低压电控系统保护与控制的选择性与协调性分析

低压电控系统保护与控制的选择性与协调性分析低压电控系统保护与控制的选择性与协调性分析胡景泰郭其一上海电器科学研究所同济大学摘要阐述了低压电控系统中的保护与控制协调性概念，通过时间一电流曲线图、曲线圈方法，分析由传统分立器件构成的电控幕统中主要配电电器之间的选择性保护以及配电电器与控制电器之间特性的协调配合，提出了实现过载、短路、欠压等各种故障条件下的保护选择性和不同工作状况下控制协调性的要求与实现方法并指出具有协谰配合的保护特性的集成化多功能电器是低压电控系统发展方向。关键词保护控制协调选择多功能电器咖础；刚，。脚删。洲曲喇岫“。均。，睫岬洲把删一，。删地”咖低压电控系统在低压用电系统中，电动机负载系统量大面广。其构成的电控系统的控制与保护的选择性、协调性尤为重要。本文分析了通常的低压电控系统保护与控制的选择性、协调性，分析了这些特性的要求和实现方法，并结合新技术的发展，指出了多功能、集成化、智能化是低压电控系统的主要发展趋势。为了实现对电动机（）的控制与保护，采用传统的用分立器件构成电控系统如图所示，其主要电气元件构成为熔断器（）断路器（）接触器（）热继电器（）。基本工作原理是在正常情况下，由控制电路的通断，当过载或断相时，由控制切断电路，当短路故障出现时，由（）断开故障电路。图为采荽妒万方数据电气传动年第卷第期流作用，而近年来愈来愈重视整套设备的性能。决定低压电控系统运行安全性和可靠性不是一个元件，而是全部元件组合后的协调配合。电控系统中电器的最佳协同工作的前提是对保护功能的选择性工作方式。每个分支电路、每台设备都能受到故障保护，通过有选择性的通断动作来保护沿着供电方向的其它正常运行设备不受到任何影响，也就是有选择性地按次序进行脱扣动作，不允许越级脱扣动作，从而将事故及其影响限制在最小范围内。选择性根据标准的规定，选择性分为局部选择性和全选择性。）局部选择性。在两台串联的过电流保护装置的情况下，负载侧的保护装置在规定的过电流等级下实行保护时，不导致另一台保护装置动作的过电流选择性保护。）全选择性。在两台串联的过电流保护装置的情况下，负载侧的保护装置实行保护时，不导致另一台保护装置动作的过电流选择性保护。传统意义上的选择性保护一般仅限于在规定的过电流等级下对短路故障的选择性，即仅是局部、特定范围的选择性，而近年来发展形成的全选择性保护则包括了过电流（过载电流和短路电流）、剩余电流两类故障电流的全选择性。显然，前者具有很大的局限性。根据不同的电压等级、电网型式和用电设备的特性，可采用不同的保护电器如断路器、熔断器等作为短路保护。对这类保护电器的特性进行定性分析的曲线基本形状见图，箭头表示特性曲线的特性变化的各种可能性口。，圉电控系统熔断器和断路器的脱扣特性陆线实现选择性保护的基本条件设为从发生过电流瞬间起的时刻；。（）为通过上一级电器的电流，此电器不应断万开；一，（）为通过下一级电器的电流，此电器应断开；“一吼（。）为从上一级电器出现过电流的瞬间算起，不断开并保持正常工作状态的最大时间间隔（即上一级电器的最小可返回时间）。一仇（屯）为从下一级电器出现过电流的瞬间算起，至电弧熄灭的时问间隔。则保证选择性的基本条件为其中一。卜式中。为下一级电器从出现过电流时刻起至出现电弧的时间；。为下一级电器的电弧时间。各种故障条件下选择性保护的实现两个串联保护电器的选择性可采用特性曲线比较法或对选择性实际测量的方式确定。其中，对于特性曲线比较，有两种由线图可供选择时间一电流曲线图和，曲线图。为了可靠地确定选择性，要求特性曲线有确定的离散性范围。按标准规定。瞬时过电流脱扣器的离散性范围为。对于热磁式脱扣器，离散性范围为，同时，在热态情况下，还应考虑到动作时间可能会显著地缩短。过载时的选择性过载时的动作时间比较长，动作时间和总的分断时间几乎相等，相应的可以将电路的过渡过程、燃弧时间以及机构的固有动作时间忽略不计。对应同一电流。的时间。和。，考虑到特性曲线的制造偏差、冷态和预热的影响后，如果同时满足下述条件，则可实现选择性。；可返回电流值也大于规定之值，一般为其额定电流值的。短路时的选择性因短路时的动作时间很短，所以在研究短路）对于反时限的热保护，通常的要求是只要流特性曲线，其离散带不相互接触并保持足够的的下级较小额定值的熔断器在熔化和熄弧时问产的熔断器的熔化热值（，。值，以为熔断器的熔化时保护时必需考虑电路的过渡过程、燃弧时间以及操作机构的固有动作时间。为便于分析实现选择性的要求，假定。一蝣。相互串联的热保护电器如熔断器之间的时间一电距离（安全间隔时间），则它们之间就存在选择性。但对于更大的短路电流而言，进一步要求其后接生的电流热值（值）小于前接的上级大额定值）如果上一级电器为电磁式电器，无特别的延时功能，即认为其时间。与电流无关，如有关断路器标准规定的“使用类别”的断路器，则满足选择性保护的要求为。）如果上一级电器为电磁式电器或电子式、智能化电器，并具有人为的延时功能，如“使用类别”的断路器，那么，通过设定不同的时问整定值（时间分级配合），就比较容易达到选择性保护的要求。但同时也必须满足两个方面的要求上一级电器可返回时问必须大于下一级电器的固有动作时间与燃弧时间之和（即全分断时间），同时其可返回电流值也大于规定之值，此规定值一般为其额定电流值的。过载保护装置与短路保护装置的选择性两种保护电器特性交点处的选择性由于过载保护装置不具有分断短路电流的能力，发生短路时，由串联在主电路中的短路保护装置（如断路器或熔断器等）来切断电路。两者的动作之间特性交点周围应有选择性，以熔断器为代表加以说明。如图所示，熔断器的保护特性与过载保护装置的特性曲线的交点电流为厶，若考虑熔断器特性的分散性，则交点电流有两个，此时就要求较小的过电流应由过载保护装置来切断电路，较大的过电流及以上直到允许的极限短路电流则由短路保护装置来切断电路。显然，在这两点范围内就有可能存在不确定性。因此，要求该范围应尽量小。从现行标准规定来看，验证选择性的两个极限值分别为平均特性曲线交点值的和。显然，过载保护装置的额定接通和分断能力必须不低于，。图过载保护装置与短路保护装置的协调配台短路故障时协调配台的保护型式由于接触器或起动器等控制电器的短路承受万方数据电气传动年第卷第期能力所限，在出现短路故障时即便是由短路保护电器分断故障电流，控制电器也可能因承受过大的电动力作用而导致其触头断开引起熔焊或更严重的损坏。为此，在标准中，按照可能的损坏程度，规定了不同的配合类型。）“”型协调配合。要求接触器或起动器在短路条件下不应对人及设备引起危害，在未修理和更换零件前，不能继续使用。）“”型协调配合。要求接触器或起动器在短路条件下不应对人及设备引起危害，且应能够继续使用，允许触头熔焊，但制造厂应指明关于设备维修所采用的方法。对于两种不同的配合型式，标准中相应地规定了试验方法及其试后验证试验。包括两种型式都要进行介电性能试验以验证其绝缘强度，“”型协调配合还要在过载继电器的一个电流整定值倍数上验证其脱扣特性与所提供的脱扣性能相符等。选择断路器进行短路保护时，在极限分断短路电流。之后，在进行维护、修理或更换前，并不要求其能够立即承载连续电流。如果要求断路器在承受了通断故障电流的冲击之后，能够立即承载连续电流，则断路器的选用应保证系统中出现的短路电流不超过其运行短路分断能力。若选择熔断器用于进行短路保护时，在分断短路故障后一般需要更换熔体。剩余电流故障条件下的选择性配电系统采用串联保护，其剩余电流故障保护一般由断路器实现。由于电动机本身属于末端负载，因此，相近安装的断路器采用漏电（剩余电流）瞬时动作的非选择型断路器，其相近的上一级断路器则采用单相接地延时动作的选择型断路相同。短路和欠电压保护的选择性出现短路故障时，在短路位置上电网电压电阻与故障位置的距离，而“饱和短路”的电压值时，则欠电压脱器。这种选择方式与短路保护的选择方式基本大幅跌落。因短路出现电弧时的电压仅为。只要短路存在，电网电压顺着能量流的方向沿母线段而降低到局部值。此值决定于其间的导线则趋近于零。如果电压降到额定值，且电压降的持续时间超过扣器就会脱扣。同样，如果额定控制电压因短路导致低于额定值，且电压降的持续时间超过电气传动年第卷第期（按接触器或起动器的容量大小而定），则接触器或起动器将断开。据此，选择性过电流保护需要延时动作的欠电压脱扣器和带释放延时的接触器或起动器。实际应用中选择欠电压脱扣器时，还应对脱扣器供电电源的能量给予充分考虑，其延时应在以上，以免因脱扣器不能正常延时而破坏选择性保护。选择性区域联锁由多台短路保护电器串联的电控系统中，为了避免上级保护电器太长的脱扣延时以及不必要的误动作、降低故障对线路和设备的损坏程度，有必要采用选择性区域联锁保护系统。）采用专用信号线路实现选择性区域联锁。一种由微处理器控制的“缩短延时的选择性控制”系统，控制装置通过专用信号线路，对系统中的短路保护电器的动作信号进行联网控制。在下级电器保护范围内出现短路故障时，联锁装置向上级电器发出闭锁信号，抑制其动作。在上级电器保护范围内出现故障时，不出现闭锁信号，上级电器直接在规定的较短的延时时间后断开电路。）采用现场总线系统实现选择性区域联锁。由智能化保护电器实现通讯联网，借助现场总线技术，通过在各个智能化电器上附加适当的端口，相互问传送闭锁、解锁信号，这些信号与各自的短路等故障检测信号相结合完成逻辑运算，并根据程序事先设定的条件进行操作，从而实现选择性区域联锁。保护与控制特性的协调配合电动机的保护往往与其控制方式有关，即保护中有控制，控制中有保护。如电动机直接起动时，往往产生倍额定电流的起动电流。而当线路末端出现短路故障时，在保护电器分断电路的过程中，接触器或起动器等控制电器同时也要承受相应短路电流的考核。保护装置与控制电器之间的保护特性和控制特性协调配合的重要性更为突出。正常过载条件下的协调配合对于直接起动的电动机（），起动电流较大，在此时因正常起动的工艺要求导致的过电流条件下，在规定时间内，保护电器均不应动作。图为典型的电动机、熔断器、断路器的特性曲线的配合示意图。假定断路器具有段保护特性。其中万短路保护带有短延时功能。由图可见，电动机特性曲线与短路短延时特性曲线、熔断器特性曲线与短路短延时特性曲线分别有两点相交，在此故障电流上两电器将同时断开，系统不具备选择性。为此，可采取以下两种方案实现选择性保护）将短路短延时特性曲线调整为反时限特性曲线，以避免特性曲线的相交；）将短路短延时特性血线上移，即提高短延时动作电流整定值。（时（）图电动机、熔断器、断路器特性曲线的配合电动机重载起动或操作频率较高时的保护）电动机重载起动。过载保护继电器按其使用场合的不同，选择不同的脱扣级别（与起动电流对应的不动作保持时间范围）。但对于电动机重载起动，因起动时间延长，有的长达甚至以上，电动机起动过程中就可能脱扣分断电路。如惯量大的离心机、通风机、带载起动的输送带、磨煤机等都可能出现上述情况。此时，就需要选用延时型过载继电器或重载起动用的电子式延时过载继电器。）操作频率较高的电动机的保护。过载继电器特别是热过载继电器用于较高操作频率的场合有其局限性，当操作频率超过一定值时，电动机采用过载继电器就不可能实现真正的保护，必须应用预埋于电动机内部的热敏保护电器。图给出船”必图过载继电器的允许操作频率堡垒皇丝墨苎堡芝皇丝型塑堕苎竺皇堡塑些坌堑了电动机按起动时，对应不同的起动时间和接通时问所允许的最高操作频率。电动机允许的操作频率与具体的起动时间和接通时间密切相关。特性自配合的多功能集成化电器传统的电控系统存在的问题无论是选择性保护还是特性的协调配合，由于以下几方面的原因，要达到完善的目标难度很大采用不同考核标准的电器产品之间组合在一起使用时，保护特性、控制特性配合不协调；设计人员选择电器元器件可能匹配不当；成套厂购置不同生产厂家的元器件产品的质量不同和装配调整不当；用户现场整定不当；元器件生产厂家推广和技术服务不到位。这些原因导致电控系统中经常会出现以下现象接触器的主触头烧毁、甚至造成飞弧，使故障扩大，影响邻近供电回路；断路器在系统出现短路故障时不能正常分断电路；保护装置不能起到保护电动机的功能，造成误动或拒动等。技术的发展及其主要特征为了克服采用不同考核标准的电器产品之间组合在一起使用时，其保护特性、控制特性配合不协调的现象，近年来国际上出现了一种新型的多功能集成化电器，即控制与保护开关电器（“）。国际电工委员会给出的标准代号为，出版的标准为（我国相应国家标准为）“。将断路器、接触器、热继电器以及隔离器的功能融为一体，其具有的各种保护特性、控制动作特性在产品内部协调配合，即具有自配合性能。图是其在应用中的电气示意图。目前国内市场上的已有系列（，各种规格）等产品。系列的主要功能与特征分析如下。）与塑壳断路器相比，具有分断能力高、飞弧距离小、保护整定电流均可调整的特性。在额定运行短路分断能力。（）达到高分断型为、标准型为、经济型为，在预期短路电流下的分断时间仅为，限流系数在以下，达到塑壳断路器的领先水平，接近熔断器的限流水平，大大限制了短路电流对系统的动、热冲击。同时，飞弧距离仅为。万方数据量兰竺塑兰墨墨墅塑）与塑壳断路器构成的保护系统相比，的热脱扣（反时限）电流和磁脱扣（定时限）电流均可在面板上进行调整，即除了常规的热保护电流可根据负载功率进行整定外，过流保护整定电流也可在面板上进行调整（配电负载的调整范围为。，电动机负载的调整范围为）。克服了塑壳断路器的短路保护整定电流出厂后用户无法调整的缺点，使得产品即使安装在线路末端，短路电流较小时，同样具有很好的短路保护功能。）与接触器性能相比，具有寿命长、操作方便的特性。的机械寿命达万次，电寿命为万次，既可就地手动操作，又可远距离实现自动控制功能。）其它特点。配套附件齐全。辅助触头与信号报警触头、分励脱扣器、远距离再扣器、门或抽屉的面板操作机构、控制电路转换模块等，在单一产品上可构成完整的控制与保护单元，实现协调配合的控制与保护功能。安装角度灵活。横装、垂直安装、水平安装均不影响使用性能。可广泛应用于紧凑型成套装置中，包括固定式或抽屉式的柜中，一，可在和抽屉中应用，一，可在及以上抽屉中应用。安全可靠、防护等级高。板前、板后、插入式的接线端子均具有防触指功能，可配备防护等级直至的高防护等级外壳，特别适用于民用建筑的潮湿场所、地下室、水泵房、煤矿、港口、船舶，石化等领域，是替代目前的电磁起动器、保护式和组合式起动器的理想产品。是除手动控制外还能够自动控制、带或不带就地人力操作装置的开关电器（设备）。能够接通、承载和分断正常条件下包括规定的运行过载条件下的电流，且能够接通、在规定时间内承载并分断规定的非正常条件下的电流，如短路电流。（。）后连续运行。“连续运行”是指承受规定条件下的过电流后能够不经维修即可恢复运行。具体标准规定为在进行次分断短路电流。试验前、后，各具有次以上的电寿命和符合规定的保护特的出现，从根本上解决了以往分立器件具有过载和短路保护功能，这些功能经协调配合使得能够在分断直至其运行短路额定值性。这是由断路器、接触器等分立器件构成的系统所难以达到的。“连续运行”这一特性极大地提高了电控系统的运行可靠性和系统的连续运行性能。电气传动年第卷第期低压电拄系统保护与控制的选择性与协调性分析存在的不同保护型式的协调配合问题，前述的“协系统中的一个子系统，但在实际工程应用中，合理调配合的保护型式”不复存在，大大提高了整个配选择不同的保护电器并加以准确的整定，以实现电网的连续运行可靠性。可以认为，具有完善保护选择性保护及各种电器特性的协调配合是一个复特性的、特性间能够协调配合的集成化多功能电杂的研究课题，涉及面很广，必须结合实际情况，器代表了低压电控系统技术发展方向，特别是伴具体分析，才能得出最佳方案。随微控制器、通讯技术的发展，智能化的将参考文献得到快速发展和应用。胡景泰，朱文灏，冯明哲等新型多功能集成电器的研究电结论工技术杂志，（）本文通过分析，提出了实现过载、短路、欠压胡明忠低压开关电器和开关设备手册北京；机械工业出版牡，等各种故障条件下的保护选择性和不同工作状况七坩下控制协调性的要求与实现方法，指出具有完善保护特性的、特性间能够协调配合的集成化多功，能电器、特别是智能化的代表了低压电控系（盯）（），统技术发展方向。电控系统虽然只是低压配电网取幕百新面丽再面“舢“止舢，“舢“舢“皿取且舢址址舢取址虬（上接）啊”小结本文设计的监控系统已经用于西北有色金属研究院的电子束单晶熔炉监控系统，取得了较好的控报表和存储数据功能制和监测效果，提高了工作效率。计算机的监控系统在数据记录的窗体上设置了个报表按钮，界面直观，操作简单，控制质量较高，数据记录准确，报表按钮是显示和打印表头（用户填写的各种精度高，系统的造价较低，能维持连续生产。记录）；报表按钮是显示所有的数据记录（实时考文献数据），用户可以根据需要实时打印或者是倒到某北京亚控自动化软件科技有限公司组态王用户手册个文件中，文件的格式可以是纯文本或者是超文殷学军，褚振生，刘振鞭基于组态软件开发的电子柬脱硫脱本。数据存储是把所有的数据记录存储到硝工艺人机接口自动化仪表，（）数据库中，并且建立一个以时间命名的文件夹中，李胜广，贾磊，王德基于组态王的问歇燕煮过程监控系统可以在以后的工作中根据需要进行查询。其存储自动化博览，数据命令按钮的代码为孙旭霞李生民张维娜工业自动化通用组态软件。组态王”的功能分析及应用刀仪器仪表用户，（）（）吴锐，李春光基于组态王的锅炉自动控制系统口自动化仪表，（）其中函数的定义为王成志工控软件“组态王”的数据处理和报表自动生成程序设计微计算机信息，（）（）何健辉，董方鹏，冯毅实用北京清华哪大学出版社，（懵“”）张宏林孔艳，王哲开发数据库民。（剐（。）”点”邮电出版杜，（）份”前的教据昏叩叮数据记录。”，钯副”设（）”点”（）”分”前的数据”，硬薯百掰五而西面悟改稿日期，万方数据作者作者单位刊名英文刊名年，卷期被引用次数胡景泰，郭其一，HUJINGTAI，GUOQIYI胡景泰,HUJINGTAI上海电器科学研究所，郭其一,GUOQIYI同济大学电气传动ELECTRICDRIVE2005,35121次