电流达到3000A以上，则断路器A、断路器B均执行动作，无可选择性;在故障电流达到1500A～3000A的情况下，则断路器B执行动作，断路器A不动作，有可选择性;在故障电流低于1500A的情况下，则断路器A、断路器B均不执行瞬时性动作，无保护灵敏性。因此，总体来看，这种配合模式无法确保故障状态下断路器上级、下级的可选择性配合关系，只是存在局部故障电流段的选择性动作。

2）选择性的断路器、非选择性的断路器级间配合。下图（如图2）所示为选择性断路器、非选择性断路器配合结构示意图。结合图2，此配合模式可选择性良好，但需对相关参数进行可靠整定处理。假定对于下级断路器B而言，瞬时整定值为1500A，长延时整定值为150A，则对于上级断路器A而言，其长延时整定值应当充分考虑计算电流值的影响。假定该值为500A，则短延时整定值应当按照如下原则进行整定：首先，set2.A整定值应≥1.2set3.B电流值，若不符合该要求，则当故障电流位于set2.A与set3.B之间的情况下时，断路器B无法执行瞬时动作，同时断路器A受短延时动作影响导致选择可靠性破坏。因此，考虑脱扣器动作误差需求，需引入基于1.2倍的可靠性系数对电流值进行整定;其次，短延时时间无特殊要求;最后，对于瞬时保护值set3.A电流而言，整定时应基于动作灵敏性要求适当提高该值，以免因故障电流过大造成断路器A、断路器B同时瞬时动作，对可选择性造成不良影响。

3 结束语

以上分析中参考现行《低压配电设计规范》中的有关要求，对工厂供电系统低压配电线路实际应用中，有关低压保护电器的选择问题以及整定计算展开了详细设计与分析，对避免因低压保护电器选择不当或整定不科学所致损失有非常重要的意义与价值，值得引起重视。

参考文献：

[1] 韩帅，柴淑云，胡宏宇.中低压配电系统间过流保护电器保护配合探讨[J].建筑电气，2018，37（10）：17-21.

[2] 张双生.建筑电气低压配电设计中各种接地系统的思考[J].砖瓦世界，2020，（2）：233.

[3] 袁丰欣，岳宁，张昌俭.供电系统低压配电保护电器的选择[J].中国房地产业，2016，（3）：205.

[4] 赵时昌.低压配电系统SPD的选择及应用[J].建筑电气，2019，38（7）：57-60.

[5] 刘凤琨.低压配电系统选择性保护的探讨[J].低压电器，2003，（4）：47-50.

（作者单位：宝钢工程技术集团有限公司）