微机保护装置在低压框架式低压断路器上的应用
时间：2023-01-23 10:35:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘积慧
（酒钢集团宏兴股份公司动力厂，甘肃嘉峪关 735100）
框架式低压断路器普遍使用于冶金、化工、工农业生产、生活配电系统中，用于保护和控制低压配电网络，安装在电网低压配电柜中，如进线单元、一次侧及二次侧出线部分，框架式低压断路器是固定式安装的一种，为抽屉式接线，断路器本体的进入和退出是由外置式摇杆顺时针或逆时针旋转而达到连接的目的，在一次主回路和二次控制回路中均采用进出插入式结构，提高了使用的经济性，同时给安全操作与检修维护带来了很大的便利，增加了安全性、可靠性，综合了保护、测量和通信功能，是智能、安全、简便和经济的配置。
在冶金企业、各种发电厂、低压配电站中，当380 V 母线发生故障，将导致母线失压停电，影响范围大；
采用380 V 单母线分段或不分段的双母线接线方式时，当其中某一段母线发生故障时将造成约一半的电气回路停电或短时停电及晃电，因此在电力变配电系统中对配电系统的灵活性和可靠性就有了很高的要求，一定要避免380 V 低压母线发生故障、以及限制母线故障影响全站停电或短时停电事故的发生，为此冶金工矿企业的低压配电系统多采用双电源单母线分段或双电源单母线不分段、电源为备自投的运行方式进行配置。见图1。
图1 母线分段运行示意图
框架式低压断路器作为双电源单母线分段运行方式或双电源单母线不分段加备自投运行方式，安装于母线的进线电源侧起保护作用。
某二高线水系统泵站供电系统采用双电源单母线分段的供电方式，断路器型号为梅兰日兰公司Masterpact M 系列M20H1，保护控制单元为STR38S，已运行有23 年，断路器本体运行状态良好，但保护控制单元多次发生误动跳闸事故，基本原因分析如下：
断路器的保护控制单元为STR38S，超出了电气设备的正常运行周期，元器件老化、工作性能不稳定是原因之一。原因之二［1］是该芯片的工作电源为断路器本身电流互感器进行自供电，当断路器实际负载电流低于额定负载电流的20%时，会导致自供电电源不稳定，加上检测回路稳定性的下降，电流检测严重漂移，在运行过程中保护开关误动作就会发生。
断路器的控制单元（STR38S）属于精密器件，需要定期检测。通过查阅资料要求在使用过程中［2］，每年对STR 系列控制单元进行性能测试，获取设备的性能指标数据，之后每年要对累计的性能指标数据进行综合技术分析，结合专业的技术支持，指导制定检修策略，保证断路器长期稳定运行，避免误动作事故的发生。但此次故障的保护装置已在线运行23年，也从未进行过相应的预防性维护和性能测试，日常忽略了对断路器的各项性能试验，也是导致故障的次要原因。
3.1 方案1：更换控制单元
断路器的控制单元（STR38S）属于易损件，而Masterpact M 系列框架式断路器已于2003年停产退出了市场。施耐德供货厂家的零部件储备保障周期截止到2015年底，也就意味着控制单元也已退出市场。即便厂家有配件也多为维修件或拆机件，不能保证质量，备件的停产直接导致此方案无法实施。
3.2 方案2：升级改造全套断路器
Masterpact M 系列型号的框架式断路器生产于2000年以前，新一代Masterpact MT 系列框架式断路器不管是在框架尺寸上还是整体构造上均小于原有M 系列断路器，因此无法直接更换MT 系列断路器本体，需要整柜更换，同时受生产连续性影响，低压受电柜不能长期离线检修，其二，采用合母联二段带一段运行方式存在极大的供电安全风险。同时拆迁规划中的配电系统一次性投资较大，也导致此方案实施的可能性较小。
3.3 方案3：改造控制单元
考虑到方案1 中更换控制器已经停产，方案2中的投资又较大，性价比不高。因此综合考虑，在满足原有基本功能的基础上，同时实现故障记录情况，追溯故障时间及原因，显示运行电流及开关状态，通过联网功能可实现远程操作和监控。故决定采用DEP-821 系列微机保护装置进行升级改造以实现保护、记录、显示、联网、远程操控、实时监控等方面的要求，也为后期的拆迁节省了费用。
DEP-821 系列微机保护监控装置是10 kV 开关柜上保护监控装置（也可采用其他型号的线路保护装置）。此次改造中我们选用备件为DEP-821 系列线路保护装置来改造原有STR38S控制单元。
4.1 方案实施
在380 V 一受电开关柜下部隔室内加装DEP-821 系列线路保护装置块一套，利用原有母线保护用电流互感器，逐相将电流接入保护装置测量回路，微机保护装置直流电源利用原有直流屏单独设置1A空开配至保护装置。保护装置跳闸出口，接入断路器跳闸回路。同时对过流一段、二段、三段的保护定值及时间进行重新核算和整定，最后利用继电保护试验台，进行跳闸保护试验，进行实施后方案的验证。此方案同时解决了低压断路器在日常运行过程中无法进行保护试验的问题。电气原理图如图2所示。
图2 改造方案电气原理图
4.2 保护定值核算
变压器基本参数：S9-M-1250/6，一次电流：120 A，二次电流：1 804 A；
380 V 低压框架式断路器基本参数：In=2 000 A，电压400 V。
其中：低压配电线路的计算电流：Ijs=1 550 A，配电线路中最大的一台负载，功率为200 kW，额定电流350 A，启动方式：软启。
（1）长延时保护
断路器保护单元的长延时动作电流（Ir）主要是用来保护设备过负荷，一般情况下按照线路计算电流的1.1倍进行计算［3］：
即Ir≥1.1×Ijs
Ir≥1.1×1 550=1 705 A
也可以按照变压器二次额定电流进行整定（1 804 A）。
也可按照上下级配差按照1.2 倍进行核算整定：2 160/1.2=1 800 A。
综上所述：长延时动作电流整定为1 800 A。断路器长延时整定时间分为：0.5 s、1 s、2 s、4 s、8 s、12 s、16 s、20 s、24 s。按照级差2～4 s的原则，延时整定为8 s。
（2）短延时保护
短延时动作电流（Izd）应躲过线路的尖峰电流Izd，通常按以下原则进行确定：
式中：Izd——线路中最大电机的起动电流。
此次低压配电线路中部分负载为软启动方式启动，考虑到线路中安装有防晃电重合控制器，晃电瞬间2 台设备同时启动，按照385 A×3 倍×2 台=2 310 A进行核算。
Ijs为除起动电流最大的1 台电机以外的线路计算电流：
按照1 550 A-350×2=850 A进行核算。
即：Izd≥1.2×（Izd+Ijs）=1.2×（2 310+850）=3 160 A
也可按照上下级配差按照1.2 倍进行核算整定：4 950/1.2=4 125 A。
综上所述：短延时动作电流整定为4 000 A。断路器短延时整定时间分为：0.1 s、0.2 s、0.3 s、0.4 s，分正时限和反时限两种。上下级断路器的级差0.1～0.2 s的原则，低压侧整定为0.2 s反时限。
图3 改造前实物照片
图4 改造后实物照片
（3）瞬时速断保护
断路器瞬时动作电流应满足Ii≥3×（Izd+Ijs）的要求。因此Ii≥3×（Izd+Ijs）=3×3 060=9 480。线路保护中也可按照断路器额定电流的4～5 倍进行整定，即2 000 A×5=10 000 A。综上所述：瞬时速断动作电流整定为10 000 A。瞬时速断时间为0 s。见表1所列。
表1 保护定值表
项目实施后，采用继电保护测试仪进行了保护试验，动作可靠。此次改造以较低的成本消除了隐患，实现了断路器原有保护功能。通过一段时间的运行，未发生误跳闸的情况，达到了此次保护改造的目的，为今后的设备改造及隐患消缺提供了一种全新的思路，后期我们还可以将该保护装置通过网络接入到电力后台管控系统，实现远程微机监控和控制。
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