低壓斷路器的選擇、整定、校驗(yàn)與應(yīng)用

高 三 陽

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司, 廣東 深圳 518029)

0 引 言

斷路器是指能夠接通、承載和分?jǐn)嗾；芈窏l件下的電流,并能接通、在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)承載和分?jǐn)喈惓；芈窏l件(包括短路條件)下的電流的開關(guān)裝置[1-3]。本文介紹了不同使用場合的低壓斷路器參數(shù)的整定及低壓斷路器分?jǐn)嗄芰?、靈敏度的校驗(yàn)。

1 斷路器的分類

斷路器的分類:按使用類別,分為A類非選擇型、B類選擇型;按設(shè)計(jì)形式,分為萬能斷路器、塑殼斷路器、小型斷路器、直流斷路器等;按操作機(jī)構(gòu)的控制方法,分為人力操作斷路器、電動(dòng)操作斷路器等;按是否具備隔離功能,分為適合隔離斷路器、不適合隔離斷路器;按安裝方式,分為固定式斷路器、插入式斷路器、抽屜式斷路器。

2 低壓斷路器的選擇

2.1 按正常工作條件選擇

(1) 電壓。斷路器的電壓應(yīng)與回路所在電壓相適應(yīng)。

(2) 電流。斷路器的額定電流應(yīng)大于所在回路的計(jì)算電流,小于所在回路線路的載流量。

(3) 頻率。斷路器的額定頻率應(yīng)符合所在回路的標(biāo)稱頻率。

2.2 按保護(hù)選擇性選擇

(1) 過電流選擇性。兩個(gè)串聯(lián)的過電流保護(hù)電器的過電流配合。在下級保護(hù)電器保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生過電流故障時(shí),上下級保護(hù)電器均檢測到過電流信號(hào),下級保護(hù)電器先于上級保護(hù)電器動(dòng)作的過程[4-6]。

(2) 全選擇性。在兩臺(tái)串聯(lián)的過電流保護(hù)裝置的情況下,負(fù)荷側(cè)的保護(hù)裝置實(shí)行保護(hù)時(shí)而不導(dǎo)致另一臺(tái)保護(hù)裝置動(dòng)作的過電流選擇性保護(hù)。

(3) 局部選擇性。在兩臺(tái)串聯(lián)的過電流保護(hù)裝置的情況下,負(fù)荷側(cè)的保護(hù)裝置在給定的過電流值及以下實(shí)行保護(hù)時(shí)而不導(dǎo)致另一臺(tái)保護(hù)裝置動(dòng)作的過電流選擇性保護(hù)。

選擇性的原則是最靠近故障點(diǎn)的保護(hù)電器先動(dòng)作,遠(yuǎn)離故障點(diǎn)的保護(hù)電器后動(dòng)作。當(dāng)最靠近故障點(diǎn)的保護(hù)電器將故障切除時(shí),配電系統(tǒng)的其他保護(hù)電器仍然正常工作,保證配電系統(tǒng)故障點(diǎn)波及的面最小。

2.3 按短路條件選擇

對配電系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)期短路電流計(jì)算,來確定斷路器在短路條件下的短時(shí)耐受電流(Icw)和額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰?Ics)。

2.4 按使用環(huán)境選擇

斷路器在正常、化工腐蝕、高原地區(qū)、熱帶地區(qū)等環(huán)境下的各特性參數(shù)會(huì)受到相應(yīng)的影響。因此斷路器在不同工作環(huán)境下,需要適應(yīng)斷路器參與配電系統(tǒng)的構(gòu)建。例如,熱帶地區(qū),周圍空氣溫度相對較高,正常和短路條件下,斷路器的散熱就會(huì)有很大偏差,被保護(hù)線路的I2t電纜絕緣特性也會(huì)受到影響,會(huì)對斷路器的選擇產(chǎn)生影響。

3 低壓斷路器的整定

3.1 配電線路保護(hù)的低壓斷路器的整定

(1) 低壓斷路器的額定電流整定Irt:

IrQ≥Irt≥Ic

(1)

式中:IrQ——斷路器殼架等級的額定電流(塑殼式或開啟式中所能裝的最大過電流脫扣器的額定電流),A;

Irt——反時(shí)限過電流脫扣器的額定電流,A;

Ic——線路的計(jì)算負(fù)荷電流,A。

(2) 反時(shí)限過電流脫扣器的整定Iset1:

Iz≥Iset1≥Ic

(2)

式中:Iz——導(dǎo)體允許的持續(xù)載流量,A;

Ic——線路的計(jì)算負(fù)荷電流,A。

(3) 定時(shí)限過電流脫扣器的整定Iset2:

Iset2≥Kset2[IstM1+Ic(n-1)]

(3)

式中:Kset2——定時(shí)限過電流脫扣器的可靠系數(shù),可取1.2;

IstM1——線路最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流,A;

Ic(n-1)——除起動(dòng)電流最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)以外的線路計(jì)算負(fù)荷電流,A。

定時(shí)限過電流脫扣器的整定時(shí)間通常有0.1 s(或0.2 s)、0.4 s、0.6 s、0.8 s等,根據(jù)需要確定。其整定時(shí)間要比下一級任一組熔斷器可能出現(xiàn)的最大熔斷時(shí)間大一個(gè)級量,上下級時(shí)間級差≥0.1～0.2 s(保證上下級的時(shí)間選擇性)。

(4) 瞬時(shí)過電流脫扣器的整定Iset3:

(4)

式中:Kset3——瞬時(shí)過電流脫扣器的的可靠系數(shù),可取1.2;

Ic(n-1)——除起動(dòng)電流最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)以外的線路計(jì)算負(fù)荷電流,A。

為滿足各級間的選擇性要求,選擇低壓斷路器瞬時(shí)脫扣器的電流整定值還應(yīng)大于下一級保護(hù)電器所保護(hù)線路的故障電流。非選擇性低壓斷路器瞬時(shí)脫扣器的電流整定值在大于回路正常工作時(shí)的尖峰電流條件下,盡可能整定得小些。

以施耐德NSX630S Micrologic 5.3 A和6.3 A或6.3E-400 A和630 A配電保護(hù)用斷路器脫扣曲線為例[7],如圖1所示,塑殼斷路器殼架等級的額定電流為630 A,由脫扣曲線可知:

① 當(dāng)I/Ir≤1,即I≤630 A時(shí),隨著時(shí)間t的增加,I≤630 A且垂直于電流比軸的直線是不會(huì)與脫扣曲線相交的,斷路器不會(huì)脫扣。

② 當(dāng)1≤I/Ir≤10,即I≥630 A時(shí),隨著時(shí)間t的增加,I>630 A且垂直于電流比軸的直線會(huì)與脫扣曲線相交,電流越大,交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間越短,這是脫扣器的反時(shí)限特性區(qū)間,此區(qū)間在線路出現(xiàn)短時(shí)過載時(shí)不至于經(jīng)常性動(dòng)作。

③ 當(dāng)I/Ir>10,即I>6 300 A時(shí),隨著時(shí)間t的增加,I>6 300 A且垂直于電流比軸的直線會(huì)與脫扣曲線相交,電流越大,交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間保持不變且為恒定值,這是脫扣器的定時(shí)限特性區(qū)間(也稱短延時(shí)區(qū)間),見圖1中,短延時(shí)時(shí)間可以整定為0.1 s、0.2 s、0.3 s、0.4 s,此區(qū)間主要保證上下級斷路器之間的選擇性。

④ 當(dāng)電流I超過定時(shí)限特性區(qū)間進(jìn)入瞬時(shí)脫扣區(qū)間時(shí),斷路器的脫扣時(shí)間突變至極其短,此區(qū)間也成為能量脫扣區(qū)間。圖1中,瞬時(shí)脫扣時(shí)間<10 ms。此區(qū)間I2tR會(huì)瞬間釋放出大量的熱,如不以最短的時(shí)間斷開,電纜的絕緣會(huì)迅速損壞。

圖1 配電保護(hù)用斷路器脫扣曲線

3.2 照明線路保護(hù)的低壓斷路器過電流脫扣器的整定

(1) 反時(shí)限過電流脫扣器整定值Iset1:

Iset1≥Kset1Ic

(5)

式中:Ic——照明線路的計(jì)算負(fù)荷電流,A;

Kset1——可靠系數(shù)。

(2) 瞬時(shí)過電流脫扣器整定值Iset3:

Iset3≥Kset3Ic

(6)

式中:Ic——照明線路的計(jì)算負(fù)荷電流,A;

Kset3——可靠系數(shù)。

可靠系數(shù)值如表1所示。

照明線路保護(hù)的低壓斷路器一般不整定短延時(shí)。因照明線路一般為末端線路,為保證照明設(shè)備承受過電流的時(shí)間最短,保證設(shè)備不損壞,發(fā)生短路故障時(shí),希望以最短時(shí)間切斷照明線路,所以通常不整定短延時(shí)[8]。

表1 可靠系數(shù)

3.3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)的低壓斷路器額定電流及脫扣器的整定值

(1) 過電流脫扣器的額定電流和可調(diào)范圍應(yīng)根據(jù)整定電流選擇;斷路器的額定電流應(yīng)不小于長延時(shí)脫扣器的額定電流。

(2) 瞬時(shí)過電流脫扣器的整定值Iset3:

Iset3=Kset3Ist

(7)

式中:Kset3——瞬時(shí)過電流脫扣器的的可靠系數(shù),一般取2.0～2.5;

Ist——電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流,A。

(3) 用作后備保護(hù)的長延時(shí)脫扣器的整定值Iset4:

(8)

式中:Ksd——斷路器的瞬動(dòng)電流倍數(shù)。

(4) 用作過載保護(hù)的長延時(shí)脫扣器的整定值應(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)的起動(dòng)時(shí)間。

以施耐德NSX630S Micrologic 6.3E-M-320A和500 A電動(dòng)機(jī)保護(hù)用斷路器脫扣曲線為例,如圖2所示,曲線含義和配電保護(hù)用斷路器類似,只是瞬動(dòng)電流倍數(shù)不同,同時(shí)需要考慮電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間,保證電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流-時(shí)間特性曲線始終在斷路器脫扣曲線的下方。

圖2 保護(hù)用斷路器脫扣曲線

4 低壓斷路器的校驗(yàn)

(1) 按短路電流校驗(yàn)低壓斷路器的分?jǐn)嗄芰?

Ics≥Ib3

(9)

若滿足式(9)有困難時(shí),至少應(yīng)保證

Icu≥Ib3

(10)

式中:Ics——斷路器在規(guī)定的工作條件下應(yīng)能分?jǐn)嗟念~定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰χ?用預(yù)期分?jǐn)嚯娏鞅硎?相當(dāng)于額定極限短路分?jǐn)嗄芰σ?guī)定的百分?jǐn)?shù)的一檔,并化整到最接近的整數(shù),kA;

Ib3——被保護(hù)線路最大三相短路電流有效值,kA;

Icu——斷路器在規(guī)定的工作條件下應(yīng)能分?jǐn)嗟念~定極限短路分?jǐn)嗄芰χ?用預(yù)期分?jǐn)嚯娏鞅硎?在交流情況下用交流分量的有效值表示),kA。

(2) 按短路電流校驗(yàn)低壓斷路器動(dòng)作的靈敏性:

Idmin≥KrelIset3或Idmin≥KrelIset2

(11)

式中:Idmin——被保護(hù)線路末端最小接地故障電流,A;

Iset3——低壓斷路器瞬時(shí)過電流脫扣器的整定值,A;

Iset2——低壓斷路器定時(shí)限過電流脫扣器的整定值,A;

Krel——低壓斷路器瞬時(shí)或定時(shí)限過電流脫扣器動(dòng)作可靠系數(shù),均取1.3。

5 低壓斷路器的應(yīng)用

低壓斷路器應(yīng)用(一)如圖3所示,線路末端負(fù)載為熒光燈照明負(fù)載,有功功率Pc=10 kW,功率因數(shù)取0.9,不考慮需要系數(shù)的影響。導(dǎo)線采用ZR-BV-5×10,穿SC32的焊接鋼管,斷路器QF1出線端最大三相短路電流有效值為5 kA。

圖3低壓斷路器應(yīng)用(一)

斷路器QF1選型整定校驗(yàn)過程如下:

(1) 由Pc=10 kW,cosφ=0.9,可計(jì)算得出線路計(jì)算電流Ic=16.88 A。

(2) 查文獻(xiàn)[1],導(dǎo)線ZR-BV-5×10穿SC32焊接鋼管載流量為32 A。

(3) 選型整定。QF1采用小型斷路器,脫扣器可靠系數(shù)取1.0時(shí),反時(shí)限過電流脫扣器整定值為16.88 A≤Iset1≤32 A,Iset1取20 A、25 A均可;瞬時(shí)過電流脫扣器整定值為Iset3≥(4～7)Ic,當(dāng)Kset3取4時(shí),Iset3≥67.52 A。

(4) 校驗(yàn)。① QF1在保證發(fā)生多次短路后,斷路器不出現(xiàn)損壞現(xiàn)象,則QF1的額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs必須大于5 kA;② QF1靈敏度校驗(yàn),Idmin≥Iset3=67.52 A,當(dāng)線路末端最小接地故障電流不滿足此式的要求時(shí),則需要調(diào)整Iset3或瞬時(shí)多電流脫扣器的可靠系數(shù)。

低壓斷路器應(yīng)用(二)如圖4所示,線路末端負(fù)載為電動(dòng)機(jī)負(fù)載,有功功率Pc=10 kW,功率因數(shù)cosφ取0.8,電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流Ist為190 A,導(dǎo)線采用ZR-BV-5×10,穿SC32焊接鋼管。

圖4低壓斷路器應(yīng)用(二)

斷路器QF2選型整定校驗(yàn)過程如下:

(1) 由Pc=10 kW,cosφ=0.8,可計(jì)算得出線路計(jì)算電流Ic=18.99 A。

(2) 查文獻(xiàn)[1],導(dǎo)線ZR-BV-5×10穿SC32焊接鋼管載流量為32 A。

(3) 選擇整定。QF2采用電動(dòng)機(jī)保護(hù)專用斷路器,瞬時(shí)過電流脫扣器可靠系數(shù)取2.2時(shí),

反時(shí)限過電流脫扣器整定值為18.99 A≤Iset1≤32 A,Iset1可取25 A;瞬時(shí)過電流脫扣器整定值為Iset3≥2.2Ist=418 A,Iset3可取500 A;用作后備保護(hù)的長延時(shí)脫扣器整定值(Ksd=10)為Iset4≥2.2×190/10 A=41.8 A,Iset4可取50 A。

6 結(jié) 語

分析了不同使用場合的低壓斷路器參數(shù)的整定及低壓斷路器分?jǐn)嗄芰?、靈敏度校驗(yàn),結(jié)合廠家斷路器,進(jìn)行更詳細(xì)和深入的探究,可為低壓斷路器的選型提供參考。