广东电网有限责任公司东莞供电局
摘要：低压脱扣装置是低压开关中的电压暂降敏感元件。当电源电压下降（甚至缓慢下降）到额定工作电压的70%至35%范围内，低压脱扣装置应动作。低压脱扣装置应选择加装延时的方式，合理避开部分暂态事件影响，同时兼顾整体电网、单个用户的需要。低压脱扣装置加装500ms的延时后，电压暂降时残压低于70%的电压事件中82.8%的低压开关将不再因为低压脱扣装置动作而跳闸，同样地，如果延时设置为300ms时，覆盖面积为82.15%，延时设置为1s时覆盖面积为87.20%。
关键词：电压骤降；低压脱扣；延时
0引言
随着现代工业及高科技产业的快速发展，随着一些对电压骤降敏感程度很高的负荷（如微处理机、PLCs、ASDs等设备）不断接入电网，大量的电器开关具备了低压脱扣功能，当电压骤降至一定程度，将导致低压脱扣动作，造成负荷大量损失，严重影响电网的稳定性。近年来，广东珠三角地区发生了数起主网相间瞬间故障导致负荷大量损失的严重事件。2008年6月13日，220kV妈岸乙线受雷击影响相间短路跳闸，深圳电网低压脱扣损失负荷约60万千瓦；2008年7月30日，广州500kV北郊站220kV母线发生相间故障，低压脱扣损失负荷153.7万千瓦；2009年6月，深圳110kV象围线三相短路故障，负荷损失约45万千瓦；2010年5月15日，220kV育新站2M母线发生AC相间故障，损失负荷约27万千瓦；2012年5月5日，东莞220kV东黎甲线发生A、B相间短路接地故障，电压暂降造成东莞地区负荷脱扣量约为74.7万千瓦。
1低压脱扣装置工作原理
低压脱扣装置是低压开关中的电压暂降敏感元件。天气因素(如雷电)、系统故障、大负荷突然启动、电源转换等均会引起电压暂降事件，当电压跌落到低压脱扣装置动作范围内时，低压脱扣装置会动作使低压开关跳开，造成负荷损失。
图1为低压脱扣装置的工作原理图，主触点是靠手动操作或电动合闸的，低压脱扣装置的线圈和电源并联。主触点闭合后，电磁铁得电，衔铁被电磁铁吸住，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。当电源侧停电或电源电压过低时，电磁铁所产生的电磁力不足以克服反作用力弹簧的拉力，衔铁被向上拉，通过传动机构推动自由脱扣机构使断路器掉闸，起到低压及零压保护作用。
图1 低压脱扣装置工作原理图
2低压脱扣装置功能和性能
根据国标GB14048.1-2006，当电源电压下降（甚至缓慢下降）到额定工作电压的70%至35%范围内，低压脱扣装置应动作。即：低压脱扣装置在电源电压等于脱扣装置额定工作电压的35%时，低压脱扣装置应能防止断路器闭合；电源电压等于或大于85%低压脱扣装置的额定工作电压时，在热态条件下，应能保证断路器可靠闭合。因此，当受保护电路中电源电压发生一定的电压降时，能自动断开断路器切断电源。
低压断路器的国家标准（GB 14048.2）只对低压脱扣装置的脱扣电压值做了一个范围性的规定（即电网电压跌落到额定电压的35％～70％时动作），没有具体的动作电压和动作时间要求。
经对开关设备厂商和用户调研表明，实际使用的低压脱扣装置的功能和性能大多满足相当标准要求。表 2是深圳供电局09年采用调研及试验相结合的方式对包括上海人民、常熟开关厂、浙江德力西、浙江正泰、ABB、施耐德、西门子等国内外20余家知名品牌的92台用户低压受电开关的低压脱扣装置的动作电压和动作时间特性进行评测的结果。
从表2可知，从动作值看，动作电压与额定电压之比＜40%的占0％；40％～50％的占61.5％；50％～60％的占30.8％；60％～70％的占7.7％；＞70％的占0％。从动作时间上看：＜20ms的占0％；20ms～40ms的占38.5％；40ms～60ms的占46.2％；60ms～70ms的占7.7％；＞70ms的占7.7％。
从表2中可以得到以下结论：目前市场上设计制造的低压脱扣装置中92.3%的动作电压范围处于40%~60%之间，瞬时型低压脱扣装置中84.7%的本身固有动作时间为20ms~60ms。
调查表明，上述92台用户低压进线开关中，安装220V欠电压脱扣器（包括230V、240V欠电压脱扣器）的有56台，占60.9％；安装380V欠电压脱扣器（包括400V欠电压脱扣器）的有36台，占39.1％。而且，220V欠电压脱扣器电压采样大部分为AN相电压。380V欠电压脱扣器电压采样大部分为AC线电压。
3无序低压脱扣的影响
（1）电网瞬时波动、闪变或正常操作可能会引起低压脱扣装置动作，造成用户或者用电设备突然断电，影响用户的生产；
（2）电压暂降时，非故障系统的低压脱扣装置动作会导致损失大量负荷，从而使非故障电路的断路器动作跳闸，负荷大量损失，从而导致系统频率上升，可能发生高周切机，甚至高周解列（必须指出，在近年的案例中，由电压事件引起的负荷变化量尚未足以导致高周切机，包括最近的深圳大停电事故）；
（3）线路故障跳闸、限电、检修等情况下，0.4kV低压断路器也会因低压脱扣装置动作而跳闸。必须由人工对低压断路器进行合闸操作后电路才能复电，工作量大，降低了供电的连续性。
4低压脱扣防范对策
据调研，目前应用中的低压开关，若其配有低压脱扣装置，则绝大多数采用的是瞬时型式。
低压脱扣装置配置延时模块是一种行而有效同时兼顾整体电网、单个用户双赢的解决办法，延时模块的作用是通过加装延时元器件使低压脱扣装置在电网发生电压暂降事件时经过适当延时后动作，合理避开部分暂态事件影响。
（1）可行性与必要性分析
可行性分析：目前低压开关的设计制造中把低压脱扣装置作为其电气附件之一，都可装配延时，且用户上报的数据中表明，东莞、惠州地区用户安装的低压脱扣装置以DW15、DW17为主，可以做延时整改。生产厂家不同，脱扣机构的脱扣力不同，低压脱扣装置和延时模块的安装位置有所不同，目前必须由断路器厂根据本厂生产的断路器性能选择合适的脱扣装置和延时模块，一般可设置的延时为0.5s、1s、2s、3s、5s，更长的延时需要做特殊规格处理。90年代后出现了智能型断路器也为低压脱扣装置预留了安装位置，可外装延时模块，所以低压脱扣装置加装延时具有可行性。
必要性分析：依据国标GB/T 16895.10-2010 《低压电气装置》第445.1.1“在电压下降或失压以及随后电压恢复会对人员和财产造成危险的情况下，应当采取适当的预防措施”，和第445.1.2“如果被保护用电器具的运行方式允许短暂断电或失压而无危险，欠电压保护器可延时动作”等内容，在符合要求的用户受电开关低压脱扣装置增加延时，则可有效避开部分电压暂降事件的影响。例如，对于5月5日东莞事件，负荷损失的主要原因是用户安装的低压脱扣装置没有加装延时，如果对低压脱扣装置做适当延时整改，此类情况会得以好转，所以低压脱扣装置加装延时具有必要性。
（2）低压脱扣延时与电网继电保护动作时间的配合研究
1）电网各电压等级故障的影响范围及时间
①500kV系统短路故障
500kV电压等级的系统短路故障将会引发较大范围的500kV系统电压严重下降，相应地也会导致各相关地区220kV系统电压下降。有强电源支撑的220kV电网，电压下降幅度会稍小；电源支撑严重不足的220kV电网电压会迅速跌落。因此，500kV系统一旦发生短路故障，存在发生大面积低压脱扣装置动作导致负荷损失的风险。500kV系统主保护切除故障的稳定极限为100ms，也即短路故障导致的低电压持续时间不超过100ms，通常< 80ms。若用户低压脱扣装置设置延时≥300ms，则能有效躲避由500kV系统短路故障带来的电压跌落风险。
②220kV系统短路故障
根据广东电网接线图可知，广州地区、东莞地区、以及深圳部分地区的220kV电压等级的电网多采用分片区运行方式。220kV电压等级的系统短路故障，主要影响本片区的电压水平，对其他220kV电压等级的片区影响程度较轻。
因此，对于广州地区、东莞地区、以及深圳部分地区，如果发生220kV系统的短路故障，主要引发本片区的负荷低压脱扣。例如：2012年5月5日东莞事件中，连接500kV东莞站和220kV黎贝站的东黎甲线A、B相接地故障引起东莞站220kV母线电压跌落，此次事故导致东莞站片区负荷损失。
220kV系统主保护切除故障的稳定极限为120ms，也即短路故障导致的低电压持续时间不超过120ms，通常< 80ms。（东莞事件中实际记录故障持续时间为60ms）。如果用户低压脱扣装置设置延时≥300ms，则能有效躲避由220kV系统短路故障带来的电压短时跌落风险。
③10kV系统短路故障
受降压变压器阻抗的限制，10kV电压等级的系统短路故障时，一般不会导致220kV和110kV系统电压大幅下降。也即10kV系统的短路故障一般只会影响到同一变电站的10kV系统，影响范围是局部的，引发低压脱扣装置动作的数量有限，不会对电网有很大的冲击。
变电站10kV出线的过流I段延时一般在0~500ms，如需要躲过相邻10kV线路短路故障造成的短时低电压，用户侧的低压脱扣装置需要设有延时，延时时间应与本线路的过流I段延时配合，建议延时≥500ms。
10kV线路因瞬时故障跳闸后，重合闸的时间一般为秒级，有大量电动机负荷的用户，线路重合闸时刻电动机转速可能已大幅下降，此时突然恢复供电会导致冲击电流非常大。因此，对于有大量电动机负荷的用户，低压脱扣装置的延时不必与10kV线路重合闸时间配合。
2）电压骤降时间测算（电网继电保护动作时间）
上节所述可归纳为表3，如低压脱扣延时设为300ms，则能配合220kV及以上系统的保护动作时间；如低压脱扣延时设为500ms，则能躲过大多数包括10kV系统的主保护动作时间。
由于低压脱扣装置的延时是靠电容储能实现的，较难保证很高的时间精度。参照继电保护专业的延时级差配合（微机型保护装置Δt=0.3s，继电器Δt=0.5s），低压脱扣装置延时元件的最小整定值不宜小于500ms。
3）电能质量监测系统事件统计
广东电网公司的电能质量监测主站目前有212个监测点，由广东电科院系统所运行和维护。2012年1月至2012年9月期间有电压暂降事件时监测点残压低于70%（选择残压低于70%的原因是国标GB14048.1-2006中对低压脱扣装置动作范围的规定）的电压事件柱状图，电压事件统计情况见表4。
4）低压脱扣延时与电网继电保护动作时间的配合
通过统计实际电网运行中电压跌落时残压低于70%的电压事件的时间分布情况，可以为低压脱扣装置的延时时间配置提供依据。从表4中可以看出，广东电网2012年1月至9月期间，在220kV及以上电网的212个监测点共监测到残压低于70%的电压暂降事件共930个，其中82.8%的事件持续时间＜500ms。因此，低压脱扣装置设置500ms的延时后，理论上可使低压开关避开82.8%的电压暂降事件，而不发生跳闸。
（3）应对电压暂降影响的措施建议
1）用户
①目前社会上行业类型和设备种类繁多，不同行业对电压质量要求各异，即便同一行业中不同的设备对电压质量要求也不尽相同，用户应结合自身行业特点和设备种类，合理配置低压脱扣装置的延时模块。
②用户在工程设计中应该准确地向设计单位反映用电设备的工艺要求和对电压敏感情况，作为设计低电压保护功能的依据；用户应加强对设备的维护和管理，提高管理水平和人员素质，减少由于用户本身的用电设备故障或使用不当带来的影响。
2）供电企业
①由用电管理部门牵头，相关技术部门协调配合，研究完善对用户设备入网的技术管理规定，根据用户的不同负荷性质分类，有针对性地配置安装合适的低压脱扣装置，使用户在低压脱扣装置的配置上兼顾安全性和合理性和供电可靠性。完善110kV以下电压等级电网技术管理，特别是抓好用户入网对受电开关保护配置、整定计算及运行的标准化和规范化工作，明确对用户受电开关保护的技术规范和要求。下一阶段应对《广东省10kV及以下业扩工程设备选型规范【2010版】》进行修编，完善受电开关保护配置，特别是低压脱扣装置的配置要求。
②用户入网时供电局应向用户说明电网能提供的电能质量信息，如果用户对电能质量有更高的要求，用户可自行配备各种补偿装置，以提高用户处的电能质量。
③增强优化电网结构，提高供用电设备可靠性和运行操作质量，降低电网故障几率、缩短故障切除时间；开发采用新技术，包括配置各种动态电压补偿装置等。
3）设计部门
①设计部门应重视并细化用户受电工程设计工作。在用户受电工程设计时应该全面准确了解用电设备性能和工艺要求，分析用电系统及设备对电压敏感情况，作为设计低电压保护功能的依据。认真贯彻执行相关技术标准和管理规定，按实际需求做好受电开关保护设计配置工作。
4）开关制造业
①低压脱扣装置的尺寸和使断路器脱扣的脱扣力都没有统一标准，厂家生产的脱扣机构的脱扣力不一样，脱扣装置和断路器之间不能任意配合，必须由断路器厂根据本厂生产的断路器性能选择合适的脱扣装置，建议改进低压脱扣装置和延时模块的设计制造标准，提高其兼容性。
5结语
由于电气因素和系统故障等原因，电网中的电压暂降事件会时有发生，电网相当部分用户由于人身和设备安全的需要须使用低压脱扣装置。在这种情况下，当电压跌落到低压脱扣装置动作范围内时，低压脱扣装置会动作使低压开关跳开，造成负荷损失。考虑到用户、设备及生产人员的数量与多样性，电网电压下降或者电压降落后的恢复过程中可能出现危害人身和财产安全的风险，在工程设计选型和运行使用中，应认真分析应用需求，不宜随意弃用或拆除低压脱扣装置；可能的话，应选择加装延时的方式。加装延时可使电压暂降引起负荷损失的情况将得以减缓，低压脱扣装置做延时整改具有可行性和必要性。分析表明，低压脱扣装置加装500ms的延时后，电压暂降时残压低于70%的电压事件中82.8%的低压开关将不再因为低压脱扣装置动作而跳闸，同样地，如果延时设置为300ms时，覆盖面积为82.15%，延时设置为1s时覆盖面积为87.20%。
参考文献
GB14048.1-2006低压开关设备和控制设备
GB/T 16895.10-2010低压电气装置
GB 14048.2-2008低压开关设备和控制设备
GB14048.4-2010 低压开关设备和控制设备
GB50055-2011通用用电设备配电设计规范
JGJ16-2008民用建筑电气设计规范
论文作者:吴国江
论文发表刊物:《电力技术》2016年第6期
论文发表时间:2016/10/16
标签：低压论文; 电压论文; 装置论文; 电网论文; 故障论文; 动作论文; 用户论文; 《电力技术》2016年第6期论文;