通过示例解释低压保护的选择性

书接上文，继续聊聊低压保护的选择性问题。

请参阅：低压保护的选择性问题

4 保护选择性的详解

保护选择性有电流选择性、时间－电流选择性、能量选择性、区域联锁选择性、选择性后备保护、后备保护等。这些选择性保护从一个侧面反映出技术进步。

4.1 电流选择性保护

当故障电流达到某阀值时，保护电器动作，切断故障回路。图1所示，电源（变压器）－D－C－B－A回路中，故障点离电源越近，短路电流越大；反之，故障点离电源越远，故障电流越小。也就是说，D、C之间短路，其短路电流比C、B间短路的短路电流要大，也比a点短路的短路电流大。人们利用这个特性，通过判定电流的大小，从而实现保护的选择性。当a点短路时，由于其短路电流较小，A断路器动作，切断故障回路，而其它保护电器不动作，达到选择性要求。

图1 某工程系统示例

对于末端配电系统，很难用这个方法实现选择性保护。表2给出了不同容量变压器预期短路电流值。

表2 不同容量变压器预期短路电流值

表2与图1相对应，假设封闭铜母线为1000A，长度为40m；B、C点之间的电缆为YJV-5×10mm²，长为20m。

所以，从表2可以看出，图1中a点的短路电流Id=500A不算大，如果采用“电流选择性”，这个故障电流足以使断路器A和C动作，从而不能实现选择性。

末端箱出线回路保护电器整定值为16A是规范要求的，我们可以反推一下，如果a点的短路电流Id=500A，C断路器的整定值应不低于500/5＝100A（对B曲线而言），或500/10＝50A（对C曲线而言），C断路器比A断路器要大许多级，这样B、C之间的电缆将会增大截面，显然该设计是不合理的。

4.2 时间－电流选择性保护

如何解决4.1中“电流选择性”存在的问题？其实只要将C断路器增加较短的延时，使其脱扣延时时间长于A断路器的延时，就可解决选择性问题。当短路电流Id=500A通过C和A断路器，由于A延时较短，C还未动作，A已经将故障回路切除，从而实现选择性保护。这样的保护选择性叫做时间－电流选择性保护，也就是说，保护装置的动作既与故障电流有关，也与故障电流持续的时间有关。一般来说，上级保护装置比下级装置有较长的脱扣延时时间，同时要求上级保护装置要能承受延时期间的故障电流，衡量该能力的参数叫做断路器短时耐受电流。保护装置的时间－电流选择性用时间－电流曲线来判别。

我们知道，Q＝0.24I²Rt，因此，脱扣时间的增加导致故障回路承受更大的能量，这样对第一、二级断路器有较高的要求，否则有可能造成设备的损坏，影响非故障回路的正常供电。

4.3 能量选择性保护

当发生短路故障时，断路器在几十毫秒内脱扣，切断故障回路。这么短的时间内产生大量的非周期分量，用时间－电流曲线已不能描述保护的选择性。利用塑壳断路器的限流特性，将时间－电流曲线引深为脱扣能量曲线。为了保证串联保护装置中的保护电器的选择性，下级断路器的脱扣能量应小于上级断路器的脱扣能量。

能量为I²t焦耳能量，即图2中曲线1（虚线）和曲线2（实线）所包围的面积。脱扣能量的单位为A²s。

能量选择性保护的最大优点是快速保护，它具有限流保护电器的特点，就是在短路电流到达最大值之前，保护电器已将故障回路切断，从而使回路及设备承受较小的短路能量，减少热效应和电动力。

4.4 区域联锁选择性保护

图3为区域联锁选择性保护的工作原理图。图中配电系统为三级保护（注意！保护级数不同于配电级数），第二级断路器F1,F2,F3和第一级主断路器M之间形成联锁，第三级断路器SF1,SF2和其上级断路器F1之间形成联锁（如图中虚线所示）。假设M、F1、SF1三级断路器的延时时间分别为0.4s,0.2s，0.1s。

当A点发生故障时，由于断路器SF1为最末一级保护，用物理连接将自己自锁定。SF1进入0.1s短延时；同时SF1向其上级保护装置F1发出等待命令，F1进入0.2s短延时；F1检测到故障电流后，向其上级保护电器M发出等待命令，使M进入0.4s短延时。故障最后由SF1切除。

当B点发生故障时，断路器F1检测到故障电流，向其上级保护装置M发出等待命令，M进入0.4s短延时；同时由于断路器F1未收到下级保护装置SF1发送的等待命令，F1短延时将不会启动，F1瞬时脱扣切除故障。

当C点发生故障时，断路器M未收到其下级保护电器F1发送的等待命令，M断路器将瞬时脱扣，线路将不必再承受0.4s的短路能量冲击。

由以上分析可以看出，采用区域选择性联锁的配电系统，既保证了上下级间的保护选择性，又大大缩短了系统承受短路故障电流的时间。

区域联锁选择性保护的核心有两点：第一，保护电器接收到下级保护发来的故障信号，保护电器启动短延时保护；保护电器没有收到下级故障信号，保护装置瞬时脱扣，切断故障回路。第二，最末一级保护装置，用导线将其自锁，如果末端发生故障，末级保护装置进入短延时保护。