淺談鐵礦配電變壓器低壓側(cè)主斷路器的選擇

孫召影

（五礦礦業(yè)（安徽）工程設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

日前，安徽省某鐵礦車(chē)間發(fā)生一起電氣故障，礦方反應(yīng)，近日生產(chǎn)過(guò)程中該車(chē)間突然出現(xiàn)全部用電設(shè)備停電的情況，影響了鐵礦的正常生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得知，該車(chē)間所有電源均取自車(chē)間內(nèi)部容量為500 kVA的變壓器，由于小動(dòng)物啃噬、線路絕緣老化等綜合原因，一臺(tái)132 kW交流異步電動(dòng)機(jī)的配電線路發(fā)生了單相接地故障，造成該線路首端低壓斷路器和變壓器低壓側(cè)主斷路器都瞬時(shí)跳閘，從而導(dǎo)致了全車(chē)間的停電。

根據(jù)分析，電纜絕緣破壞是該線路故障的主要原因，而全車(chē)間停電的主要原因初步判斷為變壓器低壓側(cè)主斷路器整定值不合理，導(dǎo)致下級(jí)線路故障時(shí)，本應(yīng)該只有下級(jí)斷路器動(dòng)作來(lái)切除故障，而由于主斷路器整定值沒(méi)有做到級(jí)間配合，保護(hù)失去選擇性，造成越級(jí)跳閘，擴(kuò)大了事故停電面積。通過(guò)本次電氣故障調(diào)查工作可知，配電變壓器低壓側(cè)主斷路器的選擇和整定，直接影響整個(gè)低壓系統(tǒng)乃至整個(gè)車(chē)間供電的安全和可靠。下面就對(duì)配電變壓器低壓側(cè)主斷路器的選擇進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1 主斷路器類(lèi)型的選擇

低壓斷路器作為保護(hù)電器廣泛應(yīng)用于鐵礦低壓配電系統(tǒng)中，其分類(lèi)方式有很多種：按設(shè)計(jì)形式分為框架式（ACB）和塑料外殼式（MCCB）兩類(lèi)。按使用類(lèi)別分為A類(lèi)（非選擇型）和B類(lèi)（選擇型），選擇型斷路器具有過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)和短路瞬時(shí)保護(hù)的功能，非選擇型斷路器具有過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)、短路瞬時(shí)保護(hù)功能。

變壓器低壓側(cè)主斷路器作為低壓電源總進(jìn)線斷路器，通常采用配電型斷路器。由于鐵礦低壓用電設(shè)備多為二級(jí)負(fù)荷，低壓配電系統(tǒng)一般采用放射式供電，且配電級(jí)數(shù)不宜多于三級(jí)。低壓饋出線回路常選用非選擇型、塑殼斷路器，為保證供電可靠性以及便于管理，變壓器低壓側(cè)主斷路器多選用選擇型、框架式斷路器。

2 主斷路器過(guò)流脫扣器的整定

斷路器的整定主要是指各過(guò)流脫扣器的電流值和脫扣時(shí)間的整定。確定斷路器的類(lèi)型后，需要對(duì)其進(jìn)行參數(shù)整定，確保斷路器功能符合相應(yīng)要求，起到保護(hù)作用。

1）長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣器主要用于過(guò)負(fù)荷保護(hù)，其整定電流值Iset1通?？扇￠L(zhǎng)延時(shí)可靠系數(shù)乘以變壓器低壓側(cè)額定電流，且不大于連接導(dǎo)體所允許的持續(xù)載流量。在鐵礦配電設(shè)計(jì)中，為了使變壓器的容量得到充分利用而又不影響變壓器的壽命，變壓器低壓側(cè)主斷路器的長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流宜等于或接近變壓器低壓側(cè)額定電流。

2）短延時(shí)過(guò)電流脫扣器主要用于保證保護(hù)的選擇性，包括電流值的整定和延時(shí)時(shí)間的整定。電流值Iset2的整定分為以下三種情況：一是取短延時(shí)可靠系數(shù)、過(guò)電流倍數(shù)與變壓器低壓側(cè)額定電流三者的乘積，一般可取Iset1的4～8倍。二是需滿(mǎn)足選擇性（級(jí)間配合），即Iset2不小于下級(jí)斷路器瞬動(dòng)整定值最大者的1.3倍。三是需滿(mǎn)足保護(hù)裝置動(dòng)作的靈敏性，即Iset2的1.3倍不應(yīng)大于被保護(hù)線路末端的短路電流。鐵礦配電設(shè)計(jì)中，短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定時(shí)間tset2通常有0.1 s、0.2 s、0.3 s、0.4 s、0.6 s和0.8 s等幾種，上下級(jí)時(shí)間級(jí)差不小于0.1～0.2 s。根據(jù)下級(jí)保護(hù)電器類(lèi)型的不同，變壓器低壓側(cè)主斷路器的短延時(shí)時(shí)間也不同。當(dāng)下級(jí)均為非選擇型斷路器時(shí)，延時(shí)時(shí)間可取0.2～0.4 s。

3）瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定值Iset3應(yīng)保證能可靠切斷保護(hù)線路末端的短路電流，且保證選擇性Iset3應(yīng)大于下一級(jí)保護(hù)電器所保護(hù)線路的最大短路電流。為避免故障電流很大時(shí)上下級(jí)均瞬時(shí)動(dòng)作，Iset3在滿(mǎn)足靈敏性的前提下，一般盡量整定得大些。在實(shí)際配電設(shè)計(jì)中，由于低壓進(jìn)線主斷路器設(shè)有短延時(shí)過(guò)電流保護(hù)，且主斷路器與各饋出線斷路器均裝在配電柜內(nèi)，距離通常很短，在此范圍內(nèi)發(fā)生故障的可能性很小，故可不設(shè)置瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù)，以免饋出線故障時(shí)主斷路器無(wú)選擇性動(dòng)作，擴(kuò)大事故范圍。

斷路器的額定電流（殼架電流）不應(yīng)小于反時(shí)限過(guò)電流脫扣器的整定電流。

3 斷路器的短路分?jǐn)嗄芰?/h2>

低壓斷路器的短路分段能力用額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs和額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu來(lái)表示。額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu指的是斷路器在分?jǐn)嗔似涑鼍€端最大三相短路電流后還可再正常運(yùn)行,并可再分?jǐn)嘁淮芜@一短路電流，至于以后是否能正常接通及分?jǐn)啵瑪嗦菲鞑荒鼙ＷC。額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs指的是斷路器在其出線端最大三相短路電流發(fā)生時(shí)可多次正常分?jǐn)唷Ｍǔcs是Icu的一個(gè)百分?jǐn)?shù)。在礦山生產(chǎn)過(guò)程中，用戶(hù)不希望主斷路器發(fā)生一次跳閘后就要更換一次主斷路器，因此，設(shè)計(jì)時(shí)一般要求額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs不小于斷路器出線最大三相短路電流有效值。

在鐵礦配電設(shè)計(jì)中，對(duì)配電變壓器低壓側(cè)主斷路器的選擇思路為：主斷路器選擇框架式斷路器；長(zhǎng)延時(shí)Iset1取等于或接近變壓器低壓側(cè)額定電流；短延時(shí)Iset2可取Iset1的4～8倍且不小于下級(jí)瞬動(dòng)整定值的1.3倍，tset2為下級(jí)短路保護(hù)時(shí)間加0.1～0.2 s；不設(shè)置瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù)；額定運(yùn)行短路分段能力不小于被保護(hù)線路最大三相短路電流有效值。

4 工程設(shè)計(jì)實(shí)例

回到本文開(kāi)篇提到的故障問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集的資料，車(chē)間變壓器容量為500 kVA，負(fù)載率為85%，變壓器高壓側(cè)短路容量為75 MVA，故障的132 kW電機(jī)為車(chē)間最大負(fù)荷，其配電電纜型號(hào)為YJV-0.6/1 kV-13×185+1×95，故障點(diǎn)距配電點(diǎn)約50 m。故障前，變壓器低壓側(cè)主斷路器整定值：Iset1.A=720 A，Iset2.A=2880 A，Iset3.A=5760 A。故障回路斷路器整定值Iset1.B=315 A，Iset3.B=3780 A。低壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 低壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

母線阻抗很小，忽略不計(jì)，其余各部分相保阻抗查《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第四版）[1]表4-21、表4-23和表4-25，如表1所示。

表1 各部分相保阻抗值

故障點(diǎn)單相接地故障電流：

由于Id1（6650A）＞Iset3.B（3780A），導(dǎo)致故障回路本級(jí)斷路器跳閘，Id1（6650 A）＞主斷路器Iset3.A（5760 A），導(dǎo)致了主斷路器也同時(shí)瞬動(dòng)跳閘，造成全車(chē)間停電，驗(yàn)證了本文開(kāi)篇對(duì)主斷路器整定值不合理的初步判斷。因此，在更換故障線路電纜后，需對(duì)變壓器低壓側(cè)主斷路器的整定值進(jìn)行重新設(shè)計(jì)[2-3]。

2）短延時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流Iset2.A需滿(mǎn)足以下條件：

級(jí)間配合：

為了確保保護(hù)裝置動(dòng)作的靈敏性，主斷路器保護(hù)線路末端的單相接地故障電流為：

由于下級(jí)保護(hù)電器均為非選擇型斷路器，故對(duì)主斷路器的短延時(shí)整定時(shí)間沒(méi)有特別要求，可取0.2 s。

短延時(shí)整定電流取Iset2.A=7×720 A，整定時(shí)間tset2.A取0.2 s。

3）由于主斷路器有短延時(shí)過(guò)電流保護(hù)，為避免饋出線故障時(shí)主斷路器無(wú)選擇性動(dòng)作，不設(shè)置瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù)。

4）校驗(yàn)短路分段能力：

主斷路器出線端三相短路電流：

最大短路電流有效值Ip=1.51×15.42=23.44 kA。

經(jīng)樣本查得，Ics=55 kA＞Ip，滿(mǎn)足要求。

因此，變壓器低壓側(cè)主斷路器整定值調(diào)整為：Iset1.A=720 A，Iset2.A=5040 A，tset2.A=0.2 s。

5 結(jié)語(yǔ)

斷路器作為低壓進(jìn)線的常用保護(hù)電器，它的選擇和整定關(guān)系著變壓器所帶低壓用電設(shè)備的供電安全。簡(jiǎn)單介紹了其類(lèi)型選擇、參數(shù)整定及分段能力校驗(yàn)，希望能使讀者對(duì)變壓器低壓側(cè)主斷路器有更多認(rèn)識(shí)，能給礦山電力設(shè)計(jì)人員提供一定的參考和幫助。