如何选择馈电断路器的保护性能？

在图4-9中所示的上下级断路器之间有3处发生了短路事故。若此3处短路点执行保护跳闸的断路器不按图所示而是跳其上游电源处的断路器，则将造成事故的扩大化。第一处短路发生在一级配电设备的输出电缆中，其上下游分别是一级配电设备的馈电断路器和二级配电设备的进线断路器；第二处短路发生在二级配电设备的主母线中，而第三处短路则发生在最终用电设备上，有时也可能发生在三级配电设备上。

图4-9 上下级断路器之间的保护选择性问题

当某断路器其下游或终端用电设备发生短路故障时，正常情况下应当是离短路点最近的上游断路器先跳闸，且应尽力避免更上级的断路器发生保护跳闸而造成停电事故扩大化。为了做到这一点，上下级断路器的保护参数之间显然需要建立某种关系，这种关系被称为断路器之间的保护参数选择性匹配，简称为选择性。

断路器与选择性相关的标准见IEC 60947-2和GB 14048.2。

如果两台串接的断路器只是在达到规定的短路电流值之前呈现选择性，这种情况被称为局部选择性；如果两台串接的断路器对所有短路电流值均呈现选择性，这种情况被称为完全选择性。

在低压电网上下级断路器之间采用完全保护选择性或者局部选择性取决于断路器保护参数中的电流的大小和脱扣延迟时间的长短，有时还可以辅以电气逻辑控制等相关技术予以完善。

1.通过L参数、S参数和I参数实现选择性（如图4-10所示）

图4-10中：

I_1A——A断路器的过载长延时L参数反时限脱扣电流；

I_2A——A断路器的短路S参数反时限脱扣电流；

图4-10 上下级断路器之间的选择性

I_1B——B断路器的过载长延时L参数反时限脱扣电流；

I_SB——B断路器的最大短路电流；

t_2A——A断路器的短路S参数反时限延迟时间；

t_2B——B断路器的短路S参数反时限延迟时间。

在图4-10的左图中，断路器B的最大短路电流I_SB被完全地限制在A断路器的短路S参数反时限脱扣电流I_2A的范围之内，当断路器B出现了短路后，只有B断路器跳闸而A断路器不会跳闸，系统具有完全选择性。

在图4-10的右图中，断路器B的最大短路电流I_SB超过了I_2A的范围，则系统具有局部选择性。当断路器B出现了短路后，则有可能断路器B和断路器A均跳闸。

1）方法1——通过L参数实现过载电流的后备保护方案（如图4-11所示）。

图4-11中：

I_2B——B断路器的短路S参数反时限脱扣电流；

I_2A——A断路器的短路S参数反时限脱扣电流；

I_SB——B断路器的最大计算短路电流。

若上下级断路器的过载反时限脱扣器L参数之比大于2，即：

式中 I_1A——断路器A的过载保护参数门限值；

I_1B——断路器B的过载保护参数门限值。

图4-11 上下级断路器之间实现 过载后备保护匹配方案

由式（4-4）可以看出，若上级断路器A的过电流门限大于下级断路器B的过电流门限2倍以上，则可在上下级断路器之间实现过载电流的后备保护。

这里所指后备保护的意义是：当下级断路器发生过载时，若下级断路器（低整定值）因为某种原因未进行有效的保护跳闸，则可由上级断路器（高整定值）实现后备的过载保护跳闸。

上下级断路器的过载电流后备保护只能在两台级连的断路器之间实现。例如图4-9中一级配电设备的馈电回路与二级配电设备的进线断路器之间。

2）方法2——通过S参数的延时实现短路选择性匹配方案（如图4-12所示）。

图4-12中说明了通过调整断路器的S参数可实现短路选择性保护匹配，但通过调整S参数的延时实现短路选择性保护是存在问题的：随着电路级数的增加，往电源方向的延时时间尺度也越来越长。一般来说，上级与下级断路器的S参数延时时间偏差Δt不小于70ms才能保证两者之间实现完全选择性。

图4-12中：

I_2A——A断路器的短路S参数反时限脱扣电流；

I_2B——B断路器的短路S参数反时限脱扣电流；

I_SB——B断路器的最大计算短路电流。(www.xing528.com)

3）方法3——结合方法1和方法2的选择性匹配方案，如图4-13所示。

图4-12 通过S参数的延时实现短路选择性匹配方案

图4-13 结合方法1和方法2的选择性匹配方案

图4-13中：

I_2A——A断路器的短路S参数反时限脱扣电流；

I_2B——B断路器的短路S参数反时限脱扣电流；

I_3A——A断路器的短路I参数瞬时脱扣电流；

I_SB——B断路器的最大计算短路电流；

t_2A——A断路器的短路S参数反时限延迟时间；

t_2B——B断路器的短路S参数反时限延迟时间。

通过分析，得到以下三条要点：

要点1：A断路器具有三段L-S-I保护功能，而B断路器则具有两段L-S保护功能。

要点2：A断路器的S参数反时限延迟时间t_2A必须要大于B断路器的S参数反时限延迟时间t_2B，即

t_2A>t_2B （4-5）

要点3：B断路器的最大计算短路电流I_SB小于A断路器的短路I参数瞬时脱扣电流，即：

I_2A<I_SB<I_3A （4-6）

这样配置后A断路器与B断路器之间能够实现完全选择性。

4）选择性配合的要点：

要点1：使用类别为A的断路器只能通过瞬时I参数脱扣器的动作电流来实现局部选择性。

要点2：因为I参数脱扣器中含有20%的误差，所以电流分级的划分至少要相差1.5倍。

要点3：在实际的应用中，若上级断路器的容量大于下级断路器容量2.5倍以上，就可认为上级断路器与下级断路器之间满足完全选择性。

要点4：若上级断路器采用热磁式保护脱扣器，而下级断路器采用电子式保护脱扣器，则上级断路器热磁式保护脱扣器的时间延迟足以保证上下级具有完全选择性。

要点5：若上级断路器和下级断路器取为同型号同规格，则实际上不可能实现两者的完全选择性。这是因为两者的最大计算短路电流相等，即I_SA=I_SB，所以当短路发生时两者一定会同时跳闸，所以此时的选择性属于局部选择性。为此，可以选择下级断路器为限流型的。当下级断路器的下游发生短路时，受限制的峰值电流会引起下级断路器I脱扣器动作，但不足以引起上级断路器动作。

要点6：分级配合时间应当充分考虑到脱扣器的工作原理以及断路器的结构型式。

电子脱扣器在考虑到离散性后断路器之间的分级配合时间为70～100ms。短延时S参数的动作电流至少应当整定到后接断路器额定值的1.5倍。

要点7：在500ms的时间范围内，允许有7台串接的断路器可分级配合。

2.短路电路中断路器的选择性和欠电压之间的关系

当发生短路时，在短路位置上电网电压骤然降落，剩余电压取决于短路电路的短路阻抗。在深度短路状态下，短路阻抗以及短路位置上的电压实际上趋近于零。一般来说，在短路时会出现电弧，按经验认为电弧电压为30～70V。只要短路还存在，电网电压顺着能量流的方向沿着母线段而降低到局部值，此值决定于其间的线路电阻和短路点的距离。

图4-14所示为当发生深度短路时，在含有短路的低压开关设备中的电压情况。

图4-14 选择性和欠电压的关系

图4-14的左图中显示了发生在二级配电设备中的短路，此时二级配电设备母线上的电压降到0.13U_e，而一级配电设备母线上的电压则降到0.5U_e，短路点上游的QF₃断路器会分断。如果QF₃断路器采用零点熄弧式断路器，则分断经历的时间为30ms，如果采用限流型断路器，则分断经历的时间最多为10ms。

在图4-14的右图中显示了发生在一级配电设备馈电回路出口处的短路故障，此时馈电断路器QF₂将会保护分断。QF₂断路器需要设置短延时S脱扣器，其脱扣延时时间最少为70ms。在QF₂还未断开的这段时间内，二级配电设备母线上的电压将会降低到0.13U_e。

如果电网电压降低到0.35～0.7倍额定值且持续时间长达20ms，则安装了失压脱扣器的断路器就会全部分断。同样，如果额定控制电压在5～30ms的这段时间里下降到低于75%的额定值，则电路中的交流接触器将全部断开。

因此，在使用选择性过电流保护装置的同时最好再配套失压脱扣器。为了防止电源闪断产生误动作，低压成套开关设备中最好配套具有分断延时功能的交流接触器。若低压电网中应用了分断时间不超过30ms的限流型断路器则可放弃上述这些要求。