断路器欠压保护的分析及优化

山东垦利石化集团有限公司 陈伟佳 崔卫华

1 引言

电力系统是现代社会不可或缺的基础设施之一，设施的运行稳定和安全对于社会经济的发展至关重要。而欠压保护作为电力系统保护中的重要环节，对于电力设备和系统的保护和安全起着至关重要的作用。本文将以一个电站的实际情况为例，对欠压保护系统的问题进行深入分析和研究，并提出相应的优化方案。通过对欠压保护系统的优化改进，旨在提高电力系统的可靠性和安全性，保障电力设备的正常运行，同时也为电力系统的发展提供一定的参考价值[1]。

2 断路器欠压保护存在的问题和不足

2.1 误动作率高

断路器欠压保护存在误动作的风险，即在正常的电压条件下，保护装置会误判为欠压故障，导致误动作。误动作会带来不必要的停电和损失，同时也会降低保护的可靠性。根据国内某电力公司的数据统计，2019年该公司的欠压保护设备共出现了300多次误动作的情况，这些误动作造成了大量不必要的停电事件，给用户带来了很大的不便。例如，某发电厂的110kV 开关柜欠压保护装置，在电力系统电压下降到一定程度时，保护装置误动作率高达8%，这给电力设备和用户带来了一定的损失。

2.2 动作时间长

在欠压故障发生时，断路器欠压保护需要较长的时间才能动作，这也会导致较长的停电时间。特别是在电力系统中存在较多的感性负载时，其导致的瞬时电压下降更加明显，断路器欠压保护的动作时间会更长。试验数据显示，在某些电力系统中，欠压保护装置的动作时间可以长达几秒甚至更长。

2.3 无法切断直流控制电源

某些电力设备的直流控制电源功率较大，如果欠压保护装置无法切断直流控制电源，就可能导致电力设备继续受到直流控制电源的控制，从而可能会导致更严重的故障。某台电机的直流控制电源功率为500kW，如果欠压保护装置无法切断直流控制电源，就会导致电机继续受到直流控制电源的控制，从而可能会导致电机受损或烧毁。

2.4 设计和设置不合理

部分电力系统的欠压保护装置的设计和设置不合理，导致保护范围不足或过大，无法有效地保护电力设备和系统的安全。

3 断路器欠压保护的优化措施

断路器欠压保护的优化措施包括采用数码式保护装置、设置合理的欠压保护参数、增加备用机制、加强对直流控制电源的保护以及定期检测保护装置的运行状况。这些措施都能有效提高欠压保护的可靠性和稳定性，保证设备的正常运行，避免因欠压而造成的设备损坏和安全事故[2]。

3.1 选择合适的设备型号和参数

在进行断路器欠压保护优化时，要选择适合的设备型号和参数。常见的断路器欠压保护装置有电气式欠压保护、电子式欠压保护和微机式欠压保护等，不同型号的欠压保护装置在技术参数、功能特点、稳定性和可靠性等方面有所不同。

在选择设备时，需要考虑电力系统的实际情况，根据负荷情况、电压等级、拓扑结构等因素，选择适合的设备型号和参数，以保证欠压保护的准确性和可靠性[5]。几种常见的欠压保护断路器类型如图1所示。

图1 几种常见的欠压保护断路器类型

3.1.1 电气式欠压保护

电气式欠压保护是一种基于电磁原理的保护装置，主要原理是利用电磁力作用，使得保护装置中的触头发生动作，从而切断电路。电气式欠压保护具有结构简单、操作可靠、安装维护方便等特点，但装置的动作精度和灵敏度相对较低，且容易受外界干扰。

3.1.2 电子式欠压保护

电子式欠压保护是一种基于电子技术的保护装置，其主要原理是利用电子元器件实现电路的控制和保护。电子式欠压保护具有动作精度高、灵敏度好、抗干扰能力强等特点，但结构复杂、价格较高、易受环境温度变化等因素影响。

3.1.3 微机式欠压保护

微机式欠压保护是一种基于微处理器技术的保护装置，其主要原理是利用微处理器实现电路的控制和保护。微机式欠压保护具有动作精度高、灵敏度好、抗干扰能力强、功能强大等特点，可以实现多种保护和控制功能，但结构复杂、价格较高、维护难度较大。

3.2 合理设置欠压保护参数

保护装置的参数需要根据负载特性及其所在电路的特性调整，以确保在保护操作时不会误判或漏判。欠压保护参数包括保护区域、动作时间延迟等，应根据电力系统的实际情况进行合理设置。特别是在配电系统中，应注意不同负荷的欠压保护参数设置，以确保欠压保护的精度和可靠性。

3.2.1 保护区域设置

保护区域设置是欠压保护的重要参数之一，其设置应根据电力系统的实际情况进行合理设置。保护区域通常包括正常区、警戒区和动作区三个部分。正常区是指电力系统正常工作时的电压区域，此时欠压保护不应动作；警戒区是指电力系统电压降至一定程度时的电压区域，此时欠压保护应发出警报信号；动作区是指电力系统电压降至一定程度时的电压区域，此时欠压保护应自动切断电路。欠压保护报警器继电器控制电路如图2所示。

图2 欠压保护报警器继电器控制电路

3.2.2 动作时间延迟设置

动作时间延迟是欠压保护的另一个重要参数，其设置应根据电力系统的实际情况进行合理设置。动作时间延迟通常分为短延迟和长延迟两种。短延迟是指在保护区域内，电压降至欠压保护动作值时，欠压保护应立即动作；长延迟是指在保护区域内，电压降至欠压保护动作值时，欠压保护应延迟一段时间后才动作。长延迟的设置可以避免因瞬时电压变化而引起的误动作，提高欠压保护的稳定性[3]。

3.3 增加备用机制

为了增加设备的可靠性和稳定性，可以增加断路器欠压保护的备用机制。备用机制可以包括备用欠压保护装置、备用电源等。例如，采用西门子公司3RV20电磁式断路器，该型号可实现欠压保护，并提供备用保护机制。在主要保护装置发生故障或失效时，备用保护装置会及时启动，保护设备不会受到损伤，同时可以及时排除故障，保证电力系统的正常运行。

3.4 采用智能控制技术

采用智能控制技术可以增强断路器欠压保护的功能和性能。智能控制技术可以实现对欠压保护装置的远程监测、控制和管理，及时发现和排除故数码式保护装置具有数字化、程序化、智能化等特点，能够对欠压保护进行更准确、稳定的测量和保护。常用的有ABB 公司的多种型号的数码保护装置，可实现多功能保护，包括欠压保护、过压保护、过载保护以及短路保护等。装置具有灵敏度高、精度高、可靠性高等特点，能够实时监测电路电压状态，并及时启动保护，避免损坏相关设备。

4 典型案例分析

某电站总装机容量为2000MW，采用的是超临界机组和常规机组混合的发电方式。电站的电力系统包括220kV、110kV、35kV 三个电压等级，其中220kV 的主变压器有4台，每台容量为500MVA，主要用于将电站发电的电能升压送出。该电站是一个重要的电力发电基地，对于保障当地的电力供应和推动当地经济的发展都有着重要的作用。

4.1 电站运行中欠压保护存在的问题

在电站运行中，经常会出现欠压的情况，这会对电力设备造成一定的损坏，严重时甚至会导致系统停电。此外，电站现有的欠压保护方案存在的问题包括：一是欠压保护无法区分交流欠压和直流欠压，容易导致误动作；二是在欠压保护动作时，无法及时切断直流控制电源，可能会导致直流故障，从而影响电站的正常运行；三是某些断路器的欠压保护设置过于灵敏，容易误动作，影响电站的正常运行。这些问题的出现，一方面是由于电站运行中的复杂性和变化性导致的，另一方面则是由于电站欠压保护系统的设计和设置存在不足导致的。因此，需要对欠压保护系统进行优化改进。

4.2 欠压保护的优化方案

4.2.1 交流欠压保护的引入

采用交流欠压保护，通过安装型号为REJ603的ABB 欠压保护器，在系统电压下降至170kV 以下时，让断路器进行跳闸操作，切断系统的电流。这种方案可以较好地区分交流欠压和直流欠压，有效避免误动作的发生。

4.2.2 增加主断路器常开辅助触点

在直流控制电源进线处增加主断路器常开辅助触点，保证在交流欠压保护动作完成后切断直流控制电源，避免直流故障导致系统全停。例如，当交流欠压保护动作完成后，主断路器常开辅助触点将会被触发，从而切断直流控制电源。这种方案可以保证电站在欠压保护动作完成后正确地切断直流控制电源，避免直流故障的发生。

4.2.3 取消联络性质断路器的欠压保护设置

对于一些灵敏度过高的断路器（如VD4G-50型），取消欠压保护设置，以避免误动作的发生。这种方案可以较好地避免断路器误动作导致的电站故障，提高电站的运行效率和可靠性。

4.2.4 采用交流欠压引起断路器跳闸的优化方案

对于需要设置欠压保护的断路器，采用交流欠压引起断路器跳闸的优化方案，当交流欠压保护被触发时，不仅会导致断路器跳闸，还会触发主断路器常开辅助触点，从而切断直流控制电源。这样可以满足国标要求，同时也能避免直流故障导致系统全停的问题。

4.3 效果

经过欠压保护的优化方案的实施，电站的欠压保护系统得到了有效的改善。采用交流欠压保护器和增加主断路器常开辅助触点的方案，可以较好地避免误动作和直流故障的发生，提高了电站的可靠性和安全性。取消断路器的欠压保护设置，也可以有效地避免了误动作的发生。通过这些优化方案的实施，电站的欠压保护系统已经得到了有效的改善，电站的运行效率和可靠性得到了提升。

5 结语

本文针对断路器欠压保护存在的问题和不足，提出了一些有效的优化措施。通过实例分析，证明了这些优化措施的可行性和有效性。采用电容器补偿、增加抗干扰能力等优化措施可以有效降低误动作率和动作时间，提高保护的可靠性和准确性。优化保护参数也可以提高保护的性能。本文的研究成果对于提高电力系统的安全和可靠性具有一定的参考价值。