ZSI配电系统短路保护的选择性

简介：在低压配电系统设计中，多年来一直存在一个悬而未决的老难题，那就是当下级配电回路发生大短路电流的短路故障时，即使其上级保护装有带短延时的所谓三阶段保护断路器，也往往无选择性地越级跳闸，造成大面积停电，有时导致不应有的巨额经济损失。这是因为当配电回路阻抗小时下级回路的短路电流超过上级断路器的瞬动整定值，使瞬动保护越级动作而短延时保护不起作用的缘故。关键字：低压配电系统设计三阶段保护断路器越级跳闸在低压配电系统设计中，多年来一直存在一个悬而未决的老难题，那就是当下级配电回路发生大短路电流的短路故障时，即使其上级保护装有带短延时的所谓三阶段保护断路器，也往往无选择性地越级跳闸，造成大面积停电，有时导致不应有的巨额经济损失。这是因为当配电回路阻抗小时下级回路的短路电流超过上级断路器的瞬动整定值，使瞬动保护越级动作而短延时保护不起作用的缘故。由于技术上存在困难，国际上也长期未能解决这一难题。我国国家标准《低压配电设计规范》（GB50054-95）不得不写出这样的规定：“第4.1.2条配电线路采用的上下级保护电器，其动作应具有选择性；各级之间应能协调配合。但对于非重要负荷的保护电器，可采用无选择性切断。”这一规定实际是说要保证有选择性动作是困难的。除非停电损失十分巨大的重要负荷，对其他一般负荷在设计中可以放弃短路保护的动作选择性。这是一条限于当时（该规范1989年报批）技术水平的无可奈何的规定。值得欣愉的是这一老大难题现时国际上已得到较好的解决，那就是采用本文将要介绍的级间选择性连锁技术，简称ZSI（ZoneSelectiveInterlocking）。1.保证选择性的落后做法在未应用ZSI以前对重要负荷是如何保证选择性的呢？据笔者了解国内和国外的做法还不大相同。国内的做法多是从电源（变电所的低压配电盘）直接配电至未端用电设备，由于只有一级配电，断路器层次减至最少，两级短路瞬动保护整定值相差十分大，从而保证了上下级瞬动保护的选择性。如此保证选择性的缺点是大大增加了配电回路数，从而耗费大量电缆和配电设备，在经济上是很不合理的。国外保证选择性的做法是按正常要求采用多级配电系统，但除未端断路器外其以上各级断路器都只有过截长延时和短路短延时保护而取消短路瞬动保护。它靠短延时上下级的时间差来保证短路保护动作的选择性。这一做法的系统结构可设计得比较合理。但也带来另一个问题，即除未级断路器外，其上各级断路器即使在出口处发生短路它也不能瞬时动作而只能延时动作。按上述GB50054-95规范第4.2.2条规定，发生短路时为满足热稳定要求，流过短路电流的导体的截面S应满足下式要求：S≥I/K√t式中I、t、k分别是短路电流有效值，短路电流作用时间（也即断路器动作时间）和计算系数。如果断路器延时动作，导体截面将按此式增大。越靠近电源的断路器其出口处短路电流越大，以至大到十分不合理的地步，其结果是大量耗用的有色金属和绝缘材料。而断路器也需能承受长时间短路电流的热作用和机械作用，这也必然增大断路器的制造成本。所以国外这种全靠短延时来保证选择性的做法也是难以令人满意的。2.ZSI园满地解决了配电系统短路保护的选择性问题由于电子信息技术的迅猛发展，八十年代后期国际上推出了所谓智能型断路器，它有许多新功能，从而大大提高了断路器的性能，使配电系统得以设计得更臻完善。其中之一就是ZSI，它能园满地解决短路保护的级间选择性问题。当未端回路上A点发生短路时，CB⒋瞬时动作，这时CB⒊也检测出短路电流，它通过信号线给CB⒉、CB⒈发出信号（同理，CB⒉也给CB⒈发出同样的信号），使CB⒉、CB⒈的瞬动元件被锁住而不动作，同时CB⒊也给自已发出自锁信号，使自己的瞬动元件不动作，只有0.1S的延时动作，以作CB⒋的后备短路保护，从而在CB⒋和CB⒊间实现了选择性动作。当B点短路时，情况相同。CB⒊仍给CB⒈、CB⒉发出连锁信号，短路电流也小，对回路导体截面的影响不大。当C点短路时，CB⒉检测出短路电流，它发出信号，使CB⒈不能瞬动而只剩0.5S的延时动作，而CB⒉本身未自锁，也未接到前级的连锁信号，可瞬时动作，从而大大减小了被保护线路的截面。当D点短路时，CB⒈未接收到前级发来的连锁信号，它可立即瞬时动作，以减轻被保护导体承受的短路能量的冲击。综上所述，可见ZSI具有良好的满足配电系统选择性要求的功能。该瞬动则瞬动，该延时则延时；即不增加配电回路数，也不需放大导体截面。应该说ZSI是现时国际上能满足配电系统选择性要求的一项新技术。它可用在重要负荷上，也可用在一般较重要负荷上。换言之，保证系统保护选择性的面将因ZSI的推广应用而拓宽了，到时本文前述的国标规范GB50054-95的第4.1.2条将因此而改写。3.ZSI技术在我国尚有特宣传推广ZSI在国外一些中低压工业网络和其他重要网络已是一项成熟而应用相当普遍的技术。这些年我国一些厂商也供应带有ZSI的断路器。但笔者了解在智能型断路器的销售中，要求配置ZSI的并不多。其原因恐不是我国不需要ZSI，也不是ZSI增加成本过高，原因可能出在我国电气人员对ZSI还不够了解，不知如何应用。如我们能对ZSI技术广为宣传，一些厂商能提供具体的应用资料，使设计人员放心地应用它，相信这项新技术在我国将会不胫而走的。至于ZSI的价格更不应成为问题，它不过是在已采用的智能型断路器中增加一个功能而已。如前所述，ZSI可大量减少配电回路数和导体截面，它能有效地避免大面积停电引起的巨大经济损失。与这些效益相比，两相权衡，采用ZSI增加的这一点投资就微不足道。