低壓斷路器脫扣器的選擇

翁 國 璋

[ABB(中國)有限公司 南京分公司, 江蘇 南京 210005]

0 引 言

脫扣器是低壓斷路器的大腦,負責收集處理來自斷路器的各種信息,借助其強大的處理器,對采集到的電流、電壓、溫度等信號經(jīng)過分析、計算、轉(zhuǎn)換后,借助于各式顯示器實現(xiàn)交互。斷路器是對配電線路、用電設(shè)備進行各種保護、檢測的電氣元器件,配置的脫扣器最基本的保護功能有過載保護L、短延時短路保護S、瞬時短路保護I、接地故障保護G,簡稱為三段保護或四段保護;測量功能根據(jù)脫扣器的規(guī)格不同,能分別實現(xiàn)對電流、電壓、功率因數(shù)、有功/無功功率、電能、諧波等測量;可選通信功能根據(jù)用戶的需求情況實現(xiàn)后臺監(jiān)控等。

1 基本保護功能的參數(shù)及曲線

分別用In、I1/t1、I2/t2、I3、I4/t4來表示脫扣器的額定電流及過載保護L、短延時短路保護S、瞬時短路保護I、接地故障保護G的電流及其對應(yīng)的脫扣時間整定植。

1.1 萬能式斷路器的整定范圍(不同的品牌器件會有所差異)及整定方式

整定范圍包括過載保護L、短延時短路保護S、瞬時短路保護I、接地故障保護G的電流及脫扣時間,簡明三段LSI保護的脫扣器脫扣保護曲線如圖1所示。

圖1 簡明三段LSI保護的脫扣器脫扣保護曲線

整定方式有模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式整定方式是通過脫扣器面板上的撥碼開關(guān)或旋鈕進行有級的整定,其步距較大(如0.02In);而數(shù)字式整定方式則是在彩色觸摸屏顯示器上整定或通過大的液晶顯示器再配合幾個按鍵進行設(shè)置。這時脫扣器面板因少諸多整定用旋鈕后顯得非常簡潔,其調(diào)節(jié)步距可達0.001In,因此調(diào)節(jié)精度大幅度提高。

3種模擬整定式脫扣器外觀如圖2所示。

3種數(shù)字整定式脫扣器外觀如圖3所示。

1.2 脫扣保護的時間-電流關(guān)系式及簡明脫扣保護曲線

脫扣保護的時間-電流關(guān)系式一般有兩種:t=K/I2或t=K。

圖2 3種模擬整定式脫扣器外觀

圖3 3種數(shù)字整定式脫扣器外觀

由圖1可知哪些參數(shù)是可調(diào)的,帶雙箭頭的曲線代表該保護功能的參數(shù)帶有可調(diào)整能力。下面會進一步利用該簡明脫扣保護曲線圖對具體的脫扣器進行說明。

1.3 塑殼斷路器的脫扣器參數(shù)及整定范圍

低壓抽出式開關(guān)柜中使用的塑殼斷路器因需要在開關(guān)面板上裝設(shè)操作機構(gòu)以實現(xiàn)在門上對開關(guān)的合分操作,所以很少選擇在開關(guān)本體上帶顯示器的脫扣器,一般都是采用撥碼開關(guān)或旋鈕開關(guān)來實現(xiàn)各種參數(shù)的整定。

各品牌塑殼斷路器配LSI保護脫扣器的參數(shù)及整定范圍如表1所示。

表1中,ABB脫扣器Ekip LSI(用于250 A及以下的XT塑殼斷路器)及PR222DS/P-LSI(用于250 A以上的Tmax塑殼斷路器)除了可以通過面板上的撥碼開關(guān)實現(xiàn)手動設(shè)置外,還可以分別通過Ekip T&P單元附件及PR010/T測試設(shè)置單元實現(xiàn)電子式設(shè)置。

1.4 脫扣器的保護特性曲線說明

查看各元器件廠家的脫扣器參數(shù)表時,會發(fā)現(xiàn)過載保護L(或S保護)的參數(shù)欄中給出反時限的時間-電流保護式t=K/I2,那么在實際應(yīng)用中怎么理解保護特性曲線?

表1 各品牌塑殼斷路器配LSI保護脫扣器的參數(shù)及整定范圍

按GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》[1]第6.2.3條的要求,為了考察絕緣導體的熱穩(wěn)定性,應(yīng)按其截面積校驗,且應(yīng)符合下列規(guī)定:

t≤k2S2/I2=K/I2

式中:t——保護電器自動切斷電流的動作時間,s;

I——通過保護電器的預期故障電流或短路電流(交流方均根值),A;

S——截面積,mm2;

k——系數(shù),如交聯(lián)聚乙烯絕緣的銅芯導體,k取143,聚氯乙烯絕緣的銅芯導線,k取115(或103,適用于S>300 mm2)。

通過上面推斷公式,脫扣器的反時限時間-電流保護式t=K/I2很好地模擬該驗證式,以實現(xiàn)對保護線路的可靠保護。

以ABB XT2塑殼斷路器配Ekip LS/I脫扣器為例來進一步說明。XT2塑殼斷路器配Ekip LS/I脫扣器的脫扣曲線如圖4所示。

圖4 XT2塑殼斷路器配Ekip LS/I脫扣器的脫扣曲線

圖4中,特性曲線上斜四邊形的上下斜邊分別代表過載保護L的長延時整定時間t1在36 s或12 s時的動作曲線,如上面計算中I1=In,t1設(shè)定為12 s時的動作曲線就是與標示線有交點的下面那條動作曲線。當I1整定到0.4In時,動作曲線就下移至下面的斜四邊形上,此時t1設(shè)定在12 s時,6I1=6×0.4In=2.4In,可以看到對應(yīng)的動作時間為3 s,與前述I1整定在In時的動作時間相同。

那t1可設(shè)定為12 s或36 s,又有什么意義?導線可能會選擇不同的絕緣材料,如選擇交聯(lián)聚乙烯絕緣的銅芯導體或聚氯乙烯絕緣的銅芯導線,根據(jù)導線的熱穩(wěn)定性校驗式t≤k2S2/I2=K/I2,對應(yīng)k取值分別為143或115,在同樣截面積(二者的允許載流量也不同)的情況下,K值就會不同,如此在同樣的預期故障電流作用下,交聯(lián)聚乙烯絕緣的銅芯導體允許的動作時間t值就要比聚氯乙烯絕緣的銅芯導線允許的動作時間t值大,所以在選用熱容量值高的電纜時,t1值就可以整定在36 s的位置上,就能充分發(fā)揮導線的載流能力。所以,建議塑殼斷路器配置的脫扣器過載電流保護L要帶可調(diào)的t1。

當被保護回路的電流大于短延時短路保護S的整定電流I2時,動作曲線轉(zhuǎn)移,因為該脫扣器的t2值(t=K)只有2檔即0.1 s或0.2 s的定時限,所以S曲線的下面就落在10-1s,即0.1 s或0.2 s的水平線上。

另外,從圖4中也可以看出,當預期故障電流大到2 kA時,脫扣器將在10-2s即10 ms左右動作,實現(xiàn)瞬時短路保護I的功能。

下面介紹配電線路保護的電流設(shè)置及熱穩(wěn)定性校驗例。設(shè)電纜為截面積S=35 mm2的三芯電纜(銅芯),分別選擇1 kV聚氯乙烯(無鋼鎧護套,最高工作溫度70 ℃)/交聯(lián)聚乙烯(最高工作溫度90 ℃)絕緣電纜,空氣中敷設(shè)時允許載流量(環(huán)境溫度40 ℃)查GB 50217—2007《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》[2]的附錄C可知,允許載流量分別為105 A/150 A。

根據(jù)配電線路的過負荷保護公式:

Ic≤I1≤Iz,Idz≤1.45Iz

式中:Ic——回路的計算電流;

Iz——導體允許持續(xù)載流量;

Idz——保證保護電器可靠動作的電流。

據(jù)此分別整定塑殼斷路器的過載保護電流I1值為100/150 A(In選160 A的XT2N160 配Ekip LS/I 160 3P的開關(guān)),依據(jù)XT2配Ekip LS/I的脫扣曲線,可把L的時間t1整定在12/36 s(3I1=300/450 A時),因不同絕緣材料電纜的最高持續(xù)工作溫度(熱容量)不一樣,所以當選用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜時,可設(shè)置t1為較大值36 s。

用三段LSI的簡明脫扣曲線表示各品牌塑殼斷路器的脫扣曲線,如圖5～圖8所示。

圖5 ABB Ekip LS/I及Ekip LSI脫扣器的簡明脫扣曲線

由XT2塑殼斷路器配Ekip LS/I脫扣器的脫扣曲線可見,各型號脫扣器之間的差別主要體現(xiàn)在過載保護L的時間參數(shù)t1、短延時短路保護S的時間參數(shù)t2及瞬時短路保護I的電流I3能否可調(diào)上,如Ekip LS/I與Mic2比較,I1和I2都能調(diào)節(jié),I3固定不可調(diào),但前者的t1和t2均可調(diào),而后者的t1和t2則固定不可調(diào)。ETU20僅能對t2做出調(diào)節(jié)。

圖6 ABB PR221DS-LS/I及PR222DS/P-LSI脫扣器的簡明脫扣曲線

圖7 西門子ETU20及ETU40脫扣器的簡明脫扣曲線

圖8 施耐德Mic2及Mic5脫扣器的簡明脫扣曲線

如果需要對LSI三段保護的各個參數(shù)進行調(diào)整,就要選用圖5(b)～圖8(b)各品牌器件的脫扣器型號。

2 萬能式斷路器的一些特別保護功能

下面以ABB Emax2萬能式斷路器的脫扣器為例進行說明。Emax2配有3款脫扣器,分別為Ekip Dip、Ekip Touch、Ekip Hi-Touch,簡稱為Ekip D、Ekip T、Ekip H脫扣器,這里僅介紹后兩種脫扣器,Ekip T(Ekip H是其高端版)脫扣器顯示器選用大屏幕高分辨率彩色觸摸屏,所以通過觸屏操作就可以實現(xiàn)各種參數(shù)的設(shè)置、各種參數(shù)的查看等,與現(xiàn)在的智能手機很相似,其上一代產(chǎn)品是Emax配的PR122/P脫扣器,顯示器選用一款大屏幕的背光圖形顯示器,參數(shù)的設(shè)置需要通過屏幕右邊的上下鍵、回車鍵及ESC等4個鍵配合操作。Ekip T還是一款模塊化設(shè)計的脫扣器,根據(jù)實際需要可以添加不同的模塊(如測量和保護模塊、通信模塊等),實現(xiàn)各種參數(shù)的測量、保護及通信功能。

ABB Emax2萬能式斷路器用T&H脫扣器的測量保護功能如表2所示,可以看出只是后綴字母的差別,其功能差別很大。

表2 ABB Emax2萬能式斷路器用T&H脫扣器的測量保護功能

備注:“O”——具有該功能,“X”——不具有該功能。

脫扣器具有很多功能,所以選擇一款適合項目需求的產(chǎn)品顯得尤為重要。因為功能選項多,器件價格必然提高,同時如果各品牌器件之間的功能不同檔,也無法在同檔次的品牌器件間形成良好的競爭格局,獲得性價比最高的產(chǎn)品,以達到降低工程造價的目的。

表2中所列的特別保護功能如“雙重設(shè)置保護功能”,脫扣器可存儲 2組參數(shù)設(shè)置(適用于所有保護功能)。如果需要,可通過外部控制指令用第二組參數(shù)(setB)代替默認參數(shù)(setA)。這個指令一般當電網(wǎng)配置被改變時發(fā)出,如當電網(wǎng)系統(tǒng)中的緊急電源投入使用,引起負載能力和短路水平改變。

所以,一般情況下選用Ekip T脫扣器就能滿足工程上的絕大多數(shù)需求。Ekip H脫扣器只有在很復雜的配電系統(tǒng)(如大型電廠)才會使用,而且因Ekip H非常強大功能,價格比較貴。

3 脫扣器選擇要點

萬能式斷路器(可結(jié)合表2選擇)選擇的要點如下:

(1) 最基本的保護需要幾段保護,是三段LSI還是四段LSIG保護？

(2) 脫扣器的顯示器需要液晶式大屏幕顯示器？

(3) 需要脫扣器測量顯示哪些參數(shù)？僅測量顯示電流嗎(如果考慮到設(shè)計時,已設(shè)計多功能儀表)？

(4) 是否需要過欠電壓、低頻高頻、逆功率、相序等保護功能？

(5) 需要通信功能？

(6) 參數(shù)的設(shè)置是采用模擬式(撥碼開關(guān)或旋鈕開關(guān))調(diào)節(jié),還是采取數(shù)字式調(diào)節(jié)設(shè)定方式？

(7) 需要選用觸摸屏、采取觸摸操作進行參數(shù)設(shè)置(應(yīng)是發(fā)展的方向)？

塑殼斷路器(可結(jié)合表1選擇)選擇的要點如下:

(1) 最基本的保護需要幾段保護,是三段LSI還是四段LSIG保護？

(2) 過載保護功能L的電流整定值I1可調(diào),同時需要具備延時時間t1可調(diào)功能(t1最少應(yīng)該要有2檔可調(diào),以適應(yīng)配線電纜的變化)？

(3) 短延時短路保護功能S的電流整定值I2可調(diào),同時需要具備延時時間t2的調(diào)整功能？

(4) 瞬時短路保護功能I的電流整定值I3需要可調(diào)？

(5) 需要實現(xiàn)通信功能？

(6) 需要遠程控制開關(guān)合分閘(配電操作機構(gòu))？

4 結(jié) 語

斷路器的造價除了受額定電流、額定電壓、額定極限短路分斷能力Icu、額定運行短路分斷能力Ics、極數(shù)(這些參數(shù)在具體的項目中根據(jù)供電的需求及供電方案基本都是確定的)、機械及電氣壽命等參數(shù)的影響外,最大的影響因素應(yīng)是脫扣器性能,因此根據(jù)工程的具體需求,選擇一款合適且性價比高的產(chǎn)品顯得極為重要。