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低壓斷路器
分類
計(jì)算
摘要：文章介紹了低壓斷路器的選擇要求，并結(jié)合實(shí)際案例，解析了斷路器過電流脫扣器整定值的計(jì)算過程。對(duì)計(jì)算過程中顯現(xiàn)的可操作性疑義問題，結(jié)合對(duì)現(xiàn)行規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的理解提出建議，以便合理選擇低壓斷路器脫扣器，對(duì)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員具有一定的參考價(jià)值。
低壓斷路器具有體積小、機(jī)構(gòu)緊湊、安裝方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于配電線路及電動(dòng)機(jī)保護(hù)領(lǐng)域。隨著電氣技術(shù)的不斷發(fā)展，低壓斷路器性能也得到日益完善和提高，現(xiàn)已逐步實(shí)現(xiàn)智能化、模塊化和小型化，與此同時(shí)，低壓斷路器的可靠性和安全性均得到很大提高。但在使用低壓斷路器的過程中應(yīng)合理選型，避免因斷路器選型不當(dāng)造成其不能發(fā)揮應(yīng)有的保護(hù)作用，使配電系統(tǒng)在運(yùn)行中存在一定安全隱患，對(duì)使用人員的人身安全構(gòu)成一定威脅。
1 低壓斷路器簡(jiǎn)介
1.1 低壓斷路器分類
低壓斷路器（以下簡(jiǎn)稱斷路器）按使用類別可分為A類（非選擇型）和B類（選擇型）；按設(shè)計(jì)型式可分為萬(wàn)能式（或框架式）斷路器、塑料外殼式斷路器及微型斷路器；按用途可分為配電用斷路器、電動(dòng)機(jī)保護(hù)用斷路器和漏電斷路器，其他分類不再列舉。
1.2 斷路器過電流脫扣器
1.2.1 斷路器過電流脫扣器主要包括長(zhǎng)延時(shí)脫扣器（反時(shí)限特性）、短延時(shí)脫扣器（根據(jù)不同的動(dòng)作電流，呈現(xiàn)反時(shí)限和定時(shí)限特性）、瞬動(dòng)脫扣器。
1.2.2 反時(shí)限過電流斷開脫扣器在基準(zhǔn)溫度下，在約定不脫扣電流，即電流整定值的1.05倍時(shí)，脫扣器的各相極同時(shí)通電，斷路器從冷態(tài)開始，在小于約定時(shí)間內(nèi)不應(yīng)發(fā)生脫扣；在約定時(shí)間結(jié)束后，立即使電流上升至電流整定值的1.3倍，即達(dá)到約定脫扣電流，斷路器在小于約定時(shí)間內(nèi)脫扣。
1.2.3 瞬時(shí)或定時(shí)限過電流脫扣器在達(dá)到電流整定值時(shí)應(yīng)瞬時(shí)（固有動(dòng)作時(shí)間）或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作。其電流脫扣器整定值有±10%的準(zhǔn)確度。
1.3 斷路器的選擇應(yīng)符合的要求
斷路器的額定電壓應(yīng)與所在回路的標(biāo)稱電壓相適應(yīng)；斷路器的額定頻率應(yīng)與所在回路的標(biāo)稱頻率相適應(yīng)；斷路器的額定電流不應(yīng)小于所在回路的負(fù)荷計(jì)算電流；斷路器應(yīng)滿足短路條件下的動(dòng)、熱穩(wěn)定要求，用于分?jǐn)喽搪冯娏鲿r(shí)，應(yīng)滿足在短路條件下分?jǐn)嗄芰Φ囊蟆?nbsp;
1.4 斷路器的選擇性配合
各級(jí)保護(hù)電器之間的動(dòng)作選擇性分為以下三種：
1.4.1 完全選擇性。故障點(diǎn)的所有故障電流值，從過載到金屬性短路故障電流，均由故障點(diǎn)最近的上一級(jí)斷路器切斷。
1.4.2 部分選擇性。在全短路故障電流情況下，不能滿足完全選擇性，但可能在某一較低故障值（選擇性極限值）以下具有選擇性。
1.4.3 無(wú)選擇性。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)選擇性，可能出現(xiàn)越級(jí)跳閘或同時(shí)動(dòng)作。《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，配電線路采用的上下級(jí)保護(hù)電器，其動(dòng)作應(yīng)具有選擇性；各級(jí)之間應(yīng)能協(xié)調(diào)配合。但對(duì)于非重要負(fù)荷的保護(hù)電器，可采用無(wú)選擇性跳閘。
2 各種過電流脫扣器的整定計(jì)算
斷路器的實(shí)際動(dòng)作時(shí)間還可以根據(jù)廠家提供的時(shí)間-電流特性曲線直接查取。確定實(shí)際動(dòng)作時(shí)間非常重要，可以實(shí)現(xiàn)正常工作時(shí)不動(dòng)作、躲過尖峰電流、完成熱穩(wěn)定校驗(yàn)、滿足斷路器動(dòng)作的選擇性等用途。
2.1.5 消防配電線路的過負(fù)荷保護(hù)。根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ16-2008）規(guī)定，消防配電線路應(yīng)設(shè)過負(fù)荷及短路保護(hù)，其過負(fù)荷保護(hù)應(yīng)動(dòng)作于信號(hào)，不動(dòng)作于脫扣。工程設(shè)計(jì)中，消防配電線路采用電磁脫扣器（僅有瞬動(dòng)脫扣器），其過負(fù)荷保護(hù)功能應(yīng)借助其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)：（1）采用過載時(shí)只報(bào)警不脫扣的特殊斷路器，在過載時(shí)可提供一個(gè)無(wú)源信號(hào)觸點(diǎn)，從而驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置；（2）利用數(shù)顯表的報(bào)警功能，在實(shí)際電流超過設(shè)定電流時(shí)提供報(bào)警信號(hào)。此時(shí)應(yīng)采用三相表并配合三相CT。如使用單相表，無(wú)法檢測(cè)另外兩相的故障；（3）電動(dòng)機(jī)可使用熱繼電器提供過載保護(hù)，通過其過載信號(hào)觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置。
2.2 短延時(shí)脫扣器的短路保護(hù)整定計(jì)算
案例分析：某低壓配電房發(fā)生短路事故，短路點(diǎn)位于分支母線處，即分支回路斷路器電源側(cè)。斷路器智能控制器保留的技術(shù)數(shù)據(jù)：分?jǐn)嚯娏?8.67kA，動(dòng)作時(shí)間0.5s。斷路器出廠數(shù)據(jù)：型號(hào)CW2-2500/3P，In=2500A；額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu=85kA/AC400V；額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs=85kA/AC400V；額定短時(shí)耐受電流Icw=65kA/AC400V；長(zhǎng)延時(shí)脫扣器Ir1=1.0In，t1=15s；短延時(shí)脫扣器Ir2=8.0In，t2=0.4s，瞬動(dòng)脫扣器Ir3=12Ir1，接地故障保護(hù)位于OFF位置。要求判斷該斷路器是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切除故障線路。
額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu>Ik。首先計(jì)算動(dòng)作電流倍數(shù)：18.67*1000/2500=7.468倍，未達(dá)到預(yù)設(shè)的短延時(shí)脫扣電流倍數(shù)（8倍），查產(chǎn)品樣本，應(yīng)根據(jù)I2T2=（8Ir1）2t2校驗(yàn)。T2=（8*1*2500）2*0.4/（18.67*1000）2=0.459s。根據(jù)廠家樣本，動(dòng)作時(shí)間允差為±15%，則斷路器允許動(dòng)作時(shí)間為（0.459*1.15）s=0.528s。本案例斷路器動(dòng)作時(shí)間0.5s在此時(shí)間范圍內(nèi)切除故障線路。
I′stM1――線路中最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的全啟動(dòng)電流，A，包括周期分量和非周期分量，其值可取電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流IstM1的2倍
Ijs（n-1）――除啟動(dòng)電流最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)以外的線路計(jì)算負(fù)載電流，A
如果沒有人為的延時(shí)環(huán)節(jié)，瞬動(dòng)脫扣器一旦啟動(dòng)，必將觸發(fā)后繼動(dòng)作，分閘在所難免。啟動(dòng)沖擊電流在1/4周期（0.005s）即達(dá)峰值，瞬動(dòng)原件是否啟動(dòng)僅取決于電磁力的大小，與后繼的斷路器機(jī)械動(dòng)作固有時(shí)間無(wú)關(guān)。因此，為防止斷路器在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)誤動(dòng)作，其瞬動(dòng)脫扣器的動(dòng)作電流應(yīng)躲過啟動(dòng)電流峰值或至少高于第一半波有效值。 2.3.3 瞬動(dòng)脫扣器用于電動(dòng)機(jī)的短路保護(hù)。
第一，斷路器瞬動(dòng)脫扣器動(dòng)作電流與長(zhǎng)延時(shí)脫扣器動(dòng)作電流之比（以下簡(jiǎn)稱瞬動(dòng)電流倍數(shù)）宜為14倍左右或10～20倍可調(diào)。
第二，僅用于短路保護(hù)時(shí)，即在另行裝設(shè)過載保護(hù)電器（如熱繼電器等）的常見情況下，宜采用只帶瞬動(dòng)脫扣器的斷路器或把長(zhǎng)延時(shí)脫扣器作為后備過電流保護(hù)。
第三，兼作過載保護(hù)時(shí)，即在沒有其他過載保護(hù)電器的情況下，斷路器應(yīng)設(shè)瞬動(dòng)脫扣器和長(zhǎng)延時(shí)脫扣器，且必須為電動(dòng)機(jī)保護(hù)型。
第四，兼作低電壓保護(hù)時(shí)，即不另裝接觸器或起動(dòng)器的情況下，斷路器應(yīng)裝有低電壓脫扣器。
第五，斷路器的各種附件應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的控制要求裝設(shè)。
第六，瞬動(dòng)脫扣器的整定電流應(yīng)為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的2～2.5倍，本文取2.2倍。
第七，長(zhǎng)延時(shí)脫扣器用作后備保護(hù)時(shí)，其整定電流應(yīng)按滿足相應(yīng)的瞬動(dòng)脫扣整定電流為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流2.2倍的條件確定。
第八，長(zhǎng)延時(shí)脫扣器用作電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)時(shí)，其整定電流應(yīng)接近但不小于電動(dòng)機(jī)的額定電流，且在7.2倍整定電流下的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。同時(shí)，相應(yīng)的瞬動(dòng)脫扣器應(yīng)滿足第六條的要求，否則應(yīng)另設(shè)過載保護(hù)電器，而不得隨意加大長(zhǎng)延時(shí)脫扣器的整定電流。
2.4 斷路器接地故障保護(hù)的整定計(jì)算
《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，相線對(duì)地標(biāo)稱電壓為220V的TN系統(tǒng)配電線路的接地故障保護(hù)，其切斷故障回路的時(shí)間應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）配電線路或僅供給固定式電氣設(shè)備用電的末端線路，不宜大于5s；（2）供給手握式電氣設(shè)備和移動(dòng)式設(shè)備的末端線路或插座回路，不應(yīng)大于0.4s。
以下介紹TN、TT及IT系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)斷路器脫扣器的選擇及整定方法。
案例分析：某回路由低配室放射供電，變壓器容量1000kVA，Uk=6%，出線開關(guān)QF1（Ir1=50A），配線YJV-5x16，線路末端下級(jí)斷路器采用A類微斷QF2（MCB-C32/1P，Ir1=32A，Ir3=10Ir1=320A）。設(shè)QF2前端A點(diǎn)發(fā)生接地故障，QF2后端B點(diǎn)發(fā)生接地故障，試對(duì)QF1進(jìn)行接地故障保護(hù)整定計(jì)算。
第一種情況：線路長(zhǎng)100m，A點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，查得Id=0.61kA，則根據(jù)式（9），Ir3≤（0.61*1000）Ir1/（1.3*50）=9.38Ir1，取整后Ir3=9，則Ir3=9*50A=450A。
第二種情況：線路長(zhǎng)100m，B點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于A、B點(diǎn)僅相隔QF2，其阻抗可忽略不計(jì)，則QF1整定計(jì)算同上。
此兩種情況下，QF1的Ir3=450A，QF2的Ir3=320A，450/320=1.406倍，可滿足選擇性要求的1.3或1.4倍。
第三種情況，線路長(zhǎng)140m，查得Id=0.44kA，則根據(jù)式（9），Ir3≤（0.44*1000）Ir1/（1.3*50）=6.77Ir1，取整后Ir3=6，則Ir3=6*50A=300A。此時(shí)若B點(diǎn)發(fā)生單相接地故障，上下級(jí)斷路器已不具選擇性。
第四種情況：條件同第三種情況，但QF2所保護(hù)的設(shè)備為15kW鼠籠式電動(dòng)機(jī)。按電動(dòng)機(jī)保護(hù)整定計(jì)算，Ir3≥2.2*7*15/0.8/0.38/1.732A=438.72A，QF2選用D型斷路器，即Ir1=32A，Ir3=14Ir1=14*32A=448A，而QF1的Ir3=300A。此時(shí)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，必將越級(jí)跳閘。
第二，提高TN系統(tǒng)接地故障電流Id的措施：選用D，yn11變壓器，其零序阻抗比Y，yn0變壓器小很多，Id明顯增大；增大電纜截面以降低阻抗，此方案不適用于裸干線及架空線等電抗較大的線路；改變線路結(jié)構(gòu)，如改裸干線及架空線為封閉母線或電纜，以降低阻抗。
當(dāng)變壓器容量較小時(shí)，配電線路較長(zhǎng)而保護(hù)電器的整定電流不能滿足靈敏度系數(shù)的要求時(shí)，可減少配電級(jí)數(shù)，以減小整定電流。
第三，當(dāng)采用短路保護(hù)兼做接地故障保護(hù)，不能滿足其靈敏度要求或不能滿足選擇性要求時(shí)，還可采用帶接地故障保護(hù)的斷路器。
零序電流保護(hù)：檢測(cè)零序電流通常在斷路器后三個(gè)相線上各裝設(shè)一只電流互感器（也可在中性線上安裝一個(gè)零序互感器），取3只互感器的矢量和乘以變比，即零序電流：IN=IL1+IL2+IL3。
剩余電流保護(hù)：檢測(cè)剩余電流通常在斷路器后三個(gè)相線及中性線上各裝設(shè)一只電流互感器（或采用專用剩余電流互感器），取4只互感器二次側(cè)電流的向量和乘以變比，即剩余電流：IPE=IN+IL1+IL2+IL3。為避免誤動(dòng)作，斷路器采用剩余電流保護(hù)時(shí)，其接地故障電流整定值應(yīng)躲過正常運(yùn)行時(shí)線路和設(shè)備的泄露電流，通常取泄露電流總和的2.5～4倍。剩余電流保護(hù)整定值可在滿足Id≥1.3Ir4的前提下盡可能選大一些，甚至可選斷路器允許的IΔn最大值。剩余電流保護(hù)適用于TN-S系統(tǒng)，但不適用于TN-C系統(tǒng)。
2.4.2 TT系統(tǒng)。TT接地系統(tǒng)常用于工業(yè)與民用建筑的照明、動(dòng)力混合供電的三相四線配電系統(tǒng)，三相不平衡電流較大。發(fā)生單相接地時(shí)，Id回路阻抗包括相線阻抗、PE線阻抗、負(fù)載側(cè)接地電阻、電源側(cè)接地電阻、接觸阻抗等。由于負(fù)載側(cè)接地電阻和電源側(cè)接地電阻值一般均比較大，TT系統(tǒng)的故障環(huán)路阻抗大，產(chǎn)生的單相接地故障電流遠(yuǎn)小于不平衡電流，所以TT系統(tǒng)不能采用短路保護(hù)兼做接地故障保護(hù)，也不能采用零序電流保護(hù)。TT系統(tǒng)采用剩余電流保護(hù)的整定計(jì)算同TN系統(tǒng)。
2.4.3 IT系統(tǒng)。三種系統(tǒng)中，IT系統(tǒng)接地故障電流最小，用于對(duì)供電可靠性要求較高、對(duì)單相接地不需要立即切斷的供電回路。發(fā)生接地故障時(shí)，需發(fā)出絕緣破壞信號(hào)。目前最典型的IT系統(tǒng)就是10kV配電系統(tǒng)，采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)高電阻接地的運(yùn)行方式（小電流接地系統(tǒng)）。該系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)生單相接地故障時(shí)，不破壞系統(tǒng)電壓的對(duì)稱性，且故障電流值較小，不影響對(duì)用戶的連續(xù)供電。電力系統(tǒng)供電規(guī)程規(guī)定，發(fā)生接地故障時(shí)，可帶故障運(yùn)行1～2小時(shí)。
3 結(jié)語(yǔ)
在使用斷路器作為保護(hù)電器時(shí)，只有正確分析負(fù)載性質(zhì)、結(jié)合斷路器保護(hù)特性選擇斷路器，才能有效切除事故回路，保證供配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。除了技術(shù)上的必要性和可靠性，還要兼顧經(jīng)濟(jì)上的可行性和實(shí)用性，才能使斷路器的選擇滿足合理性要求。
