供配電設(shè)計(jì)中低壓斷路器的選型探討

冉敏敏

摘要：在眾多開(kāi)關(guān)電器中，低壓斷路器越來(lái)越多的應(yīng)用在供配電系統(tǒng)中，它不僅可以接通和斷開(kāi)正常的工作電流和過(guò)載電流，還可以在故障情況下能快速地分?jǐn)喽搪冯娏?，?shí)現(xiàn)對(duì)線路和電氣設(shè)備的有效保護(hù)，保證了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在供配電設(shè)計(jì)中，合理選擇低壓斷路器，是確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行置關(guān)重要的一環(huán)。本文將對(duì)如何合理選擇低壓斷路器展開(kāi)論述，對(duì)供配電設(shè)計(jì)初學(xué)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：低壓斷路器;供配電系統(tǒng);合理選擇

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)低壓斷路器經(jīng)歷了四代的發(fā)展演變過(guò)程，從最開(kāi)始的體型龐大的刀開(kāi)關(guān)逐漸發(fā)展為現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大的模塊化、智能化和小型化的低壓斷路器，結(jié)構(gòu)和性能日趨完善和優(yōu)良，廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和建筑業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其可靠性和安全性的高低直接影響是否能保障電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。如果沒(méi)有選擇合適的低壓斷路器，當(dāng)配電線路發(fā)生短路故障時(shí)，低壓斷路器因沒(méi)有及時(shí)斷開(kāi)故障電流，輕則引起線路和電氣設(shè)備燒毀等情況，重則引發(fā)電氣火災(zāi)，造成人員傷亡事故，不僅給用戶(hù)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)使用者的人身安全帶來(lái)一定的威脅。因此，在供配電設(shè)計(jì)中，如何科學(xué)合理地選擇低壓斷路器的類(lèi)型及參數(shù)，是每個(gè)設(shè)計(jì)人員必備的一項(xiàng)技能。本文將分別詳細(xì)介紹在配電線路中和電動(dòng)機(jī)回路中低壓斷路器的選擇方法。

低壓斷路器的種類(lèi)

低壓斷路器的種類(lèi)較多，大致分類(lèi)如下：按滅弧介質(zhì)來(lái)分，有真空式和空氣式;按保護(hù)特性來(lái)分，有非選擇型和選擇型;按外觀結(jié)構(gòu)來(lái)分，有塑料外殼式和開(kāi)啟式;按動(dòng)作速度來(lái)分，有一般型和快速型;按使用場(chǎng)合來(lái)分，有配電型和電動(dòng)機(jī)保護(hù)型。

配電線路中低壓斷路器的選擇

1.低壓斷路器的類(lèi)型選擇

應(yīng)用在配電線路中的低壓斷路器有非選擇型和選擇型兩種類(lèi)型，它們的區(qū)別是：兩者均具有短路瞬時(shí)保護(hù)和過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)，唯一不同的是后者還具有短路短延時(shí)的保護(hù)特性。具體選擇哪種類(lèi)型的低壓斷路器還應(yīng)根據(jù)配電系統(tǒng)的配電方式來(lái)選擇。低壓配電系統(tǒng)的配電方式有樹(shù)干式、放射式、鏈?zhǔn)?、混合式等幾種。對(duì)于樹(shù)干式或混合式的配電線路，線路的干線很長(zhǎng)，線路中的保護(hù)電器較多，當(dāng)發(fā)生線路故障時(shí)，為了盡可能地使停電范圍縮小，這就使得離配電線路首端越近的保護(hù)電器，就越要求其具有選擇性，故常常選擇選擇型低壓斷路器。對(duì)于直接連接在配電線路最末端的電器設(shè)備，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，必須快速地將故障電流切除，故通常選用非選擇型低壓斷路器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電器設(shè)備的保護(hù)。

2.低壓斷路器參數(shù)選擇

在選擇低壓斷路器的參數(shù)時(shí)，首先要考慮的是所選用的斷路器的額定電壓應(yīng)該和所在線路的標(biāo)稱(chēng)電壓相同，斷路器的額定頻率也要和系統(tǒng)的標(biāo)稱(chēng)頻率相符。其次線路的計(jì)算電流要小于所選斷路器的額定電流。需要注意的是，這里說(shuō)的額定電流，是指斷路器的脫扣器可長(zhǎng)期允許流過(guò)的最大電流。低壓斷路器的參數(shù)中還有一個(gè)殼架電流，是指相同的殼體能裝下的脫扣器的最大額定電流，這兩者要區(qū)分開(kāi)來(lái)。以上基本參數(shù)選定后，我們還要校驗(yàn)低壓斷路器短路接通能力、短路分?jǐn)嗄芰σ约皠?dòng)作的靈敏性，絕大多數(shù)設(shè)計(jì)者都忽略了這一步。按短路時(shí)線路上出現(xiàn)的沖擊電流來(lái)校驗(yàn)低壓斷路器的額定短路接通能力，要求斷路器能短時(shí)耐受的最大預(yù)期峰值電流大于短路全電流的最大瞬時(shí)值。斷路器的分?jǐn)嗄芰t是按線路的最大短路電流的有效值來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)的，要求線路中可能出現(xiàn)的最大短路電流應(yīng)小于斷路器的額定短路分?jǐn)嗄芰?。按線路的最小短路電流來(lái)校驗(yàn)低壓斷路器動(dòng)作的靈敏性，要求線路的最小短路電流不應(yīng)小于斷路器短路整定短路電流的1.3倍。

3.低壓斷路器參數(shù)整定

圖1為低壓斷路器三段式保護(hù)特性圖，圖中Iset1為過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)電流整定值，Iset2為短路短延時(shí)保護(hù)電流整定值，Iset3為短路瞬時(shí)保護(hù)電流整定值。以上各個(gè)參數(shù)的整定應(yīng)按以下原則進(jìn)行設(shè)置：

（1）過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)電流整定值Iset1的設(shè)置。從圖1中可知，正常運(yùn)行時(shí)，斷路器過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作，故Iset1應(yīng)大于或等于線路所帶負(fù)荷的計(jì)算電流Ij，且小于或等于連接導(dǎo)體的載流量Iz，即Ij≤Iset1≤Iz。

（2）短路短延時(shí)保護(hù)電流整定值Iset2的設(shè)置。當(dāng)線路中最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在此臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)，線路上會(huì)出現(xiàn)很大的尖峰電流，此尖峰電流包括這臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流IstM1和線路上其他的負(fù)荷電流IC。為保證線路的正常運(yùn)行，斷路器應(yīng)該在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)應(yīng)躲過(guò)此尖峰電流而不動(dòng)作，故Iset2≥K2[IstM1+IC]，K2為斷路器短延時(shí)脫扣器的可靠系數(shù)，取1.2。

（3）短路瞬時(shí)保護(hù)電流整定值Iset3的設(shè)置。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)電流的周期分量是不變的，而非周期分量是隨時(shí)間慢慢衰減的，因此在電動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)的瞬間，是要考慮電流的非周期分量的，即應(yīng)按啟動(dòng)全電流考慮。當(dāng)線路中最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的瞬間會(huì)出現(xiàn)很大的尖峰電流，此尖峰電流包括這臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的全電流I’stM1和線路上其他的負(fù)荷電流IC。此時(shí)為了保證線路的正常運(yùn)行，在這臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的瞬間，斷路器的瞬時(shí)保護(hù)不應(yīng)該動(dòng)作，即Iset3≥K3[I’stM1+IC]，K3為斷路器瞬時(shí)脫扣器的可靠系數(shù)，取1.2。

在平時(shí)的設(shè)計(jì)中，經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)者們往往直接根據(jù)斷路器的額定電流Ie來(lái)進(jìn)行各參數(shù)設(shè)置，如：過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)整定值Iset1按（0.9～1.1）*Ie設(shè)置，其保護(hù)動(dòng)作時(shí)間按15s設(shè)置;短路短延時(shí)保護(hù)整定值Iset2按（3～5）*Ie設(shè)置，其保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可按0.1s、0.2s或 0.4s來(lái)設(shè)置;短路瞬時(shí)保護(hù)整定值Iset3按（10～15）*Ie設(shè)置。

4.低壓斷路器的級(jí)間配合

當(dāng)?shù)蛪号潆娋€路中的某一點(diǎn)發(fā)生接地、短路等故障時(shí)，要求選擇性地將故障電流可靠切除，盡可能地將停電范圍縮小，這就需要線路中的各級(jí)保護(hù)電器之間能夠相互協(xié)調(diào)配合。

非選擇型和非選擇型之間的級(jí)間配合

圖2中，A為上級(jí)斷路器，B為下級(jí)斷路器，兩者均為非選擇型。其中Iset1.A、Iset3.A分別表示為A斷路器的過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)和短路瞬時(shí)保護(hù)的整定值;Iset1.B、Iset3.B分別表示為B斷路器的過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)和短路瞬時(shí)保護(hù)的整定值。當(dāng)短路故障發(fā)生在B斷路器后的任意一點(diǎn)時(shí)，流過(guò)故障點(diǎn)的短路電流為Id。當(dāng)Id<1000A時(shí)，此時(shí)Iset3.A、Iset3.B均大于Id，故A、B斷路器的瞬時(shí)保護(hù)均不動(dòng)作，不能將故障電流切除，即不滿(mǎn)足保護(hù)靈敏性的要求。當(dāng)1000A2000A時(shí)，此時(shí)Id>Iset3.A（Iset3.B），故A、B斷路器的瞬時(shí)保護(hù)均動(dòng)作，此時(shí)將停電范圍擴(kuò)大了，即不滿(mǎn)足選擇性要求。綜上所述，上下級(jí)均為非選擇型斷路器的這種配合方式只有局部選擇性動(dòng)作，故在設(shè)計(jì)中不推薦采用。

選擇型和非選擇型的級(jí)間配合

圖3中，A為上級(jí)斷路器，為選擇型;B為下級(jí)斷路器，為非選擇型。其中Iset1.A、Iset2.A、Iset3.A分別表示A斷路器的過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)、短路短延時(shí)保護(hù)和短路瞬時(shí)保護(hù)的整定值;Iset1.B、Iset3.B分別表示B斷路器的過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)和短路瞬時(shí)保護(hù)的整定值。當(dāng)短路故障發(fā)生在B斷路器后的任意一點(diǎn)時(shí)，流過(guò)故障點(diǎn)的短路電流為Id。當(dāng)Id>3000A時(shí)，B斷路器瞬時(shí)動(dòng)作，而A斷路器的Iset3.A=15000遠(yuǎn)大于3000A，故斷路器A不會(huì)發(fā)生瞬時(shí)動(dòng)作;而又因A斷路器的Iset2.A=3900A>3000A，當(dāng)下級(jí)斷路器B故障瞬時(shí)未動(dòng)作時(shí)，此時(shí)上級(jí)斷路器A的短延時(shí)動(dòng)作，進(jìn)一步將故障范圍縮小在一定范圍。綜上所述，此種配電方式符合配電系統(tǒng)保護(hù)的要求，但前提條件是各參數(shù)必須設(shè)置正確。

低壓斷路器級(jí)間動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間的配合

當(dāng)配電線路發(fā)生故障時(shí)，為保證線路上的低壓斷路器不發(fā)生誤動(dòng)作，要求上下級(jí)低壓斷路器的動(dòng)作電流之比不應(yīng)小于1.1，當(dāng)裝設(shè)在不同電壓等級(jí)上的低壓斷路器的級(jí)間配合，應(yīng)將配合電流歸算到同一電壓等級(jí)。此外，上下級(jí)低壓斷路器保護(hù)動(dòng)作時(shí)間也應(yīng)有一定的時(shí)間差。通常情況下，上下級(jí)低壓斷路器的短路短延時(shí)保護(hù)之間的動(dòng)作時(shí)間差設(shè)置為0.5s，長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)之間、短路短延時(shí)與長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)之間的動(dòng)作時(shí)間差設(shè)置為0.5～0.7s。

四、電動(dòng)機(jī)回路中低壓斷路器的選擇

1.低壓斷路器的類(lèi)型選擇

用在低壓電動(dòng)機(jī)配電回路中的斷路器，應(yīng)采用電動(dòng)機(jī)保護(hù)型，其所帶保護(hù)附件的類(lèi)型應(yīng)根據(jù)斷路器在配電回路中的用途來(lái)選擇。當(dāng)除了起短路保護(hù)外，還兼作電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)時(shí)，應(yīng)選擇帶有長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)和瞬時(shí)保護(hù)的斷路器;當(dāng)只起短路保護(hù)的作用時(shí)，則可選擇只帶瞬時(shí)保護(hù)的斷路器，也可將長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)當(dāng)作過(guò)電流后備保護(hù);當(dāng)兼作低電壓保護(hù)時(shí)，還應(yīng)選擇帶有低電壓保護(hù)的斷路器。

2.低壓斷路的參數(shù)選擇

所選取的電動(dòng)機(jī)保護(hù)型低壓斷路器的額定電壓、額定頻率應(yīng)與電動(dòng)機(jī)的額定電壓、額定頻率一致，且斷路器的額定電流應(yīng)大于或等于長(zhǎng)延時(shí)脫扣器的額定電流。

3.低壓斷路器脫扣器保護(hù)電流整定

（1）低壓斷路器長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)整定值Iset1按如下原則選?。?/p>

當(dāng)長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)起電動(dòng)機(jī)的過(guò)電流保護(hù)作用時(shí)，應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電流來(lái)設(shè)置Iset1，要求Iset1≥，且電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間應(yīng)小于7.2 *Iset1電流下斷路器的動(dòng)作時(shí)間。

當(dāng)長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)起電動(dòng)機(jī)的過(guò)電流后備保護(hù)作用時(shí)，首先要滿(mǎn)足將2.2倍的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流作為斷路器瞬時(shí)動(dòng)作電流的條件，再根據(jù)此條件來(lái)設(shè)置Iset1。如籠型電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)應(yīng)符合下式：，為斷路器瞬時(shí)動(dòng)作的電流倍數(shù)。

（2）低壓斷路器的短延時(shí)保護(hù)整定值宜按躲過(guò)起動(dòng)電流周期分量最大有效值選取，且延時(shí)不宜小于0.1s。

（3）低壓斷路器的瞬時(shí)保護(hù)整定值Iset3按2～2.5倍的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流Ist來(lái)選取。

四、低壓斷路器的極數(shù)選擇

低壓斷路器在三相配電系統(tǒng)中通常起保護(hù)、電氣隔離、防電擊和控制的作用，極數(shù)有三極和四級(jí)兩種，其主要的區(qū)別在于低壓四極斷路器可以斷開(kāi)中性線，實(shí)現(xiàn)電源和電器裝置的徹底隔離，從而保證電器檢修的安全。電動(dòng)機(jī)回路中的低壓斷路器選用三極。配電線路中的低壓斷路器的極數(shù)選擇，在設(shè)計(jì)中，通常根據(jù)電力系統(tǒng)的接地型式和使用條件來(lái)選用不用極數(shù)的低壓斷路器。

配電系統(tǒng)的接地型式分為T(mén)N-S、TN-C、TN-C-S、TT、IT系統(tǒng)。在TN-S及TN-C-S的單電源系統(tǒng)中，由于中性線與PE線有一點(diǎn)連接，且系統(tǒng)又有總等電位聯(lián)結(jié)，當(dāng)在檢修中發(fā)生單相接地時(shí)，如果工作人員不小心觸摸到中性線時(shí)，由于PE線與中性線電位相同，因而不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，故低壓斷路器可選擇三極，沒(méi)有必要選擇四極。在TN-C系統(tǒng)中，由于中性線與PE線共用一根PEN線，而PE線是不能斷開(kāi)的，故在TN-C系統(tǒng)中嚴(yán)禁選用四極低壓斷路器。而在TT系統(tǒng)中，由于中性線沒(méi)有與PE線和總等電位聯(lián)結(jié)接通，當(dāng)檢修時(shí)，有可能因中性線出現(xiàn)電位而造成電擊事故，故TT系統(tǒng)的電源進(jìn)線斷路器應(yīng)選用四極低壓斷路器。在不引出中性線的IT系統(tǒng)中，應(yīng)選用三極低壓斷路器。在引出中性線的IT系統(tǒng)中，中性線上會(huì)出現(xiàn)浮動(dòng)的電位，當(dāng)因故障相線被斷開(kāi)的同時(shí)，必須斷開(kāi)中性線，故此系統(tǒng)中必須選用四極低壓斷路器。當(dāng)用在兩種不同接地系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換的低壓斷路器，必須采用四極低壓斷路器。值得注意的是，當(dāng)選用四極低壓斷路器時(shí)，斷路器的第四極應(yīng)該先接通，后斷開(kāi)。此外，為了避免低壓斷路器合閘后，第四極沒(méi)有接通而引發(fā)電擊事故，低壓斷路器應(yīng)該定期維修。

五、結(jié)束語(yǔ)

在供配電設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該全面理解低壓配電保護(hù)的各項(xiàng)要求，重視低壓斷路器在電力系統(tǒng)中對(duì)保護(hù)線路、電器設(shè)備和人身安全所起的重要作用，合理選擇低壓斷路器的類(lèi)型，正確設(shè)置各整定參數(shù)，切實(shí)保障低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性。

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