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兩個完全相同的空氣開關串聯,電路中發生短路,空氣開關同時跳還是哪個先跳?

2019年06月27日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 2 ℃ 次

【張百峰的回答(89票)】:

在知乎衝浪,偶然發現了這個問題。先簡單回答一下:這裡面的知識量很大,是一門很有深度的學問。

(1)什麼叫做保護的分級和保護的選擇性

我們來看下圖:

此圖系我用ACAD即時繪製。此圖系我用ACAD即時繪製。

先說明一下:空氣開關的正確名稱是斷路器,它的符號是QF。在實際繪圖時分別編號為QF1、QF2、……,等等。

圖中我們看見的是兩個相互關聯的上下級配電系統,兩個系統中間用電纜連接。

我們來看圖中各故障點發生短路後,由哪些斷路器來執行線路保護。

1)當上級配電系統在母線處的短路點1發生了短路事故,這時執行線路保護的是系統總進線斷路器QF1;

2)當上級配電系統在短路點2發生了短路事故,這時必須由距離故障點最近的斷路器來執行線路保護。原因很簡單:如果依然是主進線斷路器QF執行線路保護,則其它許多出線回路都同時停了電,這顯然不合適。

我們把因為某處的故障引起全系統失壓(也即停電)稱為事故擴大化。

3)當短路點3出現故障時,這時應當哪個斷路器來執行線路保護呢?答案是由上級配電系統的出線斷路器來執行線路保護。

我們看到,在短路點3有一條配電電纜,它的上端是上級配電系統的出線斷路器,它的下端是下級配電系統的進線斷路器。電纜的過載保護和短路保護是由上級配電系統的出線斷路器來執行的。

我們看到,在電纜的上端和下端都有斷路器,它們屬於串聯的關係。上級斷路器的任務是保護電纜,而下級斷路器的任務是保護下級配電系統,兩者的保護對像十分明確,動作關係也十分明確。

4)當下級配電系統的出線側短路點4發生了故障,這時執行短路保護的應當是QF4,而不是QF3,原因已經很明確了。

如果短路點4的故障十分嚴重,則在QF3執行保護的同時,其上級斷路器QF2也會執行保護。這種依據故障電流的大小而執行的保護措施被稱為短路保護的選擇性。

選擇性保護關係是上下級斷路器對配電線路實施故障保護配合的一項重要措施。

(2)斷路器保護曲線

看下圖:

此圖系我用ACAD即時繪製。此圖系我用ACAD即時繪製。

圖1的坐標系中,橫坐標是電流,縱坐標是時間,此坐標系中的圖像被稱為時間電流特性曲線,它用於描述斷路器保護特性。

我們看圖1:

時間與電流的關係是電流的-2次方,因此t(I)函數曲線是遞減的。當電流很小時,動作時間很長;反之,電流很大時,動作時間很短。這就是斷路器執行保護的反時限特徵。

我們再來看圖2:

在這裡,我們看到t(I)函數曲線被分成2段,較高的一段稱為過載保護L參數,它是反時限的;第二段是短路保護I參數區域,它的曲線是直線。這就是我們通常所見到斷路器的保護特徵,又被稱為兩段保護。

現在我們來看看實際的斷路器保護曲線:

此圖是ABB的Tmax系列塑殼斷路器的保護曲線,為樣本摘錄。此圖是ABB的Tmax系列塑殼斷路器的保護曲線,為樣本摘錄。

圖中我們看到了紅色的L區域,還有綠色的短路保護S區域,它們的特徵都是反時限的;我們還看到了黃色的短路保護I區域,它的特徵是定時限的。

我們再看下圖:

此圖摘自我的書稿。此圖摘自我的書稿。

這張圖說明了各段保護的函數關係。我來解釋一下:

對於紅色的過載保護,因為線路過載有程度之分,因此保護動作採取較輕過載的保護時間較長,較重過載的保護時間較短。特別地,當過載電流與額定運行電流的比值等於1時,這時保護動作的時間為無窮大,也即不保護。

對於綠色的S短路保護,它分成兩種方式:其中之一的時間與電流的-2次方成正比,體現了反時限特徵。這種短路保護方式體現了選擇性。

也就是說,若此斷路器用於上級配電系統,當線路出現短路故障時,上級配電系統的短路保護可以延遲一段時間再執行,以等待下級配電系統的斷路器先執行短路保護。這就是短路保護的選擇性,也即反時限保護模式。

我們還看到綠色的S短路保護有水平線部分,它的保護方式與電流大小無關,只要短路電流達到一定的規模,則斷路器就執行線路保護。這件做定時限保護模式。

我們再看黃色的I短路保護。它是定時限的,專用於嚴重短路故障保護。

右圖是斷路器執行單相接地故障時的動作模式,也分為反時限和定時限。反時限用於上下級選擇性配合關係,定時限則用於直接動作。

對於I參數的保護動作時間,一般是15毫秒,對應的電流值為數十千安到數百千安。

一般來說,若有兩個相同型號相同規格的斷路器用作上下級的保護,則上級斷路器的保護電流整定值要比下級的值大1.5倍,動作時間要長70毫秒。

有時,為了便於調整,上級斷路器採用LS兩段保護,下級斷路器採用LI保護。這裡的S為短路短延時保護,由於有了一定時間長度的延時,所以上級斷路器在同等條件下保護動作時間會後延;下級採用了I參數短路保護,屬於瞬時動作性質,它的動作時間最快為15毫秒,所以下級開關會先動作。

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以下文字摘自我的評論回復中:

1)不管是在上級配電系統也好,在下級配電系統也好,進線斷路器與出線斷路器之間都存在選擇性保護關係。

因此當本級內的出線側發生短路故障時,其上游處的出線斷路器應當先跳閘。

要實現這一點,採取的措施有幾個:

第一:因為進線斷路器的額定電流大,即時短路保護的I參數調整倍數相同,例如都是5倍額定電流,但結果一定是出線斷路器先跳閘。

2)在長電纜兩端的斷路器,一般來說上端斷路器的保護採用LS,下端斷路器的保護採用LI,這樣一來,當電纜末端配電系統中發生短路時,一定是下端進線斷路器先跳閘,上端斷路器後跳閘。

因此,上級斷路器可以認為下級斷路器的後備保護。

3)如果線路中有多級保護,則各極的電流比為1.5,時間相差70毫秒。

舉例,最下級的斷路器動作電流為1kA,時間為15毫秒,其上一級斷路器的動作電流為:1.5X1=1.5kA,動作時間為15+70=85毫秒。

從最上級到最下級的級別數不得超過7級。

4)在實用中,還可以採用不同的動作倍率來實現。

5)保護協調中不但有選擇性保護配合關係,還有後備保護關係。

舉例,對於某斷路器自身,它既有短路保護,也有欠壓保護。當發生了短路事故後,在一級配電設備中電壓基本不變,但下級配電設備中的電壓會降低,最多會降低到額定電壓的30%。此時若某斷路器的短路保護拒動失效,則欠壓保護會在延遲一段時間後動作。因此,欠壓保護是短路保護的後備保護。

後備保護也可以在不同的斷路器之間進行。例如下級開關只有過載保護,短路保護委託給上級開關,於是上級開關的短路保護就是下級開關的後備保護。

以上只是一般性原則,具體要根據現場實際來靈活設置上下級斷路器之間的保護選擇性。

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下圖為對電動機保護的斷路器動作曲線說明:

此圖摘自我的書稿。此圖摘自我的書稿。

從圖中我們可以看到各段保護的曲線及簡單的說明。由於所涉及到的知識較多,其細節描述與主題關係不是很大,故略去。

(3)結論

從以上描述中我們看出,題主給出的問題具有比較深的知識內涵。事實上,對於讀電氣專業的本科生來說,在繼電保護課程中有相當多的內容與保護的選擇性有關。

對於低壓配電系統來說,反時限保護的設定更是設計人員和電氣工作者們日常必需接觸到的基本技能。可以說,若不懂得保護的選擇性,就相當於配電行業裡的弼馬溫,只能是一個未入流的門外漢。

最後,給大家看一張圖,大家來判斷圖中各個斷路器之間有何種保護配合關係?以及對應的選擇性關係?

此圖摘自我的實際工程技術協議,用於說明ATSE與接地系統的關係。此處用來說明選擇性。此圖摘自我的實際工程技術協議,用於說明ATSE與接地系統的關係。此處用來說明選擇性。

對於題主來說,他看到的也許只是兩個斷路器串聯,然後控制數米長導線外的一盞燈。在這種情況下,哪個開關先跳是由開關內部的脫扣器動作特性決定的。

對於供電公司或者設計院的工程師來說,他們看到的也許就是某個單位或者某個城區供電的線路了。例如變電站某路輸出斷路器和遠處某個企業或者城區的開閉所內的進線斷路器,以及它們中間的連接電纜。在這種情況下,哪個開關先跳就要由故障的性質和應對措施來決定的,具有了選擇性。

對於我來說,我看到的只是我日常工作的一部分而已。我們日常工作中,天天和設計圖紙打交道,天天和不同工程中的斷路器保護配合關係進行計算和設定,都已經習慣成自然了。

對於讀電氣專業的學生來說,這些道理可不就是他們夢寐以求的入職電網後的工作嗎?

正應了一句話:外行看熱鬧,內行看門道,大有隔行如隔山的感覺。

標籤:-物理學 -電路


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