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摘要：本文简要介绍了低压配电系统设计中保护选择性的意义，并结合城市轨道交通的工程特点和低压配电系统现状，对城市轨道交通低压配电系统中的保护配合问题进行了重点分析，提出了相应的设计思路，供相关的设计人员参考。
关键词：城市轨道交通；低压配电系统；选择性；保护配合
引言
《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008第7.6.1-2条规定：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；对于非重要负荷的保护电器，可采用无选择性切断。《低压配电设计规范》GB50054-2011第6.1.2条也明确规定：配电线路装设的上下级保护电器，其动作应具有选择性，且各级之间应能协调配合。非重要负荷的保护电器，可采用部分选择性或无选择性切断。
城市轨道交通低压配电设计中，大量使用断路器，此时断路器的上下级配合设计是非常重要的，它直接关系到整个配电系统的安全性和可靠性。对于长延时保护，上下级断路器动作特性之间的选择性比较容易实现，满足上级断路器额定电流为下级断路器的1.3倍即可；但对于短路保护，要做到完全选择性配合，是有一定难度的，也是容易被低压配电设计人员忽视的问题。
本文结合城市轨道交通的工程特点和低压配电系统现状，以施耐德断路器为例，对城市轨道交通低压配电系统中的保护配合问题进行研究，提出了相应的设计思路，以方便相关人员参考。
低压配电系统保护的选择性
保护选择性的意义
选择性保护是指两个或两个以上保护装置的动作特性进行相互配合，当在某个指定范围内发生短路、接地或其他过流现象时，在这个范围内指定动作的装置进行动作以切除故障，而此范围外的装置则不动作。也就是当低压配电系统中某一点发生过流故障时，配电的电气设备按照预先规定的动作顺序进行有选择的开断动作，绝对不允许越级脱扣。择性保护的重要意义在于：当低压配电系统出现短路故障、接地等过电流现象时，配电系统中的保护装置既要能够可靠切除故障，又要保证停电范围最小。
保护选择性包括完全选择性和部分选择性。以下图 1为例，如果故障点的所有故障电流值，从过载到短路电流，无论故障电流值有多大，均由负载侧的断路器D2动作分断，而电源侧的D1保持闭合，则称为完全选择性。如果在较大短路故障电流情况下，不能满足完全选择性，但是可能在某一较低短路故障电流值（选择性极限电流值）时，上、下级断路器具有选择性，则称为部分选择性。
图1 保护选择性示意图
保护选择性技术
自然选择性
自然选择性是在塑壳断路器间，将过载、时间及能量等选择性方式，通过试验规定了脱扣器间整定电流的比值。组合构成了断路器的“自然的”选择性。只要上级断路器的额定电流大于下级断路器2.5倍，断路器间就可获得完全选择性。只要考虑满足电流配合比的要求，而不需再依赖人为故意的在脱扣器上另加延时时间或采取逻辑联锁等其他措施来保证选择性。
时间选择性
当短路电流较大时，可根据上下级断路器动作时间不同来实现选择性保护。为保证时间选择性，断路器必须满足：在安秒特性曲线中，主断路器的脱扣时间大于分支断路器的全分断动作时间。对于A类断路器，上下相邻两级断路器的脱扣曲线在过载区内不相交，也不重合，但在瞬动区，两条曲线则会出现交叉甚至重合。因此为实现时间选择性，上级断路器应采用具有耐受电流能力和短路短延时的 B类断路器。
虚拟时间选择性
当上下两级均为断路器级联时，大的短路电流受到了下级限流型断路器的限流。实际的短路电流和持续时间大大地减小。上级断路器脱扣器检测到的电流比没有限流型下级断路器值小得多。将此实际的短路电流在上、下两断路器的时间/电流曲线上进行比较，相当于在两断路器之间具有一等效的短的时间差。使得下级断路器快速跳闸，而上级断路器保持闭合，上下级断路器之间达到保护选择性配合。此时间差随预期短路电流增大而大大减小。
逻辑选择性
逻辑选择性，又叫做区域选择性联锁。逻辑选择性保护的实现以上下级断路器都具有通信功能和智能化功能为前提。逻辑选择性的工作程序如下：①下级断路器发生故障并检测到故障后，向上级断路器发送信号，使其不脱扣；②上级断路器接收到不脱扣指令，并执行指令，保持不脱扣；③下级断路器跳闸动作，切除故障电源；④上级断路器保持闭合，或者在设定时间内下级断路器不脱扣的情况下，进行脱扣。
能量选择性
能量选择性，是指以具有限流能力的上下级断路器为基础，利用脱扣器灵敏的脱扣性能反应线路的短路能量，实现选择性保护的技术。当发生故障，上下两级断路器均检测到大电流时，下级断路器具有很快的限流速度，使得短路能量低于上级断路器实现脱扣动作的能量，从而上级断路器无法动作。由上下级断路器的能量曲线可知，实现能量选择性的条件是：下级断路器的短路能量曲线低于上级断路器。
保护选择性条件
保护选择性包括自然的选择性及延时的选择性。
自然的选择性是指仅通过断路器的壳架电流及整定电流的级差来实现的选择性。这可以通过断路器的配合实验来获取选择性配置，可查阅厂方提供的选择性配合表。延时的选择性是指采用短路短延时的方式或者区域选择性联锁的方式来实现的选择性。延时选择性的保证条件是上级断路器的启动时间大于下级断路器的全分闸时间。
满足配电保护选择性配合的条件为以下之一：
（1）上下级断路器之间具有自然的完全选择性。
（2）上下级断路器之间具有自然的部分选择性，且下级三相全短路故障电流值低于选择性极限电流值。
（3）上级断路器增加保护延时直至下级断路器全分闸。
自然的完全选择性的优点是无论故障电流的大小均能保证选择性，不会因为增加延时时间而增加系统的动、热稳定性负担，设计时应优先考虑。但是，当上下级保护级差较小时，采用完全选择性配置往往不经济，此时应结合短路电流计算，采用部分选择性或增加延时来实现保护选择性。
轨道交通实例分析
下文以城市轨道交通低压配电系统为例，探讨保护的选择性配合。
轨道交通低压配电设备布置
目前，国内各城市轨道交通标准地下车站的平面布置如图2图3所示，一般车站中部为公共区，两端为设备区，设备区分为大端和小端，通常情况下在车站大端设备区设降压变电所，低压配电系统电源由降压变电所400V开关柜低压母线接引。低压负荷以放射式供电为主，配电电缆采用铜芯电缆。以某标准地下车站为例，大端设备供电距离在30~120m，小端设备供电距离在120~250m。低压配电系统网络如图4所示。
保护的选择性分析
以下对上述四种典型负荷的保护选择性分别进行分析。
大端小负荷保护选择性配合
大端小负荷距离变电所较近，且容量不大。考虑到电缆的载流量及热稳定性，配电电缆截面较小，末端短路电流也不大，在1~5kA（短路点k1）。配电箱馈线开关一般为微型断路器，进线开关可采用微型断路器或塑壳断路器。此类情况，短路电流可能在选择性限值范围内，可考虑采用部分选择性。参考施耐德产品手册，微型断路器在级差大于1.6，且短路电流小于选择性限值时，可保证选择性。如果短路电流大于选择性限值时，则进线开关应选用塑壳断路器或负荷开关，以保证选择性。
大端大负荷保护选择性配合
大端大负荷距离变电所较近，但负荷较大。考虑到载流量，配电电缆截面较大，线路阻抗很小，因此，末端短路电流很大，可达到10kA以上（短路点k2）。配电箱进、馈线开关一般均采用塑壳断路器，馈线开关如采用微型断路器，则需要采用短路高分断能力的断路器。此类情况，短路电流一般会超过短路瞬时保护动作电流，可考虑采用完全选择性，使上下级断路器壳体电流之比大于2.5。当这样做很不经济时，则进线开关可考虑使用负荷开关，或者取消短路瞬时保护，采用短路短延时保护，并且保证上下级开关磁脱扣电流（或电子脱扣器短延时电流）整定值之比大于1.5。
小端小负荷保护选择性配合
小端小负荷距离变电所较远，但负荷较小。综合考虑载流量及电缆压降，配电电缆截面一般不大。由于线缆很长，线路阻抗大，末端短路电流很小，数值在1kA左右（短路点k3）。配电箱馈线开关一般为微型断路器，进线开关可采用微型断路器或塑壳断路器。此类情况，短路电流一般在断路器保护选择性限值范围内，可考虑采用部分选择性。当微型断路器级差大于1.6时，可保证选择性。
小端大负荷保护选择性配合
大端大负荷距离变电所较远，且负荷较大。综合考虑载流量及电缆压降，配电电缆截面很大。线路阻抗较小，末端短路电流较大，数值在5~10kA（短路点k4）。此类情况，电缆截面主要受压降影响而远远超过载流量的要求，可以很容易地在不增大电缆截面的情况下使上下级断路器壳体电流之比大于2.5，满足完全选择性，应优先考虑。
结论及建议
本文简述了保护选择性技术及选择性条件，并针对轨道交通低压配电系统的实际情况，对保护选择性问题进行了简单分析。通过具体实例分析，可得到以下结论和建议：
（1）设计时应尽量采用自然的完全选择性，当短路电流较大时，可采用延时的选择性配置，上级开关采用可调节的短路短延时脱扣。
（2）当短路电流较小时，可结合产品手册，采用部分选择性。
（3）应合理确定配电级数，较少的配电级数能减小保护选择性配合的难度。同时，在配电箱的进线处使用负荷开关，而不使用断路器，这样配电箱的出线开关与变电所的出线开关进行选择性配合，更容易实现完全选择性。
参考文献：
[1]JGJ16-2008，民用建筑电气设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[2]GB50054-2011，低压配电设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.
[3]中国航空工业规划设计研究院等.工业与民用配电设计手册第三版[M].北京：中国电力出版社，2005.
[4]于松伟，杨兴山等.城市轨道交通供电系统设计原理及应用[M].成都：西南交通大学出版社，2008.
[5]钱金川等.低压断路器的选型与应用[J].电工电气，2011（06）.
论文作者:王德发
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/5
标签：选择性论文; 断路器论文; 电流论文; 下级论文; 负荷论文; 上下级论文; 大端论文; 《电力设备》2017年第14期论文;