电气设计中关于短路防护器保护的计算

刘 燕

贵州大学，贵州贵阳 550003

电气设计中关于短路防护器保护的计算

刘 燕

贵州大学，贵州贵阳 550003

本文根据国家规范的对回路的短路保护要求的标准，选择短路保护电器的装设范围，并介绍了一种电气设计中计算干线短路保护器所能保护分支回路的长度的方法。分析介绍短路防护器各级之间的选择性配合的动作电流和动作时间的计算，同时对一种新型级间区域选择性连锁（ZSI）智能性断路器在三级配电网络发生短路故障时的动作状态进行了分析。

短路保护器；保护范围；选择性配合；ZSI

1 IEC GB50054 《低压配电设计规范》对回路的短路保护要求的标准

在电气发生故障时，为了防止因线路故障短路电流产生线路的过热造成设备的损坏，严重时可能引发火灾。短路防护器应满足的条件：

1）短路防护电器的遮断容量不应小于它安装位置处的预期短路电流，但在下述情况下可以装用较小遮断容量的防护电器。此较小遮断容量的防护电器前的上级防护电器应具有足够的遮断容量，来切断该预期短路电流，且这两级防护电器的特性应能适当配合，此时当上级防护电器切断该短路电流时，下级防护和它所保护范围的回路应能承受通过的短路电流而不致损坏；

2）被保护回路内任一点发生短路故障时，防护电器都能在保护回路的导体温度上升到允许限值前切断电源；

3）采用低压断路器保护时，短路电流不应小于低压断路器瞬时或短延时过电流脱口器整定电流的1.3倍。

2 短路保护电器装设的范围

并非所有的电气回路上都应或都能装设短路防护电器。以下的电气回路是不应装设短路防护电器：

1）变压器、发电机、蓄电池等电源设备出线口至其配电盘或控制盘的连接线的首段上短路防护器是无法安装的，其只能装设在线路末段的配电盘或控制盘上；

2）短路防护器在切断回路电源所造成的后果比不切断电源的后果更严重的回路；

3）某些检测回路，如三相四线制中的中性线，电流互感器的二次回路，出于安全的考虑，这些回路是不应装设短路防护器的；

在无短路防护电器的电气回路应劲可能远离易燃、可燃物环境或加强敷设条件避免短路产生的异常高温发生火灾事故。

3 计算干线短路保护器所能保护分支回路的长度

图1 不同分支回路截面积时干线短路防护的保护长度

图1所示，当短路防护电器安装在A点，当干线截面积为S1时，其能保护的最大长度为L1，较小截面积S2的回路，其保护的最大长度为L2，现在以L1，L2为直角边画一个直角三角形。长直角边AB表示干线，短直角边AC表示可保护的分支回路的最大值。在离A点距离为L3的D点引出一个分支回路，其截面积为S2，作一条与AC平行的直线DE与斜边BC相交于E点，DE的长度即是从O点能引出的能被保护的截面积为S2的分支回路的最大长度。

4 短路保护器之间的选择性配合的计算

实际电气设计中通常是采用低压断路器和熔断器两类电器作短路电流保护的系统，各级保护可任选断路器或熔断器作为保护。如何保证短路防护中上下级动作的选择性，可以避免越级跳闸引起停电面积的扩大。无选择性短路跳闸可造成某些重要负荷和特别重要负荷突然停电，从而造成重大损失。

1）熔断器之间的选择性配合

上下级熔断器之间选择性配合：在电弧时间小于0.1s时，要通过I2t特性校验。电流值大于16A的串联熔断体的过电流比为1.6：1，这一条件下可实现选择性熔断。

2）熔断器与非选择型断路器之间选择性配合

当熔断器是上级，非选择型断路器为下级短路保护器时，熔断器的熔断时间要大于断路器瞬时脱扣动作时间+0.1s；当非选择型断路器是上级，熔断器为下级短路保护器时，熔断器短路熔断电流小于Iset3，但在实际电气设计很少采用。

3）熔断器与选择型断路器之间选择性配合

当选择型断路器是上级，熔断器为下级短路保护器时，找出下级多个熔断器额定电流值的最大值Imax，根据短路电流计算出短路电流，Id大于1.3Iset2，再根据熔断器的电流特性曲线，查出短路电流条件下熔断时间t1，将断路器短路脱扣器动作时间t2=（0.15+0.2）t1；

4）非选择型断路器与非选择型断路器之间选择性配合

此种配合断路器的动作的配合缺乏选择性，故在实际设计中不采用。

5）选择型断路器与非选择型断路器之间选择性配合

当选择型断路器是上级，非选择型断路器为下级短路保护器时，上一级的Iset2要大于下一级Iset3的1.2倍。下一级Iset3在满足灵敏性的情况下，可设定大些为好，此做法可避免在短路电流很大的情况下，上下级都瞬时动作，使得断路器动作缺乏选择性。

6）级间区域选择性连锁（ZSI）

这是一种利用微电子技术生产的智能性断路器，它可完全有效的解决短路防护中的级间选择性瞬时误跳闸问题。该技术是电网中各级断路器脱扣器之间通过通信线路或数据交换实现选择性跳闸。概括来说，当检测电路在2ms内连续采样到的电流值均超过短路短延时或接地故障电流整定阀值时，控制器发出脱扣命令，与此同时检控制器还将发送一个信号给上级断路器：告知下一级脱扣器已脱离，并让上级断路器准备0.1s-0.4s延时脱扣。若下级断路器脱扣，使得故障排除，则上级断路器就推出延时脱扣状态，继续正常工作。当下级断路器脱扣器因机械等其它各类原因无法正常脱扣时，此时上下两级的控制器的检测电路均将检测出短延时或接地故障电流超过上下级整定阀值的情况，上一级控制器在20ms内没有接收到下一级断路器脱扣器送来的已脱扣的信号，且此时检测发现短路情况仍存在，则上一级控制器按预先设定预整定时间后瞬时分闸动作，同时是将故障分断级进行脱扣的信号向更上一级控制器传递，使得上级的断路器脱扣器不动作。图2为一典型的三级配电网系统在装设带有ZSI功能断路器时电路图。由于带有ZSI功能断路器存在上下各级之间的信号传递，所以要在这类智能断路器上下之间与主母线平行敷设一组控制线。

末段回路是最容易发生短路地方。当故障1发生时C2控制器检测出短路电流，其脱扣器动作，并向B1断路器报告下一级脱扣器已脱离信号，让B1准备0.1s-0.4s延时脱扣。若B1的控制器未检测到电流值均超过短路短延时或接地故障电流整定阀值时，B1脱扣器不动作，此时故障已在C2脱扣动作后切除了；若B1的控制器检测到电流值均超过短路短延时或接地故障电流整定阀值时，B1在C2脱扣器脱扣动作后0.1s-0.4s实施脱扣动作，并向上一级A断路器通知下一级脱扣器已脱离信号，让A准备0.1s-0.4s延时脱扣。若A未检测到电流值均超过短路短延时或接地故障电流整定阀值时，A脱扣器不动作，反之，则A脱扣器动作。在实际电气设计中若配电网为三级时，常将A和B1、B2 瞬时保护关闭，其脱扣器的延时时间设置分别为0.4s和0.2s，C1、C2、C3因处于末端，只需要长延时和瞬动保护。

这类智能智能性断路器可使配电系统设计更为合理，也无需增加配电回路数和为保证线路的热稳定性增加回路导体的截面积。但此类产品价格较高，故目前适用于重要的建筑物的配电系统中，随着技术的发展，此类智能智能性断路器将广泛使用于各类配电系统中，从而帮助电气设计人员解决越级跳闸造成停电面积扩大的问题。

5 结论

短路保护器是在电路在发生短路故障的瞬间对发生故障的电路进行切除，减少短路故障的影响范围，减少停电范围。上述内容就短路线路的保护范围的简单计算和短路保护器之间的选择性配合的计算进行详细的分析，并指出各级保护器配合的整定时间和整定电流的关系以及使用的情况，并着重介绍了一种新型级间区域选择性连锁（ZSI）智能性断路器，对其工作原理和在三级配电网络发生短路故障时的动作状态进行了分析。

[1]王厚余.低压电气装置设计安装和检验[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]周茂祥.低压电器设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992.

[3]中国航空工业规划设计研究院等编.工业和民用配电设计手册[S].3版.中国电力出版社，2005，10.

[4]《低压配电设计规范》GB50054-1995.

TN7

A

1674-6708（2011）48-0109-02

刘燕，讲师，国家注册电气工程师，研究方向：建筑电气