低压电气装置的过负荷与短路保护

发表时间:2019/3/28   来源:《电力设备》2018年第30期   作者:席拽峰1 计鹏2
[导读] 摘要:低压电气装置以及配电线路安全可靠地运行,就必须对应设计相关的保护措施。
        (1  山西省电力公司吉县供电公司  山西临汾  042200
        2 山西省电力公司临汾供电公司变电运维室  山西临汾  041000)
        摘要:低压电气装置以及配电线路安全可靠地运行,就必须对应设计相关的保护措施。本文围绕低压电器设备和装置的过负荷发生成因、短路保护措施进行具体的阐述和分析。
        关键词:低压电气装置 过负荷 短路保护 措施
        近年来,城乡电网的低压台区,特别是农村“四到户”配电台区由于新上电力客户增多且不能实现有序用电,居民用电负荷激增,有时“四到户”配电台区变压器超负荷运行,电能质量下降,引发客户投诉,甚至发生配电变压器、配电盘柜烧毁事故,造成大面积停电。但每个供电部门都担负着几百乃至上千个配电室、十几万低压电力客户的运行和维护工作,随着电气化的实现和家用电气的普及,连续、安全、可靠供电尤为重要,但点多面广的低压电力客户群更加难以管理。这就既降低了供电可靠率,又影响供电部门形象,造成优质服务压力。
        目前实际存在的情况是,有的低压动力户开户时或有意隐瞒、或没有规划在申请用电负荷只有10kw,半年后,又新上一条玻璃窑炉,用电负荷已增加到60kw以上,供电部门既无法限电更不能停电,便将所有压力全部转嫁到供电部门身上,为电网安全运行和优质服务工作埋下了一颗“定时炸弹”。
        一、低压电气装置及配电线路过负荷保护
        配电线路过负荷保护的目的是保护电缆在允许的工作温度下长期运行,避免电缆因过负荷发热,损坏绝缘性能,降低电缆使用寿命。电气设备过负荷原因(以电力电容器为例),过负荷就是设备承受的负荷(功率)超过其额定值的现象。对于电气设备,其特点之一就是过电流。
        1、电气设备过负荷原因
        电容器在合闸投入电网时产生的合闸涌流。一般限制为正常工作电流的6~8倍,频率高,可以达到2.5~3kHz。电压波形畸变引起电容器过电流。电网中由于大功率可控硅整流器等非线性设备投运及变压器铁芯的磁饱和等都会使电压波形发生畸变。由于容抗与频率的增加,谐波次数越高,对该次谐波表现出来的容抗越小,谐波电流就越大。当电容与电源及线路阻抗、串接电抗器阻抗形成谐振时,可能出现对某次谐波电流的放大现象。使得流过电容器的电流大大超过额定电流。如图所示为h次谐波电流分布图。图中电容器同一母线上有一谐波电流源,即h次谐波恒流源,流入系统和电容器的h次谐波电流分别为:、。对中低压系统的h次谐波阻抗,有:,即忽略电阻,由纯电抗组成,电容器组则一般串有电抗器,。
        系统的参数会随着系统结构和负荷状况而变化,因此在由并联无功补偿电容器的系统中要时刻注意避免谐波放大现象的发生。电容器运行中关于过电流的规定:电容器在额定频率和额定正弦波电压下,其有效值电流不大于1.3倍额定电流。很多人将其理解为:总的电流有效值不大于1.3倍额定值。
        2、电气设备过负荷保护
        过负荷对电气设备的影响主要是因为过高的温升而降低电气设备的使用寿命。因此,过负荷保护的原则就是防止电气设备过热。保护根据原理的不同,可以分为三类:1)温度保护;2)根据热累积的原理动作的保护;3)根据电流的大小来动作的保护。
        (1)温度保护
        温度保护用于保护电机设备是随国外引进的设备进入国内的,其基本思想是:将温度敏感元件粘在或者埋设在被保护设备的最热部位,以此来实时监测设备的温度。当设备过热时切除电源,以达到保护设备的目的。这种保护方式能够较真实地反映设备温度,作为过负荷保护原理上讲是比较理想的。温度保护按照采用的温度敏感元件性质的不同又分为2类: 1)温敏元件为开关特性,如双金属片,温度达到一定程度,双金属片动作,断开设备电源。2)温敏元件输出为模拟信号,采用的温度敏感元件有:A)热敏电阻——由金属氧化物、陶瓷半导体或炭化硅材料制成。PTC、NTC。B)热电阻——由铜、镍、铂等金属材料制成(如最常见的铂电阻);C)热电偶;D)PN结。
        优点: 保护的原理最简单、直接,能比较真实地反映设备温度,在一定程度上可以反映短路故障。
        缺点:A)准确度的问题:设备在不同的工作条件下最热点可能不一样。有些设备的最热点可能不适合安装测温元件。B)信号的传输问题:被保护设备多为高电压、大电流设备,对弱电测量信号可能存在较强的干扰。在被保护设备故障时电压电流异常,干扰可能更加严重。保护装置的安装位置可能与被保护设备距离较远,可能几十米、上百米,这时就有弱信号的可靠传输与传输成本的问题。
        (2)根据热累积的原理。
        反映电流的热效应,电流产生的热量达到一定时,保护动作。有两类:1)熔断器;2)热继电器。
        熔断器优点:简单、成本低。缺点:准确度低,温升特性与被保护设备存在差异,保护动作后需更换,较麻烦。
        热继电器——电流流过继电器中的发热元件,元件发热,使双金属片受热动作。
        优点:构造简单,价格低廉,使用方便,广泛应用于电动机的过载和断相保护。不存在熔断器那样的更换问题。
        缺点:A)同样由于被保护设备(主要是电动机)与热继电器不是一体的,温升特性与被保护设备也存在差异。用热继电器很难反映不同型式和容量的电机的温升;当电机负荷变动大时,保护的困难更多;B)影响热继电器动作的因素众多,如环境温度、安装方向都会影响其动作时间;C)精度太低,同型误差可达到20%;
        (3)根据电流的大小来动作的保护
        A)定时限:大于某一电流值(如过电流倍数:),经过过一定的延时后断开。
        B)阶越时限:过负荷倍数在之间时允许时间为,在时,允许时间为。


        C)反时限:保护的完全按照设备的过负荷特性曲线来设定动作时间。
        D)可变时限:用电流来模拟热累积效应,是反时限的一种。
        二、低压电气配电线路的短路保护
        1、低压配电线路短路保护的装设要求
        所有的低压配电线路都应装设短路保护装置。短路保护装置的装设,应保证线路末端发生短路时,保护装置能可靠动作。短路保护装置应能避开线路中短时间过负荷的影响,如大容量异步电动机的启动瞬间等,同时又能可靠地保护线路。低压配电线路的短路保护,通常采用熔断器或低压断路器来完成。
        2、短路保护用熔断器熔体电流的确定
        当采用电缆或穿管绝缘导线配电时,熔断器熔体的额定电流应小于或等于电缆或穿管绝缘导线允许载流量的2.5倍。当采用明敷绝缘导线配电时,熔断器熔体的额定电流应小于或等于导线允许载流量的1.5倍,这是由于明敷绝缘导线的绝缘等级偏低,绝缘容易老化的缘故。当熔断器用来保护配电线路末端的短路事故时,熔断器熔体的额定电流应小于或等于线路末端发生单相接地短路或两相短路时短路电流的1/4倍。
        3、低压电网短路电流计算的特点
        在低压电网中运行的变压器低压侧发生短路时可以认为变压器的高压侧端电压不变和低压侧短路电流不衰减。也就是说,变压器高压侧电源可视为无穷大。理论上,变压器低压侧的所有低压元件,包括母线和电缆、电流互感器的一次线圈、断路器和刀闸触头的接触电阻等,对低压短路电流都有影响,但为了简化计算,使计算出的短路电流值又偏于安全,容许不考虑占回路总阻抗不超过10%的元件。低压电网一般以三相短路电流为最大,并与中性点是否接地无关。在低压电网中,一般不允许忽略电阻,因此短路电流非周期分量比高压电网衰减快得多,故短路电流最大有效值及短路冲击电流与周期分量比值一般不太大。
        三、低压配电系统的接地方式
        根据现行的国家标准《电压配电设计规范》,低压配电系统有三种接地形式,即IT系统、TT系统、TN系统。
        1.IT系统
        IT系统就是电源中性点不接地、用电设备外露可导电部分直接接地的系统。IT系统可以有中性线。但IEC强烈建议不设置中性线。IT系统中,连接设备外露可导电部分和接地体的导线,就是PE线。对于短距离供电线路,系统在设备或线路漏电时,单相对地漏电电流较小,不会破坏电源电压的平衡;接地故障电压一般也不会超过50V,不会引起间接触电的危险。因此,IT系统常用于对供电连续性要求较高的配电系统,或用于对电击防护要求较高的场所,如电力炼钢、大医院的手术室、地下矿井等处。
        2.TT系统
        TT系统就是电源中性点直接接地、用电设备外露可导电部分也直接接地的系统。TT系统的特点:①共用接地线与工作零线没有电的联系;②正常运行时,工作零线可以有电流,而专用保护线没有电流。TT系统的使用:TT系统由于接地装置就在设备附近,因此PE线断线的几率小,且容易被发现。TT系统设备在正常运行时外壳不带电、故障时外壳高电位不会沿PE线传递至全系统。
        3.TN系统
        TN系统即电源中性点直接接地、设备外露可导电部分与电源中性点直接电气连接的系统。TN系统主要是靠单相碰壳故障变成单相短路故障,并通过短路保护切断电源来实施电击防护的。从电击防护的角度来说,单相短路电流大或过电流保护器动作电流值小,对电击防护都是有利的。TN 系统节省材料、工时,在我国和其他许多国家广泛得到应用。TN 方式供电系统中,根据其保护零线是否与工作零线分开而划分为TN-S系统、TN-C系统、TN-C-S系统三种形式。
        (1)TN-C系统
        将PE线和N线的功能综合起来,由一根称为PEN线的导体同时承担两者的功能。在用电设备处,PEN线既连接到负荷中性点上,又连接到设备外露的可导电部分。由于它所固有的技术上的种种弊端,现在已很少采用,尤其是在民用配电中已基本上不允许采用TN-C系统。
        (2)TN-S系统
        TN-S系统中性线N与TT系统相同。与TT系统不同的是,用电设备外露可导电部分通过PE线连接到电源中性点,与系统中性点共用接地体,而不是连接到自己专用的接地体,中性线(N线)和保护线(PE线)是分开的。TN-S系统的最大特征是N线与PE线在系统中性点分开后,不能再有任何电气连接,这一条件一旦破坏,TN-S系统便不再成立。
        (3)TN-C-S系统
        TN-C-S系统是,TN-C系统和TN-S系统的结合形式,在TN-C-S系统中,从电源出来的那一段采用TN-C系统,因为在这一段中无用电设备,只起电能的传输作用,到用电负荷附近某一点处,将EN线分开形成单独的N线和PE线。从这一点开始,系统相当于TN-S系统。
        总结
        低压电气装置设备以及配电线路常见过负荷、短路故障,是影响低压电气装置正常运行的主要故障因素。因此,为了保护低压电气以及配电线路,在发生上述故障时及时应及时切断电源,确保人身和财产的安全,或使这类故障产生的危害最小化。就要确保了解有关的保护原理和应用必要的方法解除和减少故障带来的危害和影响。
        参考文献:
        [1]童晓鸣.低压电动机的容量、保护及保护配置的选择[J].安徽建筑,2011,18(1):130-131.DOI:10.3969/j.issn.1007-7359.2011.01.062.
        [2]岳贞波.浅谈低压保护电器的安全保护特性的选型[J].科技信息,2010,(32):773.DOI:10.3969/j.issn.1001-9960.2010.32.676.
        [3]侯文豹.630KVA变电站无功功率集中补偿分组投切装置的设计[J].企业文化(中旬刊),2012,(5):108.
 
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